本发明涉及测试装置，尤其涉及一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量 方法及重力梯度仪。
背景技术：
重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，重力梯度表 征的是单位距离内重力加速度沿一定方向的变化率，单位为s-2(常用单位为E， 1E＝10-9s-2)，它反映了地球内部密度变化引起的重力异常，具有比重力测量更 高一级的分辨率，且更适用于运动平台。基于这些优势，重力梯度测量在大地 测量、资源勘探、重力导航等领域都具有极其重要的应用。
重力梯度为重力加速度向量在笛卡尔坐标系x,y,z三个方向上 的导数，这些导数组成了重力梯度张量矩阵，如式(1)所示：
重力梯度张量矩阵T是对称矩阵，满足Txy＝Tyx,Tyz＝Tzy,Tzx＝Txz，且三沿轴重力 梯度满足Txx+Tyy+Tzz＝0，因此重力梯度只有5个独立分量。全张量重力梯度仪是 能同时测量全部5个独立重力梯度张量的仪器，其研究深受国内外科研人员重视。
目前，国际上成熟的全张量重力梯度仪为旋转加速度计重力梯度仪，其基 本原理如附图1所示，4个加速度计对称分布在圆盘上，加速度计的敏感方向沿 圆盘的切线方向，使圆盘以一定的角速度旋转，采集加速度计a1—a4的输出信号， 使加速度a1的信号与加速度计a2的信号相加，加速度计a3的信号与加速度计a4 的信号相加，再将二者相减，从而获得3个含有重力梯度信息的信号。采用三个 相互垂直的转盘安装12个加速度计，使转盘以相同的角速度旋转，采用同样的 信号采集方法，可以获得9个含有重力梯度元素的信号，通过数学方法可以解算 出5个独立的重力梯度张量。
旋转加速度计重力梯度仪能进行重力梯度的全张量测量，但它需要测量精度 极高的加速度计，同时存在加速度计安装方向误差，加速度计非线性误差、加 速度计之间的标度因子不一致及各敏感轴不严格正交而产生的误差等。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于光力悬浮的全张量重力 梯度测量方法及重力梯度仪。
一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测量方法，采用三个微球光力悬浮三 轴敏感单元分别置于立体空间的三点，不共线，通过微球光力悬浮三轴敏感单 元分别测得三点处的重力加速度，然后利用差分原理得到重力梯度全部张量。
所述的方法，采用三个结构相同的微球光力悬浮三轴敏感单元，空间坐标 分别为X轴上的(d，0，0)、Y轴上的(0，d，0)、Z轴上的(0，0，d)； 通过微球光力悬浮三轴敏感单元测得(d，0，0)处的重力加速度(g1x,g1y,g1z)， 测得(0，d，0)处的重力加速度(g2x,g2y,g2z)， 测得(0，0，d)处的重力加速度(g3x,g3y,g3z)，
利用差分原理求得相应方向的重力梯度，其计算公式为：
其中，Txx为gx沿x轴方向的变化率，Tyy为gy沿y轴方向的变化率，Tzz为gz沿 z轴方向的变化率；Txy为gy沿x轴方向的变化率，Tyx为gx沿y轴方向的变化率， Txz为gz沿x轴方向的变化率，Tzx为gx沿x轴方向的变化率，Tyz为gz沿y轴方向的 变化率，Tzy为gy沿z轴方向的变化率。
所述的微球光力悬浮三轴敏感单元包括敏感微球悬浮模块、敏感微球位移 探测模块，其中敏感微球悬浮模块利用光力效应实现敏感微球的悬浮，敏感微 球位移探测模块利用光强平衡探测原理实现敏感微球的三轴位移探测，再利用 光力悬浮单元的刚度解算出三轴重力加速度。
一种采用所述的方法的基于光力悬浮的全张量重力梯度仪，包括三个结 构相同的微球光力悬浮三轴敏感单元，空间坐标分别为X轴上的(d，0，0)、 Y轴上的(0，d，0)、Z轴上的(0，0，d)；
其中置于Z轴上的(0，0，d)的所述的微球光力悬浮三轴敏感单元，包括 悬浮光束激光器、声光调制器、第一分束器、第一聚焦透镜、光功率计、二向 色镜、第一反射镜、第二聚焦透镜、探测光束激光器、第二反射镜、敏感微球、 第一带通滤波片、第二分束器、第一D型镜、第三反射镜、Z轴平衡探测器；
悬浮光束激光器发出水平向右的悬浮激光经过声光调制器后被第一分束器 分为水平向右的悬浮光束和竖直向上的功率参考光束，其中功率参考光束经过 第一聚焦透镜后进入光功率计，后通过功率测试结果调制声光调制器，保持悬 浮光束功率稳定，悬浮光束分别经过二向色镜和第一反射镜后竖直向上传输， 再经过第二聚焦透镜后与敏感微球相互作用，使敏感微球悬浮；
探测光束激光器分别发出竖直向下探测光和竖直向上探测光，其中竖直向 下探测光束经过二向色镜反射后与悬浮光束共路传输；
二向色镜根据悬浮光束和探测光束的波长选定，能使悬浮光束透射通过， 使探测光束反射为水平向右传输；
竖直向上的探测光经过第二反射镜后变为水平向右传输，经过敏感微球区 域后透射通过第一带通滤波片，再经第二分束器后变为水平向右的Z轴探测光束 和竖直向上的X轴探测光路，其中Z轴探测光束分别通过第一D型镜和第三反射 镜的反射后进入Z轴平衡探测器的两个探测点，后经光电转换和信号差分得到敏 感微球在Z轴方向的位移，再带入Z轴方向的刚度便可求得相应的重力加速度。
本发明的有益效果：
本发明利用分置于立体空间三点的三个微球光力悬浮三轴敏感单元测得三 点处的重力加速度的三轴分量，然后利用差分原理得到重力梯度全张量。由于 微球光力悬浮三轴敏感单元能达到10-14N/μm量级刚度，重力加速度测量灵敏度 可达100μm/g，因此通过差分可以实现重力梯度的高灵敏度测量，同时由于单个 微球光力悬浮三轴敏感单元可以实现重力加速度的三轴测量，可以有效减小全 张量重力梯度仪的集成难度。
附图说明
图1是现有技术的旋转加速度计重力梯度仪原理示意图；
图2是敏感微球在高斯光束中的受力分析示意图；(a)散射力的产生原理， (b)梯度力的产生原理；
图3是敏感微球在高斯光束中梯度力产生原理示意图；(a)会聚光梯度力产 生原理，(b)发散光梯度力产生原理；
图4是本发明中微球光力悬浮三轴敏感单元的结构示意图；
其中，悬浮光束激光器1、声光调制器2、第一分束器3、第一聚焦透镜4、 光功率计5、二向色镜6、第一反射镜7、第二聚焦透镜8、探测光束激光器9、第 二反射镜10、敏感微球11、第一带通滤波片12、第二分束器13、第一D型镜14、 第三反射镜15、第三聚焦透镜16、第四聚焦透镜17、Z轴平衡探测器18、第二D 型镜19、第四反射镜20、第五聚焦透镜21、第六聚焦透镜22、X轴平衡探测器23、 第二带通滤波片24、第三D型镜25、第五反射镜26、第七聚焦透镜27、第八聚焦 透镜28、Y轴平衡探测器29、悬浮光束100、调制后的悬浮光束101、功率参考光 束102、竖直向下探测光束103、竖直向上探测光束104、Z轴探测光束105、X轴 探测光束106、Z轴D型镜反射光束107、Z轴平衡参考光束108、X轴D型镜反射光 束109、X轴平衡参考光束110、Y轴探测光束111、Y轴D型镜反射光束112、Y轴 平衡参考光束113；
图5是本发明的基于光力悬浮的全张量重力梯度仪原理示意图；
其中，X轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A1、Y轴方向微球光力悬浮三轴 敏感单元A2、Z轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A3。
具体实施方式
为使本发明的原理、目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体 实施方式并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
光束是一群既有质量又有动量的光子流，当光照射到物体表面与物体相互 作用时，光子的动量变化，对被照射物体产生力的作用，可分为两部分：反射 产生的散射力和折射产生的梯度力。
如图2(a)所示，高斯光束照射到微球上进行反射，入射光束经小球反射 后变为反射光束产生了动量差，光子将这个动量传递给微球。微球就受到 了一个散射力假设小球位于高斯光束的中心，在另一侧受到一个同样大小 的力这两个力的合力沿光的传输方向，即因为反射微球在高斯光束中受到 的散射力总是沿着光的传输方向的。
如图2(b)所示，利用上述方法，可以分析折射产生梯度力的原理，不同 的是，梯度力的方向与光的传输方向无关。假设左侧的光强大于右侧的光强， 则左侧微粒受到的梯度力将大于右侧微粒受到的梯度力即合力的方向 将偏向微粒左侧。
为了更好地解释梯度力合力方向，引入以下两种情况作为对比，如图3所示， 从图中可得出，对于会聚光而言，小球受到的梯度力的方向沿着光的传输方向， 对于发散光而言，小球受到的梯度力的方向与光的传输方向相反。结合上面的 两种情况得出，梯度力的方向总是指向光束中光强大的地方。
基于上述分析可知，高斯光束与微球的相互作用，可以形成一个光学势阱， 将微粒稳定束缚在势阱中心，即实现微球的悬浮。
基于光力悬浮效应，本发明提出了一种基于光力悬浮的全张量重力梯度测 量方法，采用三个微球光力悬浮三轴敏感单元分别置于立体空间的三点，不共 线(即三点不在一条直线上)，通过微球光力悬浮三轴敏感单元分别测得三点处 的重力加速度，然后利用差分原理得到重力梯度全部张量。
所述的微球光力悬浮三轴敏感单元包括敏感微球悬浮模块、敏感微球位移 探测模块，其中敏感微球悬浮模块利用光力效应实现敏感微球的悬浮，敏感微 球位移探测模块利用光强平衡探测原理实现敏感微球的三轴位移探测，再利用 光力悬浮单元的刚度解算出三轴重力加速度。
微球光力悬浮三轴敏感单元，结构如图4所示。整个敏感单元包括悬浮光束 激光器1、声光调制器2、第一分束器3、第一聚焦透镜4、光功率计5、二向色镜 6、第一反射镜7、第二聚焦透镜8、探测光束激光器9、第二反射镜10、敏感微 球11、第一带通滤波片12、第二分束器13、第一D型镜14、第三反射镜15、第三 聚焦透镜16、第四聚焦透镜17、Z轴平衡探测器18、第二D型镜19、第四反射镜 20、第五聚焦透镜21、第六聚焦透镜22、X轴平衡探测器23、第二带通滤波片24、 第三D型镜25、第五反射镜26、第七聚焦透镜27、第八聚焦透镜28、Y轴平衡探 测器29。
悬浮光束激光器1发出水平向右的悬浮光束100(其典型波长值为1064nm) 经过声光调制器2后被第一分束器3分为水平向右的调制后的悬浮光束101和竖 直向上的功率参考光束102，其中功率参考光束102经过第一聚焦透镜4后进入光 功率计5，后通过功率测试结果调制声光调制器2，保持调制后的悬浮光束101功 率稳定。悬浮光束101分别经过二向色镜6和第一反射镜7后竖直向上传输，再经 过第二聚焦透镜8后与敏感微球11相互作用，使其悬浮，后到达第二带通滤波片 24处被阻挡。
探测光束激光器9分别发出竖直向下探测光束103和竖直向上探测光束104 (其典型波长为532nm)，其中竖直向下探测光束103经过二向色镜6反射后与调 制后的悬浮光束101共路传输，经过敏感微球区域后到达第二带通滤波片24处， 经第二带通滤波片24透射后变为Y轴探测光束111，其中部分光被第三D型镜25 反射后变为Y轴D型镜反射光束112水平向左传输，经过第七聚焦透镜27汇聚于Y 轴平衡探测器29的一个探测点处，Y轴探测光束111的另一部分光被第五反射镜 26反射后变为Y轴平衡参考光束113水平向左传输，经过第八聚焦透镜28汇聚于Y 轴平衡探测器29的另一个探测点处。
测试过程中，当敏感微球11所受的Y轴方向的重力加速度增大，小球向Y轴 正方向移动，会导致Y轴D型镜反射光束112光强增大，Y轴平衡参考光束113的 光强减小，后续经过Y轴平衡探测器29进行光电转换和信号差分，便可得到敏感 微球11在Y轴方向的位移，再带入Y轴方向的刚度便可求得敏感微球11处Y轴方 向的重力加速度。
二向色镜6根据悬浮光束和探测光束的波长选定，能使调制后的悬浮光束 101透射通过，使竖直向下探测光束103反射为水平向右传输。
第二带通滤波片24根据悬浮光和探测光的波长选定，它使Y轴探测光束111 透射通过，阻挡悬浮光，隔绝悬浮光对于微球位移探测的影响。
竖直向上的探测光104经过第二反射镜10后变为水平向右传输，经过敏感微 球区域后透射通过第一带通滤波片12，再经第二分束器13后变为水平向右的Z轴 探测光束105和竖直向上的X轴探测光束106，其中Z轴探测光束105部分光被第一 D型镜14反射后变为Z轴D型镜反射光束107竖直向下传输，经过第三聚焦透镜16 汇聚于Z轴平衡探测器18的一个探测点处，Z轴探测光束105的另一部分光被第三 反射镜15反射后变为Z轴平衡参考光束108竖直向下传输，经过第四聚焦透镜17 汇聚于Z轴平衡探测器18的另一个探测点处。
测试过程中，当敏感微球11所受的Z轴方向的重力加速度增大，小球向Z轴 正方向移动，会导致Z轴D型镜反射光束107光强减小，Z轴平衡参考光束108的 光强增大，后续经过Z轴平衡探测器18进行光电转换和信号差分，便可得到敏感 微球11在Z轴方向的位移，再带入Z轴方向的刚度便可求得敏感微球11处Z轴方向 的重力加速度。
竖直向上的X轴探测光束106部分光被第二D型镜19反射后变为X轴D型镜反 射光束109水平向右传输，经过第五聚焦透镜21汇聚于X轴平衡探测器23的一个 探测点处，X轴探测光束106的另一部分光被第四反射镜20反射后变为X轴平衡 参考光束110水平向右传输，经过第六聚焦透镜22汇聚于X轴平衡探测器23的另 一个探测点处。
测试过程中，当敏感微球11所受的X轴方向的重力加速度增大，小球向X轴 正方向移动，会导致X轴D型镜反射光束109光强减小，X轴平衡参考光束110的 光强增大，后续经过X轴平衡探测器23进行光电转换和信号差分，便可得到敏感 微球11在X轴方向的位移，再带入X轴方向的刚度便可求得敏感微球11处X轴方 向的重力加速度。
第一带通滤波片12根据悬浮光和探测光的波长选定，它使Z轴探测光束105 和X轴探测光束106透射通过，阻挡悬浮光，隔绝悬浮光对于微球位移探测的影 响。
如图5所示，本发明基于光力悬浮的全张量重力梯度仪包括空间坐标为(d， 0，0)的X轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A1，空间坐标为(0，d，0)的Y 轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A2，空间坐标为(0，0，d)的Z轴方向微球 光力悬浮三轴敏感单元A3。
其中X轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A1可测得(d，0，0)处的重力加 速度(g1x,g1y,g1z)，相应的Y轴方向微球光力悬浮三轴敏感单元A2和Z轴方向微 球光力悬浮三轴敏感单元A3可测得相应测试点的重力加速度(g2x,g2y,g2z)和 (g3x,g3y,g3z)，利用差分原理便可求得相应方向的重力梯度，其计算公式为：
利用公式(2)，根据空间一定间距放置的三个微球光力悬浮三轴敏感单元 进行差分计算实现重力梯度的全张量测试。