激光干涉重力梯度仪设计方案
重力波探测仪器的设计与性能验证方法
重力波探测仪器的设计与性能验证方法引言重力波是爱因斯坦广义相对论的基本预言之一，其探测对于理解宇宙演化、黑洞物理学等领域具有重要意义。
重力波探测仪器的设计与性能验证是实现重力波观测的关键步骤。
本文将讨论重力波探测仪器的设计原理以及如何验证其性能。
一、重力波探测仪器的设计原理1. 激光干涉引力波探测器激光干涉引力波探测器是目前最主要的重力波探测仪器之一。
其基本原理是通过将激光束分为两束并沿不同的路径传播，然后在探测器内部重新合并，利用重力波对传播路径的微小变化引起的干涉信号来探测重力波。
该设计具有高灵敏度和宽频带的特点。
2. 超导磁浮质量式重力波探测器超导磁浮质量式重力波探测器利用超导磁悬浮技术将负载悬浮并保持在极低的温度下。
该设计通过测量悬浮质量的微小变化来感知重力波。
相较于其他设计原理，该仪器具有更高的频率响应和较低的噪声背景。
二、性能验证方法1. 噪声源分析与处理重力波探测仪器在性能验证过程中需要排除各种噪声源的干扰。
首先，对仪器内部的热噪声、机械振动噪声、光学噪声等进行分析，并采取相应的措施进行降噪处理。
其次，对仪器的环境噪声进行分析，如地震活动、电磁辐射等，采取合适的屏蔽和隔离措施。
最后，通过实际观测和数据分析，验证仪器在不同频率范围内的性能。
2. 灵敏度测试灵敏度是评估重力波探测仪器性能的重要指标之一。
通常采用噪声等效信号测试方法来评估仪器的灵敏度。
该方法是在不同频率范围内，通过给定的信噪比条件下，检测出能够被仪器探测到的最小信号强度。
通过连续测试，得到仪器在不同频率范围内的灵敏度曲线。
3. 角分辨率测试角分辨率是另一个重要的性能指标，它反映了重力波探测仪器对来自不同方向的重力波源的分辨能力。
常用的测试方法是通过改变探测器中的光束的入射角度，并记录在不同角度下的信号变化。
通过观察信号变化的规律，可以评估探测器的角分辨率。
4. 频率响应测试频率响应是指探测器能够响应的频率范围。
常用的测试方法是通过给定不同频率的标准信号输入探测器，观察探测器的输出信号，并将其与输入信号进行比较。
激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪技术发展综述说明书
绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉吴书清1,2**,李天初1,2*1中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所,北京100029;2国家市场监管总局时间频率计量基准重点实验室,北京100029摘要绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器㊂绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用㊂历史上最早的绝对重力测量约在1590年㊂1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量㊂自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪㊂1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪㊂中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革㊂关键词原子与分子物理学;重力加速度;绝对重力测量;绝对重力仪;光学干涉;激光冷却;原子干涉中图分类号 O435文献标志码 A d o i:10.3788/A O S202141.0102002 T e c h n i c a l D e v e l o p m e n t o f A b s o l u t e G r a v i m e t e rL a s e r I n t e r f e r o m e t r y a n d A t o m I n t e r f e r o m e t r yW u S h u q i n g12**L i T i a n c h u12*1T i m e a n d F r e q u e n c y M e t r o l o g y D i v i s i o n o f N a t i o n a l I n s t i t u t e o f M e t r o l o g y B e i j i n g100029C h i n a2K e y L a b o r a t o r y o f T i m e a n d F r e q u e n c y o f S t a t e A d m i n i s t r a t i o n f o r M a r k e t R e g u l a t i o n B e i j i n g100029C h i n aA b s t r a c t A b s o l u t e g r a v i m e t e r i s a p r e c i s e m e t r o l o g i c a l i n s t r u m e n t f o r a b s o l u t e g r a v i m e t r y A b s o l u t e g r a v i m e t r y r e f e r s i n p a r t i c u l a r t o t h e m e a s u r e m e n t o f a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y o n t h e e a r t h d i r e c t l y w h i c h f i n d s i m p o r t a n t a p p l i c a-t i o n s i n e a r t h s c i e n c e s a n d m e t r o l o g y T h e e a r l i e s t a b s o l u t e g r a v i m e t r y w a s p e r f o r m e d i n t h e y e a r o f1590F r o m 1590t o1960p e n d u l u m p r i n c i p l e w a s t h e m a i n m e t h o d t o p e r f o r m t h e a b s o l u t e g r a v i m e t r y F r o m1960w i t h t h e i n v e n t i o n o f t h e l a s e r t e c h n o l o g y p e o p l e b e g a n t o u s e l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r t o p e r f o r m t h e a b s o l u t e g r a v i m e t r yb y m e a s u r i n g t h e f r e e m o t i o n f a l l i n g o r r i s i n g f r e e l y o f a n o b j ec t w h i c h i s t h e b i g p r o g r e s s i n t h e h i s t o r y o f p r e-c i s e g r a v i t y m e a s u r e m e n t I n1991t h e g r o u p o f p r o f e s s o r S t e v e n C h u f r o m S t a nd f o r d U n i ve r s i t y u s e d t h ef r e e m o-t i o n o f l a s e r c o o l i ng a t o m s a n d a t o m i n t e r f e r o m e t r y t e ch n o l o g y t o p e r f o r m t h e a b s o l u t e g r a vi m e t r y f o r t h e f i r s t t i m e w h i c h s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d t h e f i r s t a t o m i n t e r f e r o m e t r y a b s o l u t e g r a v i m e t e r i n t h e w o r l d N a t i o n a l I n s t i t u t e o f M e t r o l o g y N I M C h i n a i s t h e f i r s t o r g a n i z a t i o n t o r e s e a r c h a b s o l u t e g r a v i m e t e r i n C h i n a T a k i n g t h e e x a m p l e o f d e v e l o p m e n t o f a b s o l u t e g r a v i m e t e r i n N I M w e r e v i e w t h e t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r a n d a t o m i n t e r f e r o m e t r y a b s o l u t e g r a v i m e t e r e s p e c i a l l y r e v e a l s t h e r e v o l u t i o n a r y c o n t r i b u t i o n t o t h e d e v e l o p m e n t o f a b-s o l u t e g r a v i m e t r y d u e t o t h e i n v e n t i o n o f l a s e r t e c h n o l o g yK e y w o r d s a t o m i c a n d m o l e c u l a r p h y s i c s a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y a b s o l u t e g r a v i t y m e a s u r e m e n t a b s o l u t e g r a v i m e-t e r l a s e r i n t e r f e r o m e t r y l a s e r c o o l i n g a t o m i n t e r f e r o m e t r yO C I S c o d e s0203320020701012031801203930收稿日期:2020-08-04;修回日期:2020-09-16;录用日期:2020-09-17基金项目:国家重点研发计划(2016Y F F0200206,2018Y F F0212401)㊁国家自然科学基金(11704361)*E-m a i l:l i t c h@n i m.a c.c n;**E-m a i l:w u s h q@n i m.a c.c n0102002-11 引 言重力加速度随着时间和空间而不断变化,重力加速度测量按照测量结果分为绝对重力测量和相对重力测量,绝对重力测量通常为相对重力测量提供参考标准,是保证所有重力加速度测量结果具有溯源性和准确性的必要手段㊂在国际单位制(S I)中,重力加速度的单位是m ㊃s -2;在实际应用中,通常用 伽 (1G a l =1ˑ10-2m ㊃s -2)㊁ 毫伽 (1m G a l =1ˑ10-5m ㊃s -2)和 微伽 (1μG a l =1ˑ10-8m /s 2)来表征重力加速度的测量结果㊂重力加速度测量在计量科学㊁资源勘探㊁海洋监测等领域有着广泛的应用,它既是航天器飞行等无源导航的主要方法,又是开展地球科学研究㊁揭示地球物理现象的关键手段㊂目前,激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪是开展绝对重力测量的主要手段;国际上激光干涉绝对重力仪的合成标准不确定度最优可达到1.8μG a l,原子干涉绝对重力仪的合成标准不确定度最优可达到4.5μG a l㊂与原子干涉绝对重力仪相比,激光干涉绝对重力仪起步时间早,发展更为成熟,以F G 5/F G 5X 为代表的商用产品已成为相关行业主要使用的仪器,在历次绝对重力仪国际比对中也占据绝对主导地位㊂与激光干涉绝对重力仪相比,原子干涉绝对重力仪无机械磨损㊁测量效率和灵敏度高,具有非常好的发展前景㊂本文简要阐述了激光干涉方法和原子干涉方法开展绝对重力测量的原理,概括性介绍了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的研究现状和技术进展㊂最后,对绝对重力测量的未来发展方向进行了讨论与展望㊂2 激光干涉绝对重力仪2.1 基本原理在地球表面及其附近,物体在真空环境中自由下落的位移随时间变化的关系可以表示为z (t )=z 0+v 0t +12g 0t 2+g z 16g 0t 3+124g 0t 4,(1)式中:z 0为第一个测量点的位置;v 0为落体在此处的初始速度;g 0为此处的重力加速度;g z 为此处的重力梯度垂直分量㊂实际情况中,落体的下落距离一般小于0.5m ,该段内重力梯度垂直分量g z 近似为定值,此时(1)式可以改写为z (t )=z 0+v 0t +12[g 0+g z z 1(t )]t 2,(2)z 1(t )=13v 0t +112g 0t 2㊂(3) 因此,在g z 未知或已知但精度不高时,通过测量物体在真空中的自由下落轨迹z (t )并对其进行二次拟合,可以求解出有效高度处的重力加速度值,理论上表示为g *=g 0+g zz 1(t )㊂(4) 这里的有效高度即与前面的z 1相关联,指的是在下落起点的正下方㊁与起点距离为z 1的高度㊂图1激光干涉式绝对重力仪的原理[2]F i g 1P r i n c i pl e o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r 2目前典型的激光干涉绝对重力仪分别以激光波长和原子钟作为长度基准和时间基准,内部装有角锥棱镜的落体作为敏感元件[1],落体在真空中自由下落的运动加速度即为当地的重力加速度㊂角锥棱镜是一种可以保证反射光与入射光绝对平行㊁仅传播方向相反的特殊光学器件,以它为敏感元件可以自然消除水平扰动对垂直方向上重力测量的影响,大幅提高测量精度㊂绝对重力仪的主要光学测量结构为迈克耳孙干涉仪,如图1所示[2]㊂激光器发出的光束经准直后到达分光镜,一路作为参考臂,光程保持不变,沿水平方向传播;另一路作为测量臂,光束垂直向上,先被自由下落的落体棱镜反射,垂直向下入射到参考棱镜中,被反射后重新回到分光镜,与参考臂合光,形成干涉㊂光电探测器采集该干涉条纹信号,将其转换成电信号后,通过数据采集卡传输至信号处理系统中㊂自由下落棱镜相对于参考棱镜移动λ/2(λ为激光波长)距离时,干涉条纹信号变化一个整周期㊂结合铷原子钟的时钟信号,可以得到条纹信号幅值为零时的所有时刻序列,即落体轨迹信号z (t ),对其进行二次拟合,即可求解出落体受到的重力加速度㊂需要注意的是,0102002-2迈克耳孙干涉仪是一种相对测量装置,实际求解出的重力加速度是落体相对于参考棱镜的运动加速度㊂因此,为了提高重力测量的准确性和稳定性,参考棱镜理论上应相对于惯性系静止㊂在实际使用中,普遍将参考棱镜放置在隔振系统中,以保证尽量减小其受到的外界振动干扰;或用拾振器采集其振动信号,从测量得到的落体轨迹信号中将其剔除,从而实现对重力加速度测量值的修正㊂2.2 技术实现激光干涉绝对重力仪的结构如图2所示,主要由真空下落系统㊁激光干涉系统㊁振动处理系统以及信号采集㊁处理与控制系统组成㊂真空下落系统主要包括真空腔㊁落体㊁传动系统㊂测量开始前分子泵抽出腔中空气,当真空度达到一定水平时,仪器可以仅依靠离子泵来维持腔内的真空㊂自由下落的落体为特制的机械部件,其内部固定角锥棱镜㊂传动系统包括电机及传动结构,用于完成落体的释放㊁承接与复位,从而实现重复测量㊂激光干涉测量系统主要包括激光器和迈克耳孙干涉仪,目前常用的激光器是频率稳定度较高且便携性较好的氦氖(H e -N e )激光器,波长λ=633n m ㊂干涉仪中的光电探测器的输出信号一般为模拟电压,经数据采集卡输入至信号处理系统中㊂提供稳定的时间基准的设备通常为铷原子钟,尺寸小巧㊁可以稳定输出10MH z 的正弦信号㊂振动处理系统可以用隔振系统或基于拾振器及修正算法的处理方法来实现㊂该类型的绝对重力仪一般配有完整的计算机和控制模块,后者可以辅助计算机中相应的控制软件,实现对电机㊁数据采集卡等设备的协调控制,保证测量正确㊁重复进行㊂激光干涉绝对重力仪发展至今,根据其仪器布局㊁落体运动方向㊁传动机构㊁振动处理方式可以划分出多种类型,下面逐一进行介绍㊂图2激光干涉绝对重力仪的组成F i g 2C o m po s i t i o n o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r 2.2.1 仪器布局早期的激光干涉绝对重力仪的结构布局与现在不太相同,其中最典型的是美国J I L A 实验室于20世纪80年代研制的J I L A 型绝对重力仪,如图3所示,其测量结果已经可以很清晰地反映出固体潮汐对重力值的影响[3]㊂该绝对重力仪的传动结构中采用了 无拖曳下落腔 来支撑和承接落体,可以明显减小空气的影响㊂同一实验室的研究人员同时为该仪器配备了一种名为 超级弹簧 的新型垂直隔振系统[4],可以大大减小地面垂直微振动对测量结果的影响㊂该垂直隔振系统目前已在多种激光干涉绝对重力仪中得到广泛使用㊂J I L A 型绝对重力仪具有一个明显的设计缺陷,就是其中的隔振系统与真空腔并排而非共线布置,不符合阿贝原则,导致其测量精度受限于水平微振动的影响㊂之后,J I L A 实验室进一步研制出F G 5型和F G 5X 型绝对重力仪,如图4所示,目前这两款重力仪已成为M i c r o -g La c o s t e 公司应用最广泛的商用0102002-3图3J I L A 型绝对重力仪[3]F i g3J I L A a b s o l u t e g r a v i m e t e r 3图4M i c r o -g La c o s t e 公司的F G 5和F G 5X 型绝对重力仪[5-6]F i g 4FG 5a n d F G 5X a b s o l u t e g r a v i m e t e r s f r o m M i c r o -g L a c o s t e c o m p a n y5-6产品[5-6]㊂F G 5系列绝对重力仪满足阿贝原则,仪器的测量精度有所提高,同时其自动化水平和可靠性也得到显著提升㊂在F G 5型绝对重力仪的基础上,F G 5X 型绝对重力仪增加了平衡质量,使得地面反弹效应对重力测量的影响降低,其测量不确定度已达到2μG a l㊂2.2.2 落体运动方向目前,绝大多数激光干涉绝对重力仪中,落体在释放前位于真空腔内顶部,自由下落后在底部被传动机构中的托盘承接,再被运输至顶部,从而实现仪器的反复测量,如上述F G 5型绝对重力仪㊂但也有部分仪器中的落体在释放前始终位于真空腔内底部,被弹射器射出,具有先上抛后下落的运动轨迹㊂这种方案有两大优势,一是运动路径对称,可以减少残余空气的干扰;二是最少只需测量两个落体经过的位置点便可在一次下落后计算出重力加速度㊂因此,早期真空腔的真空度受限时,采用这种方案可以用比同类的自由下落式绝对重力仪更为紧凑的实验结构来实现测量㊂此外,上抛式绝对重力仪采用激光干涉来实现多点测量后,相比具有相同高度的自由落体型绝对重力仪,落体的飞行时间更长,对应更大的数据量㊂从统计角度来看,地面微振动造成的影响也会更小㊂不过此类仪器中落体在被弹射时初速度中可能具有较大的水平速度分量,会导致科里奥利力对测量结果产生影响,这可能是一项影响最大的误差源㊂上抛式的绝对重力仪中最典型且目前精度最高的是意大利计量院研制的I MG C -02型绝对重力仪,如图5所示,实验人员利用该仪器对意大0102002-4图5I MG C 02型绝对重力仪[8]F i g5I MG C 02a b s o l u t e g r a v i m e t e r 8利火山活动进行长期监测并获得了珍贵数据[7-8]㊂2.2.3 传动机构激光干涉绝对重力仪普遍采用自由下落式落体释放方案,但不同型号的仪器中传动机构也存在差别,共有钢带㊁钢丝绳㊁凸轮㊁齿轮㊁齿条等多种形式㊂F G 5型㊁F G 5X 型绝对重力仪以及中国计量科学研究院(N I M )N I M -3A 型绝对重力仪采用的传动机构是钢带;清华大学T -1型绝对重力仪则采用钢丝绳进行机械传动;中国科学院测量与地球物理研究所I G G -02型绝对重力仪采用的传动机构是齿轮齿条㊂2005年,美国J I L A 实验室F a l l e r 等[9]在J I L A 型绝对重力仪的基础上研制出F G C 型凸轮式绝对重力仪,如图6所示,使得真空腔具有更低的高度和更为紧凑的结构,有利于提高测量效率㊂图6F G C 型凸轮式绝对重力仪[9]F i g 6FG C c a m t y pe a b s o l u t e g r a v i m e t e r 92.2.4 振动处理方式上述绝对重力仪普遍采用被动式或主动式垂直隔振系统来抑制地面振动对参考棱镜的影响㊂除此以外,还有一种抑制地面振动影响的方法是直接测量参考棱镜的振动信号并用该信号补偿测得的干涉信号以修正测量值,中国计量科学研究院研制的N I M 系列绝对重力仪即属于此类㊂1975年,中国计量科学研究院研制出我国第一台固定的自由落体式绝对重力仪,测量准确度为100μG a l ㊂1982年,几乎与国外同行同步,中国计量科学研究院完成了我国第一台可移动的绝对重力仪的研制,即N I M -1型绝对重力仪[10]㊂该仪器曾参与第一届绝对重力仪国际比对(I C A G ),测量结果的合成标准不确定度为20μG a l ,达到当时的国际先进水平㊂1985年,中国计量科学研究院成功研制了第二代的N I M -2型绝对重力仪,该仪器分别以碘稳频激光器和铷原子钟为长度基准和时间基准,测量落体轨迹中的大量位置点,从而计算出绝对重力值㊂与美国J I L A 实验室有所区别的是,该仪器首次采用地震计获得地面的微振动信号,并利用该信号对测得的落体运动轨迹进行补偿,在不使用隔振系统的情况下使测值的离散度得以大幅降低㊂N I M -2型绝对重力仪参与了第二次绝对重力仪国际比对[11],并在国内和区域内完成了大量验证性测量㊂在此基础上,中国计量科学研究院进一步研发完成了新一代N I M -3A 型绝对重力仪,并于2014年被国家质检总局批准为重力加速度社会公用计量标准装置,如图7所示㊂0102002-5图7N I M -3A 型绝对重力仪F i g7N I M -3A a b s o l u t e g r a v i m e t e r 除上述典型仪器外,法国乔治S .A.公司制造的G A 60型上抛式绝对重力仪是第一台可移动的商用绝对重力仪[12];日本东京大学地震研究所㊁俄罗斯计量院研制的绝对重力仪使用压电致动器来释放下落物体[13-14];德国马普研究所的R o t h l e i t n e r [15]也研制出了M P G -1和M P G -2型激光干涉式绝对重力仪㊂2.3 重力测量不确定度评估激光干涉绝对重力仪利用评估来分析测量偏差,对测量值进行修正,同时给出评估修正的不确定度㊂激光干涉绝对重力仪不确定度的B 类评估一般由以下几个部分组成㊂2.3.1 来源于仪器自身的误差1)时间与位移测量的准确程度根据落体的运动方程即(2)式,可以得到时间㊁位移的测量引入的重力加速度的不确定度分量为σgg=4σt t 2+σzz2,(5)式中:σt t 和σzz应分别通过铷原子钟和所用激光器的频率稳定度来计算㊂这两项引起的不确定度一般均在1μG a l 以内㊂2)空气阻尼通过下式可以计算出真空腔内残余空气的阻尼引起的重力测量偏差[5,16],Δg =F d m =1m A ρV v 4=A V v 4m m r P k B T,(6)式中:F d 为空气阻力;m 为落体质量;A 为落体表面积;ρ为平均气体密度;V ʈ476m /s 为氮气分子在T =300K 时的平均速度;v 为信号采集过程中下落物体相对于残余空气的最大速度㊂平均气体密度ρ又可以在已知真空腔真空度(气压)P ㊁玻尔兹曼常数k B ㊁室温T ㊁氮气分子质量m r 的情况下用理想气体状态方程推导得到㊂该项的修正值即可设定为此偏差值的相反数,后续分析同理㊂该项引起的重力测量不确定度一般在0.1μG a l 左右㊂3)温度梯度真空腔内的温度梯度导致残余空气形成气压梯度,从而引起重力测量偏差和不确定度㊂偏差值可以用下式估计[5]㊂Δg =P A c r o sT mΔT ,(7)式中:A c r o s 为落体在与垂直方向正交的平面内的截面积;T 为真空腔内的温度㊂利用常用参数估计,落体实际行程两端的温度梯度一般小于0.1K ,引起的不确定度约为0.1μG a l㊂4)光束垂直度和光束发散现有激光器发出的光束一般为高斯光束,具有一定的发散角,即使经过准直也不可能使发散角降为0㊂但使用激光干涉法测量落体轨迹时必须保证激光具有较小的发散角,且波矢方向沿垂直方向,否则会引入一般为0.5μG a l 左右的测量误差[15]㊂假设光束偏角θ为矩形分布,此时可以按照下式来计算光束垂直度引起的修正值和不确定度[17],Δg =θ24g 0,σg =Δg 3,(8)式中:重力参考值g 0取9.8m ㊃s -2即可㊂还可以按照下式来计算光束具有ϕ的发散角时对应引起的重力测量偏差和不确定度,Δg g=ϕ24,σg =K ㊃Δg ,(9)式中:系数K 可以根据实际经验和所用激光器资料来选取,如10%㊂5)光速有限虽然光速远大于落体的运动速度,但毕竟光速有限,因此干涉条纹实际形成的时刻将略微滞后于测量臂光束的波前与反射镜相遇的时刻㊂这两个时刻的时间差称为延迟时间,会导致重力测值略大于真值,称为有限光速效应,在精度达到微伽量级的绝对重力测量中必须予以考虑㊂直接利用光速和理论公式来修正落体轨迹中的测量点时刻,并且修正后的时间位移对数据进行二次拟合的修正方法比较复杂和繁琐,研究人员一般不采用,而是在单次结束后直接修正此项测量引入的偏差[18-19]㊂干涉条纹信号给出的落体轨迹测量实际上是一组等位移间隔的时间位移对,根据如下公式可以计算利用最小二乘法来拟合时的修正值和不确定度[20]㊂Δg c =-g 03v 0c +127㊃g 0T c,σg =σv 0v 0Δg c ,(10)0102002-6式中:v 0和σv 0分别为落体的初速度及其不确定度;c 为光速,由此得到的不确定度一般也在0.5μG a l 左右㊂6)光电探测器的非线性效应激光干涉仪中的光电探测器采集激光干涉条纹信号时会对其进行放大,但此过程也会引入相移㊂由于实际条纹信号为含有频率变化的信号,当该相移为常量或在信号的频带内具有线性相频曲线时,引入的重力测量偏差为0;但如果该相频曲线具有非线性,则一定会引入重力测量偏差[5]㊂目前常用的光电探测器造成的该项不确定度一般在1μG a l 以内[5]㊂7)仪器本身的自吸引效应绝对重力仪自身对落体的万有引力会引起重力测量不确定度,这种现象称为自吸引效应㊂通过有限元分析等方法可以对该效应进行精确评估,偏差一般在2μG a l 以内,不确定度约为0.1μG a l [21]㊂8)落体旋转自由落体式的绝对重力仪中,在落体被释放的一瞬间,受释放机构转矩作用的影响,落体将具有微小的旋转角速度,在下落过程中具有微小旋转㊂落体自由下落期间只受重力作用,因此它将绕自身质心旋转,且角速度基本保持不变;但由于落体内的部件在加工和装配过程中存在误差,落体的质心不可能与其内部角锥棱镜的光心完全重合㊂激光干涉仪实际测量的重力值是角锥棱镜光心的运动加速度,其中包含了光心具有的向心加速度㊂落体质心与光心的距离矢量可以分解为水平方向与垂直方向两部分,水平矢量引起的向心加速度沿水平方向,与重力方向垂直,不会对测量造成干扰;但垂直分量会引入重力测量偏差和不确定度㊂由于每次下落的释放状态随机,落体的真实角速度并不统一,因此一般不讨论该项引入的偏差㊂相应的不确定度可以表示为σg =ω2m a x R m a x ,(11)式中:ωm a x 为落体可能的最大旋转速度;R m a x 为落体光心和质心间距的最大值㊂通过精确设计和调节真空腔内的传动机构的控制参数以及落体的加工和装配过程,可以保证ωm a x 和R m a x 在较小的范围内㊂一般而言,该项引入的测量不确定度为0.5μG a l左右㊂9)地面反弹效应在落体被释放的一瞬间,绝对重力仪的静态质量突然减小,导致仪器受到的地面支持力大于其自身的重力,称为地面反弹效应㊂这种效应本质上是一种发生在垂直方向上的受力不平衡,等效为一个瞬时冲击,可能导致隔振系统内的参考棱镜或激光干涉仪内的光学器件(包括分光镜等)产生微振动,从而对落体轨迹的测量引入误差㊂实际上该效应可能是高精度绝对重力测量不确定度的主要来源之一[5]㊂地面反弹效应同样具有随机性,因此也仅对该项的不确定度进行讨论㊂根据相关文献,利用下式可以从计算重力测值时的二次拟合残差(一般近似于正弦波形)中推导出地面反弹效应引入的不确定度[22],一般在0.1μG a l 左右[5]㊂σg =30πT 3㊃A 0f 0,(12)式中:T 为干涉条纹信号的持续采集时间;A 0和f 0分别为拟合残差波形的幅值和频率㊂10)有效高度的计算误差如前所述,落体的释放状态具有随机性,因此落体每次的下落轨迹都不可能完全相同,使得测量开始时刻(第一个采集到的数据点)对应的落体初速度v 0和重力加速度真值g 0都可能有所改变,从而在有效高度的计算中引入误差㊂通过实验测定测量开始时刻的落体速度不确定度和重力不确定度,将其代入有效高度的计算公式,配合测量点所在地的测量不确定度重力梯度,可以得到该项一般也为0.1μG a l 左右㊂总体而言,来源于上述大多数误差源的不确定度都可以通过使用精度更高的配套设备来降低,包括铷原子钟㊁激光器㊁光电探测器㊁光束准直器等;部分误差源造成的影响需要依靠研究人员的设计㊁调试及操作来降低,如光束垂直度引起的不确定度可以通过调节干涉仪的可动器件来减小,利用分子泵和离子泵进一步提高真空腔内的真空度可以减小空气阻尼,通过更为合理的机械设计可以减小温度梯度㊁落体旋转㊁仪器自吸引㊁地面反弹效应㊁有效高度计算等因素导致的不确定度;还有部分因素,如光速有限,可能需要更为复杂的软件算法才能降低其影响㊂目前正在使用中的各类绝对重力仪在配套设备精度的选择上基本一致,仪器自身不确定度的差异主要来源于研究人员在光机电设计方面的不同,由此导致每种类型重力仪的主导不确定度因素也有所不同,但基本上各类仪器的合成标准不确定度保持在10μG a l 以内㊂2.3.2 来源于测量环境的误差1)大气压强测量点所在地大气压强的增大等效于测量点上方大气质量的增大,使得大气对落体的万有引力增大,导致重力测值小于重力真值㊂可以通过引入气0102002-7压影响因子f B=0.3μG a l/h P a来修正此项影响,Δg=f B(p0-p n),(13)式中:p0表示重力测量点的实测气压,由具有不确定度的气压计测量得到,因此会引起重力测值的不确定度,一般为1~3μG a l㊂定期校准气压计可有效减小此项不确定度㊂p n=p s e a1-L h mT0g MR L,(14)式中:p n为标准大气压强,满足其中p s e a= 1013.25h P a为海平面标准大气压;h m为测量点所在地的海拔高度;L=0.0065K/m为垂直温度梯度;T0=288.15K为海平面标准温度;g= 9.80665m/s2为模型中所取地表重力加速度平均值;M=0.0289644k g/m o l为干空气的分子质量; R=8.31447J/(m o l㊃K)为理想气体常数㊂2)固体潮汐受太阳和月球对地球周期性变化的引力影响,地球重力场也具有周期性的变化㊂这种变化称为重力潮汐,其中造成地球形变的潮汐力称为固体潮汐,由此引起的重力加速度的变化一般在ʃ150μG a l 之间㊂因此进行绝对重力测量时通常会进行潮汐修正,具体的修正值可以通过专业软件如T s o f t等来计算㊂在一定的精度范围内,固体潮汐可以作为评估重力测值精密度的参考标准,即潮汐修正前的重力测值越靠近潮汐的理论变化曲线,则绝对重力仪的测量精密度越高㊂目前此项引入的测量不确定度仅为0.1μG a l左右㊂3)海洋负荷太阳与月球的引力除引起固体潮汐外还会引发海潮㊂海潮意味着地球表面的质量分布存在明显变化,因此也会引起重力值的变化,这种现象称为海洋负荷㊂海洋负荷引起的不确定度一般为0.3μG a l 左右,实际的重力变化幅度从近海至内陆逐渐递减㊂一般而言,现有的绝对重力仪进行24h的重复测量就可以将海洋负荷的影响降至最小㊂4)电磁力电磁力对绝对重力测量的影响可以根据其物理性质来分别讨论㊂首先,如果制作落体时采用了磁性材料,磁场效应将引起较大的重力测量偏差,因此现有绝对重力仪中落体的零部件一般均采用非磁性材料来制作,此时由外界磁场对落体的吸引和排斥非常小,该项测量偏差可以忽略不计㊂其次,制作落体的材料主要为各类金属,均属于导电材料,因此在磁场环境下落体的自由下落将产生涡流效应,形成与运动方向相反的阻力㊂构成该磁场环境的磁场源包括真空腔外的电机㊁离子泵中的磁铁等,形成的磁场在落体的实际运动范围内通常与地磁场在同一量级,所以目前主要的激光干涉式绝对重力仪在评估时通常忽略该项不确定度㊂然后,主要由金属材料构成的真空腔外壳将在落体外形成法拉第笼,使得真空腔外的电场不会对落体产生静电力,真空腔内也没有电场㊂最后,在自由落体式绝对重力仪中,只要采用同种材料制作落体与托盘上相互接触的部位(如前所述,托盘是带动落体上升至释放点并承接下落后的落体的传动部件),就可以保证两者之间几乎不存在接触电压,因此相应的静电力也可以忽略不计㊂5)极移地球的自转轴方向在最大惯性轴附近几米范围内进行周期性的运动,从而导致的最大重力值变化可达13μG a l㊂极移包含两个频率分量,周期分别为12个月和14个月,前者主要来源于地球作为一个刚体在大气环流影响下的受迫摆动,后者相当于地球作为一个弹性体的自由摆动[23-24]㊂重力测量的极移修正公式(单位:n m㊃s-2)由国际绝对重力基准网的绝对观测数据处理标准给出㊂Δg=-1.164ω2a2s i nφc o sφ(x p c o sλ-y p s i nλ),(15)式中:ω为地球自转角速度(单位:r a d/s);a= 6378136.6(1)为水准椭球半长轴;φ和λ分别为地理纬度和地理经度(单位:r a d);x p和y p是极坐标(单位:r a d),由国际地球自转服务(I E R S)网站提供[25]㊂该项改正一般用于计算重力测值的修正值,引入的测量不确定度很小,可取为0.1μG a l以内㊂6)科里奥利力受地球自转的影响,如果落体的速度在自由下落的过程中具有东西方向的水平度分量,则落体受到的科里奥利力会有垂直方向上的分量,由此引起的重力测量偏差为Δg=2ΩN v E W c o sφ=14.5μG a lmm㊃s-1v E W c o sφ,(16)式中:ΩN为地球的标称角速度;v E W为落体速度在水平面东西方向上的分量;φ为重力测点的地理纬度㊂该项引起的测量不确定度一般约为0.3μG a l㊂3原子干涉绝对重力仪3.1基本原理原子干涉绝对重力仪基于冷原子物质波干涉原0102002-8。
【CN109799542A】原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910142077.5(22)申请日 2019.02.26(71)申请人 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院地址 100071 北京市丰台区东大街53号院(72)发明人 罗玉昆 徐馥芳 颜树华 胡青青 马明祥 李莹颖 强晓刚 杨俊 朱凌晓 魏春华 贾爱爱 李期学 王亚宁 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限公司 11002代理人 王莹 李相雨(51)Int.Cl.G01V 7/00(2006.01)(54)发明名称原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法(57)摘要本发明实施例提供一种原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法，所述系统包括干涉装置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生器，干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体中制备一双组份原子团，包括第一组份原子团和第二组份原子团；第一方向激光发生器产生第一方向激光，第二方向激光发生器产生第二方向激光，第一方向和第二方向激光分别与第一组份原子团和第二组份原子团发生干涉，形成干涉环路，且所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰，可实现重力梯度全张量的快速测量，提升了测量速度和效率。
权利要求书1页 说明书8页 附图8页CN 109799542 A 2019.05.24C N 109799542A权 利 要 求 书1/1页CN 109799542 A1.一种原子干涉重力梯度全张量测量系统，其特征在于，至少包括：干涉装置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生器，其中，所述第一方向激光发生器和第二方向激光发生器分别位于所述干涉装置的正交的方向上，所述干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体中制备一双组份原子团，所述双组份原子团包括第一组份原子团和第二组份原子团；所述第一方向激光发生器用于产生第一方向激光，所述第一方向激光用于控制第一方向上的所述第一组份原子团的干涉过程，使所述第一组份原子团在第一方向上形成干涉环路，完成第一方向上的重力梯度张量的测量；所述第二方向激光发生器用于产生第二方向激光，所述第二方向激光用于控制第二方向上的所述第二组份原子团的干涉过程，使所述第二组份原子团在第二方向上形成干涉环路，完成第二方向上的重力梯度张量的测量，其中，所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰。
双频激光干涉仪设计要点概要
3System Design ConsiderationsChapter 3 System Design ConsiderationsIntroductionIntroductionAlthough there are many possible configurations of the laser and optics, all Agilent laser measurement systems have these basic parts in common:• A laser sourc e, to produce the two optical frequencies f1 and f2 and generate the reference signal. In discussions in this manual, f1 is the lower frequency and f2 is the higher.•Beam-directing optics, to direct all or part of the laser beam to each measurement axis of the system, using right-angle bends.•Measurement optics, to separate the two optical frequencies, direct them over the reference and measurement paths, and recombine them.•One receiver per measurement axis, to detect the difference in optical frequencie s and produce the measurement signal for that axis.•Electronics to convert the measurement and reference signals into displacement data.Two important characteristics of Agilent interferometers must be emphasized:•Only the change in relative position of the optics is detected.•Either optical component may move, as long as optical alignment is maintained. If the interferometer is fixed and the retroreflector is the moving component (toward or away from theinterferometer, motion with respect to its original position is detected. Conversely, if the retroreflector is fixed, the interferometer can be the moving component.Agilent laser position transducers can detect and measure all linear motions; that is, 3 degrees of the 18 degrees of freedom defined in the Glossary. Small angle measurements may be made by multiple measurements on the same axis.The measurement system is relatively insensitive to all other motions, as briefly described below. See Figure3-1.3-2User’s ManualChapter 3 System Design ConsiderationsIntroductionFigure 3-1. Possible component motions1.Motion of the receiver or laser head along the beam path (X has noeffect on the measurement since both f1 and f2 would exhibitDoppler shift.2.Small motions of the laser head, receiver, interferometer, orretroreflector in a direction perpendicular to the beam path (Y or Z have no effect on the measurement. The only restriction is thatsufficient light returns to the receiver.3.Angular motion (pitch or yaw of the laser head about the Z or Yaxis has the effects described below:a.It introduces a measurement error (cosine error.b.It may displace the laser beam so that insufficient light returnsto operate the receiver.4.Although the laser head or the receiver may be rotated in 90°increments about the beam axis (roll, other roll deviations from the four optimum positions degrade the measurement signal. If either the laser head or receiver is rotated 45° about the beam axis, all position information will be lost because the receiver will not be able to distinguish between the two frequencies.5.Angular motion of the receiver about the Y or Z axis has no effect onthe measurement, within alignment limits specified for thereceiver. (Receiver specifications are given in Chapter8,“Receivers,” of th is manual.6.Angular motions of the interferometer and retroreflector depend onthe particular components for limitations.User’s Manual3-3Chapter 3 System Design ConsiderationsAccuracy ConsiderationsAccuracy ConsiderationsSeveral factors outside the laser measurement system can affect system accuracy. These factors (the measurement environment, machine and material temperature, and the optics installation and their interrelationships must be understood in order to predict the performance of the system. Detailed descriptions and methods of compensation are given in Chapter15, “Accuracy and Repeatability,”of this manual.Generally, Agilent laser measurement systems offer automatic compensation for air environments and also for temperature changes of the work material. For a temperature-controlled environment(20±0.5° C, typical system accuracy using air sensor automatic compensation is 1.5ppm. Using the Agilent10717A Wavelength Tracker for compensation, the measurement repeatability is on the order of ±0.2ppm, depending on the environment. Determining What Equipment is NeededFirst, sketch out your optical configuration. Remember:•Each measurement axis (except for the Agilent10717A Wavelength Tracker requires an interferometer and associated retroreflector.•Each measurement axis after the first one requires a beam splitter.The number of beam splitters required is n-1, where n is thenumber of measurement axes.•If an Agilent10717A Wavelength Tracker is used, it counts as a measurement axis.•If a multiaxis interferometer, such as the Agilent10721A, Agilent10735A,Agilent10736A, or Agilent10737L,R is used, be sure the beam-directing optics you select will provide enough laser beam power to drive the receivers through the multiplemeasurement paths of the interferometer.•Beam benders should be arranged so their exiting beams are perpendicular to one polarization plane of the incoming laser beam. •Rotation of the beam during bending can result in problems due to the effects of polarization.•Beam splitters sho uld be arranged so:3-4User’s ManualChapter 3 System Design Considerations Determining What Equipment is NeededUser ’s Manual 3-5–one exiting beam is along the axis of the incoming beam, and the second beam is perpendicular to one polarization of theincoming beam, as described above for beam benders.–Each measurement axis requires an interferometer. The natureof the measurement(s to be made influences the interferometer choice.–Each measurement axis (including the Agilent 10717AWavelength Tracker requires a receiver. The interferometer used can influence the receiver choice. Note that theAgilent 5519A and Agilent 5519B laser heads include a built-in receiver .Then, from your layout, determine your optics needs. Choose the Agilent laser head, optical and electronic components accordingly. Decide on a compensation scheme and, finally, select cables. Table 3-1 summarizes the equipment choices. For advice and help, contact Agilent Technologies.Table 3-1. Equipment choices ComponentComment(sLaserOne required per system Agilent 5517ALowest velocity, largest size, 6mm beam Agilent 5517B25% higher velocity than Agilent 5517A, small size, 6mm beam Agilent 5517CStd5517C-0035517C-009Higher velocity than Agilent 5517A and 5517B, small size 6 mm beam diameter 3 mm beam diameter 9 mm beam diameter Agilent 5517DHighest velocity, small size, 6mm beam Agilent 5519A Largest size, built-in receiver and power supply used in theAgilent 5529A Dynamic Calibrator System and Metrologyapplications.Agilent 5519B Largest size, built-in receiver and power supply, higher velocity thanAgilent 5519A; used in the Agilent 5529A Dynamic CalibratorSystem and Metrology applications.Beam-Directing Optics Order as required to manipulate beam path to your configurationAgilent 10567A Dual-Beam Beam Splitter, useful in vacuum applications Agilent 10700A 33% Beam SplitterAgilent 10701A 50% Beam SplitterAgilent 10707A Beam BenderAgilent 10725A 50% Beam Splitter, no housingAgilent 10726A Beam Bender, no housingAgilent N1203C Agilent N1204CPrecision Beam TranslatorPrecision Horizontal Beam BenderDetermining What Equipment is NeededTable 3-1. Equipment choices(ContinuedComponent Comment(sBeam-Directing Optics (ContinuedAgilent N1207C Precision Vertical Beam BenderMeasurement Optics One Interferometer-plus-Reflector pair required per axis Agilent 10702A Linear InterferometerAgilent 10702A-001Same as above, but with wedge windows — required ifinterferometer is the moving component.Agilent 10703A Reflector — paired with Agilent10702AAgilent 10704A Reflector — paired with Agilent 10705AAgilent 10705A Single Beam InterferometerAgilent 10706A Plane Mirror InterferometerAgilent 10706B High Stability Plane Mirror InterferometerAgilent 10715A Differential InterferometerAgilent 10715A-001Differential Interferometer, turned configurationAgilent 10716A High Resolution InterferometerAgilent 10716A-001High Resolution Interferometer, turned configurationAgilent 10717A Wavelength Tracker (requires measurement receiver and cable Agilent 10719A One-axis Differential Interferometer, requires 3mm beam fromAgilent 5517C-003Agilent 10721A Two-axis Differential Interferometer, requires 3mm beam fromAgilent 5517C-003Agilent 10724A Plane Mirror ReflectorAgilent 10735A Three-axis InterferometerAgilent 10736A Three-axis InterferometerAgilent 10736A-001Three-axis Interferometer with Beam Bender Agilent 10737L Compact three-axis Interferometer, leftAgilent 10737R Compact three-axis Interferometer, rightAgilent 10766A Linear InterferometerAgilent 10767A Linear Retroreflector — paired with Agilent 10766A Agilent 10767B Lightweight RetroreflectorAgilent 10770A Angular InterferometerAgilent 10771A Angular Retroreflector — paired with Agilent 10770A Agilent 10774A Short Range Straightness Optics (matched set Agilent 10775A Long Range Straightness Optics (matched set3-6User’s ManualDetermining What Equipment is NeededTable 3-1. Equipment choices(ContinuedComponent Comment(sOptic Mounts Adjustable mounts simplify installation and alignment Agilent 10710B Use with Agilent 10700A, 10701A, 10705A, 10707AAgilent 10711A Use with Agilent 10702A, 10706A, 10706B, 10715A, 10716A Measurement Receivers One required per axis; one required with Agilent 10717AWavelength Tracker (if usedAgilent 10780C ReceiverAgilent 10780F Remote ReceiverAgilent E1708A Remote Dynamic ReceiverAgilent E1709A Remote High-Performance ReceiverReceiver Cables for use with Agilent10895A VME Axis board — one cable per system Agilent 10790A 5 meters longAgilent 10790B10 meters longAgilent 10790C20 meters longReceiver Cables for use with Agilent10885A PC Axis Board or Agilent N1231A PCIThree-Axis Board — one cable per receiverAgilent 10880A 5 meters longAgilent 10880B10 meters longAgilent 10880C20 meters longLaser Head Cables for Agilent5517A/B/C/D Laser Head used with Agilent10885A, 10889B, or N1231A axis boards (cable has a DIN connector for connecting to the Agilent10884A Power Supply to provide power to the laser head — one cable per systemAgilent 10881A 3 meters longAgilent 10881B7 meters longAgilent 10881C20 meters longLaser Head Cables for Agilent5517A/B/C/D Laser Head used with Agilent10885A, 10889B, or N1231A axis boards (cable has spade lugs for connection to a power supply to provide power to the laser head— one cable per systemAgilent 10881D 3 meters longAgilent 10881E7 meters longAgilent 10881F20 meters longLaser Head Cables for Agilent5519A/B Laser Head used with Agilent10887P Programmable PC Calibrator Board in the Agilent5529A system— one cable per system Agilent 10882A 3 meters longAgilent 10882B7 meters longAgilent 10882C20 meters longUser’s Manual3-7Determining What Equipment is NeededTable 3-1. Equipment choices(ContinuedComponent Comment(sAccessory Reflectors Order as required for your applicationAgilent 10728A Plane MirrorAgilent 10769A Beam Steering MirrorAgilent 10772A Turning MirrorAgilent 10773A Flatness MirrorHigh Performance Laser Head Cable for Agilent5517B/C/D Laser Head used with the Agilent10897B and 10898A VME Axis boards, and N1231A PCI Axis board (cable has a DIN connector for connecting to the Agilent10884A Power Supply to provide power to the laser head — one cable per systemAgilent N1251A 3 meters (9.8 feetAgilent N1251B7 meters (23.0 feetHigh Performance Receiver Cables for use with Agilent10897B and 10898A VME Axis boards, and N1231A PCI Axis board — one cable per receiverAgilent N1250A 5 meters (16.4 feetAgilent N1250B10 meters (32.8 feet3-8User’s ManualElectronic ComponentsElectronic ComponentsTransducer SystemsThere are three different types of electronics for Agilent laser transducer systems. These electronics use different backplanes and have different performance and outputs. Full details are given in the appropriate electronics system manuals.PC-Based ElectronicsThe Agilent10885A PC Axis Board is compatible with PC (ISA backplanes.Up to six Agilent10885As may be used in a single system.VME Compatible ElectronicsThe Agilent10898A High Resolution VMEbus Dual Laser Axis Board,Agilent10897B High Resolution VMEbus Laser Axis Board, and Agilent 10895A VMEbus Laser Axis Board are compatible with VME backplanes.The Agilent 10896B VME Laser Compensation Board is also compatible with VME backplanes and works with the Agilent 10895A. Up to six Agilent10895As and several Agilent10896As (up to one for each Agilent 10895A may be used in a single system.PC-Based PCI ElectronicsThe Agilent N1231A PCI Three-Axis Board is optimized for connection to a PMAC motion control system from Delta Tau®. It is a full size, Universal (3.3V and 5.0V signaling compatibility, 32-bit, 33MHz, PCI Rev. 2.2 compliant card for use in PC-compatible controllers as part of an Agilent laser interferometry position measurement system.User’s Manual3-9Electronic ComponentsCalibrator System ElectronicsAgilent5529A Dynamic CalibratorThe Agilent5529A Dynamic Calibrator is a laser system used to ensure the accuracy of a machine’s motion and positioning. Controlled through your PC (with Microsoft® Windows installed, the system is able to collect and analyze measurement data for anumber of measurements. The Agilent5529A Dynamic Calibrator typically includes the following electronic components:•Agilent5519A/B Laser Head•Agilent10886A PC Compensation board (optional, for automatic compe nsation•Agilent10887B PC Calibrator Board•Agilent10751C,D Air sensor and Agilent10757D,E,F Material Temperature sensor(s (optional, as required•Agilent10888A Remote Control units (optionalThe PC compensation boards provide the interfaces between the air and material temperature sensors and your PC. The boards convert the analog electrical voltages from the sensors to digital forms that the PC uses to calculate the compensation factors. These factors adjust for changes in the systems’ operating environme nts. Typical sensors used with each Agilent10886A PC Compensation board are theAgilent10751C,D Air Sensor and one to three Agilent10757D,E,F Material Temperature sensors.The Agilent10887B PC Calibrator Board enable the PC to perform laser calibrator-related functions with the Agilent5529A calibrator software.An Agilent Two-Axis 5529A/5529A Dynamic Calibrator and an Agilent55292A USB Expansion Module are also available. The USB software hosts up to five axes on one computer.3-10User’s ManualAdjustment ConsiderationsAdjustment ConsiderationsIn general, when aligning the Agilent optics, it will be necessary to adjust most or all of the optical components. Most optics are not referenced to their housings since simple adjustments by the user can usually provide optimum alignment. The Agilent10710B andAgilent10711A Adjustable Mounts should be used to provide the adjustment capability for most optical components.There are a few exceptions, however. Certain optics designed for multiaxis systems provide referenced housings. Installation and alignment of these optics depends on the optic; refer to specific instructions for these optics (Agilent10719A, Agilent10721A,Agilent10735A, Agilent10736A elsewhere in this manual.Other optics require you to fabricate your own mounts.In general, the alignment procedures are performed with all optical components in place. Your measurement system design should allow for adjustment of the laser, optics, and receivers during alignment. Laser beam and optics protectionThe laser measurement system requires protection against unintentional laser beam blockage and air turbulence problems. In some applications, such as machine tools, protection should be provided to prevent metal chips or cutting fluid from interfering with the measurements. Also, the optical components usually require protection to prevent contamination of the optical surfaces by oil or cutting fluid. In applications which are considered “clean”, protection may not be needed.If protection of the laser beam and optical components is required, there are two general types: moving-component protection and stationary component protection.In many applications, the only moving component is the interferometer or the reflector. Many of the beam benders are stationary and only direct the laser beam to themeasurement axis. In these cases, it is only necessary to provide fixed tubing for the laser beam and some type of sealed enclosure for the optics. Since only one laser beam of approximately 6mm (0.24inch in diameter is involved, relatively small diameter tubing can be used. Since either the interferometer or the reflector is moving during the measurement, protecting the laser beam and the moving components requires a telescoping cover or a cover that is self-sealing. A wide variety of commercially available protective covers are suitable for this purpose.User’s Manual3-11Adjustment ConsiderationsFigure3-2 illustrates techniques for protecting the laser beam and optical components with different types of protective covering. Note that the cover for the retroreflector allows the retroreflector to be moved very close to the interferometer. This helps minimize the deadpath errors. Chapter15, “Accuracy and Repeatability,” in this manual has more details on minimizing deadpath.Figure 3-2. Protective covers for optics and laser beam3-12User’s ManualAdjustment ConsiderationsFigure 3-3 shows a different type of protective cover. Again, the mechanical arrangement allows the retroreflector to be close to the interferometer at the closest point of travel, even though the telescoping cover is not entirely collapsible. Another type of protective cover is the flexible bellows. This is generally used for short travel distances.Figure 3-3. Collapsible spiral cover for movable retroreflectorUser’s Manual3-13System GroundingSystem GroundingBe sure to consider electrical grounding requirements as you plan and install your Agilent laser measurement. Grounding is important for safety reasons, but your grounding arrangement can also affect your laser system’s performance.Best practice requires that all system components that are connected to electrical ground should be connected to ground at a common point, not at separate points. Your electrical ground connections should radiate from a single point. Using more than one grounding point could create a ground loop, which could introduce an unacceptable level of electrical noise into the electronics.Signal grounds on each Agilent laser head, each Agilent receiver and the Agilent laser measurement system electronics are all connected to their respective chassis. To prevent ground loops they all should be grounded through one common point.The Agilent 10780C or Agilent 10780F receiver mounting is isolated from ground by using the nylon screws supplied.A system using VME electronics (Agilent10898A, Agilent10897B, and Agilent 10895A axis boards, PC electronics (Agilent 10885A axis board or PCI electronics(N1231A axis board should be grounded through the electronics power line.3-14User’s M anualLaser HeadLaser HeadOrientationAn Agilent laser head may be mounted in any orientation as long as it is positioned to direct the beam into the optical system parallel to or orthogonal with the machine axes being measured. See Chapter5, “Laser Heads,” in of this manual for more information about laser head orientation.Mounting plane toleranceThe plane defined by the three mounting feet on the laser head must be parallel to either the bottom or sides of the beam-splitters and of the beam-bender housings to within ±3°, and to the bottom or sides interferometers to within ±11°. This ensures that the polarization axes of the interferometers are oriented properly relative to the polarization vectors of the laser beam (Figure3-4. The laser head can be rotated in 90° increments about the beam axis (roll without affecting the system performance, but the measurement direction sense will change with each 90° rotation.Allow 50 mm (2 inches clearance around the laser head for easy servicing.Allow at least 100 mm (4 inches clearance at the back of the laser head for cable connections.User’s Manual3-15Laser HeadFigure 3-4. Laser position transducer mountingPointing stabilityTo maintain good pointing stability, it is good practice to use kinematic mounting principles. Refer to Chapter5, “Laser Heads,” in this manual for more information about laser head pointing stability.Thermal isolationBecause there is some heat dissipation from the laser heads, you should choose the mounting method and location with care. Where possible, mount the laser head away from the measuring area, to avoid any thermal effects.Vibration isolationSince the system measures only the relative motion between the interferometer and reflector, measurements are not affected by vibration along the beam axis of the laser source or the receiver.3-16User’s ManualOpticsWhen vibration of the laser head causes displacement of the beam (perpendicular to beam axis at an interferometer or receiver, the beam signal power can fluctuate. If this fluctuation is too great, insufficient beam signal will arrive at the receiver, causing a “measurement signal error.”Magnetic shieldingAgilent laser heads contain a permanent magnet. When installing an Agilent laser measurement system in an application sensitive to magnetic fields, shielding around the laser head may be required. MountingSee Chapter5, “Laser Heads,” in this manual for laser head installation and mounting instructions.The laser source in Agilent5517C-009 9-mm Laser Head is referenced to locations on the outside of the laser head, allowing the laser head to be installed in a predefined mounting location, minimizing the need for laser head alignment. A diagram of the mounting location for this laser head is presented in Figure 3-16.OpticsPlane of orientation with respect to laser headThe mounting plane tolerance of the optics to the laser head is the same as discussed in the paragraph titled “Mounting plane tolerance,”above. That is, the bottom or sides of the interferometers should be parallel to within ±l° of the plane defined by the laser head’s three mounting feet.Effect of optics on measurement direction senseThe orientation and configuration of the interferometers affects the measurement direction sense. The direction sense depends on which frequency is in the measurement path of the interferometer. For example, if f1 (lower frequency is in the measurement path and f2 (higher frequency is in the reference path and the optics are moving away from each other, the fringe counts will be INCREASING. This corresponds to using an Agilent5517A, Agilent5517B, orAgilent5517C Laser Head (mounting feet in horizontal plane with anAgilent10702A Linear Interferometer mounted with labels facing up and down (see Figure3-5. Interchanging f1 and f2 (e.g., rotating interferometer 90° in this example will result in the fringe counts DECREASING.User’s Manual3-17OpticsThe optical schematics for the interferometers, in Chapter7 “Measurement Optics,” show which frequency polarizations are in the measurement path.measurement direction sense will change. This rotation causes switching of frequencies in the measurement path.Configuration effectsMany of the distance-measuring interferometers can be configured to turn the beam at right angles. When configuring the linear,single-beam, and plane mirror interferometers to turn the beam, the measurement direction sense will be changed. This is because the measurement and reference paths are switched on the interferometers, therefore changing the direction sense. For more information, see the Chapter7, “Measurement Optics,” in this manual.3-18User’s ManualOpticsVibration isolation for opticsVibration of the optics along the beam can cause the fringe count in the laser measurement system electronics to fluctuate rapidly. Vibrations along this axis constitute real, measurable, displacements; you will have to decide if these fluctuating measurements are acceptable in your application. In extreme cases, however, the velocity of the optics may momentarily exceed the velocity limitation of the laser system, causing an error.When vibration occurs perpendicular to the beam, the beam signal power can fluctuate. If this fluctuation is too great, insufficient beam signal will arrive at the receivers, causing a “measurement signal error”.Loose mounting can cause the optics to move inappropriately during a measurement, causing a measurement error or loss of beam power.Elastic mounting can have the same effect as loose mounting. It can also be responsible for a “sag” offset in the optics’ positions. If there is vibration in the machine, an elastic mounting can transmit and amplify the vibration to the attached optic, possibly causing more errors. You should anticipate these effects and minimize them, if necessary, during the laser measurement system design process.Certain interferometers are inherently less susceptible to vibration effects than others. This is particularly true of differential-style interferometers such as the Agilent10715A, Agilent10719A, and Agilent10721A. The stability of these interferometers is due to the fact that both their reference beams and their measurement beams travel to external mirrors. Any motion of the interferometer itself that is common to both beams will not appear as a measurement. Of course, any vibration between the reference and measurement mirrors will constitute real, measurable, displacements.Adjustable mounts for opticsThe optical elements inside several of the Agilent laser measurement system optics are not precisely referenced to their housings. In most applications involving these optics, a few simple alignments during system installation can usually provide equal or better alignment than referencing the optics to their housings. Therefore, slight positioning adjustments of the unreferenced interferometers, beam splitters, and beam benders are needed for proper system alignment.User’s Manual3-19OpticsPositioning adjustments for most optics can be provided by using Agilent10710B or Agilent10711A Adjustable Mounts, as appropriate. These mounts allow adjustment of pitch and yaw of any attached optic. (Roll adjustment is typically not required, and can usually be avoided by careful optical system layout.For a listing of which Adjustable Mount supports which optic, see the Chapter9, “Accessories,” in this manual.In some applications, referenced housings can provide significant advantages. For example, the alignment requirements for certain multiaxis applications can be difficult or impossible to achieve without referenced housings. In those cases, interferometers such as the Agilent10719A, Agilent10721A, Agilent10735A, and Agilent10736A should be considered. These products have referenced housings and prealigned optical elements. Because they have individual mounting requirements, these products are not intended for use with the adjustable mounts described above. For more information about these optics, refer to Chapter7, “Measurement Optics,” in this manual. Fasteners for opticsAny optical component that fits an adjustable mount is supplied with mounting screws to mount it on the appropriate adjustable mount. Vacuum applications。
国产高性能激光干涉仪产品解决方案.
SJ6000激光干涉仪产品解决方案目录1.简介 ........................................................................................................................................... ............ - 1 -1.1.产品简介........................................................................................................................................ - 1 -1.2.产品配置........................................................................................................................................ - 2 -2.静态测量 ........................................................................................................................................... .... - 3 -2.1.线性测量........................................................................................................................................ - 3 -2.2.角度测量........................................................................................................................................ - 7 -2.3.直线度测量.................................................................................................................................... - 9 -2.4.平行度测量.................................................................................................................................. - 11 -2.5.垂直度测量.................................................................................................................................. - 13 -2.6.平面度测量.................................................................................................................................. - 14 -2.7.回转轴测量.................................................................................................................................. - 16 -3.动态测量 ........................................................................................................................................... .. - 17 -3.1.动态测量概述.............................................................................................................................. - 17 -3.2.动态测量应用.............................................................................................................................. - 18 -4.产品功能特点 ..................................................................................................................................... - 20 -5.技术指标 ........................................................................................................................................... .. - 22 -6.配件与证书 ......................................................................................................................................... - 25 -1.简介1.1.产品简介激光干涉仪以光波为载体,其光波波长可以直接对米进行定义,且可以溯源至国家标准,是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器,在高端制造领域应用广泛。
激光干涉仪课程设计报告
一种高分辨率双频激光干涉仪设计双频激光干涉仪技术现状与国内外概况 (2)总体方案设计 (6)总体框图 (6)双频激光干涉测量系统组成 (6)测量电路设计 (9)1）初级光电转换 (9)2）初级调理电路 (9)3）差分转换和放大电路 (10)4）波形转换电路 (11)5）细分电路 (12)6）同步器电路 (14)7) 连续计数模块 (15)8）显示电路 (17)系统电路总图(部分连线使用网络标号) (19)软件设计 (20)1)first piece： (20)2)second piece： (20)总结与展望 (25)系统最大的特点及优势 (25)误差分析与补偿 (25)综述 (25)经验总结 (26)参考文献 (27)双频激光干涉仪技术现状与国内外概况激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，随着现代科技的不断进步，激光技术已渐渐地被人们所接受和认同。
随着激光干涉测量技术日渐成熟，激光的应用领域也已十分广泛，几乎涉及到当今科技的各个方面。
尤其是在激光加工、激光测量、军事上的应用更是显现出极大的优势与潜力。
激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展。
激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。
激光干涉仪有单频的和双频的两种，单频的是在20世纪60年代中期出现的，最初用于检定基准线纹尺，后又用于在计量室中精密测长。
而双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。
双频激光干涉仪是七十年代初期由美国HP公司首先推出的，至八十年代中期十几年时间内几乎垄断了世界市场。
双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。
它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制，是激光在计量领域中最成功的应用之一，也是工业中最具权威的长度测量仪器。
《基于激光干涉传感的台阶仪系统设计开题报告2200字》
目前我国国内自研发的可商业化的台阶仪种类和数量屈指可数，而且由于日益增长的精度要求，以及可进口的便利性，导致我国国内研发水平相较于国外的研发水平还有一段大的距离。一方面，还不能满足新的发展趋势的要求，需要研发新的满足要求的台阶仪。另一方面，如果技术不能自研发，在半导体制造领域里，总会受到各方的限制，从而对半导体制造行业造成不利的影响。
[8]杨旭东.大量程轮廓综合测量系统研究[D].湖北:华中科技大学,2007.
[9]冯胜东.大量程触针式仪器测力控制系统研究[D].湖北:华中科技大学,2015.
[10]李千.大范围白光干涉光学轮廓仪结构设计[D].湖北:华中科技大学,2015.
[11]郑毅.垂直扫描白光干涉表面形貌测量软件系统研究[D].湖北:华中科技大学,2015.
基于激光干涉传感的台阶仪系统设计开题报告
1．文献综述
目前市场占比最大的是DektakXT，我国各大高校实验室以及研究室基本是使用该型号产品。国内有产地为广东的Alpha-Step D-50探针式轮廓仪能够测量从几纳米到1200微米的2D台阶高度。D-500还可以在研发和生产环境中支持粗糙度、翘曲度和应力的2D测量。D-500包括一个手动140毫米平台和先进的光学系统以及加强视频控制。
3．技术路线方案与可行性分析
总体目标：设计一个满足精度要求（其垂直测量范围可达±3mm，垂直分辨率可达 0.01µm）的基于激光干涉传感的台阶仪系统。
设计目标：设计该系统的光学机械系统。即机械系统及光学传感器部分的设计。
重力垂直梯度测量平差新方法
重力垂直梯度测量平差新方法
任政堂;李辉;康开轩;孙少安
【期刊名称】《大地测量与地球动力学》
【年(卷),期】2013(033)006
【摘要】对重力梯度同步观测数据处理模型进行改进,可以同时计算出高低测点的重力段差、两台重力仪读数的系统差和零漂改正差.将实例计算结果与常规的数据处理模型结果进行对比,验证了该方法的有效性和适用性.
【总页数】3页(P78-80)
【作者】任政堂;李辉;康开轩;孙少安
【作者单位】中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉430071;中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地,武汉430071;中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉430071;中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地,武汉430071;中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉430071;中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地,武汉430071;中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),武汉430071;中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地,武汉430071
【正文语种】中文
【中图分类】P207
【相关文献】
1.基于激光干涉法的地表重力垂直梯度测量系统设计及试验 [J], 吴琼;滕云田;张兵;郭有光
2.重力垂直梯度测量技术在隐伏岩溶探测中的应用 [J], 陈贻祥;蔡国斌
3.重力垂直梯度测量探测能力的正演 [J], 王庆宾;江东;赵东明;孙文;周睿
4.佘山重力垂直梯度偏小的原因及其对大地测量的影响 [J], 张赤军
5.重力垂直梯度在大地测量和物探中的应用 [J], 张赤军
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落塔微重力水平的激光干涉测量方法研究
落塔微重力水平的激光干涉测量方法研究
汤洁;吴书朝
【期刊名称】《测绘科学》
【年(卷),期】2006(31)3
【摘要】本文提出了落塔微重力水平的激光干涉测量方法,详细地讨论了其测量原理,给出了初步的设计方案和数据处理方法,并对几种系统误差作了全面的分析,从理论上论证了实验方案的可行性。
从而可望为我国落塔微重力水平的测量提供了一个切实可行的方案。
【总页数】3页(P13-14)
【关键词】微重力;落塔;激光干涉;测量原理
【作者】汤洁;吴书朝
【作者单位】华中科技大学物理系
【正文语种】中文
【中图分类】P223.4
【相关文献】
1.孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究 [J], 李晶;赵建福;薛艳芳;魏进家;杜王芳;郭栋
2.落塔微重力水平激光干涉测量方法中的干扰因素分析 [J], 屈少波;闫奇众;田蔚;吴书朝
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5.国家微重力实验室落塔及微重力实验研究 [J], 韦明罡;万士昕;姚康庄;解京昌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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激光干涉重力梯度仪设计方案吴琼;膝云田;郭有光【摘要】Two kinds of gravity gradiometer are described in this paper: one is laser interferometer and the other is atom interferometer.The authors have found that free fall gradiometery offers much promise for dynamic measurements and the free fall system can either use macroscopic objects in free-fall (mirrors) or atomic fountains.The two systems have similar intrinsic sensitivities.Based on the initial gravity gradient measuring experiment with NIM- Ⅱ, the authors put forward two ideas to design the gravity gradiometer: Single-Interferometer and Dual-Interferometer.The authors favor the second one in that it can satisfy the precision requirement at the same size as the traditional absolute gradiometer.%介绍两类自由下落式重力梯度测量方法:激光干涉法和原子干涉法,分析对比后发现虽然两种干涉的测量方法不同,但具有相同的潜在精度.通过笔者的自由下落重力梯度测量的初步实验,提出了两种激光重力梯度仪的设计思路,并对其进行了分析和对比.结果表明,双干涉测量法在实现重力梯度仪精度要求的前提下,可以不增大整套设备的体积,并较好地保持双落体自由下落环境条件及运动状态的一致性.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2011(035)002【总页数】4页(P230-233)【关键词】重力梯度仪;资源探测;激光干涉【作者】吴琼;膝云田;郭有光【作者单位】中国地震局,地球物理研究所,北京,100081;中国地震局,地球物理研究所,北京,100081;中国科学院,测量与地球物理研究所,湖北,武汉,430077【正文语种】中文【中图分类】P631.1由于重力梯度值敏感于地下浅层异常介质的分布,重力梯度测量已经被认为是一种资源探测的最有效手段之一[1]。
同时,重力梯度测量也是动态重力测量去除平台运动的有效手段[2]。
对于测定地球重力场的精细结构和长波重力场随时间的变化方面重力梯度测量也具有重要的作用[3]。
重力梯度仪可以分为基于扭矩测量和基于差分加速度测量两类,后者具有更高的精度和稳定性。
目前应用中的重力梯度仪几乎全部来自美国 Bell Aerospace Textron公司的基于旋转加速度计原理设计的仪器或者其改良型号[4]。
而自由下落式的重力梯度仪以其高精度和高稳定性,逐渐成为目前一个重要的研究方向。
笔者在分析两类自由下落式重力梯度仪的基础上,结合研发小组的早期实验结果,提出两套重力梯度仪的设计方案并对其进行分析。
1 自由下落式重力梯度仪概述自由下落式重力梯度仪可以分为宏观下落和微观下落,前者是以角立体反射棱镜作为落体,而后者是以低温环境被磁光阱约束的原子云团作为落体。
图 1 斯坦福大学的原子干涉重力梯度仪图 1为斯坦福大学的原子干涉重力梯度仪[5]。
该仪器利用多普勒冷却效应,用三对相互垂直的激光束再加上磁场方向相反的线圈产生磁场梯度形成磁光阱,冷却的原子云团被约束在一定的范围内。
当作用以空域或时域的拉曼激光时,铯原子可以发生从 |6S1/2,F=3,mF=0＞到 |6S1/2,F=4,mF=0＞的跃迁。
这里定义了受激发生拉曼跃迁的两个超精细能级,主量子数为 6,总自旋量子数 S为 1/2,F是指包括原子核及电子在内的总角动量量子数(分别为 3和 4),mF指塞曼 (Zeeman)能级。
利用标准荧光谱法可以测定发生跃迁的原子数。
跃迁概率 p与干涉仪两臂间的相位差Δ Φ相关,而Δ Φacc分量就是敏感与线性加速度[6]。
由此可以测量其在重力场中感受到的重力加速度。
利用两台相同的干涉装置可以得到重力梯度值,但是目前这种仪器体积庞大,距离实际应用还有一段距离。
图 2 激光干涉重力梯度仪及其测量结果美国 NASA与Micro-G公司联合,为火星探测研发了激光干涉重力梯度仪,图 2上图是其外形图。
该梯度仪由两个真空筒室和两套干涉装置组成,其落体的伺服驱动也是两套。
光源产生一束激光,经分束器后分别作为两套干涉仪的光源。
两套干涉波形经过处理得到两个重力加速度值,将其归算到起始点后,可以得到两个起始点之间的重力差,即重力梯度。
图 2下图为其一次测量的结果。
根据测量原理,二者均利用差分法,测量在不同高度做自由下落运动的原子或角反射器的重力加速度值,然后再计算重力梯度值。
1997年诺贝尔物理学奖获得者、美籍华裔物理学家朱棣文领导的科研小组所做著名的“现代比萨斜塔实验”,已证明重力场对于一个原子的作用力与对于一个篮球的作用力是完全相同的[7]。
两种方法使用的时间和长度基准的精度相同,而测量重力加速度时会受到误差源 (例如真空度、地脉动、潮汐、地球极移等等)的影响;对这两种测量仪器而言,同样存在误差源的影响。
因此,这两种测量方法面临着相同的干扰问题,具有相似的固有精度水平。
通过对Micro-G公司的激光干涉重力梯度仪的分析,还发现：①每个落体具有自己独立的伺服控制机构,②两个真空筒内的真空度不可能完全一样,③上下两个真空筒之间没有刚性连接。
因此,这种结构下测到的两套干涉波形会有不同的振动、气压、伺服延迟的影响,而且必然会引入到测量结果中来。
2 自行研制的重力梯度测量实验2001年,笔者曾利用自己设计研制的N I M-Ⅱ型绝对重力仪 (图 3)[8]在北京香山地震台站进行了第一次静态绝对重力梯度测量实验。
测量过程分为两步,首先将绝对重力仪放在地面上,进行了 32组测量。
然后将绝对重力仪放置在距离地面0.71m的支架上,重新进行了 32组测量。
图 3 NI M-Ⅱ型绝对重力仪表 1 北京香山地震台站两点重力与梯度测量结果数据测点实测值与重力场最大测量值之差/μGal组号低点位高点位高、低点位重力差重力梯度值μGal/m 1 935.5 751.9 183.6 258.6 2 915.5 728.5 187 263.3 3 905.9 666.4 239.5 337.34 939.3 673.2 266.1 374.85 917.4 767.4 150 211.36 910.6 720 190.6 268.47 920.3 728.7 192.3 270.8 8 918.2 738.6 179.6 253 9 929 724.1 205 288.7 10 884.8 650.7 234.1 329.7 11 882.4 773.9 108.5 152.8 12 903.7 702.7 201 283.1 13 938.4 747.9 190.5 268.3 14 894.8 715.4 179.4 252.7 15 887.6 741.9 145.7 205.2 16 918.8 699.7 219.1 308.6 17 880.8 726.1 154.7 217.9 18 905 690.9 214.1 301.5 19 925.2 724 201.2 283.4 20 922.4 646.1 276.3 389.2 21 922.7 741.2 181.5 255.6 22 915 714.8 200.2 282 23 906.3 734.3 172 242.224 936.6 674.4 262.2 369.3 25 910.5 693.8 216.7 305.2 26 931.3 688 243.3 342.7 27 922.6 724.9 197.7 278.4 28 919.9 723.6 196.3 276.5 29 932.4 718.5 213.9 301.3 30 930.1 631.3 316.8 446.1 31 910.9 698.5 212.4 299.1 32 907.8 694 213.8 301.1平均值 919.4 713.9 204.5 288.1标准不确定度 2.4 3.9 7.2 10.2 测量的大值为980 128 000μGal,为了方便表示,表中仅列出测量值与大值之差。
低点位的有效高度为 1.176 m,高点位有效高度为 1.891 m。
两个测量点位的有效高度差为 0.71 m。
重力梯度值为高低点位重力差与 0.71 m相除的结果。
结果如表1所示。
图 4为将重力梯度值去均值后的点图。
图 4 北京香山地震台站重力梯度测量实验结果将图 4与图 2的测量结果对比可以看出,实验的结果分散性很大,其主要原因在于：①由于采用符合法测量,每次开始取数的起始点都不相同。
因此其有效距离差不会是 0.71 m固定不变,而实验中仅取 0.71 m为有效距离进行梯度计算;②实验中利用一台绝对重力仪进行两次测量,测量的时间、落体所处的状态、地震动等干扰因素不可能相同,因此,处理的结果中必然包含这些干扰源引起的误差;③由于第二次测量时,测量主体被架高,使用的不是专用的支架,因此,支架的稳定性也是引入测量误差的一个原因。
虽然实验的结果发散性较大,但是却为我们进行梯度仪的设计提供了思路。
3 两种梯度仪设计方案根据对Micro-G公司的激光干涉重力梯度仪的分析和第一次重力梯度测量实验结果,笔者提出了以下两种重力梯度仪的设计思路。
3.1 单干涉装置,测量由梯度带来的落体间距离的变化光路设计如图 5所示。
由激光器发出的光束经过分光镜 (BS)后一束反射到接收器(CCD),另一束透射光经反射镜 M1、反射镜 M2、反射镜 M3、落体P2和落体 P1反射后,经分光镜透射,与起始反射光线汇合。
整个机构刚性连接,落体 P1和 P2处于真空筒内,相距Δh。
当某一时刻两个落体一起下落时,如果没有重力梯度的存在,则 BS—M1—M2—M3—P2—M3—M2—M1—BS—P1—BS之间的光程不变。
但是重力梯度会影响Δh,使之不断增大,则接收器处便会产生干涉条纹。