2014, Vol. 29
2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
0 引 言
高精度的绝对重力值在地球物理、大地测量、导航、资源勘探(滕云田等，2013)以及考古学等方面发挥越来越重要的作用(Groten E，1995；T M. Niebauel，1995；陆其鹄等，2007；张为民等，2008b；ChRothleitner， et al.， 2009；吴琼，2011；胡华等，2012；纪立东等，2013；何志堂等，2013；祝意青等，2013).高精度绝对重力仪是获得地球各地精确重力值的重要工具(刘达伦等，2004).近年来，由于电子学、计算机及通信技术的突飞猛进，作为地学仪器最重要组成部分的高精度绝对重力仪正在朝着小型化、高智能的方向发展(刘光鼎，2013).中科院测量与地球物理研究所在基本掌握FG5仪器的结构和性能基础上开展了小型快速绝对重力仪原理样机的研制工作(王勇等，1998；张为民等，2008a；张为民，2012)，这款样机与FG5相比，具有轻巧可移和采集速度快的特点，小型快速绝对重力仪一次下落过程可以采集1600个点位，这对仪器与计算机间的数据传输和软件的数据处理速度提出了更高的要求.
小型快速绝对重力仪的软件系统是基于虚拟仪器开发平台Labwindows/CVI开发的一款高速绝对重力仪虚拟仪器软件系统，该系统由三方面技术组成，计算机的数据采集技术、软件编程技术和计算机输出设备显示结果技术，相应的实现小型快速绝对重力仪的数据采集、数据处理分析、结果波形与参数的动态显示三方面的功能.为了更好的利用系统资源，提高软件效率，我们采用了Labwindows/CVI中的多线程机制.
1 系统硬件结构和原理
小型快速绝对重力仪采用经典的自由落体原理(A. Germak，2002)，主要由真空自由落体系统、激光干涉测距系统、测时系统和数据采集实时计算等系统组成.其测量原理是用铷原子频标作为测量时间的标准，以高稳定度的激光作为测量长度的标准，用激光干涉技术精确测定自由落体质量块下落的距离，然后利用控制软件采集到不同下落距离及对应时刻的数据，经数据处理软件实时解算便可得到绝对重力值.
在测时系统中，我们选用A032-ET事件(王晓兵，2010；张为民等，2012)计时器作为测时设备，它能以皮秒级的精度(Event Timer A032-ET Manual，2006)高速测量落体下落特定距离所需的时间.
2 软件平台与设计 2.1 软件开发平台
小型快速绝对重力仪软件系统的开发和设计是基于NI公司(National Instruments Company)的虚拟仪器开发平台Labwindows/CVI实施的，Labwindows/CVI是一个完全的C开发环境，但与传统的C环境相比，Labwindows/CVI提供了强大的函数库和一系列全面的数据获取、分析和显示的软件工具，可以大大简化编程的工作量.本文用Labwindows/CVI 实现软件的控制、数据获取和数据分析，同时为了提高软件灵活性，采用多线程编程机制.
2.2 软件设计
软件采用模块化设计原则，根据小型快速绝对重力仪数据获取和管理的需求将本系统分为数据采集模块、通信模块、数据分析模块和实时数据显示模块四个功能模块，如图 1所示.数据采集模块根据控制参数要求完成数据的采集和实时处理分析，并根据控制信息决定通信模块接下来的应答消息；通信模块负责按照数据传输通信协议完成计算机与仪器通信，并将接收到的数据交给数据分析模块进行分析；数据分析模块对接收到的数据进行解析和相应的数据处理；实时数据显示模块将解析出的数据以实时波形图的形式绘制在视图中.
 | 图 1 软件功能模块示意图 Fig. 1 Software function module paradigm |
2.2.1 数据采集模块设计
我们采用事件计时器提供的A032.1工作方式，这种方式可以对事件进行高频连续观测，观测频率可以达到10 kHz(ChRothleitner， et al.， 2009).在单独输入的事件计时器中，它用来测量事件开始和结束的时间间隔.我们将其进行软件改编为小型快速绝对重力仪采用(吴志波等，2007；李祝莲等，2008)，将距离量作为单独的输入事件.在落体自由下落的过程中产生干涉条纹，将干涉条纹经过处理后得到 代表待求距离量的TTL信号，将分频后的TTL信号经过脉冲转化输入事件计时器，下降沿脉冲到达事件计时器时触发计时器工作，记录当下时刻值，并存储.
2.2.2 通信模块设计
软件的模块化设计如图 2所示，程序由底层向上，EPP调用物理仪器的协议驱动程序，写入仪器管理配置信息，仪器功能模块调用EPP函数实现与功能接口.
小型快速绝对重力仪与计算机的通信主要是将事件计时器采集的数据通过EPP接口(王晓兵，2010)传输到计算机，EPP函数定义了四种寄存器：控制寄存器，数据寄存器，地址寄存器，状态寄存器.当对基地址端口进行I/O操作时，就如同使用标准并口一样，必须由软件程序检测当前状态以产生必要的控制信号.要同EPP外设通信，则从EPP地址端口Base+3读写地址，从EPP数据端口Base+4读数据，从EPP数据端口Base +2写数据，从EPP状态端口Base +1读取状态(吴志波等，2007).
 | 图 2 硬件结构 Fig. 2 System structure |
2.2.3 数据分析模块设计
数据分析模块负责对接收到的时间距离对利用最小二乘原理(g8 absolute gravity data acquisition and processing software manual，2008)处理得到潮汐影响重力值，此时重力值中不仅包含测站点的重力值，同时还包含重力固体潮、海潮负荷、重力梯度、极移变化和环境噪声引起的重力变化(王勇等，2003)，为了得到高精度的绝对重力值，软件系统可以根据需要改正构造因素(固体潮、海潮、极移等)和非构造因素(气压，温度，光速有限等)引起的重力效应(张为民等，2001)，评定测量结果精度.将分析结果存储并传送给实时数据显示模块.
2.2.4 实时显示模块设计
实时数据显示模块是将分析结果的数据绘制成波形图进行显示，方便用户直观、动态的对测量结果进行实时监控.所显示的数据主要包括落体残差、落体偏离均值程度、落体组误差、落体偏离均值直方图、最终结果.
如图 3所示，在面板设计中，为了美化界面，我们设计了菜单栏，功能键都含于菜单栏内，主界面只显示处理结果图形，文件菜单包含新建项目，打开文件读取数据，设置结果文件存储路径信息，关闭功能界面.设置菜单中设置控制信息、采样信息、硬件文件和环境信息参数，同时为了防止观测时时间不正确可以进行时间改正.视图键可以确定主界面内显示的处理结果图形.数据采集是软件系统的控制和驱动部分程序，完成仪器的初始化、检校和数据采集.数据处理菜单在需要时完成后处理工作.
 | 图 3 软件系统界面 Fig. 3 Software surface |
2.2.5 关键技术
为了提高软件灵活性，更好的利用系统资源，充分利用CPU的闲暇空间，我们利用多线程编程将软件分成三条线程实现，主线程控制和实现与面板的创建显示和运行相关的操作，第二条线程实现仪器的控制与数据采集以及数据的实时处理操作，第三条线程实现数据的后处理操作.图 4包含了每个线程的处理内容.
 | 图 4 多线程设计 Fig. 4 Multithreading design |
3 软件结果比对
为了保证软件的可靠性和稳定性，我们分别从控制部分和数据后处理部分两方面对软件的可靠性和稳定性进行检验和测试.
3.1 控制部分软件实验
控制部分软件的关键技术在于时间距离对的采集，我们在测地所实验室内，先用g9软件采集4组数据，每组采集50个落体，每个落体采集1400条条纹，再用自主开发控制软件采集4组数据，每组50个落体，每个落体采集1600条条纹，图 5a，b分别为自主开发软和g9软件采集的时间距离信息，可以发现，它们总体趋势相同，也符合自由落体过程时间与距离的关系.分别对采集的时间距离对进行数据后处理，自主开发软件采集的数据计算(邢乐林等，2007)的最终重力值为9.793521205 m/s2，与实验室测量墩上的重力值及g9软件计算结果在毫伽量级相同，这验证了自主开发软件所测时间的有效性和计算结果的正确性.
 | 图 5 自主开发软件和g9软件采集时间距离信息 (a)自主开发软件采集的时间距离信息;(b)g9软件采集的时间距离信息. Fig. 5 Time-distance couples acquired by small-sized absolute gravimeter software and g9 (a)Time-distance couples acquired by small-sized absolute gravimeter software;(b)Time-distance couples acquired by g9. |
控制软件可靠性工程也是一项涉及面很广的系统工程，我们会继续加强这项技术的研究力度，同时将该实时控制系统稳定性研究与系统误差研究结合在一起.
3.2 数据后处理部分软件实验
我们利用FG5绝对重力仪分别在有超长弹簧隔振和无超长弹簧隔振条件下连续采集100个落体值，进行格式转换，使数据格式能被自主开发软件识别，将得到的时间距离对按照(1)式通过最小二乘处理即可计算出仪器点位的重力值g0：
 | 图 6 隔振时比对结果(单位：m/s2) Fig. 6 Comparing results of vibration isolation |
gF0-i、g0-i分别为FG5软件和自主开发软件计算的第i个落体的重力值，落体值互差都在5.0×10-8 m/s2以内，由表 1看出落体精度(肖凡等，2013)在2.0×10-8 m/s2以内.在无超长弹簧隔振时，由图 7可以看出，两种软件计算结果基本吻合，每个落体值互差小于200.0×10-8 m/s2，表 1中落体精度(肖凡等，2013)在135.98×10-8 m/s2，其中小型快速绝对重力仪软件 的精度为132.60×10-8 m/s2.在没有隔振时两组落体值差异比较大可能是由于FG5的计时系统SR620在高频采样下容易造成采样丢失，FG5自身软件会对数据筛选，而小型快速绝对重力仪使用的事件计时器系统并不存在采样丢失的问题，因此在软件设计中没有对FG5 数据的采样丢失问题做特殊处理，而是统一按正常数据计算，同时，两种软件采用的固体潮改正模型也存在小的差异.该实验证明，自主开发软件与FG5自带软件计算结果基本吻合，小型快速重力仪软件系统在处理隔振后数据时具有很好的可靠性和准确性.
 | 图 7 未隔振时对比结果(单位：m/s2) Fig. 7 Comparing results of without vibration isolation |
|
表 1 比对结果 Table 1 Comparing results |
4 结 论
小型快速绝对重力仪软件系统采用Labwindows/CVI编程，实现了小型重力仪数据处理的自动化可视化处理，同时多线程技术的应用，解决了系统所需要的实时多任务要求，提高了系统的反应速度和效率.通过将该软件系统的处理结果与FG5的软件系统处理结果比对，发现该软件具有很好的可靠性，完全满足设计和使用需求.
致 谢 感谢测地所叶文蔚老师的指导和王飞助理工程师的帮助.
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