2017, Vol. 37
2. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077
在绝对重力测量中，隔振问题一直都是国内外研究人员需要面对和解决的关键问题之一。对于高精度的绝对重力测量，无论落体是宏观的角锥棱镜还是微观的冷原子，测量的都是落体相对于参考棱镜的相对运动，而参考棱镜即使在非常安静的台站或基墩上也会受到地脉动[1]的影响，并且从测量结果中无法直接区分重力加速度g和地脉动产生的加速度。
隔振系统在本质上是一个低通系统，为了提高系统的隔振性能，需要尽可能地减小系统的固有频率，亦即提高系统的固有周期。地脉动在6 s处存在一个典型的振动峰[1]，对于高精度的绝对重力测量系统，为了精确测量下落物体的运动轨迹，需要对激光干涉仪的参考棱镜进行超低频的垂直隔振，超低频隔振系统的固有周期通常可达数十秒。
1 绝对重力仪中隔振系统简介目前国内外应用于绝对重力仪的几种主要的隔振系统包括Micro-g LaCoste公司研制的Super Spring[2](两级弹簧主动隔振系统)、单级弹簧和加速度计组成的单级弹簧主动隔振系统、被动隔振系统和监测地面振动通过数据后处理方法的扣除系统等。
1.1 Super Spring(两级弹簧主动隔振系统)Super Spring是一个等效谐振周期为30~60 s的两级弹簧主动隔振系统，美国Micro-g LaCoste公司、德国埃尔胡根-纽伦堡大学(MPG-01和MPG-02[3])以及我国清华大学(T-1型绝对重力仪[4])都是利用这种超长弹簧来对参考棱镜进行振动隔离，且能够较好地隔离地面振动对参考棱镜的影响，有效地提高了绝对重力仪的测量精度。
FG5绝对重力仪使用的Super Spring隔振系统具有两级弹簧结构。为缩小体积，其主副弹簧采用套叠形式。该隔振系统的基本原理是利用激光检测参考棱镜相对于副弹簧隔振框架的位置变化，通过主动反馈补偿调节主弹簧的上端点，使副弹簧隔振框架跟随参考棱镜的运动，与无拖曳控制系统类似。通过反馈补偿后整个系统可以等效为一个周期为30~60 s的超长周期弹簧，从而实现超低频的隔振，隔离地脉动对绝对重力仪的影响。为了更好地提高隔振性能，系统中还考虑了气压、温度变化补偿机构，因此系统的机械结构较为复杂。
1.2 单级弹簧主动隔振系统单级弹簧主动隔振系统(图 1)是目前广泛使用于冷原子绝对重力仪领域中的隔振系统。美国Stanford大学[5]、德国Humboldt大学[6]、我国华中科技大学[7]和中国科学院武汉物理与数学研究所[8]均采用了这种隔振方式。
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图 1 单级弹簧主动隔振系统原理 Fig. 1 Principle of the single stage active vibration isolation system |
该系统的结构与Super Spring相比较为简单。其基本原理是利用主弹簧支撑被隔振平台，形成被动隔振系统。由于主弹簧的周期有限，因此该被动隔振系统主要用来隔离高频振动噪声的影响。利用放置在被隔振平台上的加速度计检测被隔振平台的振动情况，然后通过主动反馈补偿施加反馈力来补偿该振动的影响，从而获得等效的超长周期，用以隔离低频振动噪声的影响。
1.3 其他类型隔振系统意大利、德国、俄罗斯和中国的NIM-3型绝对重力仪[9]还采用长周期地震计悬挂参考棱镜来解决地面振动对绝对重力仪的影响。日本东京大学研制的绝对重力仪和中国计量科学研究院的新NIM-3A型绝对重力仪则利用微震仪对地面的振动进行同步监测，再通过数据后处理的方式来对测量结果进行修正。
2 机械隔振系统的对比测试为确保绝对重力观测值准确、可靠，有关部门颁布了绝对重力测量技术规范，在观测站及观测基墩方面，要求绝对重力观测基墩修建于地质条件稳定、周围环境干扰较小的地方，有条件的还需与基岩相联结，且观测基墩四周建有隔振槽，其目的就是尽量减弱环境噪声的影响。
中国科学院测量与地球物理研究所现有两处重力基准点，其中一处建在城郊九峰乡武汉大地测量国家野外科学观测研究站(九峰站IGG009)内。九峰站是国家绝对重力基准站，自1998年起，先后有多台FG5绝对重力仪(国内外)在该站进行过测量。通过多年来的重复观测及结果证明，该测点地质条件较为稳定，测点环境噪声干扰较小，其重力测量单次落体误差分布均在15~30μGal的范围内(图 2)。
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图 2 FG5在九峰站观测中其中一组的单次落体误差分布 Fig. 2 Scatter of one set of drops using FG5 in the IGG009 reference point |
另一处重力基准点(IGG014)在中国科学院测量与地球物理研究所办公大楼一楼内。该地位于武汉市一环线附近，其北面150 m就是一条城区交通主干道，在该测点上同样有多台FG5绝对重力仪作过测量。我们发现，在该点上正常观测时，仪器的单次落体观测误差大体分布在100~150 μGal的范围，且白天的观测误差分布明显高于夜晚，这是由于该测点紧靠城市干道，环境噪声干扰较大所致。
为了检验几种隔振系统在环境噪声较大情况下的实际隔振效果，我们将实验观测选在单位办公大楼一楼的基墩上进行，利用FG5-112绝对重力仪[10]在相同的观测环境下进行隔振系统的对比测试。
实验1：FG5绝对重力仪正常观测。
为了对其他隔振系统的测试提供参考，首先将FG5-112绝对重力仪放置在该基墩上进行正常观测，对其自带的Super Spring的隔振性能进行测试(图 3)。
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图 3 FG5在IGG014点上正常的观测结果 Fig. 3 Test results of FG5 in the IGG014 reference point |
实验2：FG5无隔振系统状态下观测。
为了解该测点环境干扰对绝对重力测的影响大小，将Super Spring处于锁摆状态，这样就等效于参考棱镜与地面固连，其测量结果可以作为对比测试中无隔振系统状态下的基准(图 4)。
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图 4 FG5在无隔振系统状态下的观测结果 Fig. 4 Test results of FG5 without vibration isolation system |
实验3：在FG5上使用单级弹簧主动隔振系统观测。
中国科学院测量与地球物理研究所借鉴冷原子绝对重力仪中广泛使用的单级弹簧主动隔振系统的原理[5-8]，研制了该隔振系统。
将研制的等效谐振周期为60 s的单级弹簧主动隔振系统放置在FG5绝对重力仪下，并且将参考棱镜放置在单级弹簧主动隔振系统上，则单级弹簧主动隔振系统的隔振对象为参考棱镜。其他装置和软件等设置都和FG5正常观测时相同，此时唯一的改变就是将Super Spring隔振的参考棱镜更换为利用单级弹簧主动隔振系统隔振的参考棱镜，这样能够最有效地检验单级弹簧主动隔振系统的性能(图 5、图 6)。
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图 5 单级弹簧主动隔振系统替换实验 Fig. 5 Substitution with the single stage active vibration isolation system |
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图 6 单级弹簧主动隔振系统隔振观测结果 Fig. 6 Test results of FG5 with the single stage vibration isolation system |
实验4：在FG5上使用被动隔振系统观测。
主动反馈不工作时，参考棱镜相当于放置在一个谐振周期为1 s的被动隔振平台上，该测试能够检验被动隔振系统的隔振性能。由于被动隔振台的隔振性能有限，不作为本次测试的重点，因此仅进行了一组测试(图 7)。
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图 7 被动隔振系统隔振时一组落体的误差分布 Fig. 7 Scatter of one set drops with passive vibration isolator |
上述各对比测试的结果如表 1所示。
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表 1 对比测试结果 Tab. 1 Test results of the comparison experiment |
由于上述观测对比实验点选在城区中心，测站周围环境噪声较大。通过上述观测实验及测试结果可看出：
1) 在对每个测站进行绝对重力测量时，该站的环境干扰大小可通过单次落体误差分布来评价。
2) 当FG5绝对重力仪没有加隔振系统测量时，在该站测量中的单次落体误差分布达到了±8 000 μGal，且测量结果与正常观测值差达几百μGal。而FG5使用Super Spring正常观测时，单次落体的误差分布仅为±150 μGal。
3) 利用单级弹簧主动隔振系统替换FG5的Super Spring后，当主动隔振系统不工作时，相当于一个普通的被动隔振系统，此时单次落体的误差分布也达到了±1 500 μGal。该测试结果表明，谐振频率1 Hz的弹簧隔振系统也能够对地面振动进行隔离，但是隔振的效率有限，尤其对低频分量并不敏感。
4) 在单级弹簧主动隔振系统的测试中，落体的误差分布约±300 μGal，单级弹簧主动隔振系统能够实现低频的隔振，但是其隔振效果与FG5使用的Super Spring比，仍然还有2~3倍的差距。
3 结语隔振问题是绝对重力仪研制中的关键技术难题之一，隔振系统性能的好坏将直接影响绝对重力仪的测量结果及其观测精度，影响最大可达mGal量级，因此它成为了绝对重力仪研制中的重点和难点。上述几种机械隔振系统对比测试的结果表明，主动隔振系统相对于被动隔振系统能够获得更长的谐振周期，因此能够获得更好的隔振性能。对于同样谐振周期的主动隔振系统，两级弹簧主动隔振系统(Super Spring)的隔振性能又比单级弹簧主动隔振系统更好。通过此次对比测试实验，为研制高精度绝对重力仪所需要的超长周期隔振系统积累了经验。
致谢: 感谢中国科学院测量与地球物理研究所仪器室的全体老师对本次实验的大力支持和悉心指导。
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2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, CAS, 340 Xudong Road, Wuhan 430077, China