一种时间关联计算重力仪及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种时间关联计算重力仪及测量方法，属于重力测量领域。
【背景技术】
[0002] 重力测量最早可追溯到16世纪伽利略的比萨斜塔自由落体实验，随着量子力学 和时频技术的发展，绝对重力测量（g，常用值9. 81m/s2)的准确度也在不断提高，并广泛应 用于计量、测绘、地质、地震和资源勘探等多个领域。
[0003] 意大利国家计量院研制了IMGC-2型绝对重力仪，是采用上抛-下落原理的高精度 绝对重力仪。美国JILA实验室化Her的研究小组曾研制六台JILA-g型绝对重力仪，提供 给多个国家的计量和测绘部口使用，后来Niebauer等在JILA-g的基础上进行改进，实现了 高精度绝对重力仪的商品化，即目前Micro-g公司生产的FG-5型绝对重力仪。1999年朱棟 文等发表在基于原子干设仪的高精度绝对重力测量结果，在精密物理测量领域引起广泛关 注。2012年清华大学也自主研制了T-1型可搬运式高精度绝对重力仪，可实现微伽量级不 确定度的精密重力测量。
[0004] 目前可实现的高精度重力仪方案多种多样，但是在抗干扰性和工程实现上都存在 各种各样的问题。例如基于经典光学的重力仪，要求所使用的光源带宽越宽越好，但是光源 的线宽会引起色散问题，且受环境影响严重，不能暴露在大气环境中测量；原子干设重力仪 精度较高，但是在工程化方面，成熟度低，体积庞大且不能实现连续测量，因此需要寻求一 种新型重力仪方案从根本上解决运一系列问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能有效减小空气 扰动的时间关联计算重力仪及测量方法，通过调整延时器（12)延时，符合测量逻辑单元 对两路信号做时间符合测量逻辑计算，得到延时差值，结合原子钟（13)记录的初末位置处 时刻，计算得到重力加速度g，能有效减小空气扰动因素引起的测量误差，具有结构设计简 单，可实现性较强等优点。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种时间关联计算重力仪，包括：光源（1)、数字微镜 阵列DMD(2)、透镜（3)、控制器（4)、第一分束器巧）、应力传感器化）、待下落棱镜（7)、参考 棱镜做、第二分束器巧）、CCD(或点探测器）（10)、符合测量逻辑模块（11)、延时器（12)、 原子钟（13);符合测量逻辑模块（11)包括符合测量逻辑单元和计算单元；
[0007] 数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源（1)水平照射在数字微镜阵列 DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器（4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵 信号发送到延时器（12)，调整延时器（12)延时，经延时器（12)延时后将光场调制矩阵信号 存至符合测量逻辑模块（11)的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加 载到数字微镜阵列DMD(2)上，控制多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源 (1)照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜（3)，数字微镜阵列DMD似放置于 透镜（3)的焦平面上，经透镜（3)的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器（5)上；
[0008] 第一分束器（5)将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第 一分束器（5)分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器（5)分光得到的反射光束沿竖直向 上方向入射至应力传感器化），应力传感器（6)上设置有透光通孔，将第一分束器（5)分光 得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜（7)上，应力传感器（6)放 置于待下落棱镜（7)的正下方，经过应力传感器（6)竖直向上传播的光束在待下落棱镜（7) 中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器化），应力传感器（6)将在待下 落棱镜（7)中发生回射的光束经过应力传感器（6)入射到参考棱镜（8)上，参考棱镜（8)放 置于第一分束器（5)的下方偏右，参考棱镜（8)和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参 考棱镜做上的光束平行回射，参考棱镜做回射后的回射光束照射到第二分束器（9)上， 第二分束器（9)将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器 (9) 分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器（9)分光得到的反射光束反射到CCD(10)上， 形成第一信号送至符合测量逻辑模块（11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块（11) 的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
[0009] 符合测量逻辑模块（11)的符合测量逻辑单元，将储存的光场调制矩阵信号和记 录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阔值，如果光场调 制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阔值，就计数，如果小于该阔值，就舍弃不计 数，得到一个时间关联计数结果；
[0010] 多次调整延时器（12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量 逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第一信号，多次进行时间 符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结 果发送至计算单元；
[0011] 计算单元将接收到的多对延时器（12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第 一关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器（12)的延时时间，纵坐标为多个时间关 联计数结果，将每个延时器（12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成 一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器（12)延时Ti，并记录该延时Ti;
[0012] 控制待下落棱镜（7)开始做自由落体运动，同时原子钟（13)记录控制待下落棱镜 (7)下落的初位置时刻ti，待下落棱镜（7)沿竖直向下下落到应力传感器化），应力传感器 (6)将信号传递到原子钟（13)，同时原子钟（13)记录下末位置时刻t2;
[001引待下落棱镜（7)自由下落到应力传感器（6)上后，重置延时器的延时，CCD(10)重新接收到从第二分束器（9)反射过来的反射光束，形成第二信号，符合测量逻辑 模块（11)的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
[0014] 调整延时器的延时，再次将新的光场调制矩阵储存至符合测量逻辑模块（11)的 符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块（11)的符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制 矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阔值， 如果光场调制矩阵信号和记录的第二信号差大于或等于该阔值，就计数，如果小于该阔值， 就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果，同时将时间关联计数结果发送至计算单元；
[0015] 多次调整延时器（12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量 逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第二信号，多次进行时间 符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结 果发送至计算单元；
[0016] 计算单元将接收到的多对延时器（12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第 二关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器（12)的延时时间，纵坐标为多个时间关 联计数结果，将每个延时器（12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成 一条曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时器（12)延时12,并记录该延时12;
[0017] 计算单元将记录的和I2做差计算得到延时差AI=I2-Ti，原子钟（13) 记录的ti和12做差计算得到待下落棱镜（7)下落时间差At= 12-ti，根据该延时差AI 和待下落棱镜（7)下落时间差At，解算出重力加速度巧=式中c为真空中光速。
[0018] 所述光场调制矩阵为化damard矩阵，化damard矩阵编码原则为化damard矩阵行 与行、列与列之间满足正交归一关系H地T=I，I为对角单位矩阵，其每一行（或列）元素 之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角 度的偏转，微镜阵列反射光源（1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
[0019] 所述数字微镜阵列DMD似放置于透镜（3)的焦平面上。
[0020] 所述应力传感器（6)放置于待下落棱镜（7)的下方偏右，一方面用于支撑待下落 棱镜（7)，一方面用于应力传感，当待下落棱镜（7)下落到应力传感器（6)上时，高灵敏度应 力传感器（6)将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟（13)计时。
[0021] 一种时间关联计算重力仪的测量方法，步骤如下： 阳02引（1)数字微镜阵列DMD似包括多个微镜阵列，光源（1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器（4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵 信号发送到延时器（12)，调整延时器（12)延时，经延时器（12)延时后将光场调制矩阵信号 存至符合测量逻辑模块（11)的符合测量