FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗

白 磊，張為民*，邢樂林，李建國，何志堂

（1.中國科學院 測量與地球物理研究所 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；2.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊，天津 300140；4.國家測繪地理信息局 第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗

白 磊1，張為民1*，邢樂林2，李建國3，何志堂4

（1.中國科學院 測量與地球物理研究所 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北 武漢 430077；2.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；3. 61365部隊，天津 300140；4.國家測繪地理信息局 第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

介紹了FG5x在FG5絕對重力儀基礎上的改進，以及FG5x-246與FG5絕對重力儀比對測量實驗的情況，并分析了測量結果。研究結果顯示，FG5x-246與FG5絕對重力儀的觀測結果沒有明顯差異，二者一致性較好；FG5x-246抗干擾能力較強，觀測重復性較好，離散度優于±1×10-8ms-2，其測量性能較FG5有所提升。

FG5x-246；FG5；比對；絕對重力測量；測量精度；離散度；標準差

絕對重力測量不僅可獲得地面觀測點上的絕對重力值，而且可以它為基準，進行重復觀測以監測重力場的變化，從而進一步獲得與地球內部物質遷移、地殼運動等有關的變化特征，為大地測量、地球物理、地球內部動力學機制、環境與災害監測提供重要依據[1,2]。目前國內外用于絕對重力測量的絕對重力儀主要有FG5型和A10型。這兩種型號的絕對重力儀均由美國Micro-g LaCoste公司研制生產，而FG5x型絕對重力儀（簡稱FG5x）是FG5的最新型號。FG5x標稱精度為±2×10-8ms-2[3]。

2013年6月中國科學院測量與地球物理研究所引進了FG5x-246絕對重力儀。為確保該儀器實測成果的可靠性，2013年6月16日～7月8日，FG5x-246與多臺FG5分別在多個點位上進行比對測量實驗。

1 FG5x與FG5的比較

1.1 基本原理

FG5x是FG5的改進型，其工作原理一致，即在真空狀態下，通過激光干涉條紋和銣原子頻標分別精確測定落體塊自由下落運動過程中的位置與時刻，再根據自由落體運動方程式求得測試點的重力值。計算公式為：

圖1 FG5絕對重力儀基本原理

1.2 FG5x在FG5基礎上的主要改進

1）自由落體距離增加：FG5x落體塊的自由落體長度比FG5長，距離約增加65%（約13 cm），時間約增加30%（約60 ms）。

2）落體塊驅動系統改進：將原有的單軌升降系統改進為雙軌平衡升降系統，以減小機械反沖力和空氣對自由落體的影響，且因為升降系統自平衡，儀器運輸時無需鎖擺；加大了伺服馬達的動力；采用直插式驅動系統減小了落體塊的水平位移；重新設計的落體塊減小了磁場對加速度的影響。

3）電子控制系統改進：減小了電子控制箱的體積；改進了伺服控制器的微處理器；采用了新的數據采集和處理軟件g9；增加了網絡遠程控制端口。

2 比對測量實驗介紹

2013年6月16日～7月8日，FG5x-246與4臺FG5（儀器號分別為112、214、232、240）分別在4個不同點位（見表1）進行了絕對重力測量。測量參數設置統一為：總組數不少于24組，組間時間間隔30 min，每組落體個數100個，落體間隔時間10 s。

3 比對測量過程及結果分析

比對測量過程如表2所示。比對測量結束后，對測量結果進行了整理和分析。

表3為統一用g9數據采集和處理軟件對絕對重力比對測量數據進行大氣壓、固體潮、海潮、參考高度、極移、重力梯度等改正后[9]，各臺儀器在各點的獨立結果（基于保密等級，重力值只顯示最后3位）。

表1 觀測點位信息

表2 各臺儀器在各點測量時間（2013年）

表3 比對測量獨立結果/10-8ms-2

其中，測量精度、離散度由g9軟件給出。標準差由式（2）計算得出：

式中，σ為標準差； N為每點總組數；xi為每組測量值；μ為組算術平均值。

通過分析表3數據可得到5臺儀器在各測點的測量結果指標對比，如表4所示。

由表4可以看出，FG5x-246在本次比對測量結果中，各項指標均優于4臺FG5。尤其在同等測量條件下，FG5x-246測量結果的離散度明顯優于FG5，且在4個測點的離散度浮動范圍最小（±0.62×10-8ms-2～ 0.93×10-8ms-2），這說明FG5x-246比FG5有更好的抗干擾性。結合FG5x在FG5基礎上的改進，比對測量結果的成因為：

表4 各臺儀器測量結果指標對比/10-8ms-2

1）自由落體距離增加，采樣點數增多。由前文所述FG5和FG5x的工作原理和式（1）可知，在同等測量條件下（相同的激光干涉、銣原子頻標和測量環境），每一次自由落體采集的xi和ti越多，則計算出的g0越精確。

將一對xi和ti稱為一個采樣點。FG5-112的采樣點數為每次落體512個，FG5-214為每次落體601個，FG5-232為每次落體610個，FG5-240為每次落體601 個。由于FG5x-246比FG5的自由落體距離增加了約13 cm，時間增加了約60 ms，其采樣點數為每次落體1 212個。

2）采用雙軌自平衡升降系統。在FG5上采用的是單軌升降系統，即只有一組滑輪組和導軌控制落體塊的升降。而在FG5x上采用的是雙軌自平衡升降系統，即兩組對稱的滑輪組和導軌控制落體塊的升降，且這套系統即便是在沒有動力的情況下也能保持自平衡。伺服馬達的振動在兩條導軌上相互抵消，極大程度上減小了伺服馬達的自振干擾，能更好地控制落體塊的升降。

3）更大動力的伺服馬達。FG5x增加了伺服馬達的功率，使其能更自如的控制落體塊。

4）重新設計的落體塊。Micro-g LaCoste公司在FG5x上重新設計了落體塊，使落體塊對外部磁場的敏感性明顯小于FG5[10]。

4 結 語

1）FG5x-246與4臺FG5的實測結果一致性很好，不存在明顯的系統偏差，且在各測點FG5x-246測量結果與平均結果差距很小（最大為-1.94×10-8ms-2），說明該儀器準確度較好。

2）在測量環境穩定的情況下FG5x-246的離散度優于±1×10-8ms-2，明顯優于FG5，具有良好的穩定性，可滿足絕對重力測定技術要求。

3）FG5x-246在各點的測量結果指標均明顯優于FG5，說明在相同測量環境下FG5x相對于FG5在測量性能上有一定提升。

[1] 王勇,張為民.FG5絕對重力儀[J]. 地殼形變與地震, 1996, 16(2):94-97

[2] 張為民,王勇,周旭華.我國絕對重力觀測技術應用研究與展望[J].地球物理學進展,2008,28(1):69-72

[3] Micro-g La Coste. FG5-x Absolute Gravimeter User's Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA, 2013

[4] 劉冬至, 李輝, 邢樂林,等.中國地震重力網絕對重力觀測結果的分析[J].大地測量與地球動力學,2007,27(5):88-93

[5] 王慶賓,吳曉平.絕對重力測量值的改正[J]. 測繪學院學報,2001,18(3):160-163

[6] 邢樂林,劉冬至,李輝,等.FG5絕對重力儀及測點3053的絕對重力測量[J].測繪信息與工程,2007,32(2):27-29

[7] Francis O. Indication of Uplift of Ardenne in Long Term Gravity Variations in Membach(Belgium)[J]. Geophys J Int,2004,158:346-352

[8] Jacob T. Absolute Gravity Monitoring of Water Storage Variation in Karst Aquifer on Larzac Plateau(Southern France)[J]. J Hydrology,2008,359:105-117

[9] Micro-g LaCoste. g9 User’s Manual[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

[10] Micro-g LaCoste. FG5x Brochure[R]. Microg Lacoste Colorado, USA,2012

P223.1

B

1672-4623（2016）03-0104-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.034

白磊，碩士，工程師，主要從事絕對重力測量及研究工作。

2015-03-31。

項目來源：國家重大科技基礎設施建設資助項目。（*為通訊作者）