[科普中国]-重力梯度仪

简介

重力梯度测量是一个困难而费时的测量任务，但是高精度重力梯度测量数据对于高精度惯性制导、地球科学、空间科学和地质科学都有着重要的意义，同时重力梯度测量已经被认为是一种资源探测的有效手段之一，是对基础地质调查、基础地质研究，油气矿藏等资源勘查等领域具有重要的应用价值，航空和卫星重力梯度测量对山区、无人区和沿 海 大 陆 架 部 分 的 基 础 数 据 获 取 更 具 重 要 意义。从1971年美国空军首次提出精度为1 E的移动级重力梯度仪到现在，重力梯度仪虽然得到了世界科学家的重视，并取得了迅速的发展，但是很多还处于实验室阶段。目前唯一商用的重力梯度仪是由美国贝尔实验室研制的旋转加速度计重力梯度仪。

从20世纪70年代至今，世界上出现的重力梯度仪的设计原理有差分加速度计法和基于扭矩的测量模式。其中基于扭矩的测量模式由于其体积和稳定性的问题，进步缓慢。基于差分加速度计的重力梯度仪由于其自身的高稳定性和高精度，得到了迅速的发展和应用。随着激光技术和原子干涉技术的发展，激光干涉绝对重力梯度仪和原子干涉绝对重力梯度仪得到了进一步的发展。另外，超导重力梯度仪也是具有发展前景的一类重要的重力梯度仪。为了减小测量误差，很多学者还针对航空重力梯度测量惯性稳定平台和加速度计的动态调整方法也开展了大量的研究工作1。

发展历史重力梯度仪的研制可追溯到Eötvös(匈牙利人，1848～ 1919)的工作，他根据Cavendish(1731～1810)和其他早期的研究成果，于1880年建立了一台扭秤重力梯度仪，并用于地球表面扰动位二次导数部分分量的测量工作，重力梯度的单位就是采用这位先驱者的名字。从20世纪60年代开始，宇宙飞行的需要给重力梯度仪带来了新的动力，提出了新的梯度测量原理并研制了相应的重力梯度传感器。1971年美国空军提出要制造精度为1E( )的重力梯度仪，20世纪70年代中期，美国Hughes、Draper实验室和Bell Aerospace Textron的专家们分别研制出3种不同类型的精度为1E的重力梯度仪实验室样机:旋转重力梯度仪、液浮重力梯度仪和旋转加速度计重力梯度仪。80年代初Maryland大学研制出了精度为0.01 E的单轴超导重力梯度仪实验室样机。与此同时，许多研究机构，如美国Bendix field Engineering、斯坦福大学、史密森天体物理学天文台(SAO)、Speer Defence Sys-tem、意大利Piano Spazionale Nazionale(PSN)和英国斯特拉思克莱德大学，都在研究超导重力梯度仪；80年代后期，俄罗斯专家研制出了精度为0.1E的旋转加速度计重力梯度仪实验室样机；80年代末，法国Office National d'tudes et de ReeherehesAerospatiales(ONERA)研制出精度为0.01 E的ESA重力梯度仪。到2002年的时候，Maryland已经研制出单轴超导重力梯度仪实验室样机并进行了试验，其精度提高到了 E/ Hz，而全张量超导重力梯度仪在室温的条件下也已经达到了达到 的灵敏度2。

基于扭矩的重力梯度仪19世纪90年代初，匈牙利地球物理学家Eotvos利用扭称测量水平向的重力梯度，开创了重力梯度测量的先河，同时也开始了基于扭矩的重力梯度仪研究。后经德国W． Schweydar对Eotvos的扭称进行改进，使得梯度测量取得了迅速发展，重力梯度仪成为当时油气普查的唯一有效工具。

扭称测量的方式是利用一根悬丝悬挂一根横杆，在横杆的两端各挂一个质量为m的检验质量，这样便构成一个扭称。扭称对水平扭转方向灵敏度很高，可以测量水平向的重力梯度。但是这种结构测量时间长，稳定性差，测量受到地形起伏的影响严重，不适合于野外观测使用1。

基于差分加速度计的重力梯度仪旋转加速度计式重力梯度仪由于重力梯度测量的重要性，美国海军和空军从20世纪70年代开始，投入几亿美元进行重力梯度仪的研制。1975 ～ 1990年间美国Bell Aerospace公司( 现并入Lockheed Martin公司) 研制了旋转加速度计重力梯度仪GGI(gravity gradient instrument) ，装在潜艇中用作导航，后来装在船上普查油气。澳大利亚BHP Billiton公司引进这种技术，并做了细致踏实的工作，研制成功FALCON航空重力仪，于1999年正式投入使用。这类重力梯度仪的基本机构如图 1所示。最近由于引入了对关键信号的数字化操作，使得整套设备在尺寸和重量方面大大减轻，而在噪声抑制和稳定性方面有了显著提高，使其更适合与航空测量。

1988年Bell Geospace获得军方的全张量重力梯度测量(FTG) 技术，2002年FTG改装后形成Air-FTGTM进行航空重力梯度测量。FTG是将三套GGI安装在由陀螺仪稳定的平台上，可以测量全部五个独立的重力梯度张量元素，称为全张量重力梯度仪。三个GGI的轴线相互垂直，每条轴线与铅垂线以同样的角度相交，从上往下看，三条轴线的投影相隔120°( 图 2)。

基于MEMS的重力梯度仪基于MEMS的重力梯度仪采用的原理与GGI相似，也是采用基于差分加速度计的测量模式。不过这种重力梯度仪用一个单独的晶片构成，在这个晶片上集成了两个加速度计，每个加速度计有两个梳状电容结构。由于加速度计是基于MEMS集成在一个单独的晶片上，因此与传统的加速度计相比具有更小的质量和体积。它的测量原理是利用长弹簧和小的附加质量，使得它可以实现较低水平的布朗噪声。放置在梳状驱动机构中的电容极板作为输出装置，其综合灵敏度为 。这种重力梯度仪以微小的体积和重量( 小于1 kg) ，或许会成为未来卫星重力梯度测量仪器的一个发展方向。其基本结构如图 3所示。

静电悬浮加速度计重力梯度仪静电悬浮加速度计重力梯度仪就是将基于静电悬浮原理制成的加速度计放置在不同的矢量方向，通过差分原理测量该矢量方向上重力梯度张量。由于静电悬浮加速度计利用静电力平衡检验质量受到的重力作用，将检验质量悬浮在超高真空腔内，其质心和行心的稳定性非常高，采用差分电容方式输出敏感质量的位移，最终获得极高的测量精度。由于其工作时承受的加速度较小，故其量程很小，但是更适合与太空微重力环境的梯度测量，因此，国际上与航空重力及重力梯度测量的实验室对这种高精度静电悬浮式重力梯度仪进行了深入的研究。美国的MACEK和MESA加速度计系统、欧空局 (ESA) 的ASTRE加速度系统、法国ONERA研制的STAR加速度系统以及GRADIO加速度系统等是国际上的成功研制实例。这些加速度计在研究大气阻力、太空太阳辐射压力、地球漫反射、电子推进器推理测量、高空地球重力场精密测量、空间重力梯度测量等军用和民用领域发挥了重要的作用。

图 4是静电悬浮加速度计的示意。由于悬浮体(rotor) 的位置信息是悬浮控制系统的闭环反馈信号，因此，对悬浮体沿三个正交轴的位置信息必须精确检测。图中利用差分电容法对此进行检测：

①悬浮体可检测的位移变化频率为0 ～ 20 k Hz；

②最小可检测位移变化为0． 01 μF，对应电容的变化为ΔCmin= 20 pF；最大可检测位移变化为± 2 μF，对应电容的变化为ΔCmax= 20 pF1。