高精度绝对重力仪在资源勘探、地球科学研究及国防安全等方面都有着重要应用[1-2]．我国高精度的绝对重力仪主要依赖进口，目前服役的商用高精度绝对重力仪全部由美国Micro-g LaCoste公司研制和生产[3]．近年来，我国在绝对重力仪研制领域发展迅速，包括中国科学院精密测量科学与技术创新研究院[4-6](后简称中科院精密测量院)、清华大学[7]、中国地震局[8-9]、中国计量科学研究院[10-11]、华中科技大学[12-13]及浙江工业大学[14-15]等近10家单位都在开展传统角锥型或冷原子型绝对重力仪的研制工作，但都还没有形成成熟的产品，仪器的稳定性、可靠性等问题仍需大量的测试和实验数据进行验证，实现国产绝对重力仪的大规模应用．小型绝对重力仪IGG-03B利用激光干涉仪测量一个在真空腔中自由落体的角锥棱镜的运动轨迹，其中长度基准由稳频激光器提供，时间基准由原子钟提供，能够直接测量出一点的重力值，是一个集光、机、电于一体的复杂精密仪器，按照功能可以将其分为落体系统、激光干涉系统、隔振系统、测时系统和软件系统．而落体系统、激光干涉系统都无法独立工作和测试．落体系统的控制需要激光干涉系统输出的干涉条纹信号作为参考信号才能正常工作；而激光干涉系统的过零检测又需要落体系统和隔振系统的协同工作．各子系统的功能性能验证就成为研制过程不可回避的难点．本研究介绍了小型绝对重力仪IGG-03B将各子系统机械和电接口与商用FG5型绝对重力仪进行适配，通过FG5型绝对重力仪进行替换实验，独立验证其功能性能参数，解决研制过程中各子系统功能性能验证的难题．1 小型绝对重力仪IGG-03B简介1.1　基本原理小型绝对重力仪IGG-03B采用经典的自由落体角锥棱镜方案，如图1所示，是国际主流且非常成熟的绝对重力仪方案．10.13245/j.hust.220905.F001图1小型绝对重力仪IGG-03B工作原理示意图利用Mach-Zender型激光干涉仪测量真空中自由下落的角锥棱镜的运动，落体每下落1/2激光波长即产生一个干涉条纹，激光干涉仪中光电探测电路将干涉条纹信号每一次过零都转变为一个脉冲信号，而这些脉冲信号又通过铷原子钟和测时系统精确测量，从而获得时间和距离数据对ti和xi．最后通过下面的方程最小二乘拟合得到重力g值的大小，具体为xi=x0+v0ti+12g0ti2+γx0ti22+γv0ti36+γg0ti424，(1)式中：x0，v0和g0为自由参数，分别为最小二乘拟合得到的初始位置、速度和重力加速度的最优解；γ为重力垂直梯度，可以用估计值或测量值，通常估计值为-3.086 μGal/cm (1 μGal=1×10-8 m/s2)．1.2　系统组成小型绝对重力仪IGG-03B(图2)主要包括机械本体、控制机箱和软件系统三部分，而机械本体又主要包括落体系统、激光干涉系统和隔振系统3个核心子系统．10.13245/j.hust.220905.F002图2小型绝对重力仪IGG-03B机械本体和控制机箱落体系统被安装在真空腔中，其真空度需要小于1×10-4 Pa．落体系统采用齿条式落体方案，装有角锥棱镜的无拖曳小车与齿条固连，齿条被装在电机轴上的齿轮驱动，使齿条进行上下运动，从而实现无拖曳小车举起、下落和捕获角锥棱镜．“无拖曳”指的是虽然真空腔已经进行了抽真空处理，但仍有一些残留的空气分子．无拖曳小车能够有效地将这些残留的空气分子推开，为小车里的角锥棱镜提供一条没有阻碍的落体路径，使其实现自由下落．为了实现以上功能，当无拖曳小车下落开始时以约2g的加速度向下加速，当小车和角锥棱镜之间达到一定距离时，小车就会减速并跟随角锥棱镜的运动，保持恒定的几个毫米的间距．最后，当下落接近底部时，小车轻轻地接住检验质量．整个过程须要伺服电机驱动系统实时控制小车的运动，须要使用激光干涉仪的干涉条纹信号作为参考信号，为伺服电机提供目标参数．激光干涉系统以稳频激光器作为光源，同时也是长度基准，其频率准确度需要小于2×10-8．激光干涉系统采用Mach-Zender型激光干涉仪方案，具有参考臂和测试臂．角锥棱镜下落过程中，棱镜的运动会影响测试臂的路径长度，通过测试臂和参考臂形成的干涉条纹，即可准确测量落体棱镜相对于悬挂在隔振系统上的参考棱镜的运动．两个臂的光束汇合后通过聚焦镜汇聚到探测器雪崩二极管(APD)，产生的干涉条纹被过零检测电路转换为模拟信号(TTL信号)传输到控制机箱的测时系统中．激光干涉系统是小型绝对重力仪IGG-03B的核心传感器，其产生的干涉条纹信号是落体系统的参考信号，产生的TTL信号包含全部的重力测量数据，因此激光干涉系统的功能性能直接影响整机性能．他测量的是落体棱镜相对于悬挂在隔振系统上的参考棱镜的运动，从测量原理的角度，无法直接从观测数据中分离落体角锥棱镜运动的噪声、隔振系统悬挂的参考棱镜运动的噪声以及探测器和过零检测电路的噪声，无论哪一个环节出现故障或者性能达不到设计要求，都可能导致观测数据异常．隔振系统采用基于电容位移传感的两级弹簧主动隔振方案，旨在防止参考棱镜受到0.1 Hz以上垂向地面振动噪声的影响，从而确保测试臂光路长度的变化仅有落体角锥棱镜的运动产生，因此隔振系统的等效谐振周期需要大于15 s．内部支撑结构通过三根弹簧悬挂在外部支撑结构上，主弹簧一端悬挂在该内部支撑结构顶端，另一端则固定连接参考角锥棱镜．电容位移传感系统检测参考角锥棱镜相对于内部支撑结构的运动，通过主动伺服控制，使内部支撑结构跟随参考角锥棱镜的运动，通过尽可能地保持主弹簧的长度不变，形成等效的超长周期．2 小型绝对重力仪IGG-03B测试2.1　软件系统测试根据小型绝对重力仪IGG-03B的基本原理，采集到的时间-距离数据对须要通过最小二乘拟合得到重力加速度g0最优解，单纯的时间-距离对数据无法直接作为仪器功能性能评估的依据；因此，为了方便后期数据分析和功能性能评估，首先须要验证软件系统的功能性能．为了验证软件系统的功能和性能，使研制的aGIS软件系统完全兼容FG5型绝对重力仪所使用的g9软件的文件格式，通过aGIS软件处理FG5型绝对重力仪的原始时间-距离对数据，并进行相应的各项改正，对比aGIS软件处理的结果与g9软件处理的结果即可定量评估软件系统的功能性能．结果见表1所示，表中：Gravity表示通过各项改正后测量得到的重力平均值；Set Scatter表示组标准差；Uncertainty表示测量不确定度；Tide表示固体潮改正大小；Load表示海洋负荷潮改正大小；Polar表示极移改正大小；Baro表示气压改正大小；Transfer表示考虑重力垂直梯度归算到特定高度的改正大小．10.13245/j.hust.220905.T001表1aGIS软件与g9软件处理结果的对比项目g9aGIS差异GravitySet ScatterUncertaintyTideLoadPolarBaroTransfer979xxx260.63.032.37167.201.807.63-2.792.28979xxx260.03.5501.770167.4222.3047.626-2.7922.2840.600-0.5200.600-0.222-0.5040.004-0.002-0.004μGal通过表1的数据对比可见：自研的aGIS软件拟合重力g值以及最终评估测量不确定度与商用FG5型绝对重力仪所使用g9软件的差异均小于1 μGal．这个差异的主要原因是两款软件在固体潮、海洋负荷潮改正时所使用的模型不同．2.2　落体系统替换测试落体系统的替换测试，实际上是借用商用FG5型绝对重力仪的激光干涉系统和Super Spring隔振系统．由于激光干涉系统仅须提供±15 V直流供电即可工作，Super Spring隔振系统在FG5中也是相对独立的模块，可以通过其控制器实现置零和伺服功能，不需要其他硬件和g9软件的辅助，因此落体系统的替换测试只须将落体系统与FG5型绝对重力仪的机械安装接口进行适配．将FG5激光干涉仪输出的干涉条纹信号(正弦信号)接入自研的电机控制器，将其输出的TTL信号接入自研的控制机箱，通过aGIS软件处理测试数据．表2的测试结果表明：齿条式落体系统利用FG5型绝对重力仪的激光干涉系统和Super Spring隔振系统时，其观测精度和准确度均优于10 μGal．10.13245/j.hust.220905.T002表2落体系统在FG5-112上的替换测试结果测试时间g精度与测点值差2019-02-122019-02-152019-02-16979xxx255.9979xxx254.3979xxx253.39.603.992.701.90.3-0.7μGal2.3　激光干涉系统替换测试激光干涉系统的替换测试，等效是借用FG5型绝对重力仪的落体系统和Super Spring隔振系统．由于须要使用FG5型绝对重力仪的落体系统，不仅须要完成机械接口的适配，而且须要完成电接口的适配．最终实现小型绝对重力仪IGG-03B的激光干涉系统与FG5X型绝对重力仪的激光干涉系统完全兼容，能够进行互换．激光干涉系统主要有两个核心功能：一是测试光束垂直性的检验，二是前文已经提到的激光干涉条纹的传感器．测试光束的垂直性直接影响重力测量结果的准确性，如果测试光束不是沿垂线方向将导致测量结果偏小．而且每次仪器的架调都须要通过激光干涉系统来检验测试光束的垂直性，如果该检测系统本身存在误差将导致后续所有的测量结果都偏小，因此激光干涉系统的测试光束垂直性检验是一个极为重要的测试项目．由于它影响的是重力观测结果的大小，而中科院精密测量院拥有国家绝对重力基准点IGG-014，该点在过去20多年时间里积累了大量的观测数据，包括国内引进的大部分FG5，FG5X和A10等仪器在该点都进行过测试和比对，大量数据表明该点的重力值相对稳定，因此通过将激光干涉系统的替换测试结果和以前的观测数据进行对比即可判断垂直性检验功能是否正确．光线垂直性检验主要是检验激光干涉系统的光学性能，而作为干涉条纹的传感器主要是检验其电性能．测试臂和参考臂光束汇合后通过聚焦镜汇聚到探测器APD，形成的干涉条纹被过零检测电路转换为TTL信号传输到控制机箱的测时系统中，该TTL信号包含全部的重力测量数据，它的数据质量就直接影响重力观测数据的质量．理想情况下干涉条纹每次过零产生一个TTL信号，但是实际电路噪声的存在，尤其是落体下落初期干涉条纹频率较低时，干涉条纹可能会出现多次过零而产生多个TTL伪信号，在最终拟合结果中表现为残差(Residuals)出现巨大的扭曲，尤其是落体下落初期．在替换测试中能够通过残差信号判断该问题并优化过零检测参数解决该问题，问题解决后的残差信号如图3所示．10.13245/j.hust.220905.F003图3激光干涉系统工作正常时的残差曲线2.4　隔振系统替换测试隔振系统(图4)是一个相对独立的系统，它只须把经过落体角锥棱镜反射的测试光束反射回激光干涉系统即可，没有特定的机械接口和电接口的适配问题．但实际上由于自研的激光干涉系统已经能够与FG5X型绝对重力仪的激光干涉系统实现互换，因此隔振系统的机械接口也与FG5X型绝对重力仪的激光干涉系统适配．10.13245/j.hust.220905.F004图4隔振系统在FG5-112上的替换测试隔振系统的主要功能是隔离地面的高频振动扰动噪声，使绝对重力仪能够在更短的测量时间(更少的落体次数)达到要求的观测精度，它本身并不影响测量的g值，主要影响的是单次落体的误差分布，因此可以通过单次落体误差分布来判断隔振系统的性能．如图5所示，隔振系统在FG5-112上替换测试的落体误差分布主要集中在±50 μGal，与A10型绝对重力仪所使用的Super Spring隔振系统水平相当，稍逊于FG5型绝对重力仪所使用的Super Spring隔振系统．10.13245/j.hust.220905.F005图5隔振系统在FG5-112上替换测试的落体误差分布2.5　整机测试各子系统均通过FG5型绝对重力仪独立验证其功能和性能后，即可进行小型绝对重力仪IGG-03B整机的测试．测试地点仍然选择中科院精密测量院的IGG-014绝对重力基准点．如表3所示，小型绝对重力仪IGG-03B在绝对重力基准点上进行了超过1周时间的测试，测试结果表明，小型绝对重力仪IGG-03B观测精度和准确度均优于20 μGal．10.13245/j.hust.220905.T003表3小型绝对重力仪IGG-03B整机测试结果测试时间g精度与测点值差2021-12-032021-12-042021-12-052021-12-062021-12-072021-12-082021-12-092021-12-10979xxx401.8979xxx401.5979xxx398.2979xxx392.7979xxx395.8979xxx391.7979xxx396.2979xxx388.13.853.663.062.602.542.474.192.461.81.5-1.8-7.3-4.2-8.3-3.8-11.9μGal3 结论介绍了小型绝对重力仪IGG-03B在研制过程中，为了对各核心子系统进行独立的功能性能测试，将各子系统的机械接口或电接口与商用FG5型绝对重力仪进行适配，从而能够将各子系统通过商用FG5型绝对重力仪进行替换测试，独立验证其功能性能参数．一方面解决了部分无法独立工作的子系统独立验证其功能和性能的难题，另一方面极大降低了系统联调时故障排除的难度，大幅降低了系统研发时间，降低研发成本．通过小型绝对重力仪IGG-03B在绝对重力基准点上整机测试的结果表明其观测精度和准确度均优于20 μGal．