原子重力儀性能要求和測試方法

ICS17.100

A53

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXXX—XXXX

原子重力儀性能要求和測試方法

Requirementsandtestmethodsforperformancesoftheatomgravimeters

（點(diǎn)擊此處添加與國際標(biāo)準(zhǔn)一致性程度的標(biāo)識(shí)）

（征求意見稿）

（本稿完成日期：2023年3月12日）

在提交反饋意見時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

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前言

本文件按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起

草。

本文件由全國量子計(jì)算與測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC587）提出并歸口。

本文件起草單位：中國計(jì)量科學(xué)研究院、浙江工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院精密測量科

學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所、中國

航天科技集團(tuán)有限公司錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司、深圳中國計(jì)量科學(xué)研

究院技術(shù)創(chuàng)新研究院、濟(jì)南量子技術(shù)研究院。

本文件主要起草人：

II

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原子重力儀性能要求和測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了原子重力儀性能參數(shù)要求和測試方法。

本文件適用于不同原子重力儀的性能評(píng)價(jià)和測試。

2規(guī)范性引用文件

GB/T20256-2019國家重力控制測量規(guī)范

DZ/T0356-2020海洋重力測量技術(shù)規(guī)范

DZ/T0381-2021航空重力測量技術(shù)規(guī)范

DZ/T0004-2015重力調(diào)查技術(shù)規(guī)范（1：50000）

DL/T1140—2012電氣設(shè)備六氟化硫激光檢漏儀通用技術(shù)條件

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

原子重力儀atomgravimeter

基于原子的物質(zhì)波干涉原理實(shí)現(xiàn)重力加速度絕對(duì)值測量的儀器。

注：原子重力儀又稱為原子干涉重力儀、原子干涉絕對(duì)重力儀、量子重力儀等。

3.2

測量不確定度measurementuncertainty

表征原子重力儀測量重力加速度的準(zhǔn)確性的非負(fù)參數(shù)，單位為m/s2。

3.3

短期靈敏度short-termsensitivity

表征原子重力儀對(duì)重力加速度變化的響應(yīng)能力的參數(shù)，是衡量原子重力儀短時(shí)間（如100s以下）

測量噪聲的參數(shù)，單位為m/s2/Hz。

3.4√

長期穩(wěn)定度long-termstability

表征原子重力儀保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定能力的參數(shù)，與測量時(shí)間有關(guān)，是衡量原子重力儀長時(shí)

間（如100s以上）變化的參數(shù)，單位為m/s2。

3.5

測量重復(fù)性measurementrepeatability

表征原子重力儀對(duì)某點(diǎn)位重力加速度進(jìn)行開關(guān)機(jī)多次測量，所得測量結(jié)果的一致性，單位為m/s2。

1

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3.6

分辨力resolution

表征原子重力儀能夠測量的重力加速度的最小變化，單位為m/s2。

3.7

測量范圍measuringrange

表征原子重力儀能夠測量的重力加速度的量值范圍，單位為m/s2。

注：原子重力儀的測量范圍可以涵蓋地球表面的重力加速度變化，即9.77~9.83m/s2。

3.8

重復(fù)頻率repetitionrate

表征原子重力儀測量重力加速度快慢的參數(shù)，一般適用于動(dòng)態(tài)測量條件，單位為Hz。

注：測量循環(huán)時(shí)間或循環(huán)周期的倒數(shù)。

3.9

內(nèi)符合精度internalconsistencyaccuracy

以估計(jì)的最似然估值為比對(duì)基準(zhǔn)，主要反映觀測值之間的離散度，是表征原子重力儀精密度的非負(fù)

參數(shù)，一般適用于動(dòng)態(tài)測量條件，單位為m/s2。

3.10

交叉點(diǎn)偏差crossingpointdeviation

重力測量工區(qū)內(nèi)，同一測線與其他所有相交測線交點(diǎn)位置的絕對(duì)重力值，經(jīng)各項(xiàng)改正后絕對(duì)重力值

的整體偏差，一般適用于動(dòng)態(tài)測量條件，單位為m/s2。

（引自DZ/T0356-2020《海洋重力測量技術(shù)規(guī)范》3.1.2）

3.11

動(dòng)態(tài)工作范圍dynamicworkingrange

原子重力儀能夠正常工作時(shí)，其載體運(yùn)動(dòng)加速度的變化范圍，一般適用于動(dòng)態(tài)測量條件，單位為

m/s2。

4原子重力儀的組成與分類

4.1概述

原子重力儀是一種基于原子干涉測量原理的重力測量儀器，它利用自由下落的微觀原子對(duì)重力場

的敏感性，結(jié)合原子干涉法來進(jìn)行重力測量。原子干涉儀與光學(xué)馬赫-增德爾干涉儀類似，兩個(gè)不同相

位的原子波包會(huì)形成干涉、呈現(xiàn)干涉條紋。通過對(duì)干涉條紋相位的提取，能夠得出原子感受到的重力場

信息。如果原子不受任何外力、不考慮重力場的作用時(shí)，馬赫-增德爾型原子重力儀的干涉環(huán)路如圖1中

的平行四邊形實(shí)線所示，原子依次與π/2-π-π/2三個(gè)操控激光脈沖作用，形成干涉環(huán)路，兩路原子沒有路

徑差，干涉條紋的相位差為零?？紤]重力的影響后，原子將沿圖1中所示的拋物虛線運(yùn)動(dòng)，兩路原子將

2

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會(huì)有一定的路徑差、干涉條紋相位將發(fā)生一定的移動(dòng)。

圖1原子重力儀測量原理

通過路徑積分可以求解出重力場中原子干涉條紋的最終相位，用公式可表示為

2

?=φkeff?gT

其中，g為原子的重力加速度，keff為操控激光的等效波矢，T為兩個(gè)激光脈沖之間的時(shí)間間隔。

原子重力儀主要包括真空物理單元，光學(xué)單元、電路控制單元、振動(dòng)處理單元以及數(shù)據(jù)輸入輸出及

顯示單元等組成部分，其中真空物理單元包括冷原子制備單元、原子干涉與信號(hào)探測單元兩部分，如圖

2所示。

圖2原子重力儀的構(gòu)成

4.2原子重力儀的分類

原子重力儀中原子干涉路徑的操縱方式一般有拉曼躍遷型和布拉格衍射型。拉曼躍遷型原子重力

儀比較常見。

按照使用場地和環(huán)境條件的不同，原子重力儀可分為靜態(tài)型原子重力儀和動(dòng)態(tài)型原子重力儀兩大

類。

靜態(tài)型原子重力儀，是指原子干涉儀在靜置不動(dòng)的狀態(tài)下工作。靜態(tài)型原子重力儀又可分為臺(tái)站式

原子重力儀、流動(dòng)式原子重力儀兩小類。臺(tái)站式原子重力儀長期在一處固定的臺(tái)站工作，工作環(huán)境良好，

應(yīng)具備優(yōu)異的性能。流動(dòng)式原子重力儀可在不同的測量地點(diǎn)工作，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

動(dòng)態(tài)型原子重力儀是指原子干涉儀在連續(xù)移動(dòng)的狀態(tài)下工作。動(dòng)態(tài)型原子重力儀的載體可以為陸

地車輛、水面或水下航行器、航空器等。動(dòng)態(tài)型原子重力儀應(yīng)該具備極好的環(huán)境適應(yīng)性和較快的數(shù)據(jù)采

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樣率。

5性能要求

原子重力儀應(yīng)滿足如表1性能要求。

表1原子重力儀性能指標(biāo)要求

指標(biāo)要求

序號(hào)性能靜態(tài)型

動(dòng)態(tài)型b

臺(tái)站式流動(dòng)式

1測量不確定度≤10μGal≤100μGal/

2短期靈敏度≤100μGal/Hz≤1mGal/Hz≤20mGal/Hz

3長期穩(wěn)定度≤3μGala≤30μGala/

√√√

4測量重復(fù)性≤5μGal≤50μGal/

5分辨力≤3μGal≤30μGal/

6重復(fù)頻率/≥2Hz

7內(nèi)符合精度/≤2mGal

8交叉點(diǎn)偏差/≤3mGal

9動(dòng)態(tài)工作范圍/≥1.5m/s2

1μGal=10-8m/s2;1mGal=10-5m/s2；

a.與時(shí)間有關(guān)，本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間為1000s以上；

b.載體移動(dòng)速度大于0.1m/s；

6測試方法

6.1測試條件

6.1.1靜態(tài)測試環(huán)境條件

6.1.1.1臺(tái)站測試環(huán)境條件

——振動(dòng)噪聲優(yōu)于VC-C標(biāo)準(zhǔn)（參見附錄A）；

——溫度范圍20~30℃，波動(dòng)小于±2℃；

——相對(duì)濕度范圍40~70%；

——環(huán)境不應(yīng)有影響測試工作的電磁場干擾源。

6.1.1.2流動(dòng)測試環(huán)境條件

——振動(dòng)噪聲優(yōu)于VC-A標(biāo)準(zhǔn)（參見附錄A）；

——溫度范圍-18℃~38℃；

——相對(duì)濕度范圍10~80%；

——環(huán)境不應(yīng)有影響測試工作的電磁場干擾源。

4

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6.1.2動(dòng)態(tài)測試條件

船載動(dòng)態(tài)測試條件：

——海況等級(jí)不大于4級(jí)海況；

——船只航行速度不大于12kn(1kn=(1852/3600)m/s)。

機(jī)載動(dòng)態(tài)測試條件：

——無強(qiáng)對(duì)流、磁暴天氣；

——高度控制偏差小于10m。

車載動(dòng)態(tài)測試條件：

——路面極限最小平面曲線半徑大于125m；

——最大縱坡小于6%；

——轉(zhuǎn)彎角度小于15°（測試路面轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎前后道路夾角）。

注：以上條件為一級(jí)公路的路面標(biāo)準(zhǔn)。

6.2測試方法

6.2.1測量不確定度自評(píng)定

測量不確定度的評(píng)定包括A類評(píng)定和B類評(píng)定，兩者之和為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。A類評(píng)定表示用統(tǒng)計(jì)

分析的方法進(jìn)行的不確定度分量的評(píng)定。B類評(píng)定表示針對(duì)原子重力儀系統(tǒng)內(nèi)各種物理因素以及外界環(huán)

境因素對(duì)重力測量的影響進(jìn)行分析、實(shí)驗(yàn)得到的不確定度分量的評(píng)定。原子重力儀應(yīng)給出測量不確定度

自評(píng)定報(bào)告，推薦方法參見附錄B。

6.2.2示值誤差

在規(guī)定條件下，利用重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位，得到原子重力儀測量結(jié)果與相應(yīng)參考值之差

的平均值，即為示值誤差。示值誤差應(yīng)不大于測試合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的2倍。

(1)重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置測試示值誤差

利用重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行示值誤差測試示意圖見圖3。

圖3.重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置測試示值誤差

測試步驟：

（a）將被測原子重力儀和重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置分別安放在指定測量點(diǎn)位上，安裝調(diào)試，充分預(yù)熱；

（b）同一時(shí)段，原子重力儀和重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置開始啟動(dòng)重力加速度測量，分別得到測量結(jié)果，

進(jìn)行固體潮、重力梯度等修正后，得到測量點(diǎn)位絕對(duì)重力值gx和gr；

jj

（c）進(jìn)行3次以上重復(fù)測量，每次測量需更換測量點(diǎn)位后重新裝調(diào)，得到多個(gè)測量結(jié)果gx和gr

（j=1,2,3…）；

（d）用N次測量結(jié)果差值的算術(shù)平均值計(jì)算示值誤差

5

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1

jj（1）

δg=∑(ggxr?),N≥=3,j1,2,...N

N

測試合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(δg)由原子重力儀測量不確定度u(gx)和重力加速度標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度

u(gr)合成

22（）

u(δg=)ug(xr)+=ug()(k1)2

其中k=1表示合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。示值誤差測試結(jié)果δg應(yīng)小于擴(kuò)展不確定度u(δg)(k=2)，對(duì)應(yīng)置信概

率95.45%，即2u(δg)(k=1)，用以測試原子重力儀測量不確定度自評(píng)定的合理性。

(2)重力加速度標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位測試示值誤差

利用重力加速度標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行示值誤差測試示意圖見圖4。

圖4.重力加速度標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位測試示值誤差

測試步驟：

（a）將原子重力儀安放在重力加速度標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上，安裝調(diào)試，充分預(yù)熱；

（b）原子重力儀開始啟動(dòng)重力加速度測量，得到測量結(jié)果，進(jìn)行固體潮、重力梯度等修正后，得

到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位絕對(duì)重力值gx，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位需要修正測量時(shí)間內(nèi)重力加速度隨時(shí)間的變化量，得到絕對(duì)重力參

考值gr；

jj

（c）進(jìn)行3次以上重復(fù)測量，每次測量需更換標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位后重新裝調(diào)，得到多個(gè)測量結(jié)果gx和gr

（j=1,2,3…）；

（d）測量結(jié)果計(jì)算示值誤差同公式（1）。測試合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度同公式（2）。示值誤差測試結(jié)

果應(yīng)小于擴(kuò)展不確定度。

6.2.3短期靈敏度

利用原子重力儀標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行短期靈敏度測試示意圖見圖5。

圖5.短期靈敏度測試示意圖

6

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測試步驟：

（a）將原子重力儀安放在指定測量點(diǎn)位上，安裝調(diào)試，充分預(yù)熱；

（b）原子重力儀開始啟動(dòng)重力加速度測量，連續(xù)測量（超過1500秒），得到測量結(jié)果，進(jìn)行固體

潮、重力梯度等修正后，得到測量點(diǎn)位的多個(gè)絕對(duì)重力值gx；

（c）計(jì)算測量結(jié)果差值的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差

2

1jj+1（3）

στg()=∑(ggxx(τ)?(τ))

21(N?)j

其中τ表示取樣時(shí)間，gx(τ)表示τ時(shí)間內(nèi)的測量結(jié)果差值的平均值，N表示測量結(jié)果總數(shù)。

對(duì)阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到擬合斜率κ，即為原子重力儀短期靈敏度，單位為m/s2/Hz。

6.2.4長期穩(wěn)定度√

利用原子重力儀測量重力加速度，計(jì)算測量結(jié)果的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差，評(píng)估特定測量時(shí)間對(duì)應(yīng)的阿倫標(biāo)

準(zhǔn)偏差值，即為穩(wěn)定度，因此穩(wěn)定度需要標(biāo)注對(duì)應(yīng)的測量時(shí)間。測試步驟同6.2.3，示意圖同圖5。阿倫

標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算同公式（3）。

計(jì)算測量結(jié)果差值的阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差，取樣時(shí)間和取樣組數(shù)推薦如表1。

表1取樣時(shí)間和取樣組數(shù)

取樣時(shí)間取樣組數(shù)

1000s≥15

10000s≥15

1d≥15

6.2.5測量重復(fù)性

原子重力儀多次開關(guān)機(jī)測量點(diǎn)位重力加速度，進(jìn)行固體潮、重力梯度等修正后，得到測量點(diǎn)位多個(gè)

j

絕對(duì)重力值gx（j=1,2,3…），計(jì)算測量值的標(biāo)準(zhǔn)差，即為測量重復(fù)性，計(jì)算公式為

11ji（）

R=∑∑ggxx?4

NN?1ji

6.2.6分辨力

分辨力測試方法包括但不限于以下三種。

6.2.6.1引力源標(biāo)定法

針對(duì)超高分辨力測試需求，可采用基于萬有引力定律的直接引力源標(biāo)定法檢驗(yàn)重力儀分辨力。

測試步驟：

（1）原子重力儀放置在吸引質(zhì)量附近進(jìn)行連續(xù)重力觀測，觀測時(shí)間取決于原子重力儀性能，一般

應(yīng)長于達(dá)到其分辨力極限所需測量時(shí)間。測量數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐、氣壓、極移等環(huán)境因素修正后進(jìn)行統(tǒng)

計(jì)，計(jì)算平均值g1和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差σ1；

（2）改變吸引質(zhì)量位置，重復(fù)步驟（1），獲得第二組測量值g2、σ2；

22

（3）計(jì)算兩組測量值的差值，Δgm=|g1-g2|，σg=√(σ1+σ2)；

（4）根據(jù)萬有引力定律計(jì)算由于吸引質(zhì)量位置改變?cè)谥亓x中應(yīng)引入的加速度觀測值改變量

Δgc；

7

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（5）比較Δgm和Δgc，兩者應(yīng)在誤差范圍內(nèi)吻合，用此方法可直接測試原子重力儀分辨力；

（6）調(diào)制步驟（2）中吸引質(zhì)量位置改變量，重復(fù)步驟（1）-（4），當(dāng)Δgm=σ1+σ2時(shí),對(duì)應(yīng)的Δgc

為被測重力儀的分辨力極限。

6.2.6.2重力梯度法

針對(duì)室內(nèi)臺(tái)站環(huán)境，可以利用垂直重力梯度引起的不同高度重力值差異進(jìn)行評(píng)估。

測試步驟：

（1）原子重力儀放置在重力標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位進(jìn)行連續(xù)重力觀測4~6小時(shí)，測量數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐、氣壓、極

移等環(huán)境因素修正后，每半小時(shí)觀測數(shù)據(jù)歸為一組，其平均值記為xi，i=1,2,3，……所有組的平均值

記為xa，組間標(biāo)準(zhǔn)差記為σx：

n?2

∑=(xxia)

σ=i1（5）

xn?1

（2）標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位的重力梯度值記為γ，將原子重力儀抬高h(yuǎn)厘米后，重復(fù)上述觀測，得到對(duì)應(yīng)的yi、ya、

σy，測量結(jié)果需要滿足|xa-ya|>Max(σx,σy)，用以測試原子重力儀的分辨力。

6.2.6.3潮汐跟隨法

針對(duì)野外測量場景，可以利用原子重力儀追隨潮汐改變的能力來表征分辨力。

測試步驟：

（1）在大潮期間固體潮變化速率快的時(shí)段，原子重力儀每十分鐘的平均重力觀測數(shù)據(jù)記為1組，為

Ri，i=1,2,3，…，n-1（不少于六個(gè)）；

（2）對(duì)應(yīng)每組重力觀測值Ri同一時(shí)刻的固體潮理論值，記為Ti，i=1,2,3，…，n-1。觀測值應(yīng)隨固

體潮理論值同步遞增或者遞減。定義比例系數(shù)：Ki=(Ri+1-Ri)/(Ti+1-Ti)，需要滿足0.5≤Ki≤1.5，用以測

試原子重力儀的分辨力。

6.2.7重復(fù)頻率

測量被測原子重力儀得到單次測量結(jié)果所需時(shí)間，其倒數(shù)即為重復(fù)頻率，計(jì)算公式為

（6）

fTcc=1/

其中：

fc——重復(fù)頻率；

Tc——單個(gè)測量值所需時(shí)間。

6.2.8內(nèi)符合精度

針對(duì)動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力測量場景，評(píng)估原子重力儀數(shù)據(jù)離散程度，表征儀器的精密度（參見附錄C）。

測試步驟：

（1）使用原子重力儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)重復(fù)測線重力測試并計(jì)算每次重復(fù)測線的重力測量結(jié)果；

（2）記錄重復(fù)測線公共段數(shù)據(jù)點(diǎn)的測量結(jié)果Fij，計(jì)算該測量結(jié)果與平均值Fi的差值δij的標(biāo)準(zhǔn)

差，即為內(nèi)符合精度，計(jì)算公式為

8

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mn

2

∑∑δij

ji=11=

ε=±（7）

mn×

式中：

ε——內(nèi)符合精度，單位為m/s2；

m——重復(fù)測線的數(shù)目；

n——重復(fù)測線公共段數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；

δij——為第j條重復(fù)測線公共段各點(diǎn)測量值Fij與該點(diǎn)各重復(fù)測線觀測的平均值Fi之差。

6.2.9交叉點(diǎn)偏差

交叉點(diǎn)偏差使用動(dòng)態(tài)重力測網(wǎng)的方法進(jìn)行測試評(píng)估。

測試步驟：

（1）使用原子重力儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)交叉網(wǎng)格測試，并計(jì)算交叉網(wǎng)格的重力值；

（2）對(duì)交叉網(wǎng)格測線中每一個(gè)測線交叉點(diǎn)的測量結(jié)果差值δi，其標(biāo)準(zhǔn)差即為交叉點(diǎn)偏差，計(jì)算公式

為

n

2

∑δi

i=1（）

εc=±8

2n

式中：

2

εc——交叉點(diǎn)偏差，單位為m/s；

2

δi——交叉點(diǎn)處重力測量結(jié)果差值，單位為m/s；

n——交叉點(diǎn)數(shù)。

6.2.10動(dòng)態(tài)工作范圍

動(dòng)態(tài)工作范圍是原子重力儀能夠正常工作時(shí)，其載體運(yùn)動(dòng)加速度的變化范圍。改變載體運(yùn)動(dòng)加速度，

原子重力儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，載體運(yùn)動(dòng)加速度的最大值與最小值的差值，即為動(dòng)態(tài)范圍。

（）

??aa=Mma9

式中：

Δa——?jiǎng)討B(tài)范圍，單位為m/s2；

2

aM——測量最大值，單位為m/s；

2

am——測量最小值，單位為m/s。

9

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附錄A

（資料性）

VC振動(dòng)準(zhǔn)則

VC振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線由EricUngar和ColinGordon在20世紀(jì)80年代初提出。該方法最初作為用于半

導(dǎo)體、醫(yī)療和生物制藥行業(yè)的振動(dòng)敏感設(shè)備的通用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)在各種技術(shù)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

該標(biāo)準(zhǔn)采用一組三分之一倍頻程速度譜的形式，以及國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）關(guān)于振動(dòng)對(duì)建筑物內(nèi)人員影

響的指南。具體內(nèi)容如圖A1和表A1所示。

表A1VC振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

振幅

曲線標(biāo)準(zhǔn)用途描述

μm/s(μin/s)

Workshop（ISO）800（32,000）振感明顯。適用于車間或非振動(dòng)敏感區(qū)域。

Office（ISO）400（16,000）可察覺的振動(dòng)。適用于辦公室及非敏感地區(qū)。

ResidentialDay幾乎察覺不到的振動(dòng)。大多數(shù)情況下適合時(shí)眠區(qū)

200（8000）域。通常適用于計(jì)算機(jī)設(shè)備、醫(yī)院康復(fù)室、半導(dǎo)體

（ISO）探針測試設(shè)備和小于40倍的顯微鏡。

不易于察覺的振動(dòng)。適用于外科設(shè)備，100倍的顯

Op.Theatre（ISO）100（4000）

微鏡或其他低靈敏度的設(shè)備。

通常適用于400倍的光學(xué)顯微鏡、微天平、光學(xué)

VC-A50（2000）

天平、接近和投影對(duì)準(zhǔn)器等。

VC-B25（1000）適用于線寬為3μm的檢查和光刻(包括步進(jìn)機(jī))。

適用于1000倍光學(xué)顯微鏡，1μm的檢查/光刻檢

VC-C12.5（500）查設(shè)備（包括中靈敏度電子顯微鏡)，TFT-LCD步

進(jìn)/掃描器。

適用于要求苛刻的設(shè)備，包括電子顯微鏡（TEM

VC-D6.25（250）

和SEM）和電子束系統(tǒng)。

一個(gè)難以達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。適用于高靈敏度系統(tǒng)，包括

VC-E3.12（125）長徑、激光、小目標(biāo)系統(tǒng)、納米尺度的電子束光刻

系統(tǒng)，以及其他對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求極高的系統(tǒng)。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-F1.56（62.5）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-G.78（31.3）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

在高于20Hz的頻率下，NIST-A標(biāo)準(zhǔn)與VC-E曲

線相同，但低于此頻率時(shí)，則保持恒定位移。1至

NIST-A

20Hz之間為0.025μm或25nm；20至100Hz之

間為3.1μm/s（125μin/s）

NIST-A1VIST-A1標(biāo)準(zhǔn)要求小于4Hz的頻率的RMS速度

10

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為3μm/sec（118μin。/sec），而對(duì)于4Hz<f<100

Hz的頻率則為0.75μm/sec（29.5μin。/sec）速度

適用于極其安靜的研究空間；通常在大多數(shù)情況

VC-H.39（15.63）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-I.195（7.81）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-J.0.97（3.9）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-K.048（1.95）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-L.024（0.98）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

適用于極其安靜的研究空間;通常在大多數(shù)情況

VC-M.012（0.49）下都很難實(shí)現(xiàn)，尤其是在潔凈室中。不建議將其用

作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，僅用于評(píng)估。

圖A1VC振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線

11

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附錄B

（資料性）

原子重力儀測量結(jié)果不確定度評(píng)定方法

一、標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定

測量值的平均值以及單次測量誤差估算，分別見下式

n

∑xi

i=1

xe=

n(B1)

n

2

(xx?)

∑ie(B2)

s=i=1

x'n?1

式中：

xe——測量值x的測量平均值；

xi——測量值x的第i次測量值；

sx’——測量值x的單次測量值中誤差（中誤差：測量次數(shù)有限時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值）；

n——測量次數(shù)。

二、標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

原子重力儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定來源通常有：激光器、原子、鐘、測量光垂直性、光頻移效

應(yīng)、波前畸變效應(yīng)、有效高度的測量、電磁影響、光速有限修正、大氣壓修正、科里奧利加速度修正、

重力固體潮汐修正、極移修正、自引力修正等，可參照表表B1進(jìn)行。

表B1原子重力儀標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定來源匯總表(單位10-8m/s2)

序號(hào)B類不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)B類不確定度(k=1)

1激光波長u1

2激光頻率差u2

3激光方向u3

4單光子頻移u4

5雙光子頻移u5

6波前畸變效應(yīng)u6

7重力梯度效應(yīng)u7

8塞曼效應(yīng)u8

9有限光速u9

10科里奧利力u10

11儀器引力效應(yīng)u11

12大氣壓修正u12

13重力固體潮汐修正u13

14極移修正u14

12

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合計(jì)uB

當(dāng)各項(xiàng)不確定評(píng)估互不相關(guān)時(shí)，合成總不確定度如下：

222222

uB=uuu1+++++23...u12u13+u14

主要誤差效應(yīng)簡介如下：

1.激光波長

由激光波長偏移引起的重力儀測量結(jié)果誤差。

2.激光頻率差

由測量操控激光頻率差偏移引起的重力儀測量結(jié)果誤差。

3.激光方向

由激光方向偏離豎直方向引起的重力儀測量結(jié)果誤差。

4.單光子頻移

由激光電場引起原子能級(jí)移動(dòng)導(dǎo)致放的重力儀測量結(jié)果誤差。

5.雙光子頻移

由非共振激光引起原子能級(jí)移動(dòng)導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

6.波前畸變效應(yīng)

由光學(xué)元件面形影響激光的空間相位分布導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

7.重力梯度效應(yīng)

由空間重力梯度和儀器等效高度測量誤差導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

8.塞曼效應(yīng)

由環(huán)境磁場引起原子能級(jí)移動(dòng)導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

9.有限光速

由激光有限傳播速度導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

10.科里奧利力

由科里奧利力導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果偏移。

11.儀器框架引力效應(yīng)

由儀器框架的萬有引力導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

12.大氣壓修正

由氣壓導(dǎo)致的測量點(diǎn)重力值變化。

13.重力固體潮汐修正

由重力固體潮導(dǎo)致的測量點(diǎn)重力值變化。

14.極移修正

由極移導(dǎo)致的測量點(diǎn)重力值變化。

三、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

1、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

22

uC=+=uukAB(1)

2、相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

ucr=uc/xk(=1)

3、擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

通常取包含因子k=2，對(duì)應(yīng)置信概率95.45%，其擴(kuò)展測量不確定度：U=2uc。

13

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附錄C

（資料性）

原子重力儀動(dòng)態(tài)測量改正方法

原子重力儀動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行絕對(duì)重力測量時(shí)，需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行改正，包括儀器B類評(píng)定項(xiàng)、

動(dòng)態(tài)環(huán)境評(píng)定。

一、動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

原子重力儀動(dòng)態(tài)測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定來源通常有：激光器、原子、鐘、測量光垂直性、光

頻移效應(yīng)、波前畸變效應(yīng)、有效高度的測量、電磁影響、光速有限修正、大氣壓修正、科里奧利加速度

修正、重力固體潮汐修正、極移修正、自引力修正等，由于動(dòng)態(tài)測量不確定度相對(duì)靜態(tài)測量較差，其中

的一些儀器效應(yīng)無需評(píng)估，動(dòng)態(tài)測試中需要修正的B類評(píng)定參照表C1進(jìn)行。

表C1原子重力儀動(dòng)態(tài)測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定來源匯總表(單位10-8m/s2)

序號(hào)B類不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)B類不確定度(k=1)

1雙光子頻移u5

2重力梯度效應(yīng)u7

3科里奧利力u10

4重力固體潮汐修正u13

1.雙光子頻移

由非共振激光引起原子能級(jí)移動(dòng)導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

2.重力梯度效應(yīng)

由空間重力梯度和儀器等效高度測量誤差導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果誤差。

3.科里奧利力

由科里奧利力導(dǎo)致的重力儀測量結(jié)果偏移。

4.重力固體潮汐修正

由重力固體潮導(dǎo)致的測量點(diǎn)重力值變化。

二、動(dòng)態(tài)環(huán)境評(píng)定項(xiàng)

動(dòng)態(tài)環(huán)境評(píng)定項(xiàng)主要是由動(dòng)態(tài)測試過程中載體環(huán)境的變化而帶來的改正項(xiàng)，包括高度改正、厄特沃

什改正、潮水改正等。

1.厄特沃什改正(Eotv?scorrection)

表示地球在運(yùn)動(dòng)的載體上進(jìn)行重力測量時(shí)，由于載體相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)，從而改變了重力儀隨地球

自轉(zhuǎn)的離心力（稱為厄特沃什效應(yīng)），由此對(duì)重力觀測值所施加的改正，單位為m/s2。

按照公式（C1）計(jì)算：

2（）

g厄i=2×?地×ννi×sin(ARi)×cos(Φii)+地C1

式中：

Ω地——地球自轉(zhuǎn)角速度，單位為rad/s；

vi——測點(diǎn)動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s；

Ai——測點(diǎn)動(dòng)態(tài)載運(yùn)動(dòng)向方位角，單位為度(°)；

Φi——測點(diǎn)地理緯度，單位為度(°)；

R地——測點(diǎn)所在地球曲率半徑，單位為m。

2.高度改正

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表示載體在運(yùn)動(dòng)過程中高度發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生的重力值變化。

3.潮水改正

在進(jìn)行海上船載動(dòng)態(tài)測量時(shí)，由海水引力產(chǎn)生的重力值變化。該項(xiàng)改正僅船載測試時(shí)有效。

三、動(dòng)態(tài)重力改正公式

綜合評(píng)定B類改正與環(huán)境改正，按公式（C2）計(jì)算：

（）

ggggg動(dòng)ii=+++B高i厄i潮C2

式中：

2

g動(dòng)i——測點(diǎn)動(dòng)態(tài)改正項(xiàng)，單位為m/s;

2

gB——原子重力儀的B類評(píng)定，單位為m/s;

2

g高i——測點(diǎn)高度影響改正值，單位為m/s;

2

g厄i——測點(diǎn)厄特沃什改正值，單位為m/s;

2

g潮i——測點(diǎn)海潮改正值，單位為m/s。

計(jì)算得到總改正項(xiàng)g動(dòng)i后進(jìn)行動(dòng)態(tài)絕對(duì)重力值計(jì)算，最終得到的重力值使用內(nèi)符合精度與交叉點(diǎn)

偏差進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定。

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目次

前言.............................................................................II

1范圍................................................................................1

2規(guī)范性引用文件......................................................................1

3術(shù)語和定義..........................................................................1

4原子重力儀的組成與分類..............................................................2

5性能要求............................................................................4

6測試方法.............................................................