激光干涉绝对重力仪的数字式条纹信号处理方法

High precision absolute gravimeter has significant applications in fields such as metrology, geodesy and seismology. The modern absolute gravimeter usually uses free-fall method and laser interferometer. The time intervals between zero-crossings of interference fringe signals are calculated by a zero-crossing detector and time interval analyzer, and then used to fit the g value. Because of the non-linearity phase shift from the electronics, this fringe signal processing method probably involves unknown errors. In addition, the residuals after fitting reflect the disturbances during the measurement, and it is difficult to use the residuals to correct the measured g value. In this project, researches on the new digital fringe signal processing method will be carried out base on the development of a high precision absolute gravimeter, including: (1) theoretical analysis of the measurement error from digital fringe signal processing; (2) experimental research on the comparisons of digital fringe signal processing and traditional method; (3) new method used to correct the measure g value with the residuals after fitting. The research will be focused on the key techniques used in high precision absolute gravimeter, and explorations of unknown errors in current measurement systems. The research work will improve the absolute gravimeters developed in our country, and promote the development of gravity measurement technology. The project shows great scientific significance and application prospect in precision measurement field.

高精度绝对重力仪在计量、测绘、地震研究等领域具有重要应用。现有的绝对重力仪普遍采用自由落体和激光干涉测量方案，通过过零检测和时间间隔测量技术，计算干涉条纹信号过零点之间的时间间隔，进而拟合得到重力值。由于硬件电路存在的非线性相移，上述条纹信号处理方法可能含有测量偏差。此外，拟合后的残差信号反映了测量期间受到的扰动，如何利用残差信号来修正重力测值，是长期以来未解决的难题。本项目在前期研制高精度绝对重力仪的工作基础上，深入研究新型数字式条纹信号处理方法，主要包括：（1）数字式条纹信号处理方法的误差模型和理论分析；（2）数字式条纹信号处理与传统技术方案的比对实验研究；（3）利用残差信号修正重力测值的新方法。本项目致力于研究高精度绝对重力仪的关键技术，探索现有重力测量技术体系潜在的系统误差，将显著提升绝对重力仪的自主研制水平，推动重力测量技术的发展，在精密测量领域具有重要的科学意义和应用前景。

高精度绝对重力仪在计量、测绘、地震研究等领域具有重要应用。现有的绝对重力仪普遍采用自由落体和激光干涉测量方案，其关键在于激光干涉条纹信号处理技术、地面环境振动的隔离与补偿方法。本项目在研制高精度绝对重力仪的工作基础上，深入研究新型数字式条纹信号处理方法和地面环境振动处理技术，主要研究内容和成果包括：.1、建立了数字式条纹信号处理方案的误差模型，分析影响过零检测误差的各项因素，包括数据采集卡的采样频率和量化噪声、系统白噪声和抖晃噪声。通过计算机数值仿真计算，验证理论误差模型的准确性。.2、搭建基于高性能数据采集卡的数字条纹信号处理系统，与传统时间间隔测量技术方案进行对比实验研究。在此基础上，提出一种新的基于数字信号处理器的事件时间测量方案，具有功耗低、成本低、结构简单、体积小巧等优点，该方案的总测时误差不超过6.8ns，标准差小于2ns，对应的重力测值标准差小于5微伽，适用于小型化、野外使用的绝对重力仪系统。.3、研究完成一种新型结构的超低频主动式垂直隔振系统，采用全新的配合零长弹簧的两级摆杆结构，通过高精度的光电探测电路和模拟电路反馈控制策略，实现本征频率低至0.01 Hz的垂直隔振系统，达到高精度绝对重力仪的垂直隔振要求。系统结构简单，易于装配和调试，可应用于高精度绝对重力测量，以及其他精密物理测量实验研究。.4、研究完成基于条纹信号拟合残差分析与地面振动测量的重力测值修正方法。在具体方案中，将高灵敏度的振动传感器与绝对重力仪的参考棱镜同时放置于地面，根据传感器的输出信号，计算参考棱镜的运动。实验表明该方法对于重力测值有较好的补偿效果，并且适用于经常变换测量点位的野外测量任务。.本项目深入研究高精度绝对重力仪的关键技术，探索现有重力测量技术体系潜在的系统误差，将显著提升绝对重力仪的自主研制水平，推动重力测量技术的发展，在精密测量领域具有重要的科学意义和应用前景。