梁 靜 董 嵐 羅 濤 王 銅 劉 璨 李 波 王小龍 門玲鸰

（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

大亞灣中微子實驗反應堆至探測器三維距離的測量

梁 靜 董 嵐 羅 濤 王 銅 劉 璨 李 波 王小龍 門玲鸰

（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

大亞灣反應堆中微子實驗的開展需要精確獲取反應堆堆芯至中微子探測器的三維距離。本文介紹了在反應堆堆芯至探測器三維距離測量的過程中控制網(wǎng)的建立及測量方法，采用GPS全球定位儀、全站儀以及激光跟蹤儀聯(lián)合測量的方式實現(xiàn)距離測量，并利用多種軟件對結(jié)果進行平差處理及分析。最終，反應堆堆芯至中微子探測器的三維距離精度滿足±40 mm設計要求。

大亞灣反應堆，中微子，距離測量，精度

大亞灣反應堆中微子實驗是我國基礎(chǔ)科學領(lǐng)域目前最大的國際合作項目[1]。實驗的物理目標是通過探測核反應堆產(chǎn)生的中微子來測定sin22θ13[2]。實驗的開展需要確定核電內(nèi)反應堆堆芯到實驗大廳中微子探測器的三維距離。反應堆位于核電站內(nèi)，由三個機組組成，分別是大亞灣反應堆機組、嶺澳一期機組和嶺澳二期機組，每個反應堆機組包含兩個反應堆，共6個反應堆。大亞灣中微子實驗大廳共安裝8個探測器，分布大亞灣近點(1#)、嶺澳近點(2#)和遠點(3#)三個實驗廳中，實驗廳位于大亞灣核電站北側(cè)山體地下。由于核電站內(nèi)鐵絲網(wǎng)林立，障礙物多，測量通視條件十分有限，且試驗大廳位于地下隧道內(nèi)，測區(qū)條件復雜，對于最終40 mm距離誤差要求測量難度較大。

1 測量方案

1.1 控制點布設和選取

為了建立反應堆堆芯和探測器中心的聯(lián)系，在核電站區(qū)域、隧道區(qū)域及隧道兩個洞口區(qū)域布設和選用了一系列控制點。根據(jù)控制點布設情況不同分為兩類，第一類是本次測量過程中在測區(qū)內(nèi)埋設的控制點，這些控制點埋設為高100 mm、直徑60 mm的不銹鋼柱，此鋼柱表面削口處為球面，帶磁性，如圖1(a)所示，該類控制點主要分布在隧道區(qū)域及兩個洞口附近；第二類為核電站建設期間原有控制點，約為100 mm高的強制觀測墩，墩面為強制對中裝置，如圖1(b)所示，該類控制點主要分布在核電站區(qū)域。

圖1 控制點形式Fig.1 Style of control points.

1.2 測量方案的設計

由于測區(qū)范圍較大，將整個測區(qū)分為核電站區(qū)域、隧道區(qū)域以及隧道洞口區(qū)域三個部分。核電站區(qū)域位于核電站內(nèi)，范圍廣，且鐵絲網(wǎng)林立，通視條件有限，采用GPS全球定位儀觀測方案。隧道區(qū)域由于位于山體內(nèi)，無法接收GPS信號，采用全站儀進行導線測量方案。在隧道洞口區(qū)域，則同時進行全站儀測量及GPS測量以實現(xiàn)兩種控制網(wǎng)的銜接。最終，使用激光跟蹤儀將實驗廳門口的控制點聯(lián)測到探測器上。此外，為加強隧道內(nèi)控制網(wǎng)與GPS網(wǎng)的聯(lián)系，利用全站儀對GPS網(wǎng)進行覆蓋測量，覆蓋區(qū)域包含嶺澳一期、嶺澳二期區(qū)域，涵蓋大部分GPS測量區(qū)域。測量方案的設計如圖2所示。

圖2 距離測量方案Fig.2 Distance measurement scheme.

2 距離測量關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)

2.1 GPS全球定位儀測量

由于反應堆堆芯無法直接測量，在每個反應堆機組周圍選取四個控制點。這些控制點是核電建設原有控制點，與反應堆堆芯的點位關(guān)系已知，通過周圍四個控制點測量坐標求取每個反應堆的堆芯坐標。為建立隧道內(nèi)全站儀網(wǎng)和隧道外GPS網(wǎng)的聯(lián)系，在隧道的兩個洞口區(qū)域布設GPS控制點。共布設24個控制點進行GPS觀測。GPS觀測采用4臺高精度雙頻GPS接收機，其中2臺拓普康接收機、2臺索佳GPS接收機。每時段觀測3 h，個別時段觀測4 h，全網(wǎng)共觀測58時段。采用徠卡光學投點儀對中，觀測前、后量取儀器高，每次量取三個方向取平均，誤差不超過±2 mm，所有野外記錄現(xiàn)場完成，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的正確可靠[3]。

2.2 隧道內(nèi)雙導線測量

隧道內(nèi)GPS信號無法到達，采用全站儀進行導線測量。隧道狹長且有拐彎，從隧道入口至一、二和三號廳門口，以及包括到另一個洞口區(qū)域，嚴密布設雙導線網(wǎng)，于隧道內(nèi)形成閉合圖形，有利于加強網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，提高測量精度；同時，為了增強兩個隧道洞口的圖形連接強度，通過洞外道路導線以及山頂兩種方式進行了兩洞口閉合測量，這些措施對提高整體控制網(wǎng)精度有重要的貢獻。此外，為減小隧道內(nèi)坐標系與隧道外GPS坐標系間的連接誤差，在隧道外核電區(qū)域采用全站儀進行了核電GPS網(wǎng)的覆蓋測量，并通過山頂點進行轉(zhuǎn)站，多種方法保障及提高網(wǎng)間連接精度。

2.3 高程測量

高程控制網(wǎng)的測量采用幾何水準測量與三角高程相結(jié)合的模式。在實驗隧道內(nèi)，由于測量環(huán)境穩(wěn)定，受外界影響小，因此優(yōu)先采用幾何水準的測量方式，此方法簡單而且精度高[4]，具體采用Leica NA2光學水準儀按照國家二等水準規(guī)范進行往返測量。在隧道外，由于測區(qū)地勢起伏，核電站內(nèi)路線彎曲地形起伏，幾何水準的方法無法發(fā)揮其優(yōu)勢，因此選用全站儀三角高程測量的方式。為了達到幾何水準的精度，將全站儀三角高程與幾何水準進行了大量的高差對比實驗，實驗結(jié)論得出要求在高程測量過程中全站儀需嚴格進行對向觀測，觀測時間間隔盡可能短，這樣才能保證大氣環(huán)境變化較小，盡可能地抵消大氣折光誤差的影響[5]。

3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

3.1 GPS數(shù)據(jù)處理及精度

GPS基線解算采用Trimble后處理軟件進行，基線解算按時段解算，根據(jù)觀測環(huán)境和衛(wèi)星狀況，采取選取衛(wèi)星、改變高度角、刪減衛(wèi)星跟蹤、選取解算誤差模型等措施提高基線解算質(zhì)量。剔除GPS不合理的基線之后，最終整網(wǎng)由24個GPS點構(gòu)成。由獨立基線構(gòu)成GPS網(wǎng)，在WGS84系統(tǒng)下，取網(wǎng)中的一個點SG002三維坐標為起算點，進行無約束平差。然后進行高斯投影，將空間坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標，投影帶中央子午線為114°。GPS平差坐標誤差分量如圖4(a)所示，從圖4(a)看出平面方向的精度較高，高程精度較低，GPS網(wǎng)整體點位精度為±12.6 mm。

3.2 全站儀數(shù)據(jù)處理及精度

剔除粗差后，分別使用三種平差軟件：中國科學院高能物理研究所準直組自主開發(fā)軟件MAA、武漢大學開發(fā)軟件COSA和BEPCII軟件Survey，對全站儀平面測量數(shù)據(jù)進行平差。將結(jié)果進行對比，差值小于6 mm，驗證計算的可靠性。全站儀對向觀測高程數(shù)據(jù)采用COSA軟件進行平差，并考慮地球曲率影響。GPS平差坐標誤差分量如圖3(b)所示，由圖3(b)看出高程精度較高，說明三角高程測量精度能達到要求。全站儀控制網(wǎng)測量平面精度為±6.3mm，高程精度為±1.9mm，整體精度為±6.5mm。

圖3 GPS網(wǎng)(a)和全站儀網(wǎng)(b)平差坐標精度Fig.3 Adjustment residual of GPS network (a) and total station network (b).

3.3 全站儀坐標系統(tǒng)和GPS坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度

由于全站儀網(wǎng)和GPS網(wǎng)的坐標系不統(tǒng)一，通過中國科學院高能物理研究所自行開發(fā)坐標轉(zhuǎn)換軟件Bestfit，利用將這兩套坐標系的11個公共點進行擬合轉(zhuǎn)換，將堆芯坐標和探測器中心坐標統(tǒng)一在一個坐標系下。擬合精度見表1，擬合精度為±9.1 mm。

表1 GPS網(wǎng)坐標向全站儀控制網(wǎng)擬合精度(m)Table1 Coordinate transformation accuracy (m).

3.4 距離解算精度

反應堆堆芯由反應堆附近控制點求取，由轉(zhuǎn)換軟件Bestfit求得其精度約為±5.9 mm；探測器中心坐標使用跟蹤儀由實驗廳門口控制點聯(lián)測得到，由跟蹤儀數(shù)據(jù)后處理軟件SURVEY計算得到探測器中心坐標精度為±1.7 mm，跟蹤儀測量控制網(wǎng)和全站儀測量控制網(wǎng)擬合精度為±2.2 mm。對上述誤差源進行綜合，并按照等影響原則和忽略不計原則，得到堆芯至探測器中心距離精度滿足±40 mm的設計要求。

4 結(jié)語

詳細介紹大亞灣中微子實驗反應堆到探測器三維距離測量方案，對包括隧道外GPS測量、隧道內(nèi)全站儀測量以及全站儀三角高程測量等主要環(huán)節(jié)進行描述，并對數(shù)據(jù)測量處理方法及精度進行分析，最終精確獲得反應堆堆芯到探測器的三維空間距離。2012年大亞灣中微子實驗國際合作組宣布大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率，反應堆至探測器三維距離的精確測量工作為實驗的成功奠定了良好基礎(chǔ)。

1 薛濤, 龔光華, 陳少敏, 等. 大亞灣中微子實驗時鐘時標廣播系統(tǒng)的初步設計[J]. 核電子學與探測技術(shù), 2009, 29(6): 1253-1256

XUE Tao, GONG Guanghua, CHEN Shaomin, et al. The preliminary design of timing system for Daya Bay rector neutrino experiment[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009, 29(6): 1253-1256

2 鄭攀, 楊雷, 楊杰. 中微子探測器實驗環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計算世界, 2010, 26(3-1): 86-88

ZHENG Pan, YANG Lei, YANG Jie. Monitoring system of neutrinos detector experiment environment[J]. Control & Automation, 2010, 26(3-1): 86-88

3 Noumi H. GPS survey in long baseline neutrinooscillation measurement[C]. Nuclear Science Symposium Conference Record, IEEE, 2003: 315-319

4 王銅, 董嵐, 羅濤, 等. 三角高程在CSNS園區(qū)地面標高測量中的應用[J]. 測繪地理信息, 2013, 38(1): 37-42

WANG Tong, DONG Lan, LUO Tao, et al. Application of triangulated height surveying for CSNS ground elevation measurements[J]. Journal of Geomatics, 2013, 38(1): 37-42

5 王銅, 羅濤, 梁靜, 等. 精密三角高程在大亞灣中微子實驗距離測量中的應用研究[J/OL]. 測繪科學, 2014, http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.P.20130531.081 6.001.html

WANG Tong, LUO Tao, LIANG Jing, et al. Research on the application of trigonometric leveling in the distance measurement of Daya Bay reactor neutrino experiment[J/OL]. Science of Surveying & Mapping, 2014, http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.P.201305 31. 0816.001.html

CLCTL43

Measurement of 3D distance from nuclear reactors to detectors in Daya Bay reactor neutrino experiment

LIANG Jing DONG Lan LUO Tao WANG Tong LIU Can LI Bo WANG Xiaolong MEN Lingling
(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The Daya Bay neutrino experiment is designed to measure the mixing angle θ13using anti-neutrinos produced by the reactors of the Daya Bay Nuclear Power Plant (NPP) and the Ling Ao NPP. The distance from nuclear reactors to experiment detectors is needed. Purpose: The aim is to introduce the way of building and measuring the control network during the distance surveying. Methods: The 3D distance was obtained by GPS, total station and laser tracker, and several software and different instruments were used for the combination of data adjustment and coordinate transformation, as well as the correctness checking. Results: Through the actual measurement and data processing, the accuracy of the distance is better than the designed requirement of ±40 mm. Conclusion: The success of the Daya Bay reactor neutrino experiment demonstrates that the result of 3D distance measurement is reasonable and correct, and the survey work makes an important contribution to the Daya Bay reactor neutrino experiment.

Daya Bay reactor, Neutrino, Distance measurement, Precision

TL43

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010602

梁靜，女，1986年出生，2010年于武漢大學獲碩士學位，工程師，從事精密工程測量及粒子加速器準直測量的理論方法和技術(shù)研究

2013-11-06，

2013-11-26