一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，属于重力勘测【技术领域】。由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元组成；或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元通过真空管道连通组成；第1重力敏感型冷原子干涉单元由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部分、第1冷原子束偏转部分和第1原子干涉及探测部分组成。解决了冷原子束产生装置中出射原子被推载激光照射的问题；大幅提高了原子干涉重力梯度仪的测量带宽；通过真空管道在拉曼激光光束传播路径上连通的结构可避免由空气间隙及窗片结构偏差所引入的系统误差和噪声。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于重力勘测【技术领域】，特别涉及一种基于冷原子束干涉仪的水平重 力梯度测量传感器。 一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器
【背景技术】
[0002] 地质结构中质量和密度分布的不均匀会导致地表重力及重力梯度场的异常。而作 为重力位的更高阶微商，重力梯度场具有比重力场更高的空间分辨率和灵敏度。因此，重力 梯度测量在资源勘察、环境监测和国防建设等领域具有非常广泛的应用和重要意义。
[0003] 目前较成熟的重力梯度仪方案主要包括：美国Bell Aerospace公司和澳大 利亚BHP Billiton公司所采用的"旋转加速度计方案"（J. B. Lee，FALCON gravity gradiometer technology, BHP Billiton Discovery Technologies, 1 ?4,1992)、 英国ARKeX公司所采用的"超导方案"（M. V. Moody, H. J. Paik, andE. R. Canavanc, Three-axis superconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments，Rev. Sci. Instrum· 73，3957，2002)、法国航空航天中心（0NERA)所米用 的"静电加速度计方案"（P Touboul，B Foulon，M Rodrigues，J.P Marque，In orbit nano-g measurements, lessons for future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431，2004)，以及本实用新型所涉及的"原子干涉仪方案"（M. J. Snadden, J. M. McGuirk, P. Bouyer, et al, Measurement of the earth' s gravity gradient with an atom interferometer-based gravity gradiometer, Phys. Rev. Lett. 81，971，1998)。
[0004] 与旋转加速度计和静电加速度计方案相比，原子干涉仪方案具有更高的理 论精度（目前已经实现了 1(Γ12·§·的单个重力仪（s. M. Dickerson, J. M. Hogan, A. Sugarbaker, et al, Multiaxis inertial sensing with long-time point source atom interferometry, Phys. Rev. Lett. Ill, 083001，2013))，与精度相当的超导方案相比，由 于不需要极端的超导条件，因此更具有体积、功耗和成本等方案的工程化优势。此外，其他 各方案均以相对加速度计(重力仪）为构成单元，无法给出绝对的重力值，而且不同加速度 之间的系统误差之差也会引入重力梯度测量的结果，而原子干涉重力梯度仪由两个绝对重 力梯度仪组成，不仅可以进行绝对的重力梯度测量，也可以一并给出绝对重力值。
[0005] 早在1991年，美国斯坦福大学的Kasevich就在其导师朱棣文的带领下实 现了国际上第一个原子干涉仪并用于重力测量（M. Kasevich and S. Chu, Atomic interferometry using stimulated Raman transitions, Phys. Rev. Lett. 67, 181，1991);随后Kasevich在耶鲁大学成立研究小组并于1998年将两个原子干涉 重力仪垂向层叠并进行共模差分测量实现了第一个用于测量坚直重力梯度的原子干涉 坚直重力梯度仪（M. J. Snadden, J. M. McGuirk, P. Bouyer, et al, Measurement of the EarthJ s gravity gradient with an atom interferometer-based gravity gradiometer, Phys. Rev. Lett. 81,971,1998) ;2006 年，Kasevich 返回斯坦福大学并 于2009年成功研制了一台用于测量水平重力梯度的车载水平重力梯度仪，在经过180秒 的积分时间以后，其测量精度可以达到7万（X. A. Wu, Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, Stanford University,2009)) {IE ^ ΚΓ1?)。意大利佛罗伦萨大学的Tino小组采用了与斯坦福大学双重力仪方案不同的单 重力仪双喷泉方案，经过了 8000秒的积分时间，实现了精度为0· 5万的垂向重力梯度测量 (F. Sorrentino, Q. Bodart, L. Cacciapuoti, et al, Sensitivity limits of a Raman atom interferometer as a gravity gradiometer, Phys. Rev. A. 89,023607, 2014)。
[0006] 重力梯度仪搭乘航空、航天飞行器可以突破山地、海洋等地理条件的限制，大幅提 高勘测的效率，星载重力梯度仪甚至可以对全球的重力梯度进行测量，因此高分辨率航空、 航天测量是重力梯度仪的重要发展方向，这就对其测量带宽做出了很高的要求，而这恰恰 是原子干涉重力梯度仪的短板所在。目前国际上所有的原子干涉重力及重力梯度测量方案 全部基于脉冲发射的冷原子团，每发射一团原子只能获得一个数据点，采样完成后才能进 行下一次发射，其中单次数据采集过程包括冷原子团的制备、上抛、态制备、拉曼激光脉冲 相干操作和末态探测几个步骤，其中单个冷原子团的制备通常要耗时〇. 3?1秒，使得单 点采样速率仅能达到〇. 5?2. 5 Hz，而要获得一个重力梯度的测量值往往需要多个不同相 位的数据点进行拟合处理，这就使得实际的重力梯度测量带宽普遍处于1 Hz以下，要获得 高精度的测量值更是需要成千上万秒的积分平均。目前，美国Bell Aerospace与加拿大 McPHAR公司生产的基于GT-1A加速度计的航空重力梯度仪的测量带宽可以达到100 Hz，搭 乘Piper Navajo型飞机（140海里/小时）可实现的勘测线分辨率。而原子干涉重力 梯度仪要满足高分辨率航空、航天测量的需求，其测量带宽是一个迫切需要解决的问题。
[0007] 利用原子束代替原子团可以显著提高原子干涉仪的采样速率。美国的Kasevich 小组曾经使用连续的热原子束干涉仪进行转动测量，得到了时间连续的测量数据点，但由 于热原子束中的原子飞行速度过快(在千米/秒量级)，要获得高精度数据所需的拉曼激光 相干操作时间，就必须要建造很大尺寸的测量装置，无法满足工程化的需求。美国国家标 准局的卢征天等人曾在1996年演示了一种能产生冷原子束的方法并得到了束流5X 109 / s，平均速度14 ?Λ，分布2. 7 ?Λ的铷冷原子束。但是该方法所获得的原子束始终在推射 冷却光的照射之下，无法对其内态进行相干操作。清华大学的冯焱颖小组在横向冷原子束 产生装置中曾利用重力让原子下落从而避开冷却光的照射。但是在重力梯度测量过程中， 需要对原子进行坚直发射，而利用重力改变原子飞行轨迹的方法则需要很大尺寸的实验装 置，因此并不适用。
【发明内容】
[0008] 本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，尤其是克服冷原子干 涉重力梯度仪测量带宽过低的问题，提供一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传 感器。
[0009] 所需解决的问题是：
[0010] 1、如【背景技术】中所介绍，目前国际上所有的原子干涉重力梯度测量方案全部采 用基于脉冲发射的冷原子团，每发射一团原子只能获得一个数据点，而获得一个梯度值往 往需要多个不同相位的数据点进行拟合处理，这就使得重力梯度测量带宽普遍处于1HZ以 下，无法满足高分辨率航空、航天测量的需求。
[0011] 2、为了提高原子干涉重力梯度仪的采样速率，在理论上可以采用冷原子束替代冷 原子团的实验方案，但现有的冷原子束产生技术所获得的原子束长时间处于推射冷却光的 照射之下，无法对其内态进行相干操作，也就无法实现原子干涉。如果利用重力让原子自由 下落从而避开冷却光的照射，则需要大尺寸的实验装置，无疑会大大增加实验装置系统的 成本、复杂性和空间占用，更不利于工程化和移动测量。
[0012] 本实用新型的目的是这样实现的：
[0013] 第一，在现有冷原子束技术基础上，通过二维横向移动光学黏胶来解决推载冷却 光与原子轨迹重叠的问题；
[0014] 第二，利用空间分立的连续拉曼激光方案代替传统的时间分立的脉冲拉曼激光方 案，对冷原子束进行不间断的相干操作和连续采样，从而实现对水平重力梯度的准连续测 量，满足高空间分辨率、高精度航空、航天测量的国家需求。
[0015] 具体地说，本传感器由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型 冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元组成；
[0016] 或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干 涉单元通过真空管道连通组成；
[0017] 第1重力敏感型冷原子干涉单元由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部分、 第1冷原子束偏转部分和第1原子干涉及探测部分组成。
[0018] 本实用新型具有下列优点和积极效果：
[0019] ①解决了冷原子束产生装置中出射原子被推载激光照射的问题，使冷原子束中的 原子的内态可以被自由地操作和演化；
[0020] ②大幅提高了原子干涉重力梯度仪的测量带宽，实现对水平重力梯度的准连续测 量，满足高分辨率航空、航天测量的需求；
[0021] ③第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元通过真空管 道在拉曼激光光束传播路径上连通的结构可避免由空气间隙及窗片结构偏差所引入的系 统误差和噪声。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本传感器的结构示意图；
[0023] 图2为双光子跃迁的能级示意图；
[0024] 图3为原子干涉不意图。
[0025] 图中：
[0026] 100-第1重力敏感型冷原子干涉单元；
[0027] 110-第1冷原子束产生部分；
[0028] 111-第1囚禁激光光束发射器；112-第1囚禁激光光束；
[0029] 113-第2囚禁激光光束发射器；114一第2囚禁激光光束；
[0030] 115-第1三维磁光阱反向亥姆赫兹线圈；
[0031] 116-第1碱金属源；
[0032] 117-第1包含1/4波片的反射镜组；
[0033] 118-第1三维冷原子束；
[0034] 120-第1冷原子束偏转部分；
[0035] 121一第1移动二维光学黏胶激光光束发射器；
[0036] 122-第1移动二维光学黏胶激光光束；
[0037] 123-第1二维冷原子束；
[0038] 130-第1原子干涉及探测部分；
[0039] 131-第1拉曼激光光束发射器；132-第1拉曼激光光束；
[0040] 133-第2拉曼激光光束发射器；134-第2拉曼激光光束；
[0041] 135-第3拉曼激光光束发射器；136-第3拉曼激光光束；
[0042] 137-第1光电探测器； 138-第1偏置磁场线圈；
[0043] 200-第2重力敏感型冷原子干涉单元；
[0044] 210-第2冷原子束产生部分；
[0045] 211-第3囚禁激光光束发射器；212-第3囚禁激光光束；
[0046] 213-第4囚禁激光光束发射器；214-第4囚禁激光光束；
[0047] 215-第2三维磁光阱反向亥姆赫兹线圈；
[0048] 216-第2碱金属源；
[0049] 217-第2包含1/4波片的反射镜组；
[0050] 218-第2三维冷原子束；
[0051] 220-第2冷原子束偏转部分；
[0052] 221-第2移动二维光学黏胶激光光束发射器；
[0053] 222-第2移动二维光学黏胶激光光束；
[0054] 222-第2二维冷原子束；
[0055] 230-第2原子干涉及探测部分；
[0056] 231-第4拉曼激光光束发射器；232-第4拉曼激光光束；
[0057] 233-第5拉曼激光光束发射器；234-第5拉曼激光光束；
[0058] 235-第6拉曼激光光束发射器；236-第6拉曼激光光束；
[0059] 237一第2光电探测器； 238-第2偏置磁场线圈；
[0060] 300-真空管道；
[0061] | 1>一原子基态下能级；
[0062] | 2>-原子基态上能级；
[0063] | 3>-虚能级；
[0064] | 4>一原子激发态能级；
[0065] Λ -能级失谐量。
【具体实施方式】 [0066] ：
[0067] 下面结合附图和实例详细说明：
[0068] 一、总体
[0069] 如图1，本传感器由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷 原子干涉单元100和第2重力敏感型冷原子干涉单元200组成；
[0070] 或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元100和第2重力敏感型冷原 子干涉单元200通过真空管道300连通组成；
[0071] 第1重力敏感型冷原子干涉单元100由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部 分110、第1冷原子束偏转部分120和第1原子干涉及探测部分130组成。
[0072] 二、功能部件
[0073] 1、第1冷原子束产生部分110
[0074] 第1原子干涉及探测部分110包括第1囚禁激光光束发射器111、第2囚禁激光光 束发射器113、第1三维磁光讲反向亥姆赫兹线圈115、第1碱金属源116和第1包含1/4 波片的反射镜组117 ;
[0075] 以第1三维冷原子束118制备区为中心，坚直方向设置有1个发射方向指向该中 心的第1囚禁激光光束发射器111，水平方向空间对称地设置有2对发射方向指向该中心的 第2囚禁激光光束发射器113,另有第1包含1/4波片的反射镜组117置于该中心的正上 方，同时以第1囚禁激光光束112的传播方向为轴，空间对称地设置有一对第1三维磁光阱 反向亥姆赫兹线圈115。
[0076] 2、第1冷原子束偏转部分120
[0077] 第1冷原子束偏转部分120包括第1移动二维光学黏胶激光光束发射器121 ;
[0078] 以第1二维冷原子束123为中心，水平方向空间对称地设置有2对发射方向指向 该中心的第1移动二维光学黏胶激光光束发射器121。
[0079] 3、第1原子干涉及探测部分130
[0080] 第1原子干涉及探测部分130包括第1拉曼激光光束发射器131、第2拉曼激光 光束发射器133、第3拉曼激光光束发射器135、第1光电探测器137和第1偏置磁场线圈 138 ；
[0081] 在传感器外部，沿与真空管道300垂直的方向自下而上依次设置有第1拉曼激光 光束发射器131、第2拉曼激光光束发射器133、第3拉曼激光光束发射器135 ;沿真空管道 300的方向空间对称地设置有一对第1偏置磁场线圈138,另有第1光电探测器137设置于 原子束运动路径的末端。
[0082] *第1、2囚禁激光光束发射器111、113,第1移动二维光学黏胶激光光束发射器 121和第1、2、3拉曼激光光束发射器131、133、135均是一种由例如半导体激光器的通用激 光器和例如透镜、棱镜、声光、电光调制器等通用光学元件构成的调整系统以及例如光纤等 通用传播器件相连接构成的发射终端，末端可以是光纤准直透镜或反射镜系统。
[0083] *第1三维磁光阱反向亥姆赫兹线圈115是一种通用的线圈，由金属导线绕制而 成。
[0084] *第1偏置磁场线圈138是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成。
[0085] *第1碱金属源116可以是锂、钠、钾、铷、铯等碱金属元素的一种或几种。
[0086] *第1包含1/4波片的反射镜组117由一个中心带小孔的1/4波片和一个中心也 带小孔的反射镜平行搁置组成。
[0087] *第1重力敏感型冷原子干涉单元100和第2重力敏感型冷原子干涉单元200共 用第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束 132、134、136、232、234、236。
[0088] 由以上说明可看出，本传感器具有下列特点：
[0089] 第1重力敏感型冷原子干涉单元100由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部 分110、第1冷原子束偏转部分120和第1原子干涉及探测部分130组成；其中第1冷原子 束偏转部分120由两对第1移动二维光学黏胶激光光束122组成；第1重力敏感型冷原子 干涉单元100和第2重力敏感型冷原子干涉单元200在拉曼激光光束传播路径上可以用真 空管道300连通；第1重力敏感型冷原子干涉单元100和第2重力敏感型冷原子干涉单元 200 共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束 132、134、136、232、234、236。
[0090] 三、工作原理
[0091] 本实用新型的工作原理可以分解为以下几个过程进行简述：冷原子束的囚禁、发 射、冷原子束的偏转、态制备、原子干涉、以及数据处理过程。
[0092] 1)冷原子束的囚禁、发射过程
[0093] 如图一所示，由坚直一对第1囚禁激光光束112、水平两对第2囚禁激光光束114 和第1三维磁光阱反向亥姆赫兹线圈115组成一个三维磁光阱，可以完成对碱金属原子的 囚禁，同时实现发射。其具体工作原理如下
[0094] 囚禁过程：
[0095] 假设频率为《的激光(激光的波矢为左)与一团速度为r的原子发生相互作用，在 红失谐的情况下(激光的频率要小于原子在基态和激发态能级之间的共振跃迁频率即 ?〈《0)，由于多普勒效应，当原子的运动方向与激光的传播方向相同时，原子感受到的激 光频率可以表示为（ω-左·!〇,当原子的运动方向与激光的传播反向相反时，原子感受到的 激光频率就表示为（ω +々· r)。一般情况下，原子感受到的频率越接近共振频率，原子对光 子的吸收概率就越大。因此，在红失谐《〈《 〇的情况下，一个具有一定初速度r的原子与一 对频率、强度相同，传播方向相反的激光作用时，原子会更多的吸收传播方向与原子速度方 向相反的激光，从而获得一个与原子初速度方向相反的作用力，达到对原子进行减速的目 的。如果原子受到三对对射并且两两垂直的囚禁激光时，就能实现对原子的三维减速。三维 磁光阱反向亥姆赫兹线圈的中心与六束囚禁激光光束的交点重合，其效果就是会产生一个 中心为0、沿三维方向强度增加的梯度磁场。在有磁场的环境下，原子的能级会发生塞曼 分裂，原子的能级会随着磁场强度的变化而发生变化，因此可以选择适当的跃迁磁子能级 使得偏离中心的原子以更大的几率吸收指向中心的光子从而获得具有囚禁作用的恢复力， 这样，在磁场和光的共同作用下，就可以冷却和囚禁高密度的冷原子团。
[0096] 发射过程：
[0097] 如上所述，一般的磁光阱的三对冷却激光的强度都一样，这样只能把原子冷却和 囚禁在中心区域，但是该发明中的特别之处是：第一冷原子束产生部分100的内部中心上 方安装一个第1包含1/4波片的反射镜组117,而上方的囚禁激光光束是由来自下方的囚禁 激光光束经过第1包含1/4波片的反射镜组117反射产生，小孔的存在使得上方的囚禁激 光光束为空心结构，这样上述囚禁过程中囚禁的冷原子团将会受到下方囚禁冷却激光光束 的辐射压力并在其作用下向上经由小孔喷射而出，从而形成冷原子束。
[0098] 2)冷原子束的偏转过程
[0099] 冷原子束从小孔喷出之后，在小孔的上方有两对第1移动二维光学黏胶激光光束 122,通过调节这两对光的频率，原子可以获得一个水平速度从而偏离从小孔一并出射的下 方囚禁激光光束的照射区域(恒定的水平速度不会对梯度测量的结果产生影响，速度大小 可以通过调节两对第1移动二维光学黏胶激光光束122的频率来控制)，该过程一并实现对 原子束的横向冷却，提高其准直性。
[0100] 3)态制备过程
[0101] 通过激光或激光-微波组合将原子制备到原子基态下能级11>或原子基态上能级 2>的磁量子数为0的磁子能级上，然后将处于其它能级以及磁子能级的原子清除。
[0102] 4)原子干涉过程
[0103] 拉曼激光与碱金属原子作用可以用图2中所示的三能级原子与光场相互作用模 型进行描述。其中|1>为原子基态下能级、|2>为原子基态上能级，|3>是原子虚能级，|4> 为原子激发态能级，△为能级失谐量。拉曼激光的由一对频率分别为《 i、的两束对射激 光构成，当拉曼激光与原子相互作用时，通过选择合适的?2，使ωι、相对于原子能 级之间跃迁频率的失谐量Λ >>Γ (其中Γ表示为原子激发态能级的自然线宽)，当Λ >>Γ 时，可以有效的抑制原子的自发辐射过程，原子此时只能通过受激吸收或受激辐射来改变 内态，从而构成双光子的受激拉曼跃迁。原子在吸收和释放光子的过程中，原子的动量也会 发生改变。在Λ?Γ且ΛΑΩρ Ω2 (Ωρ Ω2分别为构成拉曼激光对的两束激光的有效 拉比频率)的大失谐条件下，该三能级原子等效为只有原子的基态下能级| 1>和原子的基态 上能级|2>的二能级原子体系，初态处于原子的基态下能级|1>的原子与拉曼激光光束发 生双光子受激拉曼跃迁之后
[0104] 处于原子基态下能级|1>上的概率可以表示为/^=(l+C0S(Q rff· ?))/2
[0105] 处于原子基态下能级|2>上的概率可以表示为产2= (l-C〇s(Q eff · ?))/2
[0106] 其中?为拉曼激光束与原子作用的时间，Ωε--是拉曼激光光束的有效拉比频率 (Ω ε-- 与 Ωρ Ω2 有关)。
[0107] 在传统的冷原子干涉方案中，拉曼激光都是脉冲工作的，假设原子最开始全部处 于原子基态下能级|1>，当原子与拉曼激光脉冲的作用时间?满足? = νΛ2Ωε--)时， Λ=1/2，Λ=1/2,满足这样的拉曼激光脉冲称为v/2脉冲；当作用时间?满足? = νΛΩε--) 时，Λ=〇，Λ=1，满足这样的拉曼激光脉冲称为ν脉冲。
[0108] 本实用新型的特点在于：实验技术方案中保持三对拉曼激光(第1拉曼激光光束 132与第4拉曼激光光束232构成第1对拉曼激光；第2拉曼激光光束134与第5拉曼激 光光束234构成第2对拉曼激光；第3拉曼激光光束136与第6拉曼激光光束236构成第 3对拉曼激光)连续常开，因原子与拉曼激光光束作用的时间?由拉曼激光光束的光斑直径 和原子的运动速度共同决定，因此不能像传统的实验方案一样通过扫描时间来观察作用效 果，可以预先分别单独利用三对拉曼激光光束与原子束进行扫描光强的拉比震荡实验，通 过观察原子在两能级之间的布局数反转效果来确定各自的光强大小。假设第1对拉曼激 光、第2对拉曼激光、第3对拉曼激光的初始相位分别为必^必^必^并假设原子最开 始全部处于原子基态下能级11>上。
[0109] 在不考虑地球重力场影响的作用下，原子在与三对拉曼激光光束作用完之后，原 子处于原子基态下能级I 1>和原子基态上能级I 2>上的概率可以分别表示：
[0110] Px= (1+cos (0 2 0 2~*~ 3)) /2
[0111] /^2= (1-cos (Φ 2 0 2~*~ 3)) /2
[0112] 其中0 = 为干涉条纹的相位。
[0113] 如果考虑地球重力场的影响，假设第1对拉曼激光、第2对拉曼激光、第3对拉曼 激光之间的时间间隔均为r，则干涉条纹末态相位的改变量可以表示为λ 0=^ffv7"，其中 <ff表示拉曼激光光束对原子作用时的有效波矢。如果在将拉曼激光光束的相位改变s必， 则原子最终处于原子基态下能级|ι>和原子基态上能级|2>上的概率分别表示为：
[0114] ^^(l+cos (0+50 +keff * gf)) /2
[0115] /^2=(1-008(0+5 φ+k^ · gf)) /2
[0116] 5)数据处理过程
[0117] 对于由两个原子干涉仪组成的重力梯度仪，假设第一重力敏感型冷原子干涉单元 100和第二重力敏感型冷原子干涉单元200得到的干涉条纹(对于同一个内态(原子的基态 下能级11>或原子的基态上能级I 2>)对应的表达式分别为：
[0118] Pk= A1 sin(φ ^ δ φ)+ Βχ
[0119] /*Β= q sin (0 2+δ 0) + ^
[0120] 其中Α为未知的常数，对应着干涉条纹的幅度和偏移，Δ 0 = 为 两个干涉仪的相位差。
[0121] 利用三角函数拟合计算得到的重力梯度值的方差是两个单独干涉仪的方差之和， 无法达到共模抑制条纹相位的噪声。为了更好的抑制两个干涉仪的共模噪声，可以采用椭 圆拟合的方法处理数据，具体方法如下：
[0122] 将上面的两个方程联合起来消去δ 0，可以得到
[0123] C,2 〇°A) 2+A,2 φΒ) ^^P^cos Δ φ -2CxPk Δ 0)-
[0124] 2A1PB {ΑγΟγ-Βγ?γΟΟ? Δ 0) + AiDi+BiCi~2AlBlClDlcos Δ φ
[0125] -cos2 Δ 0)=〇
[0126] 对于典型的梯度测量实验数据，上式对应的是一个椭圆方程。若以目标函数々τ2 +^7+^/+/^+^7+/^=0对数据进行拟合，则相位差满足：
[0127] cos Δ 0 ^-B/2
[0128] 继而得到 Δ 0 = arcos
[0129] 运用最小二乘拟合法得到参数次戌^'的值，从而得到Λ 0的值。在九ff、7已 知并准确知道两个干涉单元之间的基线长度的情况下，根据的值就可以获取水平重 力梯度的值。通过连续调制第2对拉曼激光的相位，从而获得时间上准连续的水平重力梯 度值。用椭圆拟合的方法可以有效的抑制两个干涉的相位噪声，提高测量的精度和灵敏度。
【权利要求】
1. 一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征在于： 由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉单元（1〇〇)和 第2重力敏感型冷原子干涉单元（200)组成； 或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元（1〇〇)和第2重力敏感型冷原子 干涉单元（200)通过真空管道（300)连通组成； 第1重力敏感型冷原子干涉单元（100)由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部分 (110)、第1冷原子束偏转部分（120)和第1原子干涉及探测部分（130)组成。
2. 按权利要求1所述的一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征 在于： 所述的第1冷原子束产生部分（110)包括第1囚禁激光光束发射器（111)、第2囚禁激 光光束发射器（113)、第1三维磁光讲反向亥姆赫兹线圈（115)、第1碱金属源（116)和第1 包含1/4波片的反射镜组（117); 以第1三维冷原子束（118)制备区为中心，坚直方向设置有1个发射方向指向该中心 的第1囚禁激光光束发射器（111)，水平方向空间对称地设置有2对发射方向指向该中心的 第2囚禁激光光束发射器（113)，另有第1包含1/4波片的反射镜组（117)置于该中心的正 上方，同时以第1囚禁激光光束（112)的传播方向为轴，空间对称地设置有一对第1三维磁 光阱反向亥姆赫兹线圈（115)。
3. 按权利要求1所述的一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征 在于： 所述的第1冷原子束偏转部分（120)包括第1移动二维光学黏胶激光光束发射器 (121)； 以第1二维冷原子束（123)为中心，水平方向空间对称地设置有2对发射方向指向该 中心的第1移动二维光学黏胶激光光束发射器（121)。
4. 按权利要求1所述的一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征 在于： 所述的第1原子干涉及探测部分（130)包括第1拉曼激光光束发射器（131)、第2拉曼 激光光束发射器（133)、第3拉曼激光光束发射器（135)、第1光电探测器（137)和第1偏 置磁场线圈（138); 在传感器外部，沿与真空管道（300)垂直的方向自下而上依次设置有第1拉曼激光光 束发射器（131)、第2拉曼激光光束发射器（133)、第3拉曼激光光束发射器（135);沿真空 管道（300)的方向空间对称地设置有一对第1偏置磁场线圈（138)，另有第1光电探测器 (137)设置于原子束运动路径的末端。
5. 所述的权利要求1所述的一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其 特征在于： 第1重力敏感型冷原子干涉单元（100)和第2重力敏感型冷原子干涉单元（200)共用 第 1、2、3、4、5、6 拉曼激光光束（132、134、136、232、234、236)。
【文档编号】G01V7/00GK203881958SQ201420309190
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】朱磊, 仲嘉琪, 陈曦, 熊宗元, 宋宏伟, 王玉平, 李大伟, 王谨, 詹明生 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所