[发明专利]一种双自由落体的绝对重力测量光学系统和方法

说明书

本发明公开了一种双自由落体的绝对重力测量光学系统，包括激光光源、落体机构、上真空室、下真空室和设置在上真空室和下真空室之间的干涉仪；所述落体机构包括两个完全相同、相对应的分别设置在上、下两真空室内的上落体棱镜和下落体棱镜；所述干涉仪包括第一干涉系统、第二干涉系统和第三干涉系统；所述激光光源射入干涉仪后，经过第一干涉系统、第二干涉系统和第三干涉系统后，产生三个干涉信号，用于计算绝对重力真值。本发明还提供了和该系统对应的测量方法。

技术领域

本发明涉及，特别是一种双自由落体的绝对重力测量光学系统，本发明还涉及一种双自由落体的绝对重力测量法，属于高精度绝对重力测量领域。

背景技术

目前，高精度绝对重力仪是国际上从七十年代开始研究的一种集光、电、计算机、真空技术于一体化的精密仪器，在检测地面垂直运动、描绘地表质量重新分布、预测全球海平面升降、标定相对重力仪漂移、矿产探测、导航技术等科学和国防建设领域都有广泛的应用。20世纪60年代以来，随着深空探测和导弹技术的高速发展，各个领域对高精度绝对重力测量的要求也不断地提高，世界各国都加大了对绝对重力仪研究的投入。目前常见的绝对重力仪型号包括美国的JILA型绝对重力仪，Micro-g公司的FG5绝对重力仪和A10流动型绝对重力仪，意大利的IMGC型绝对重力仪德国的MPG型绝对重力仪，俄罗斯的GABL型绝对重力仪以及中国的NIM型绝对重力仪。绝对重力仪工作原理包括自由落体法，上抛法等，自由落体法的原理在于利用激光干涉仪来确定落体在重力场中做自由下落时的距离，凭借铷原子钟测定自由下落的时间，然后根据公式求得绝对重力的数值大小。上抛法本质上同自由落体法相似，只是在测量路径上采取了不同的方式，从而消除了真空阻力，静电力等引起的系统误差。但因抛射引起的震动误差大抛射机构复杂，因此，目前常见的高精度的绝对重力仪大部分采用的都是自由落体法。

自由落体式绝对重力仪的工作原理如下：让一个角锥棱镜作为落体在高真空中自由下落，采用激光干涉法测量角锥棱镜下落距离S，使用原子钟同步的时钟信号测量相应下落时间t，最后，用最小二乘法拟合实测得到的距离S和时间值t，再加入固体潮、气压、极移等各项改正，得到所测量点的重力加速度值，其中，距离S等于干涉条纹数N乘以激光半波长λ/2，其不确定度是由激光器的不确定度所保证；自由下落时间的不确定度由原子钟的不确定度所保证。简化的自由落体下落距离与时间的理论关系式为在这个过程中，误差来源于许多方面，包括大地的振动导致的测量误差，下落物体光心质心不重合带来的误差，真空室残余气体分子对于下落物体阻碍作用带来的误差等等。由于自由落体法对落体的控制方式是通过拖架将落体提升至一定的高度后释放拖架，让落体做自由下落运动，这样落体伺服跟踪机构的驱动力源就成了整个测量系统的振动源。因此，在落体运动过程中系统自振不可避免地存在，这种振动将为精度为10-8量级的高精度绝对测量引入系统误差，同时，考虑到这种误差是振动跟地面的耦合产生，随着测点地下结构的不同，耦合后产生的振动形式不同，严重影响绝对重力仪在流动观测中的应用，目前最为成功的隔震方法，就是由Micro-g公司提出的“超级弹簧”主动隔离系统。