一种双自由落体的绝对重力测量光学系统和方法与流程

文档序号:11284774阅读:553来源:国知局

本发明涉及,特别是一种双自由落体的绝对重力测量光学系统,本发明还涉及一种双自由落体的绝对重力测量法,属于高精度绝对重力测量领域。



背景技术:

目前,高精度绝对重力仪是国际上从七十年代开始研究的一种集光、电、计算机、真空技术于一体化的精密仪器,在检测地面垂直运动、描绘地表质量重新分布、预测全球海平面升降、标定相对重力仪漂移、矿产探测、导航技术等科学和国防建设领域都有广泛的应用。20世纪60年代以来,随着深空探测和导弹技术的高速发展,各个领域对高精度绝对重力测量的要求也不断地提高,世界各国都加大了对绝对重力仪研究的投入。目前常见的绝对重力仪型号包括美国的jila型绝对重力仪,micro-g公司的fg5绝对重力仪和a10流动型绝对重力仪,意大利的imgc型绝对重力仪德国的mpg型绝对重力仪,俄罗斯的gabl型绝对重力仪以及中国的nim型绝对重力仪。绝对重力仪工作原理包括自由落体法,上抛法等,自由落体法的原理在于利用激光干涉仪来确定落体在重力场中做自由下落时的距离,凭借铷原子钟测定自由下落的时间,然后根据公式求得绝对重力的数值大小。上抛法本质上同自由落体法相似,只是在测量路径上采取了不同的方式,从而消除了真空阻力,静电力等引起的系统误差。但因抛射引起的震动误差大抛射机构复杂,因此,目前常见的高精度的绝对重力仪大部分采用的都是自由落体法。

自由落体式绝对重力仪的工作原理如下:让一个角锥棱镜作为落体在高真空中自由下落,采用激光干涉法测量角锥棱镜下落距离s,使用原子钟同步的时钟信号测量相应下落时间t,最后,用最小二乘法拟合实测得到的距离s和时间值t,再加入固体潮、气压、极移等各项改正,得到所测量点的重力加速度值,其中,距离s等于干涉条纹数n乘以激光半波长λ/2,其不确定度是由激光器的不确定度所保证;自由下落时间的不确定度由原子钟的不确定度所保证。简化的自由落体下落距离与时间的理论关系式为在这个过程中,误差来源于许多方面,包括大地的振动导致的测量误差,下落物体光心质心不重合带来的误差,真空室残余气体分子对于下落物体阻碍作用带来的误差等等。由于自由落体法对落体的控制方式是通过拖架将落体提升至一定的高度后释放拖架,让落体做自由下落运动,这样落体伺服跟踪机构的驱动力源就成了整个测量系统的振动源。因此,在落体运动过程中系统自振不可避免地存在,这种振动将为精度为10-8量级的高精度绝对测量引入系统误差,同时,考虑到这种误差是振动跟地面的耦合产生,随着测点地下结构的不同,耦合后产生的振动形式不同,严重影响绝对重力仪在流动观测中的应用,目前最为成功的隔震方法,就是由micro-g公司提出的“超级弹簧”主动隔离系统。

除了重力加速度的绝对值,重力梯度值也具有很高的研究价值,往往通过重力梯度仪测量。重力梯度仪根据原理的不同,可分为基于差分加速度计的重力仪和基于扭矩的重力梯度仪。考虑到扭矩测量方法耗时长,稳定性差,且易受到地形起伏的影响,所以,差分加速度计重力仪是目前国际上最常用的测量重力梯度的仪器[1]。随着激光技术和原子干涉技术的蓬勃发展,激光干涉重力梯度仪的研发也成为各国学者研究的核心。本专利发明者与其团队拥有几十年的重力仪研究经验,并于2012年与中国地震局地球物理研究所合作研制了中国第一台“基于激光干涉法的地表重力垂直梯度测量系统”。该方案将重力仪的真空腔分为上下两部分,每一部分都含有一套落体、托架和导轨,采用一个电机通过齿轮、齿条保证垂直间距为50cm的两个落体同时竖直上下移动,同步运动使得安装误差和制造误差所造成的径向力得以抵消,保障了整套机组的稳定性。试验结果发现原双落体自由下落的同步性、参考点以及各个光学部件间的刚性和双测量光路的垂直性等是影响其测量精度的重要因素[2]。然而,在这一方案中,为了保证上下两套光路完全互不影响,两落体除了在垂直方向有距离外,在水平方向也有将近10cm的差距,而设计者在计算中认为这一误差对结果影响不大,将其忽略,事实上若想进一步提高仪器的精度,必须解决这一问题。

综上所述,在查阅相关文献并总结归纳了几十年的绝对重力测量经验后,本专利提出了一种新的绝对重力测量方法及绝对重力仪光学系统,即将两个单独的绝对重力仪连接在同一个并分为上、下的两个真空室中同步进行下落测量,测量两个真空室之间的下落距离,测量两落体下落距离的参考点为同一点,克服了各个光学部件间的刚性问题,干涉仪对于自由下落运动进行三种采样处理,从而消除地面振动所带来的误差,实现高精度测量。这种绝对重力测量法可以同时求得重力加速度的绝对值和梯度值,大大提高工作效率。

参考文献:

[1]吴琼,滕云田,张兵,张涛.世界重力梯度仪的研究现状[j].物探与化探,37(5),2013.

[2]吴琼,滕云田,张兵,郭有光.基于激光干涉法的地表重力垂直梯度测量系统设计及试验[j].地震学报,38(5),2016.



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种激光双自由落体绝对重力测量法及其光路系统,提高绝对重力测量的精度,增强了可靠性。

为了实现上述目的,第一方面,本发明提供一种双自由落体的绝对重力测量光学系统,包括激光光源、落体机构、上真空室、下真空室和设置在上真空室和下真空室之间的干涉仪;

所述落体机构包括两个完全相同、相对应的分别设置在上、下两真空室内的上落体棱镜和下落体棱镜;

所述干涉仪包括第一干涉系统、第二干涉系统和第三干涉系统;所述激光光源射入干涉仪后,经过第一干涉系统产生用于计算上落体棱镜所在点的重力加速度值的第一干涉信号,经过第二干涉系统产生用于计算下落体棱镜所在点的绝对重力加速度值的第二干涉信号,经过第三干涉系统产生用于计算上落体棱镜所在点与下落体棱镜所在点之间的重力加速度梯度值的第三干涉信号。

优选地,所述上落体棱镜和下落体棱镜由同一套伺服电机控制系统驱动做自由落体运动。

优选地,所述第一干涉系统包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、第一反光镜、第二反光镜、参考棱镜和第一光电接收器,各元件的位置关系满足以下的光线传输路径:激光源发出一条激光,经过第一分光镜后被分为两束光,其中一束光经过第一反射镜后入射第二分光镜,光在第二分光镜表面再次被分为两束光,其中反射光经上真空室中上落体棱镜和参考棱镜反射后,再通过第二反光镜和第四分光镜的反射,最终与第一分光镜的透射光交汇于第三分光镜,形成干涉被第一光电接收器接收;

所述第二干涉系统包括第一分光镜、第五分光镜、第六分光镜、第七分光镜、第四反光镜、参考棱镜和第二光电接收器,各元件的位置关系满足以下的光线传输路径:经过所述第一分光镜后被分为的两束光中的另一束入射第六分光镜,激光入射第六分光镜后别分为两路,一路直接透射到第七分光镜上,另一路经过下落体棱镜、参考棱镜、第四反光镜和第五分光镜后与透射光形成干涉,被第二光电接收器接收;

所述第三干涉系统包括第五分光镜和第三光电接收器,激光通过上真空室中上落体棱镜和参考棱镜反射的光和通过下真空室下落体棱镜和参考棱镜反射的光最后交汇于第五分光镜,而在此分光镜上形成的干涉条纹被第三光电传感器接收。

优选地,所述干涉仪的参考棱镜为一整体结构,包括上下两个子棱镜,且二者光心重合。

优选地,所述激光光源、各分光镜、各反光镜和参考棱镜均采用刚性连接的方式固定。

第二方面,本发明还提供一种双自由落体的绝对重力测量光学测量方法,使用第一方面所述的系统测量绝对重力加速度真值,绝对重力加速度真值安装如下公式计算:

其中:

gou是绝对重力加速度真值,gcu是上落体棱镜所在点的重力加速度值,gcd是下落体棱镜所在点的重力加速度值,gη为上落体棱镜所在点与下落体棱镜所在点之间的重力加速度梯度值,以上各值根据相应的干涉信号得到。

本发明提供的一种激光双自由落体绝对重力测量法及其光路系统,将两个单独的绝对重力仪连接在同一个并分为上、下的两个真空室中同步进行下落测量,测量两个真空室之间的下落距离,测量两落体下落距离的参考点为同一点,克服了各个光学部件间的刚性问题,干涉仪对于自由下落运动进行三种采样处理,从而消除地面振动所带来的误差,实现高精度测量。这种绝对重力测量法可以同时求得重力加速度的绝对值和梯度值,大大提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的双自由落体的绝对重力测量光学系统的结构示意图。

图中:

1-上真空室;2-下真空室;3-上落体棱镜;4-下落体棱镜;11-第一分光镜;12-第二分光镜;13-第三分光镜;14-第四分光镜;15-第五分光镜;16-第六分光镜;17-第七分光镜;21-第一反光镜;22-第二反光镜;23-第三反光镜;24-第四反光镜;31-参考棱镜;41-第一光电接收器;42-第二光电接收器;43-第三光电接收器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在描述本发明实施例提供的测量系统和测量方法之前,先介绍绝对重力加速度的真值的计算公式。

设地球上某地被测点的绝对重力加速度的真值为g0,测量值为gc,测量时由振动引入的测量误差是δg,那么

gc=g0+δg(1)

设两个落体是在垂直间隔h的距离同步垂直下落,可以得到两个测量结果,由上落体测量获得的测量结果是:

gcu=g0u+δgu(2)

由下落体测量获得的测量结果是:

gcd=g0u+δgd+ηh(3)

在这里,g0u上半部绝对重力真值,gcu为上半部测量绝对重力加速度值,gcd为下半部测量绝对重力加速度值,δgu、δgd分别表示上部和下部由测量引入的系统误差,ηh是被测点间隔h的重力加速度梯度值,η为单位长度的重力加速度梯度值,则ηh=η×h。

由于两落体下落测量距离的参考点是同一参考点,则

δgu=δgd=δg(4)

上落体测量获得的测量结果是:

gcu=g0u+δg(5)

下落体测量获得的测量结果是:

gcd=g0u+δg+ηh(6)

对光路进行特殊设计,将干涉仪放在两个落体的中间,参考侧和测量侧误差叠加,则有:

gη=2δg+ηh(7)

由公式(5)、(6)、(7)得:

gcu+gcd=2g0u+gη(8)

由此获得没有振动干扰误差的绝对重力加速度真值:

根据以上公式,本发明实施例提供了一种双自由落体的绝对重力测量光学系统,其光路参考图1,将真空舱分为上下两部分,在上、下两个真空室1、2内分别设置一个完全相同的落体棱镜,即上落体棱镜3和下落体棱镜4,两落体棱镜距离h为100cm,相对设置。

驱动机构驱动落体机构中的两个落体棱镜同时做自由落体运动;

激光发射装置的激光光源经过第一分光镜后被分为两束光,一束入射第六分光镜,另一束光经过第一反射镜后入射第二分光镜;

上、下两真空室对应的第一干涉系统和第二干涉系统的两条光路原理一致。

第一干涉系统包括第一分光镜11、第二分光镜12、第三分光镜13、第四分光镜14、第一反光镜21、第二反光镜22、参考棱镜31和第一光电接收器41,各元件的位置关系满足以下的光线传输路径:激光源发出一条激光,经过第一分光镜11后被分为两束光,其中一束光经过第一反射镜21后入射第二分光镜12,光在第二分光镜12表面再次被分为两束光,其中反射光经上真空室1中上落体棱镜3和参考棱镜反射后,再通过第二反光镜22和第四分光镜14的反射,最终与第一分光镜11的透射光交汇于第三分光镜13,形成干涉被第一光电接收器41接收。

所述第二干涉系统包括第一分光镜11、第五分光镜15、第六分光镜16、第七分光镜17、第四反光镜24、参考棱镜31和第二光电接收器42,各元件的位置关系满足以下的光线传输路径:经过所述第一分光镜11后被分为的两束光中的另一束入射第六分光镜16,激光入射第六分光镜16后别分为两路,一路直接透射到第七分光镜17上,另一路经过下落体棱镜4、参考棱镜31、第四反光镜24和第五分光镜15后与透射光形成干涉,被第二光电接收器42接收;

所述第三干涉系统包括第五分光镜15和第三光电接收器43,激光通过上真空室1中上落体棱镜3和参考棱镜31反射的光和通过下真空室2下落体棱镜4和参考棱镜31反射的光最后交汇于第五分光镜15,而在此分光镜上形成的干涉条纹被第三光电接收器43接收。

图1给出了一种满足上述光线传输路径的光路结构,即在干涉仪的第一层从左至右依次斜向设置第一反光镜21、第二分光镜12、第三分光镜13和第一光电接收器41。第二层从左至右依次斜向设置的第二反光镜22、第四分光镜14和第三反光镜23,其中第三反光镜23倾斜方向与第二反光镜22和第四分光镜14相反。第三层设置参考棱镜31。第四层从左至右依次斜向设置的第四反光镜24和第五分光镜15和第三光电接收器43。第五层从左向右依次设置第一分光镜11、第六分光镜16、第七分光镜17和第二光电接收器42。各个反射和透射的光路路径和交汇点如图1所示。

本系统中激光源、各分光镜、反射镜和参考棱镜等均刚性连接,落体棱镜在真空室中由同一套伺服电机控制系统驱动同步做自由落体运动,所以,第一光电接收器41和第二光电接收器42接收到的干涉条纹所受到的地面振动和气压等环境干扰无论在水平方向还是垂直方向均保持相同。

采用特殊的工艺使两块小的参考棱镜的光心重合,这样无论受到何种振动的影响,光经过落体和棱镜反射后入射到分光镜上的光程与直接入射到棱镜上的光程之间的差值基本保持不变,不影响系统精度。

本系统中单次下落试验就可以产生三组不同的干涉条纹,进而求得三个不同的加速度g;第一干涉机构和第二干涉机构可获得重力加速度值g1和g2,第三干涉机构可获得梯度值g3;带入公式可得到校正的绝对重力加速度值g0。

以上对本发明所提供的一种激光双自由落体绝对重力测量法及其光路系统和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

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