[發明專利]絕對重力測量系統、測量方法及自由落體下落方法

有效

• 申請號: 201110224531.5
• 申請日: 2011-08-05
• 公開（公告）號: CN102323624A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 王力軍;胡華;伍康
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01V7/14
• 分類號: G01V7/14
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及一種絕對重力測量系統、測量方法及自由落體下落方法，特別的，涉及采用激光干涉測量裝置測量絕對重力的系統、測量方法及自由落體下落方法。

背景技術

精確測量地球表面的重力加速度(g，常用值9.81m/s²)，在地球物理、測繪計量和資源勘探等領域具有重要意義和廣泛應用。隨著激光和時間頻率技術的發展，利用激光干涉方法來測量絕對重力成為當前的主流技術方案。

現有的絕對重力測量系統主要通過激光干涉方法實現重力加速度的精密測量，其通過精確測量某物體在高真空度環境下的自由落體運動軌跡，根據測量的時間和位移數據，基于數學多項式擬合的方法計算下落物體的運動加速度，即絕對重力加速度值。

在現有的絕對重力測量系統中，真空腔內的下落物體被放置在一個支撐托盤上，支撐托盤固定在豎直方向安裝的直線導軌的滑塊上，支撐托盤和滑塊可以沿導軌上下運動。支撐托盤通過機械傳動系統，與真空腔外的馬達傳動系統連接。為了實現下落物體的自由落體運動，首先通過控制馬達傳動系統，將支撐托盤和放置在其上面的下落物體運送到真空腔的頂部位置；然后反向快速轉動馬達傳動系統，使支撐托盤開始加速往下運動，其加速度略大于重力加速度，此時下落物體與支撐托盤分離，從而實現下落物體的自由落體運動。在真空腔的底部位置，通過控制馬達傳動系統，使支撐托盤減速運動，直至下落物體與支撐托盤接觸，最后一起停留在真空腔的底部位置。因此，該馬達傳動系統可以重復實現下落物體的自由落體運動。

但是，現有的自由落體裝置通過馬達的高速轉動來實現下落物體的自由落體運動，馬達傳動系統一直處于工作狀態，導致自由落體裝置在測量進行期間產生較強的振動，由于重力測量系統對于裝置本身的振動非常敏感，因此這種系統會影響到重力測量結果的準確度。

此外，絕對重力測量系統通常采用激光干涉測量裝置來精確測量下落物體的重力加速度。為了測量下落物體的自由落體運動軌跡，目前通常采用改進型的馬赫-澤德爾激光干涉測量裝置。在該裝置中，激光束通過分光鏡，一部分激光作為測量光束，射向真空腔內的下落物體，下落物體內安裝了回射棱鏡，將測量光束反射回來；另一部分激光作為參考光束，射向一個放置在隔振平臺上的回射棱鏡，將參考光束反射回來。反射回來的測量光束和參考光束通過另一個分光鏡實現合光，即可實現激光干涉測量，干涉條紋的數量與下落物體運動的位移成正比。在激光干涉測量裝置中，需要精確調整測量光束的方向，使其與重力加速度方向即絕對豎直方向平行。

現有的激光干涉測量裝置中，通常采用望遠鏡瞄準的方法來調整測量光束的豎直方向。但是，該方法需要使用多個光學器件和復雜的光路設計，這導致增加了系統的復雜度，使得調整測量光束的實際操作非常復雜，并且容易產生操作誤差。因此，需要改進激光干涉測量裝置的測量光束豎直方向調整單元，以簡化系統結構以及調整操作，并保證較高的操作精度。

另一方面，在現有的激光干涉測量裝置中，通常采用過零檢測器和時間間隔分析儀獲取激光干涉條紋信號的過零點特征。為了獲取下落物體的自由落體運動特征，首先將激光干涉條紋信號通過一個過零檢測器，檢測干涉條紋信號的過零點；然后將過零點信號輸入時間間隔分析儀，測量過零點之間的時間間隔。根據激光干涉測量原理，干涉條紋信號的兩個相鄰過零點對應著四分之一激光波長的運動位移，因此可以得到自由落體運動軌跡的時間和位移數據，通過進一步的數學多項式擬合，即可計算重力加速度的數值。

但是，現有的激光干涉測量裝置中的過零檢測器和時間間隔分析儀的電路系統可能引入非線性的相位噪聲，這種利用硬件電路的方法獲取激光干涉條紋信號的過零點特征，可能引入非線性的相位噪聲，導致測量結果產生一定的偏差。

因此，有必要對現有的絕對重力測量系統進行改進，以簡化系統結構，并提高測量精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種絕對重力測量系統、測量方法及自由落體下落方法，其通過一下拉構件代替馬達實現下落物體的自由落體運動，從而明顯降低了馬達傳動系統對自由落體裝置的振動影響，同時簡化了系統結構。

本發明的另一目的是改進激光干涉測量裝置的結構，使得測量光束的豎直方向校準更加簡單精確，從而大大提高了絕對重力測量系統的測量精度，同時簡化了系統校準的操作步驟。