我国高精度绝对重力仪研制现状

【摘 要】介绍了国内研制高精度绝对重力仪的进展情况，并对现阶段进行了分析，对后续发展提出了一些思考和想法，可为高精度绝对重力仪的国产化提供参考。

【关键词】绝对重力仪；国产化；冷原子干涉；自由落体式

高精度重力成果作为一种基础数据，一直是地球物理力学、大地测量学、地质结构、地壳运动等学科的重要依据，其广泛地应用于大地测量、地球物理、航空航天、地震研究、物探等行业和领域[1，2，3，4，5，6，7，8]。国内外获得高精度重力数据及成果（微伽级）的手段主要依靠高精度绝对重力仪的实测。

本文主要阐述了目前我国高精度绝对重力仪研制情况，从整体现状、关键环节的进展、技术难点、突破性进展等进行了总结和回顾，并对今后一段时间国内研制的发展提出一些自己的思考。

一、历史回顾

我国对于高精度绝对重力仪的研制基本从上世纪六十年代已经开始。开始阶段，我国从事高精度绝对重力仪研制的机构主要集中在研究所、院校及相关事业单位，以中国计量科学研究院为代表[9，10]。

从研究的进程来看，到上世纪末，我国基本实现了理论研究、实验装置、装置模块、样机实现、样机改进等一系列的复杂工作。主要的成果以中国计量科学研究院实现了三代样机（NIM型系列样机）为典型。该机型采用的技术路线和方案依据经典自由落体运动原理。根据资料[10，11]，NIM-Ⅱ型绝对重力仪参加国际比对时，该仪器的测量成果达到了一定的高水平，甚至可以说在当时处于世界一流水平（不确定度为5μGal，对平均值差1μGal。）该样机获得了国家科技进步二等奖[11]。

二、研究现状

进入二十一世纪后，前十年时间，我国在高精度绝对重力仪研制方向上相对而言有些停滞。一方面，对已有的研制成果进行后续改进和提高需要更深层次的理论深入研究和突破，同时在精密加工工艺、材料上需要更精密的基础设施，还要有相当的经验累积。这些因素在前十年左右还都不是很具备，特别是材料和精密加工工艺方面。

近几年，随着国内对高精度重力成果使用在理论和技术上的突破和实践，重力相关项目得到具体实施，高精度重力成果得到广泛应用，在不同领域重力成果发挥了积极的作用，在某些行业或领域重力成果的作用尤为明显[12，13，14]。这些都促进了我国绝对重力仪研制的快速发展。

三、主要成果

3.1理论研究

因为高精度绝对重力仪是一种集光、机、电、自动控制于一体的精密设备，同时对加工工艺、材料都要求较高。因此高精度绝对重力仪研制涉及的理论研究必须是多领域专业的，同时原子干涉绝对重力仪又涉及原子干涉、“冷原子”等物理前沿技术理论领域，具有较高的前沿性。

从目前国际上高精度绝对重力仪研制以及商品化的仪器类型来看，基本上分为两类。第一类以机械为技术工艺方案[15]；第二类以“冷原子”为技术工艺方案[16，17，18，19]。这两类仪器都是因自由落体运动为基本理论。通过精密测量“落体”自由落体运动过程中下落距离与对应时间，根据自由落体运动方程计算得到高精度重力成果。

根据公开的资料，国内在两类仪器研制的理论上都比较完备。机械式的理论研究国内表现出多样性，主要成果主要集中在各自研究团体在各自技术路线上的部件涉及的理论上有深入的研究，并取得了独立的成果。“冷原子”式的理论研究主要表现出与国际同步的特点。对于原子的冷却理论、原子干涉以的理论、 “原子自由落体运动”理论都有涉及，而且有一定的高度，从现有公开发表的资料来看，基本与国际水平一致，部分细节国内研究的更深入[16，17，18，19]。

3.2实验装置

在具体实现上，国内的成果相对于国际上的成果还有相当的距离。主要表现在两个方面。

一是国内目前的仪器主要还集中在实验装置或者工程样机的阶段。机械式的研制基本可以实现工程样机，而且相应的软、硬件已经得到验证，具备了产业化的可能性。“冷原子”式的研制基本还处于实验装置或向工程样机过度阶段[16，17，18，19]，技术方案得到验证，实验测试基本完成，实验效果达到预期，具备了工程样机实现的基础。

二是实验装置或工程样机的实验结果精度还有待提高。机械式的样机测试结果一般在10个微伽左右，单次实验结果较理想的可以达到5个微伽。与国际上同级别的商品化高精度绝对重力仪器在测量成果精度（优于5微伽）方面还有一定的距离。“冷原子”式的实验装置测试结果一般在50微伽左右。虽然与国际上该类仪器精度基本一致，但用于高精度（微伽级）的应用需求来说，还有待进一步研究。

四、后续研制关键问题

从上述情况国内与国际的结果分析来看，作者对国内后续高精度绝对重力仪研制的关键问题提出以下的看法。

4.1加快商品化

目前國内使用的高精度绝对重力仪大部分都是进口仪器。无论是维修、价格都不利于实际应用。维修周期长、价格昂贵，都增加的维修成本；仪器本身购置价格较高，动辄六七百万。这些都不利于高精度重力成果的实际应用。而目前相关项目又急需此类高精度重力成果。

另外，高精度绝对重力仪研制本身的目标就是产品化。现阶段的实验装置或者工程样机还是一个过程阶段，后续产品化、商品化是一个必然目的。而且，国内高精度绝对重力仪的商品化可以打破国外在该领域的垄断局面。

加快商品化是实现国内在该领域从无到有的突破性进步。目前国内已经具备了商品化的基础。因此加快商品化是目前最为关键的一点。

4.2深入关键技术研究

国内在高精度绝对重力仪基本原理方面的研究已经比较完善，但是在外围干扰减弱的相关理论上的突破还应继续深入。从目前实践来看，特别是地面震动的干扰减弱急需深入。在微伽级精度的水平上，地面震动已经成为一个重要考虑的因素，只有从理论上取得突破，才可能知道后续加工工艺的实现，从而实现真正的微伽级精度的工程样机。

4.3加快工艺、材料试验

后续工作中，加工和材料是实现商品化的一个关键环节。从目前国内的加工过程来看，相对加工还多集中于非高端机构，采用的材料对于仪器测试结果的影响还没有充分试验，这两点对于工程样机的试验精度在微伽级的影响不容忽略。不过，目前国内有些研究团体已经主要到这一点，也正在采取措施加大在加工工艺专业化、材料试验化的进度和力度。

4.4加快相关规程研究

目前国内相关规程主要是基于国外仪器的指标情况制定的。针对目前国内仪器设备研制的现状，主要是针对软件、基础参数设置、测试结果精度等实际情况开展综合研究，从而制定符合实际需要、国内仪器又能满足的技术规程，从而从法律层面促进国内拥有知识产权的设备在国家重力测量领域具有进入权利。

从目前来看，国内高精度绝对重力仪研制已经取得了从无到有的突破，相关理论、技术、装置、工程样机也取得了一定的阶段性成果。后续再一些关键环节还应加大力度，开展深入研发，才能使高精度绝对重力仪的国产化可以预期。

参考文献：

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[10] 胡华，李哲，李刚，等. T-1A型高精度绝对重力仪[J].导航与控制，2015， 14（2）： 17-22.

[11] 吴琼. 2011高精度绝对重力仪关键技术研究. 博士学位论文 （北京： 中国地震局地球物理研究所）

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