高精度绝对重力测量仪器与应用研究

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高精度绝对重力仪广泛应用于计量、地质、地震、地球物理、资源勘探与国防等领域,是获取重力场信息的主要仪器。本文针对高精度绝对重力测量与野外机动绝对重力测量问题,提出两种绝对重力仪研制方案并探讨研制过程中的关键技术。通过对测量结果的长期观测以及进行重力仪比对,验证了重力仪不确定度评估结果的合理性。T-1型高精度绝对重力仪使用改进型马赫增德尔干涉仪测量真空中自由下落角反射棱镜的运动,高速数据采集卡将干涉条纹信号数字化并输入计算机,软件寻找数字化条纹信号过零点,二阶拟合过零点时间位移计算当地重力加速度。论文重点讲述了弹簧下拉自由落体实现方案及其优化过程,通过建立支撑托盘与下落物体的运动模型选择合适的弹簧原长,使真空下落系统在实现满足数据处理需求的自由下落长度的同时,确保下落物体与支撑托盘的碰撞相对速度最小,从而延长下落物体的寿命。从参考基准、残余空气扰动、光学误差来源、电子器件误差来源、机械结构误差来源、算法误差来源以及测量环境误差来源等几方面对T-1型绝对重力仪的不确定度进行了较为全面的评估,仪器合成不确定度约为4.7μGal。自吸引效应是重力仪自身对于下落物体的引力造成的测量结果偏差,论文对T-1型绝对重力仪进行三维建模,利用有限元法计算系统自吸引效应,特别是首次计算了下落过程中与下落物体相对位置不断变化的支撑托盘的自吸引效应。通过自吸引曲线线性拟合与轨迹重建两种方法计算自吸引校正值为(-1.9±0.1)μGal。通过系统长期观测并参与国际比对,验证了合成不确定度评估的合理性。设计并研制了基于无拖曳小型真空仓的T-1s型绝对重力仪,采用全金属焊接密封小容积真空仓实现角反射棱镜自由落体运动。为延长自由落体时间,真空仓随下落物体一同下落。采用激光干涉方法测量下落物体轨迹,通过分析激光干涉仪测量臂光的程变化,推导出下落物体位移与干涉条纹相位、真空仓位移和测量臂附近空气折射率三者的关系,结合双通道软件过零检测技术拟合计算当地重力加速度。在对仪器进行较为全面的不确定度分析的基础上,进行了测量实验。测试结果表明T-1s型绝对重力仪10分钟测量结果均值的不确定度优于34μGal,有望实现野外机动测量,于国防与资源勘探领域发挥重要作用。
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