基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

自由落体绝对重力仪中参考棱镜振动测量技术

精确测量绝对重力仪参考棱镜的振动信号并将其用于补偿绝对重力测量值是提高绝对重力仪测量精度的一种解决方案。对此,本文介绍了参考棱镜振动测量的原理,设计了参考棱镜振动加速度测量装置,推导参考棱镜振动测量装置的传递函数。研究表明,可以将测量装置等效为加速度计,通过成熟的加速度计测量方法,可获得等效的加速度计传递函数参数,从而得到测量装置输出电压对参考棱镜振动加速度的传递函数,该函数能够解算出参考棱镜的振动加速度,以补偿绝对重力测量值。在实验室测得的数据与理论数据相符的基础上,通过在北京国家地球观象台做垂直振动摆的振动实验得出,实验曲线与理论模型公式刻画的幅频特性曲线重合,验证了参考棱镜振动测量装置在实际中使用的可靠性。

绝对重力仪落体光心质心距调校方法研究

为了最小化激光干涉式绝对重力仪中落体旋转引入的重力加速度测量误差,提出了一种基于落体悬吊的光心质心间距调校方法,结合落体的外部结构,搭建了一套简易高效的落体调校装置。该装置采用光电自准直仪测量落体悬吊状态下的俯仰角,可实现对落体质心位置的高准确度调节,进而完成对落体光心质心距的调校。对装置的测量不确定度进行了评估,得到落体光心质心距测量的合成标准不确定度为18.85μm。最后在NIM-3A型绝对重力仪上进行实验验证。结果表明,悬吊法调校落体的光心质心距优于20μm。若落体旋转角速度控制在0.02 rad/s以内,则落体引入的重力加速度的误差优于1μGal。

地震重力观测技术的新发展方向:绝对重力与重力梯度一体化观测

高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的《中国地球物理站网(重力)规划(2020—2030)》中绝对重力观测技术的不足和发展方向,提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现,强震孕育过程中壳—幔热物质运移引起的微重力变化信号,有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用,为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。

自由落体式绝对重力仪(A10型)测量关键技术与拉力调试方法

绝对重力仪是目前用于获得重力加速度,并服务于国家重力基准网建设的主要技术力量。综合考虑野外流动绝对重力测量环境和条件要求,A10型绝对重力仪正成为FG5型绝对重力仪由室内扩展室外观测的重要帮手;为保证仪器正常运行且观测数据可靠,开展A10型绝对重力仪调试与维护关键技术研究十分必要。本文基于A10型绝对重力仪与CG5型相对重力仪在三峡库区七个测点的联测段差对比、数据处理过程中固体潮与高度改正、计量参数激光频率变化、新旧测时卡替换中参数设置变化等重要环节,探讨了A10型绝对重力仪野外观测效率、数据处理与仪器校准等关键问题,并且根据使用与测试经验,给出了由于使用年限增加而经常出现落体拉力的调试流程,以上技术总结能够对该仪器长期维护与准确测量等方面提供重要的保障。

绝对重力仪落体光心与质心空间距离测量

为了准确测量重力仪落体光心与质心距离,减少落体光心与质心不重合引起的旋转对重力加速度测量的影响,设计了落体光心与质心空间距离测量装置。提出了1种光心与质心间距的计算方法,并仿真验证了计算方法的可行性。使用设计的测量装置对落体进行测试,结果表明:激光干涉仪在信号频率为0.3~0.5 Hz时的测量精度为0.1 nm,提出的计算方法可以使测量系统的A类不确定度优于10μm,最大调校测量误差为1μm。

1996年中国中西部地区高精度绝对重力观测结果

1996年，中国科学院测量与地球物理研究所利用目前国际上最先进的FGS／112型绝对重力仪，在我国中西部地区的湖北、四川、云南和广西省开展绝对重力测量．给出了15个绝对重力点的最新观测结果，并与其他类型仪器在一些点上的观测结果进行了比较．结果表明，FGS／112绝对重力仪在15个点的观测结果的精度优于2．78×10－8m／s2．该仪器具有较好的稳定性和重复性，并与其他类型仪器没有明显的系统误差．

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性及其船载应用评估

激光干涉绝对重力仪干涉信号处理算法的动态适应性研究是进行动态绝对重力测量的基本前提。本文基于希尔伯特变换、直接正交法、过零点法三种瞬时相位处理算法,提出了基于背景振动物理量的合理动态约束条件,即反向的振动速度不能超过落体的下落速度。构建的单频振动信号仿真实验表明:在满足约束条件时,采样频率为60 MHz,希尔伯特变换算法的精度优于10−13 m/s^(2),过零点算法的精度优于10−9 m/s^(2),直接正交算法的精度为(−7.9±2.0)×10−8 m/s^(2)。基于海浪模拟平台的实测试验表明:满足约束条件时,这三类瞬时相位处理算法均适用于动态环境,并获得了标准差为4.6×10^(−5)m/s^(2)的绝对重力测量值。更进一步,基于本文动态适应性结论对系泊和海面船载动态环境进行评估,结果表明:测量船在3级以下海况可以进行10^(−5)m/s^(2)量级绝对重力的测量;在3—4级海况下,需根据振动信号对测量结果进行筛选以获得10^(−5)m/s^(2)量级绝对重力测量结果;4级以上海况则不适宜进行动态绝对重力测量。

基于改进变分模态分解算法的海洋绝对重力数据滤波处理

原子重力仪具有采样率高、精度高及长期稳定性好等优点,适用于远洋深海高精度绝对重力测量工作。受恶劣海况影响,原子重力仪测量的绝对重力数据中存在大量非平稳、非线性的噪声信号,影响重力测量的精度,进而影响地质构造解释的准确性。为了消除重力测量数据中的噪声,本文分析了创新性地引入改进变分模态分解(improved variatio nal modal decomposition,IVMD)算法进行滤波处理。

基于冷原子重力仪的轨道移动绝对重力测量

绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用,但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般,可使用的范围有限。研制了一套轨道移动绝对重力测量系统,实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程,开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量,测量结果可靠。首先,在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440μGal⋅Hz^(-1/2),测量300 s的误差小于30μGal。其次,在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下,绝对重力测量不确定度优于15μGal,与相对重力仪(LG-1)的测量偏差优于40μGal。最后,轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9μGal⋅Hz^(-1/2)。所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量,为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案。

成都基准台绝对重力复测结果分析

2007年4月—2008年6月,用FG5/232、FG5/214绝对重力仪在成都地震基准台的绝对重力基准点进行了5次绝对重力重复观测,每次观测结果的标准偏差均小于±2×10-8ms-2,证明该绝对重力基准点环境噪声干扰小,地质条件稳定;通过对观测数据的处理和分析认为,2007年12月绝对重力值较2007年4月增大5×10-8ms-2,汶川大地震发生后,重力整体变化趋势为下降、略有升高起伏状态,但仍未恢复。

1996—2003年中国大陆高精度绝对重力观测

近十年间利用自由落体式绝对重力仪(FG5/112)对分布在全国55个测点进行了绝对重力测定,观测精度均优于5×10-8ms-2,对其中80%以上的测点还作了重复观测,文中给出了观测精度及其测量结果的互差.上述的测量极大地改善了我国目前重力网的精度和覆盖率,并为研究重力场的变化提供了重要的基础资料.本文还对观测结果和存在问题作了初步分析并提出有关建议.

我国绝对重力观测技术应用研究与展望

简要介绍了近年来运用高精度绝对重力仪,开展和建立我国2-5×10-8ms-2精度的绝对重力基准和绝对重力网工作;回顾了近年来中国学者利用绝对重力观测技术在地壳运动、地震监测与预报及地球动力学等研究方面所取得的成就;并探讨了未来进一步的应用前景.

欧洲Walferdange绝对重力仪比对观测

介绍2007年11月在卢森堡Walferdange举办的第二次绝对重力比对观测的概况,简述数据处理方法以及结果分析。有20台绝对重力仪参加了比对观测,在ECGS共15个测点上的比测结果标准偏差小于2.1×10-8m s-2。

绝对重力仪研制中几种干扰因素的实验研究

利用观测精度可达1-2×10^-8ms＆-2,的FG5绝对重力仪,开展了空气阻力、有无隔震弹簧以及仪器自震对重力观测影响等观测实验.通过在环境干扰较小的九峰站观测实验,得到如下结论：在正常大气压状态下所观测到的空气阻力影响约500×10-5ms^-2,比理论估算值大近30×10^-5ms^-2,若在低真空状态测量空气阻力也将产生2.3×10^-5ms^-2观测误差;落体室真空度维持系统（离子泵）工作不正常,空气阻力也将对重力观测造成0.1～4.1×10^-5ms^-2的观测误差;在地质条件比较稳定,环境震动干扰较小的基墩上测量,隔震弹簧的作用对观测结果影响不明显,但对测量精度影响较大.上述观测实验的进行,为自由下落法绝对重力仪的研制提供可靠依据.

事件计时器在小型快速绝对重力仪中的应用

将事件计时器(A032-ET)用于小型快速绝对重力仪中,并与FG5-112中的时间间隔计数器(SR620)进行同步比对观测。观测结果表明,事件计时器在计时精度、数据传输速度及存储深度等方面优于时间间隔计数器。

NIM稳频激光器在FG5-112绝对重力仪上的测试分析

利用中国计量科学研究院(NIM)研制的碘稳频He-Ne激光器替换FG5中使用的Winters Model 100碘稳频He-Ne激光器,并进行对比观测实验。实验表明,NIM的碘稳频He-Ne激光器能使FG5绝对重力仪正常工作,完全能够替代Winters Model 100碘稳频He-Ne激光器。

国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程绝对重力观测

介绍了2013~2014年使用A10/028和FG5/214两台绝对重力仪在国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程中绝对重力观测的情况,并对观测结果进行分析。结果显示,两台绝对重力仪观测结果精度及较差都在5μGal以内,满足高精度重力基准建设的技术要求;A10/028具有一定的野外观测适应性,FG5/214对重力细微变化信号的捕获具有优势,两台绝对重力仪同期观测对于提高观测结果的可靠性和准确度具有积极的作用。

“陆态网络”Ⅱ期西部绝对重力测定结果分析

介绍了2013～2014中国大陆构造环境监测网络的基本情况及西部地区绝对重力观测的情况,并对观测结果进行分析。结果表明,成果稳定性良好,89.5%的成果观测精度优于±5.00μGal,能够满足“陆态网络”的技术要求。

FG5-240绝对重力观测结果分析

介绍FG5-240对中国大陆及海岛17个测站进行绝对重力观测的情况,并对观测结果进行分析。结果表明FG5-240具有良好的稳定性,观测精度优于±5.00×10-8ms-2,满足绝对重力测定技术要求。