[發明專利]基于原子干涉效應的垂向重力梯度測量傳感器

有效

• 申請號: 201310437156.1
• 申請日: 2013-09-22
• 公開（公告）號: CN103472495A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 宋宏偉;仲嘉琪;陳曦;熊宗元;朱磊;王玉平;李大偉;王謹;詹明生
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

技術領域

本發明屬于重力勘測技術領域，尤其涉及一種基于原子干涉效應的垂向重力梯度測量傳感器。

背景技術

由重力勢的一階微商（重力加速度）和二階微商（重力梯度）可以反演得到地表以下的質量和密度的分布特征。因此重力勘測方法在資源勘探、地質結構分析和地球物理研究等領域一直發揮著非常重要的作用。

與重力加速度信號相比，重力梯度信號具有更高的空間分辨率和靈敏度；并具有9個空間張量分量（其中5個位獨立分量），可進行立體成像；此外，針對重力梯度的一系列差分測量方案，可以從很大程度上抑制震動、潮汐等環境噪聲對測量結果所造成的負面影響，可以獲得更高的測量精度，從而也使得先測量重力梯度分布再積分恢復出重力場分布已經成為一種成熟的勘測方法。因此在很多應用領域，重力梯度儀技術相對于重力儀技術具有更重要的意義。

迄今為止，用于測量重力勢一階微商的重力儀技術已經相當成熟，主要有自由落體和原子干涉兩種技術方案。其中自由落體方案已經完全實現了商業化，最具代表性的當屬美國Micro-g?Lacoste公司所生產的FG5型絕對重力儀和CG5型相對重力儀；原子干涉方案，是目前所達到測量精度最高的技術方案（10^-12g），其原理如文獻（Measurement?of?Local?Gravity?via?a?Cold?Atom?Interferometer，L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701頁，2011年）所介紹，也可簡述如下：冷原子團在垂向拉曼激光脈沖的作用下發生類似光學干涉儀的分束、反射、合束過程，最終原子在兩個末態路徑的分布幾率與拉曼激光的相對相位呈正弦關系，而重力加速度會使得原子的路徑發生偏折從而感受到拉曼激光的相對相位發生變化，從而使原正弦曲線的相位發生移動，通過該相位移動即可反推出重力加速度的數值。但受限于物理系統可搬運技術、激光系統及電子控制系統的集成化技術，采用原子干涉方案的重力儀尚未實現商業化生產。

關于測量重力勢二階微商的重力梯度儀，在國際上除了低溫超導、旋轉加速度計、靜電懸浮等技術方案之外，原子干涉方案也受到了人們的廣泛關注。1998年，美國斯坦福大學的Kasevich小組將兩個原子干涉型重力儀沿垂向層疊，實現了重力梯度的測量，可參考文獻（Sensitive?absolute-gravity?gradiometry?using?atom?interferometry，J.M.McGuirk等，Physical?Review?A，第65卷，033608頁，2002年）。但該測量裝置實際上仍然是兩個分立的重力儀，主要表現在兩個重力儀的物理裝置在空間上是獨立的，這一方面使得其相對距離的穩定性很難保證，容易受到震動及環境噪聲的影響；另一方面雖然兩個重力儀共用一對拉曼激光，實現了測量的時間同步，抑制了一部分環境噪聲，但在兩個重力儀內部的兩個原子團中間存在有兩個玻璃窗口和一段空氣，這就使得拉曼激光與第一（上方或下方）重力儀中的原子作用之后，與第二（下方或上方）重力儀中的原子作用之前又先后經過了兩個玻璃窗口以及中間的一段空氣，因此玻璃窗口的面型偏差、光潔度、平行度以及空氣的震動、流動以及氣壓變化都會造成與兩團原子相作用的拉曼激光的相對相位的不一致性和不均勻性。如前文所述，拉曼激光的相位是原子干涉條紋相位的直接來源，而重力加速度信息又是從原子干涉條紋的相位差中直接提取而得到，因此拉曼激光的相位噪聲是重力加速度測量噪聲的主要來源，而這兩個玻璃窗口和中間的空氣使得來自于拉曼激光的測量噪聲無法有效的共模消除，這就使得該測量裝置的重力梯度測量靈敏度和精度很難進一步提高；再次，由于使用兩個分立的重力儀，因此必須使用兩套獨立的真空泵組來分別實現和維持兩個重力儀真空容器的真空度，這使得整個測量裝置的體積、重量和功耗被迫維持在一個較高的水平。

由此可見，現有技術是利用兩個分立重力儀進行重力梯度測量，存在兩個重力儀之間的相對位置的穩定性問題和玻璃窗口及空氣間隙引入系統偏差和噪聲的問題，以及測量裝置過于復雜的問題。

發明內容

本發明的目的就在于克服現有技術存在的上述缺點和不足，提供一種基于原子干涉效應的垂向重力梯度測量傳感器。

本發明的目的是這樣實現的：