论文专区▏A10/35绝对重力仪测试及性能分析
【编者按】：A10型绝对重力仪用于测量重力加速度（g），具有高精度、便携式和易操作等优点。本文介绍了A10的基本原理，并与FG5型重力仪进行了对比分析。基于A10/35绝对重力仪的室内和野外测量数据，分析了该仪器的稳定性和影响测量精度的主要因素。测试结果表明，不同环境下该仪器测量组间离散度均小于10×10-8ms-2，仪器性能稳定可靠。最后提出了实际使用的具体建议。本文发表在《海洋测绘》2015年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。王应建，1978年出生，男，河南商水人，工程师，硕士，注册测绘师，主要从事大地测量和数据处理研究。
文/王应建 邱雪峰 张松堂 张宏伟 高新兵
一、引言
绝对重力测量不仅可以获得地面观测点上的绝对重力值，可用它为相对重力联测提供起算基准，且重复观测可以监测重力场的变化[1-4]。A10与FG5型绝对重力仪都是在JILA型重力仪基础上研制成功的，FG5型绝对重力仪的观测精度可达1-2×10-8ms-2。国内的FG5型绝对重力仪比测结果表明，FG5型绝对重力仪测定的绝对重力值具有较高的一致性，仪器之间不存在明显的系统偏差[5]。但FG5是试验室型的仪器，观测通常只能在地质稳定、温度15℃～30℃、有温控装置的室内条件下进行测量，野外环境下无法实施测量。基于此，Micro_g公司研发了可在户外环境下使用的、快速采集数据、便携的自由落体式A10绝对重力仪，适用环境温度为-20℃至38℃，可使用12V直流蓄电池供电。野外快速测量情况下，仪器的标称测量精度为±10×10-8ms-2。
二、A10绝对重力仪原理
⒈ 设计理论
测量g最简单的方法是直接测量自由落体的加速度，FG5和A10都是通过激光器、干涉仪和铷钟测定块体在落体室内下落的准确位置和时间，图1为绝对重力仪的测量原理。
块体即三面直角棱镜从真空箱的顶部做自由落体，下落的同时能接受并平行反射出激光。光敏二极管能够检测到未处理的条纹信号象征着块体的下降，未处理条纹信号中的干涉条纹能同步校准为时间和距离。图1中的波形图说明条纹信号的频率增加量对应着块体的加速度。
⒉ 理论基础
激光器、干涉仪和铷钟精确测定块体在落体室内的运动位置和时间，根据最小二乘拟合原理确定测点在有效高度处的绝对重力值。各参数求解公式为[5-6]：
式中，xi和ti为下落距离和时间；xo、vo和go分别是位置、速度和重力加速度的初始值；γ为观测点的垂直重力梯度；c为光速。
按照式⑴求解的go经过大气压、固体潮、海洋负荷潮、极移和参考高度等各项改正后得到绝对重力值[7-8]。
⒊ 与FG5不同点
A10和FG5都采用ML-1氦氖激光器，不同的是FG5使用1个频率的激光，而A10的激光器在电子管内通过平衡两个TM00模式来获得具有线性正交偏振现象的平稳频率，即红、蓝两种激光[9]。测量时落体组与组之间红蓝激光交替使用，可以消减激光波长慢速线性漂移对观测结果的影响。故A10的测量结果中观测组数都是红蓝激光观测值成对出现。
A10是缩小版的FG5，但在设计上又有所区别，最直接的就是激光器。FG5的激光器是单独的，自由拆卸，而A10的激光器集成到了下部单元；此外，FG5的落体室高度约20cm，而A10型绝对重力仪的落体室高度仅有约7cm。
三、测量精度
⒈ 内符合精度
内符合精度即重复测量精度是为了检验仪器的测量稳定性。测试选择在天津蓟县GNSS基准站内进行，该点位远离主要干线公路，地基较深，点位稳定。A10/35测试时间为2014年8月，共完成10次独立架设观测。垂直梯度值采用实测结果，3.4175×10-8ms-2/cm。每次观测设置相同，观测组数为6组，组间隔5min，落体间隔2s，每组落体100次，测量结果统计见表1。
测试结果表明，所有组的组间离散度即组间测量标准偏差均在1×10-8ms-2以内，观测结果互差均在10×10-8ms-2以内，内符合精度与标称测量精度相一致。
⒉ 外符合精度
外符合精度是为了检验仪器的测量准确度，绝对重力仪的外符合精度检验一般采用比对测量的方式进行。2013年国内5台FG5绝对重力仪和1台A10绝对重力仪在武汉九峰台进行了比对测量，结果显示，在4个观测墩上，A10与所有仪器测量结果平均值之差均在2×10-8ms-2以内[10]。
2015年3月，FG5/246与A10/35绝对重力仪在蓟县GNSS基准站进行了比对测量。比对采用同点同时的测量方式，将2台仪器同时架设在站内的观测墩上。垂直梯度采用实测值，FG5测量高度为131cm，A10测量高度为81.3cm。连续观测24小时，比对测量结果表明，A10/35与FG5/246测量结果互差在1×10-8ms-2以内，说明A10/35的测量结果可靠。
四、影响测量结果的因素分析
⒈ 环境因素
在条件较好的室内环境下，A10/35可以达到FG5的测量精度，A10与FG5组间误差均在2×10-8ms-2以内。而在野外环境中，由于观测台质量、天气、过往车辆、突发震动等环境噪声因素[11-12]，测量结果存在偶然性。图2为不同环境下的组内落体值分布，野外环境下测量时采用文献[11]中的建议，使用了必要的挡风措施。野外普通点位为村庄中的观测墩，组内离散较大，落体值变化幅度在±300×10-8ms-2，野外基岩点位的观测较理想，落体值变化幅度在±50×10-8ms-2左右。
⒉ 观测组数的影响
不同观测组数因测量点位的不同会呈现不同的变化趋势。表2为室内基准站点位和野外基岩点位的观测结果，可以看出，在测量环境较好的室内点位，不同观测组数的测量结果相差较小，组间离散度可在3×10-8ms-2以内，而野外点位的观测结果可能会因环境的变化带来不同的变化趋势。
在野外环境中，由于观测的组数越多，观测时间就越长，外部温度、气压等环境条件无法控制，导致测量结果有明显的变化。图3为A10/35在北京高崖口短基线标定场测量时，仪器记录的点位温度变化对测量结果的影响。可以看出，第7组向后，温度有明显的变化，同时，测量结果组间离散度逐渐变大。
⒊ 落体时间间隔的影响
落体时间间隔是指本次落体到下一次落体的时间间隔，可以设定不同的值，本文对2s和6s落体间隔的观测结果进行了统计。表3中的测试试验，观测组数均为6组，每组落体为50次。通过对不同环境下A10/35的测试表明，不同环境中设置的落体时间间隔对测量结果影响较小。
五、结束语
通过对A10/35绝对重力仪在不同环境下的测试，可以发现该仪器测量结果稳定、可靠。同时也不难总结出以下结论。
①在室内相对稳定的环境下进行测量，可以适当减少A10的观测组数，不影响观测结果和精度，延长仪器的使用寿命。
②野外测量时，6组（3对）落体数据即可获取可靠的观测结果，为检验可靠性，可以观测2次独立架设结果进行检核。
③野外测量环境多变不稳定，为了快速获取野外环境点位重力值，A10观测时间应尽量短，同时需要实时观察采集数据，发现问题及时处理。
④野外测量时观测台尽量选择在稳定的基岩上，采取必要的防风、防雨措施，同时要避免温度的剧烈变化，选择环境条件相对稳定的时间段内进行观测。
参考文献：
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