基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量系统，设置有上下对称的干涉仪，所述干涉仪包括固定棱镜、活动棱镜和分光镜，通过相同频率的激光光源照射所述干涉仪分别发生干涉；上、下活动棱镜设置在同一个落体内，上、下活动棱镜的光心相距预定距离，在垂直方向上落体质心位于两个所述光心中间。本系统能够消除落体偏摆对自由落体绝对重力测量精度的影响。本发明同时还提供了一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量方法。
【专利说明】基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量方法，本发明还涉及一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量系统，属于高精度绝对重力测量领域。
【背景技术】
[0002]精确的重力值g在大地测量、地球物理和精密计量等领域具有极其重要的意义。目前国际上多数国家均采用“自由下落”法进行绝对重力测量，其测量原理是在高真空环境下，通过测量落体在竖直方向自由下落运动过程中所经历的时间和距离，根据牛顿第二定律计算得到重力值g。
[0003]经典自由落体绝对重力测量系统采用铷(或铯)原子频标作为时间测量标准，用高稳定度的激光作为长度测量标准，基于迈克尔逊干涉仪原理实现精确地测距。如图1所示，干涉仪的两个棱镜一个安装在落体内，作为可动反射面，另一个则固定在干涉仪上，作为固定反射面。激光器发射的一束激光经分光后，分别经可动反射面和固定反射面反射后再次重合，发生干涉，干涉光的波形图如图2所示。落体下落时，使得经可动反射面反射的光束的光程发生变化，引起两束光的相位差发生变化，每下落半波长的距离，干涉光会出现一次明暗变化，根据记录的干涉条纹数可以实现精确的长度测量。测量时，预先设定固定的条纹数，根据过零点来计算条纹数，用高分辨率的时间间隔测量仪测量出相应条纹变化过程对应的微小时间段，从而获得下落物体的自由落体运动过程中多组时间和距离的参数，最后通过数学多项式拟合，即可计算得到重力值g。
[0004]但是，干涉仪中固定的棱镜在落体下落过程中会受到来自地面的垂直方向振动的影响，影响绝对重力仪测量精度。现有技术通常采用超长弹簧或长周期地震计来隔离地面的振动，或利用长周期地震仪拾取地面振动情况，对测量结果进行补偿的方法，大大提高了重力值g的测量精度。
[0005]此外，高精度重力测量还会受偏摆(在下落过程中落体围绕自身质心的旋转)的影响，该现象是因为干涉仪中做自由落体运动的活动棱镜的光心无法和落体的质心做到完全重合，所以在下落过程中落体会偏摆。这种影响不易消除，而且依赖于时间，会随着落体和托盘之间的磨损日趋恶化，给测量带来系统误差。通常利用加工方法反复调校使得落体中反射棱镜的光心和落体质心尽量重合，来减小偏摆的影响，但是这样对加工方法要求很高，而且需要反复测量、调校才能加工得到合适的落体。
【发明内容】
[0006]针对【背景技术】中存在的问题，本发明提供了一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量方法，能够消除落体偏摆对自由落体绝对重力测量精度的影响。本发明同时还提供了一种基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量系统。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0008]基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量系统，设置有上下对称的干涉仪，所述干涉仪包括固定棱镜、活动棱镜和分光镜，通过相同频率的激光光源照射所述干涉仪分别发生干涉；上、下活动棱镜设置在同一个落体内，上、下活动棱镜的光心相距预定距离，在垂直方向上落体质心位于两个所述光心中间。
[0009]进一步，所述上、下活动棱镜的光心相距< 5mm。
[0010]进一步，所述测量系统对上干涉仪和下干涉仪的固定棱镜采用主动隔震方法或地震计振动修正方法来消除随机的地面振动扰动的影响。
[0011]进一步，所述落体采用钢带式落体控制装置进行自由落体运动控制。
[0012]使用上述测量系统所进行的自由落体绝对重力测量方法，对所述系统采用隔振或振动补偿方法的条件下进行测量，或对多次测量结果取平均，以消除随机的地面振动扰动的影响；采用相同频率的激光同时照射上、下干涉仪分别发生干涉，对干涉光信号进行数据处理分别得到单次下落的重力值gji gT，进行多次下落测量并计算得到平均值?Ρ?ν;利用双干涉仪在相同测量点进行多次测量的结果拟合出上、下活动棱镜光心与落体质心的距离比；根据单次下落的重力值gji gT以及所述距离比进行计算得到该测量点消除偏摆影响后的绝对重力真值g。。
[0013]进一步，所述系统中的落体下落过程中，上、下活动棱镜的光心围绕落体质心旋转会使得光心在竖直方向受一个附加的向心力作用，测得的加速度结果包含附加的垂直方向加速度值为
[0014]ga = ω 2Rsin ( Y 0+ω?)(I)
[0015]其中，ω、R和Ytl分别为落体角速度、光心-质心间的距离和光心-质心与水平面的初始夹角；落体下落过程中偏转的角度很小，上式可简化为
[0016]δω = ω\(2)
[0017]其中Iitl为光心-质心垂直方向的初始高度差。
[0018]进一步，考虑偏摆和振动的重力测量结果，某次下落过程中落体角速度为ω i，上下干涉仪同时测量的结果分别为
[0019]
【权利要求】
1.基于双干涉仪的自由落体绝对重力测量系统，设置有上下对称的干涉仪，所述干涉仪包括固定棱镜、活动棱镜和分光镜，通过相同频率的激光光源照射所述干涉仪分别发生干涉；上、下活动棱镜设置在同一个落体内，上、下活动棱镜的光心相距预定距离，在垂直方向上落体质心位于两个所述光心中间。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述上、下活动棱镜的光心相距<5mm。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统对上干涉仪和下干涉仪的固定棱镜采用主动隔震方法或地震计振动修正方法来消除随机的地面振动扰动的影响。
4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述落体采用钢带式落体控制装置进行自由落体运动控制。
5.使用权1-4任一项所述测量系统所进行的自由落体绝对重力测量方法，其特征在于，对所述系统采用隔振或振动补偿方法的条件下进行测量，或对多次测量结果取平均，以消除随机的地面振动扰动的影响；采用相同频率的激光同时照射上、下干涉仪分别发生干涉，对干涉光信号进行数据处理分别得到单次下落的重力值8±和gT，进行多次下落测量并计算得到平均值|^和1;利用双干涉仪在相同测量点进行多次测量的结果拟合出上、下活动棱镜光心与落体质心的距离比；根据单次下落的重力值8±和gT以及所述距离比进行计算得到该测量点消除偏摆影响后的绝对重力真值go。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述系统中的落体下落过程中，上、下活动棱镜的光心围绕落体质心旋转会使得光心在竖直方向受一个附加的向心力作用，测得的加速度结果包含附加的垂直方向加速度值为 ga = o2Rsin( Y0+ω?)(I) 其中，co、R和Ytl分别为落体角速度、光心-质心间的距离和光心-质心与水平面的初始夹角；落体下落过程中偏转的角度很小，上式可简化为gij= ω2ho ⑵ 其中1?为光心-质心垂直方向的初始闻度差。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，考虑偏摆和振动的重力测量结果，某次下落过程中落体角速度为Qi，上下干涉仪同时测量的结果分别为
其中和Agvi分别表示落体中上、下活动棱镜光心-质心垂直方向的初始高度差、该点的绝对重力真值和地面振动引起的重力值误差；通过隔振或振动补偿方法、以及多次下落结果平均的方法可消除地面振动的影响，即认为Σ Agvi~O，则η次测量结果的平均值为
两式相比消除Σω/项可得
其中go和K h均为常数。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，由式(7)可看出，利用双干涉仪在相同测量点进行多次测量，通过测得的多组结果可拟合出10和^;进而，利用单次测得的I和&值，结合计算得到的^值，可计算得到测量点的绝对重力真值go。
【文档编号】G01V7/14GK104199116SQ201410455839
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】冯金扬 申请人:中国计量科学研究院