2020, Vol. 40
A10绝对重力仪是由Micro-g公司研发的一款可在户外环境下使用并快速采集数据的便携式自由落体绝对重力仪，其标称测量准确度为±10 μGal[1-2]，在优化测量方案及改善测量环境的情况下，其精度可达到甚至超过5 μGal[1]。本文针对A10绝对重力仪所采用的ML-1型氦氖激光器的红、蓝光工作模式对测量结果的影响进行分析和探讨。
1 A10绝对重力仪的测量原理及ML-1型激光器A10绝对重力仪的测量原理[2]如图 1所示，在真空腔体里的角锥棱镜作自由落体运动，通过激光干涉仪、长周期隔振装置(超长弹簧)和铷原子频标精确地测量棱镜的运动位置及对应的时刻，并根据最小二乘拟合方法确定测点在有效高度处的绝对重力值[3]。
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图 1 绝对重力仪基本原理 Fig. 1 Principle of the absolute gravimeter |
A10绝对重力仪采用的是ML-1型氦氖激光器，该激光器是一种稳频偏振激光器，其激光管内的双纵模会反射产生2种偏振光，其稳频主要是靠平衡2种偏振光的强度来获得，这2种偏振光具有线性正交特性，因而能够被单独的光敏探测器分别探测出来。通过比较2种偏振光的强度产生的差分信号，再反馈给环绕在激光电子管上的加热器来改变温度，从而调整激光腔的长度，激光腔的长度变化又会影响到偏振光强度，具体原理示意图[4]见图 2，这种循环稳定之后会得到2个锁定点，分别为图 2中的红点和蓝点[1]。
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图 2 ML-1激光器红、蓝光示意图 Fig. 2 Diagrams of ML-1's red and blue lasers |
图 2中的红点和蓝点是ML-1激光的2种工作模式，这里的红、蓝并不是指激光的颜色，而是指波长，靠近红光波段的激光波长相对较长，靠近蓝光波段的相对较短，二者固定的频率差为725 MHz[4]。
2束激光位于中心频率的对称两侧，其频率也是相对恒定的。在受到外界温度影响时，红、蓝光的波长或者频率同步但反向移动，其平均值将稳定在一定的范围内(2×10－9)[4]。在使用这种稳频激光器时，可通过碘稳频氦氖激光的拍频测量方法确定红蓝光的频率位置，再将两者取平均，就可得到激光的中心频率。
另外，A10绝对重力仪充分利用了激光器特性，在测量中交替使用红光和蓝光波长进行绝对重力测量。每组使用一种激光频率进行一定次数的落体，并对该组观测结果进行统计，下组采用另一种激光频率，如此交替进行偶数组观测后，再对各组观测结果进行统计并计算红蓝光的中心值。这种测量方式能有效地降低测量中激光器温度漂移和时间漂移的影响，也使A10绝对重力仪能在野外复杂温度条件下进行高精度测量。通过分析国内各研究机构对A10的观测结果发现，红蓝光分离值越大，其中心值与理论值的偏差越大，红蓝光分离值越小，其中心值越接近理论值。
2 单光与红蓝双光对比实验A10绝对重力仪整机均有温度补偿控制系统，可以在-18~38 ℃的温度范围内使仪器的各个系统保持在最佳运行状态。按照A10测量规范要求，每次测量开始之前，全套系统需加温2~3 h，若加温时长不足，绝对重力观测结果会产生漂移，与理论值偏差较大，导致观测数据无法采用。同时对绝对重力观测点也有相应技术要求，其环境温度、湿度、观测墩等都需相对稳定，因此所有实验均按照测量规范和技术要求进行。
对比实验中，用单蓝光测试6次共24组、单红光测试1次共4组、红蓝光交替测试1次共12组，测试结果见表 1(单位μGal)。
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表 1 单光与双光结果对比 Tab. 1 Comparison of single and double light results |
由表 1可知，单光测量值与红蓝光交替测量值之间有较大的偏差，该观测结果已远远超出仪器的测量精度，这是由该类激光器的特性及仪器出厂后长期未进行校准导致的；而单蓝光与单红光测量结果的平均值应与红蓝光交替测量的结果一致，实验结果与此较符合。
本文研究的A10绝对重力仪于2016-04引进，激光器的红、蓝光波长值由厂家提供，其中红光波长为632.991 924 nm，蓝光波长为632.990 919 6 nm。随着工作时间的积累，ML-1型氦氖激光器的红、蓝光波长会有漂移现象，为准确分析激光波长漂移对测量结果的影响，将此A10绝对重力仪与最新的FG5X型绝对重力仪(编号246)在九峰站进行了比对测量。根据测量需要，2种仪器分别采用80 cm、130 cm高差测得的重力梯度值进行高度改正[1]。经过各项改正后[5]，A10-046获得的地面重力值为9 * * * * *708.56 μGal，红蓝光分离值为35.6 μGal。对激光器的红、蓝光分别进行30 min的拍频测试，红光波长为632.991 911 411 nm，相对标准不确定度为2.2×10－9，蓝光波长为632.990 936 223 nm, 相对标准不确定度为1.4×10－9，标定前后红蓝光的波长均有变化，结果见表 2(单位nm)。
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表 2 红蓝光标定前后波长对比 Tab. 2 Wavelength comparison before and after calibration |
用标定后的波长参数在g9软件中对测量结果进行处理[6]，得到地面重力值为9 * * * * *711.68 μGal，红蓝光分离值为9.6 μGal，标定前后测量结果相差3.12 μGal，参考FG5X-246绝对重力仪测得的地面重力值9 * * * * *712 μGal，可见标定之后的测量结果更为准确(图 3)。
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图 3 A10-046九峰台测试结果(2019-05) Fig. 3 Measurement results of A10-046 at Jiufeng station (2019-05) |
由于激光器存在漂移，且校准的次数有限，实际观测时难免存在不同程度的误差，选取若干绝对重力基准点的数据进行进一步确认，具体见表 3(单位μGal)。通过对稳频激光器的重新标定及对其波长的校准，红蓝分离值都有不同程度的减小，且标定时间越接近，红蓝光分离值就越小，其观测结果越准确。
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表 3 红蓝光标定前后结果对照 Tab. 3 Comparison of results before and after calibration |
1) ML-1型氦氖激光器的红蓝光交替观测模式可有效减小激光器温度漂移和时间漂移对A10绝对重力仪测量结果的影响；
2) 在排除其他干扰因素的情况下，当红蓝光分离值较大时，表示激光器的波长漂移较大，若分离值大于40 μGal，则需考虑对激光器进行重新标定，以避免激光器漂移影响观测结果的准确性；
3) 建议每年对稳频激光器至少进行1次标定。
致谢: 感谢中国科学院测量与地球物理研究所白磊工程师提供FG5X-246数据。
| [1] |
何志堂, 韩宇飞, 康胜军, 等. A10/028与FG5绝对重力仪比对测量试验[J]. 大地测量与地球动力学, 2014, 34(3): 142-145 (He Zhitang, Han Yufei, Kang Shengjun, et al. Contrast Test of A10/028 Absolute Gravimeter with FG5[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014, 34(3): 142-145)
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| [2] |
Micro-g LaCoste Inc. A-10 Portable Gravimeter User's Manual[Z]. Micro-g LaCoste Inc, 2012
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| [3] |
康胜军. A10型绝对重力仪的原理研究及精度分析[D].武汉: 武汉大学, 2013 (Kang Shengjun. Theory Research and Accuracy Analysis for A10 Absolute Gravity Meter[D]. Wuhan: Wuhan University, 2013)
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| [4] |
Micro-g LaCoste Inc. ML-1 Polarization Stabilized Laser Operator's Manual[Z]. Micro-g LaCoste Inc, 2011
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| [5] |
王庆宾, 吴晓平. 绝对重力测量值的改正[J]. 测绘学院学报, 2001, 18(3): 160-163 DOI:10.3969/j.issn.1673-6338.2001.03.002 ( 0) |
| [6] |
Micro-g LaCoste Inc. g9 User's Manual[Z]. Micro-g LaCoste Inc, 2012
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