[發明專利]一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統和方法

有效

• 申請號: 201710357374.2
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107193050B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 郭有光;洪國強;黃雯迪;薛振海;高銘澤
• 申請（專利權）人: 北京奧地探測儀器有限公司;地質礦產部北京地質儀器廠;郭有光
• 主分類號: G01V7/04
• 分類號: G01V7/04
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 劉洪勛;郭麗英

本發明公開了一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統，包括激光光源、落體機構、上真空室、下真空室和設置在上真空室和下真空室之間的干涉儀；所述落體機構包括兩個完全相同、相對應的分別設置在上、下兩真空室內的上落體棱鏡和下落體棱鏡；所述干涉儀包括第一干涉系統、第二干涉系統和第三干涉系統；所述激光光源射入干涉儀后，經過第一干涉系統、第二干涉系統和第三干涉系統后，產生三個干涉信號，用于計算絕對重力真值。本發明還提供了和該系統對應的測量方法。

技術領域

本發明涉及，特別是一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統，本發明還涉及一種雙自由落體的絕對重力測量法，屬于高精度絕對重力測量領域。

背景技術

目前，高精度絕對重力儀是國際上從七十年代開始研究的一種集光、電、計算機、真空技術于一體化的精密儀器，在檢測地面垂直運動、描繪地表質量重新分布、預測全球海平面升降、標定相對重力儀漂移、礦產探測、導航技術等科學和國防建設領域都有廣泛的應用。20世紀60年代以來，隨著深空探測和導彈技術的高速發展，各個領域對高精度絕對重力測量的要求也不斷地提高，世界各國都加大了對絕對重力儀研究的投入。目前常見的絕對重力儀型號包括美國的JILA型絕對重力儀，Micro-g公司的FG5絕對重力儀和A10流動型絕對重力儀，意大利的IMGC型絕對重力儀德國的MPG型絕對重力儀，俄羅斯的GABL型絕對重力儀以及中國的NIM型絕對重力儀。絕對重力儀工作原理包括自由落體法，上拋法等，自由落體法的原理在于利用激光干涉儀來確定落體在重力場中做自由下落時的距離，憑借銣原子鐘測定自由下落的時間，然后根據公式求得絕對重力的數值大小。上拋法本質上同自由落體法相似，只是在測量路徑上采取了不同的方式，從而消除了真空阻力，靜電力等引起的系統誤差。但因拋射引起的震動誤差大拋射機構復雜，因此，目前常見的高精度的絕對重力儀大部分采用的都是自由落體法。

自由落體式絕對重力儀的工作原理如下：讓一個角錐棱鏡作為落體在高真空中自由下落，采用激光干涉法測量角錐棱鏡下落距離S，使用原子鐘同步的時鐘信號測量相應下落時間t，最后，用最小二乘法擬合實測得到的距離S和時間值t，再加入固體潮、氣壓、極移等各項改正，得到所測量點的重力加速度值，其中，距離S等于干涉條紋數N乘以激光半波長λ/2，其不確定度是由激光器的不確定度所保證；自由下落時間的不確定度由原子鐘的不確定度所保證。簡化的自由落體下落距離與時間的理論關系式為在這個過程中，誤差來源于許多方面，包括大地的振動導致的測量誤差，下落物體光心質心不重合帶來的誤差，真空室殘余氣體分子對于下落物體阻礙作用帶來的誤差等等。由于自由落體法對落體的控制方式是通過拖架將落體提升至一定的高度后釋放拖架，讓落體做自由下落運動，這樣落體伺服跟蹤機構的驅動力源就成了整個測量系統的振動源。因此，在落體運動過程中系統自振不可避免地存在，這種振動將為精度為10-8量級的高精度絕對測量引入系統誤差，同時，考慮到這種誤差是振動跟地面的耦合產生，隨著測點地下結構的不同，耦合后產生的振動形式不同，嚴重影響絕對重力儀在流動觀測中的應用，目前最為成功的隔震方法，就是由Micro-g公司提出的“超級彈簧”主動隔離系統。