本发明属于高精度重力测量技术领域，具体涉及一种基于光悬浮的高精度重力测量装置及方法。
背景技术
光既携带能量，又带有动量，当光照射物体时，与物体发生动量交换，从而对物体产生作用，这种作用表现为一种辐射压力，即光压力。
激光的问世使光压力的应用得到了极大的拓展，激光的高亮度和高汇聚使光束的辐射压力显著提高，当激光产生的光压力与被照射物体所受重力相平衡时，即可将物体悬浮起来，这种光压力—重力平衡关系可用于重力测量。
特别是，当采用大功率脉冲激光照射到物体上时，由于峰值功率高，脉冲时间极短，瞬时会在物体表面产生巨大的光压力，进而造成物体内部产生高频弹性压缩波，这种弹性波的传播频率、波动幅值、传播相位与物体所处重力场直接相关，且弹性波经过反射会在悬浮物表面产生可以探测到的振动，这种弹性波不会对物体表面及内部造成损伤，类似研究也广泛应用于激光无损探伤，是一种环保高效无损的新型测量技术。
现有的重力仪主要分为两类，一类是绝对重力仪，用于测定某一地点重力加速度值，另一类为相对重力仪，用于测量重力加速度的变化值，使用光悬浮的宏观物体实现重力加速度高精度测量是一种新概念的重力测量方式，即利用激光产生的光压力与被悬浮物所受重力相平衡，同时利用被悬浮物内部由脉冲激光照射引发的高频弹性波及悬浮物表面振动与所处重力场直接相关的特性，同时完成高精度相对重力测量和绝对重力测量。
光悬浮重力测量装置及方法，具有能够同时完成绝对重力测量和相对重力测量的独特优势，其能够在精确测定重力加速度值的基础上，快速测量重力加速度值的变化，无需绝对重力测量点的标定，可广泛的应用于地球物理、资源勘探、惯性导航与定位、计量学和基础科学研究等领域。
技术实现要素：
本发明基于超高精度重力测量的迫切需求，提供一种新的基于光悬浮的重力测量方法，并形成相应的测量装置，该装置通过激光产生的光力悬浮物体，并在悬浮物体内部产生高频弹性波，可同时完成相对与绝对重力测量，弥补了目前重力仪测量能力单一、测量速度较低、测量精度遇到瓶颈无法继续提高的不足。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于光悬浮的重力测量装置，
包括真空腔体、
包括使悬浮物悬浮的悬浮激发装置、
包括用于测量悬浮物偏离零位位移并将悬浮物恢复零位的悬浮物的调零装置、
包括用于测量悬浮物上表面振动及光致弹性波信息的非接触高精度位移传感器、
包括用于采集非接触高精度位移传感器输出信号、记录悬浮物位移、采集调零装置反馈信号、计算绝对重力加速度、计算相对重力加速度的反馈控制系统、
在真空腔体内安装非接触高精度位移传感器及悬浮物的调零装置，在真空腔体外安装悬浮激发装置、反馈控制系统，反馈控制系统分别连接悬浮激发装置、悬浮物调零装置及非接触高精度位移传感器。
而且，所述的悬浮激发装置为激光器。
而且，所述的悬浮物的调零装置为电容极板及电容检测电路单元。
而且，所述的非接触高精度位移传感器为激光干涉仪或电容测微仪或电涡流位移传感器或激光多普勒传感器或激光三角法传感器或高速高分辨力ccd相机。
更具体的，本发明基于光悬浮的重力测量装置包括真空腔体、激光器、悬浮物的调零装置、非接触高精度位移传感器及反馈控制系统，在真空腔体内安装非接触高精度位移传感器及电容极板及电容检测电路单元，在真空腔体外安装激光器、反馈控制系统及真空泵组，在真空腔体的底面嵌装观察视窗，在观察视窗的下方安装激光器，激光器连接反馈控制系统，在激光器与观察视窗之间安装遮光板，在观察视窗的上方与视窗平行安装上、下两电容极板，在两电容极板间的下极板上放置悬浮物，两极板连接电容检测电路，电容检测电路与反馈控制系统连接，在上电容极板的上方安装非接触高精度位移传感器，非接触高精度位移传感器与反馈控制系统连接。
相对重力加速度测量方法为：重力测量开始前，激光器发射激光在反馈控制系统的调节下将悬浮物悬浮至预定位置，记为零位，当测量装置所在地重力加速度变化时，悬浮物偏离零位，由悬浮物和上、下电容极板构成的三极板电容器的电桥电路输出量发生相应变化，电容检测电路将电桥输出量通过锁相放大器、积分器处理后转化为反馈电压作用于悬浮物，在悬浮物上产生指向零位的恢复力，使悬浮物位移完成归零，所述归零过程中反馈电压变化情况即当地重力变化情况，所述反馈电压输入反馈控制系统采样并记录，生成电压-时间序列，所述电压-时间序列直接反映重力加速度值随时间的变化情况，即完成相对重力加速度的测量。
所述的恢复力的计算公式为：
其中：a是三块极板的总面积，d是上下两块电容极板间的距离，x是悬浮物与上极板间的距离，vdrive是作用于上、下两极板间的电压，∈0为真空中的介电常数。
绝对重力加速度测量方法为：将重力场信息调制进由激光激发的位于悬浮物内部的光致弹性波中，再由非接触高精度位移传感器及反馈控制系统测量得到悬浮物中光致弹性波的参数，由这些参数通过拟合的方法解调出重力场信息，完成绝对重力加速度测量。
具体来说，非接触高精度位移传感器实时测量悬浮物上表面的位移信息，通过反馈控制系统得到悬浮物上表面的位移-时间数据序列，所记录的位移-时间序列经过高通和低通滤波处理后，分别获取高频位移-时间序列和低频位移-时间序列，低频位移-时间序列是悬浮物在真空腔体内的实时位置，高频位移-时间序列是悬浮物的上表面由光致弹性波造成振动信息，用来提取悬浮物上表面振动的幅值、频率、相位；通过数学多项式拟合，得到当地绝对重力加速度值。
由悬浮物内部光致弹性波参数拟合得到绝对重力加速度过程中所使用的拟合计算公式是将光致弹性波中的有关参量与绝对重力加速度值建立数学上的联系，拟合计算公式根据表征重力加速度长周期变化的具体数学表达方式、光致弹性波的具体数学表达式和表征悬浮物材料性质的具体数学表达式进行具体变化。
所述的绝对重力加速度值的一种计算公式为：
其中：k为与悬浮物材料和质量有关的常数，ω为与重力的长周期变化频率有关的变量，c和
所述非接触高精度位移传感器测量得到的悬浮物的低频位移-时间序列用来修正电容极板测量得到的相对重力加速度测量结果。
所述电容极板使用专用线缆与电容检测电路相连通过真空电极法兰穿过真空腔体与反馈控制系统相连，所述非接触高精度位移传感器使用专用线缆通过真空法兰穿过真空腔体与反馈控制系统相连，所述真空腔体包括不锈钢腔体和玻璃窗，所述真空泵通过专用管件连接真空腔体，所述反馈控制系统由专用线缆连接大功率脉冲激光器，所述的大功率脉冲激光器、真空腔、悬浮物、电容极板、非接触高精度位移传感器在竖直方向上由下而上沿直线分布。
上述技术方案中，所述的悬浮物为超薄金属薄片，由铝材料制成，具有微米量级厚度、且上下两侧均镀有高反膜，高反膜反射率为0.99999以上。
所述真空泵组为分子泵或离子泵组。
所述真空腔体由304不锈钢制成，腔内尺寸30cm*30cm*30cm，腔体下侧预留有直径dn150玻璃窗开口，上侧预留有真空法兰接口。
所述玻璃窗为直径150mm、厚度15mm的二氧化硅玻璃，前后两面均镀有高透膜，高透膜的透射率为0.9以上。
所述遮光板为金属材质的圆盘，直径大于150mm，厚度10mm，表面涂有激光吸收材料，能够完全遮挡与吸收大功率激光器的出射激光。
所述非接触高精度位移传感器完成悬浮物位移测量功能，其特点是与悬浮物不接触，位移测量分辨力高，测量带宽大，所述非接触高精度位移传感器包括激光干涉仪及其他功能相近的非接触高精度大带宽位移测量仪器，如电容测微仪、电涡流位移传感器、激光多普勒传感器、激光三角法传感器、高速高分辨力ccd相机等。
所述电容极板的上下极板为平行安装的圆形极板，轴线与悬浮物在一条直线上，上下极板圆心位置处均有圆形开孔，开孔直径不超过悬浮物直径，上极板开孔用来通过非接触高精度位移传感器的测头，下极板开孔用来通过大功率激光。
可选地，如果非接触高精度位移传感器采用激光干涉仪，则电容极板的上极板开孔用来通过测量光束。
所述反馈控制系统中集成有非接触高精度位移传感器输出信号采集系统、悬浮物位移记录系统、反馈电压信号采集系统、绝对重力加速度计算单元和相对重力加速度计算单元。
所述非接触高精度位移传感器输出信号采集系统的采样率为100mhz。
可选地，所述非接触高精度位移传感器输出信号采集系统可以连接一基准钟，其为输出信号的采样提供标准的时钟参考信号。本发明中，基准中可选的采用铷原子钟，但不限于此。可选地，反馈控制系统可以使用专用线缆连接计算机，其可扩展反馈控制系统功能、提供更强的运算能力。
一种基于所述测量装置的重力测量方法，重力测量开始前，大功率激光器发射激光在反馈控制系统的调节下将悬浮物悬浮至预定位置，记为零位。
相对重力加速度的测量，当测量装置所在地重力加速度变化时，悬浮物受到的悬浮力与重力将不再平衡，悬浮物会偏离零位，由悬浮物和上下电容极板构成的三极板电容器的电桥平衡被破坏，电桥电路输出量发生相应变化，电容检测电路将电桥输出量通过锁相放大器、积分器处理后转化为反馈电压作用于悬浮物，在悬浮物上产生指向零位的回复力，使悬浮物位移完成归零，所述归零过程中反馈电压变化情况即当地重力变化情况，所述反馈电压输入反馈控制系统采样并记录，生成电压-时间序列。所述电压-时间序列直接反映重力加速度值随时间的变化情况，即完成相对重力加速度的测量。
装置在进行相对重力测量的同时，可以进行绝对重力加速度的测量，由于光压力效应的存在，悬浮物下表面在大功率脉冲激光的照射下会产生恒定频率的振动，振动的频率与大功率脉冲激光器的脉冲频率相同，并且所述振动会在悬浮物内部激发起相应频率的弹性波，其中一部分弹性波为在悬浮物内部沿竖直轴向传播的纵波，这部分纵波在传播过程中会受到所处重力场的干扰，影响纵波传播的波速与幅值，当地重力场信息被“调制”在纵波中，所述纵波传播到悬浮物的上表面时由于波的反射会引起上表面发生振动，重力场的信息由纵波“传递”到悬浮物上表面振动信息中，悬浮物上表面的振动信息可由非接触高精度位移传感器测量得到，通过建立悬浮物上表面振动幅值、频率、相位与重力场之间的理论关系，即可通过上表面振动信息解算出当地绝对重力加速度，即完成绝对重力加速度测量。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明可以同时完成相对与绝对重力测量，在精确测定重力加速度值的基础上，可快速测量重力加速度值的变化，且因装置自身能够测量绝对重力加速度值，无需额外的绝对重力测量点的标定。
2、本发明采用激光光悬浮物体测量相对重力加速度，有效避免了弹簧型相对重力仪因为所采用的机械弹簧具有蠕变、迟滞非线性等固有缺点而带来的测量精度长期稳定性差的问题。同时引入电容反馈装置，当重力加速度变化时，悬浮物在电容反馈系统的控制下，仅在零位附近发生很小的位移，一方面有效的减小了回复力与偏移位移之间非线性关系而带来的非线性误差，另一方面有效提高了相对重力测量的测量速度。同时，光悬浮重力仪通过非接触高精度位移传感器测量得到的悬浮物实时位置数据修正电容传感器测量得到的相对重力测量结果，有效辨别和剔除因电容反馈调零过程存在延迟而导致的相对重力测量结果的多余抖动，提高了相对重力测量在重力快速变化时的精度和可靠性，扩展了高精度相对重力仪的可靠使用范围。
3、本发明采用光致弹性波测量重力场相比目前广泛采用的自由落体法具有更大的测量精度提升空间，自由落体法需要测量位移-时间序列，而光致弹性波测量重力场依据的是由光致弹性波导致的悬浮物表面振动的频率、相位，表面振动的位移信息作为辅助，测量精度可以得到极大提升，最高可以追溯到时间基准，同时由于作为悬浮物的反射面仅具有微米级的厚度，光致弹性波传播时间很短，理论上完成单次绝对重力测量的时间仅为亚纳秒级，极大的提高了绝对重力测量的测量速度。
附图说明
图1为本发明的重力测量装置的结构示意图；
图2为激光作用于悬浮物产生光致弹性波的示意图；
图3为本发明的重力测量装置中反馈控制系统内部功能的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
请参阅图1，一种基于光悬浮的重力测量装置，包括真空腔体6、激光器1、电容极板13、非接触高精度位移传感器4及反馈控制系统8，在真空腔体内安装非接触高精度位移传感器、电容极板和电容检测电路14，在真空腔体外安装激光器、反馈控制系统及真空泵组5。真空泵组与真空腔体通过真空管9连接。在真空腔体的底面嵌装观察视窗7，在观察视窗的下方安装激光器，激光器通过线缆12连接反馈控制系统。在激光器与观察视窗之间安装遮光板2，在观察视窗的上方与视窗平行安装上、下两电容极板，在两电容极板间的下极板上放置悬浮物3，两电容极板13连接电容检测电路14，检测电路通过线缆15与反馈控制系统连接。在上电容极板的上方安装非接触高精度位移传感器，非接触高精度位移传感器通过线缆11与反馈控制系统连接。
所述的激光器提供大功率激光，所述非接触高精度位移传感器用于测量悬浮物悬浮位置及表面振动情况，电容极板及检测电路用于悬浮物偏移位移测量及调零。反馈控制系统用于记录测量数据和保持悬浮物稳定悬浮。
现结合图1和图3具体说明重力测量的步骤及方法：
步骤1.检查重力测量装置安装情况，确认真空泵组与真空腔体连接的真空管9，真空法兰10，线缆11已正确安装，电容极板13与检测电路14，线缆15，真空法兰16已正确安装。
步骤2.检查并调整大功率激光器1、遮光板2、悬浮物3，电容极板13和非接触高精度位移传感器4由下而上沿直线分布，轴线在一条直线上，且悬浮物3稳妥放置于电容极板13的下极板上；
步骤3.使用真空泵组5将真空腔体6内部抽到高真空后，并维持超高真空状态；
步骤4.保持遮光板2遮挡在激光器1与观察窗7之间，开启并预热激光器1至工作状态；
步骤5.开启非接触高精度位移传感器4、反馈控制系统8；
步骤6.移开遮光板2；
步骤7.大功率脉冲激光器1产生的大功率脉冲激光将悬浮物3托起至真空腔体6中预定位置，开启电容极板13与电容检测电路14，等待电容传感系统完成调零过程，此时位置记为零位。
步骤8.悬浮物3为金属质地平板，因此悬浮物3可作为中间极板与上方和下方的电容极板13构成了一个三平板电容器，这与超导重力仪及弹簧重力仪中所使用的电容调零系统类似，这一电容器与检测电路14中的电路相连构成电容桥电路，当悬浮物3处于零位时，电容桥电路输出的电流最小，当悬浮物发生上下移动时，其位移会破坏电容桥电路的平衡，进而导致电路电参量发生变化，电参量变化情况被检测电路14通过锁相放大器、积分器处理后转化为反馈电压反馈回电容极板13，此时悬浮物3与上下电容极板13构成的三极板电容器会产生作用于悬浮物3的恢复力，满足关系：
式(1)中，a是三块极板的总面积，d是上下两块极板间的距离，x是悬浮物3与上极板间的距离，vdrive是作用于上下两极板间的电压。当x＝d/2，既悬浮物3处在零位时，恢复力为0。当x≠d/2时，电容器会在悬浮物3上形成指向零位的恢复力，推动悬浮物3回到零位，从而实现调零过程。∈0为真空中的介电常数。所述反馈机制有效的提高了光悬浮重力仪相对重力测量的线性动态范围以及对重力变化的相应速度。所述检测电路14处理得到的反馈电压输入反馈控制系统8中采样记录，生成电压-时间序列。所述电压-时间序列直接反映重力加速度值随时间的变化情况，即完成相对重力加速度的测量。
可选地，所述归零过程的时间越短，本发明的相对重力测量的测量速度越快、非线性误差越小。
步骤9.通过非接触高精度位移传感器4实时测量悬浮物3上表面的位移信息，通过反馈控制系统8中集成的非接触高精度位移传感器输出信号采集系统采样得到悬浮物3上表面的位移-时间数据序列，记录在反馈控制系统8中集成的悬浮物位移数据记录系统中。所记录的位移-时间序列经过高通和低通滤波处理后，可分别获取高频位移-时间序列和低频位移-时间序列，低频位移-时间序列是悬浮物3在真空腔体内的实时位置，高频位移-时间序列是悬浮物3的上表面由光致弹性波造成振动信息，可用来提取悬浮物3上表面振动的幅值、频率、相位；通过数学多项式拟合，可得到当地绝对重力加速度值，即完成绝对重力测量。
可选地，所述悬浮物3上表面的位移-时间信息可由多种非接触高精度大带宽位移测量仪器测得，如激光干涉仪、电容测微仪、电涡流位移传感器、激光多普勒传感器、激光三角法传感器、高速高分辨力ccd相机等。
为说明所述过程中绝对重力加速度值可由悬浮物3上表面振动的位移-时间序列计算得到，进行如下推导，假设悬浮物3是理想弹性体，如图2所示，在悬浮物3的上表面选取一质量为δm的微元δs，其在重力场作用下的振动可以简化为弹簧-振子模型。悬浮物3的下表面在大功率脉冲激光的照射下，由于光压力效应，会受入射脉冲的影响发生弹性形变，这种形变会在悬浮物内部产生弹性压缩波，即光致弹性波，当光致弹性波传播到悬浮物上表面时，由于弹性波的反射，上表面会在弹性波的驱动下随波形振动，微元δs的振动可由无阻尼强迫振动方程描述。由函数傅里叶级数的物理意义可知，悬浮物3中的光致弹性波可展开为一些列以本征频率传播的简谐波的线性叠加，由于实际介质中高频波动往往存在较大衰减，因此光致弹性波中对上表面振动影响最大的是以主模频率传播的简谐波，重力仪在工作时，悬浮物3悬浮于零位，边界满足诺伊曼边界条件，即自由边界，主模频率为
式中h是与光致弹性波振幅有关的参数，可由激光功率、悬浮物3厚度及悬浮物3材料的纵波速度计算得到，在式(2)中作为已知常数。k为与悬浮物3材料和质量有关的常数，在弹簧-振子系统中常作为固有频率。式(2)的解为：
从式(3)中可以看出，悬浮物3上表面的振动情况受到重力长周期变化的影响，对式(3)进行化简可得：
由式(4)可知，任意时刻的绝对重力加速度g可通过(x，t)序列拟合得到，即完成绝对重力加速度测量。
所述悬浮物3上表面弹簧-振子模型是经过多次化简的模型，意在说明悬浮物3上表面振动与重力加速度值间存在明确的函数关系，实际上光致弹性波在悬浮物3中的传播同样受到重力场影响，在式(4)中表现为h是关于g的函数，即h[g（t)]，这是光悬浮重力仪精密测量绝对重力加速度值的基础。
可选地，所述非接触高精度位移传感器4测量得到的悬浮物3低频位移-时间信息可以用来修正电容传感器测量得到的相对重力测量结果，由于重力仪所采用的电容反馈调零过程存在不可避免的延迟，该延迟在重力变化较快时可能会导致相对重力测量结果存在多余的抖动，而所述低频位移-时间信息准确的反映了悬浮物3多余抖动的幅度和时间点，通过比对同一时刻电容传感器测量得到的相对重力测量值和非接触高精度位移传感器4测得的低频位移-时间序列可辨识和消除多余的抖动，提高相对重力测量结果的精度和可靠性。
可选地，制作所述悬浮物的材料可以选择有利于将重力场信息调制进纵波的新材料，比如纵波波长较大的新型金属材料。
图1仅为本装置的示意图，除了体现本装置的必要组成器件及连接外，没有画出各个器件的固定方式，各个器件可以通过任意形式的支架固定安装。