[发明专利]基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于量子弱测量实现的高精度微重力加速度测量装置及方法，该微重力加速度测量装置包括重力传感单元、Sagnac干涉仪、激光发射单元、光接收探测单元和数据处理单元，将重力传感单元与基于量子弱测量的Sagnac干涉仪进行耦合，通过Sagnac干涉仪中偏振光的偏转，将悬臂梁不同重力场环境下的微小位移变化放大，从而实现对重力加速度微小变化的精确测量；其重力加速度测量精度可以达到10^‑10，具有很高的测量精度，可应用于矿藏勘探、无源导航技术中的重力辅助导航，海洋重力测量，航空重力测量等方面，具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于量子光学技术领域，涉及重力加速度测量技术，具体涉及一种基于量子弱测量实现的高精度微重力加速度测量装置及方法。

背景技术

地球重力场是地球外部及其内部的基本物理场。由于地球地形、地貌各处异样，并且板块构造、地质结构在各地也千差万别，这些因素造成了地球内部质量分布的不规则，致使地球重力场在空间的分布也存在不均匀性。如何精确的测量地球重力场分布在众多领域(如固潮观测、地壳形变观测及重力勘探等)中都有着重要的意义。例如惯性无源导航技术中重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场，再根据地球重力场的变化实现定位的，由于不需要发射和接收其它电磁信号，是真正的无源导航，已成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿。

重力仪是一种广泛应用于计量学等研究的精密仪器，其精度要求随科研进步而日益增长。现如今广泛使用的重力仪主要分为绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力仪主要是对某一地区的重力加速度及其变化量进行精确测量，2016年9月，高精度NIM-3A#002型绝对重力仪已能达到国际先进水平，但因其结构复杂、测量条件苛刻，短时间测量多个地区的重力加速度数据较难。相对重力仪则因其具有测量频率高、实时性好、对重力变化敏感等特点，可以弥补绝对重力仪的不足，而被广泛使用。相对重力仪主要基于倾斜零长弹簧原理、石英弹簧原理及超导磁悬浮原理，目前在我国地面、海洋和航空等领域均有对相对重力仪的研究。例如2015年4月，由中国航天科工集团宣布研制成功的国内首个海空重力仪的静态测试指标优于0.5mGal，2015年12月投入使用的ZSM-6型地面相对重力仪，其精度可达0.001mGal。不难看出，相对重力仪虽然测量效率得到了提高，但其会存在“零点漂移”现象，可能对重力加速度的测量精度产生影响。

而且，整体来说我国在重力仪方面起步很晚，国内重力加速度测量装置主要靠进口，而高精度的重力仪仍处于技术封锁状态。因此，自主研发出结构简单、便于操作、实时性好的高精度重力加速度测量技术，对于重力加速度测量及应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的测量条件苛刻、测量精度难以保证等技术问题，提供一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，通过量子弱侧对技术噪声的极大压缩和奇异弱值放大作用，实现对重力加速度微小变化的精确测量。

本发明进一步提供了一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法。

本发明通过不同环境下重力场的微小变化引起配重悬臂梁的微小位移，同时使用量子调制弱值放大技术将微小位移放大，并基于该放大关系实现对微重力加速度的精密测量。