原子干涉重力仪隔振方法的研究现状及展望

原子干涉重力仪是一种测量重力加速度的新型仪器,振动噪声会在很大程度上影响原子干涉重力仪的测量精度。为实现高精度的重力加速度测量,必须对振动噪声进行控制。分析了原子干涉重力仪的隔振需求,阐述了原子干涉重力仪隔振系统的研究进展,介绍了以音圈电机为驱动的隔振方法、以压电陶瓷为驱动的隔振方法、振动补偿法三种应用于原子干涉重力仪的隔振方法,总结每种隔振方法的特点及适用场景,并展望原子干涉重力仪隔振技术未来的发展方向。     

T-1型绝对重力仪的系统原理与测试结果

高精度绝对重力仪用于测量地球表面的重力加速度(g,常用值9.81 m/s2),已经广泛用于计量、测绘、地质、地震与资源勘探等领域。本文将简要介绍T-1型高精度绝对重力仪的系统原理和测试结果。经过进一步改进与工程化设计,T-1型高精度绝对重力仪有望在国内多个领域发挥重要应用。特别是在力学领域,高精度绝对重力仪能够满足国内测力、测压、扭矩等元器件及仪器仪表生产商对精确重力测量的要求。     

CCM.G-K2国际比对和NIM-3A型绝对重力仪

基于激光干涉法的自由落体原理,中国计量科学研究院研制了最新的NIM-3A型绝对重力仪。该仪器参加了第9届全球绝对重力仪国际比对CCM.G-K2,根据公布的国际比对结果,NIM-3A型绝对重力仪的测量结果与参比各仪器的测量结果达到了等效一致,测量结果的合成标准不确定度为5.3 μGal。     

我国可移动绝对重力仪新进展

高精度的绝对重力仪的出现,使重力基线的测定加快了速度,提高了精度,有助于国家重力基准点的建立。近代的高精度绝对重力测量,都是基于自由运动原理,测量运动物体的飞行距离和该飞行距离所需的时间。我国第一台可移式绝对重力仪采用激光干涉装置(如图1所示)。重力加速度值可由下式求出:     

用于原子重力仪的扫频频率源系统

原子重力测量实验中,需要通过扫频频率源来实现主从Raman激光的线性啁啾,进而补偿原子在自由下落过程中产生的多普勒频移,实现当地重力加速度g的测量。针对传统扫频频率源体积大、发热量大的问题,通过AD9959数字芯片设计了一款扫频频率源,可用作原子喷泉扫频控制和Raman光锁相环鉴频鉴相本振参考。最终通过实验测得：该扫频信号源的相位噪声为-112 dB@1 kHz,频率稳定度为1.38×10^-11@1 s,对原子重力仪灵敏度影响为2.81×10^-9 g/Hz^1/2,600 s积分时间对原子重力仪实验影响为1.15×10^-10 g。该系统具有低噪声、高稳定度的特点,可满足搬运式原子重力仪分辨力10^-10 g需求。研究结果为原子重力仪从原理样机向工程化可搬运实验测试仪器发展提供了一定参考。     

原子干涉中的拉曼激光技术

介绍用拉曼激光激励冷原子云团实现原子干涉以及用原子干涉测量重力加速度的原理，讲述了拉曼激光的组成及其频率、相位的控制以及多普勒频移补偿的方法。     

拉曼激光相位噪声对原子干涉重力仪测量分辨力的影响

原子干涉重力仪已获得当今g值测量的最高分辨力，使得其在前沿科学研究和精密计量中有广阔的应用前景，但其分辨力的提高受限于包括拉曼激光相位噪声在内的各种噪声。本文通过对拉曼激光相位噪声模型和原子干涉仪中噪声传递过程的研究，发现微波信号源贡献了拉曼激光相位噪声的主要部分；通过计算常见T，τ条件下拉曼激光相位噪声对干涉仪重力测量分辨力的影响，发现100～300 ms内T越大重力仪测量分辨力越高，其中在T =300 ms、τ=20 μs的条件下，单次测量时拉曼激光相位噪声对原子干涉仪相位波动的影响为19.6 mrad，相应对重力仪分辨力的影响为1.35 μGal（1 μGal=10-8 m/s2）。     

拉曼光频移对原子干涉测量中原子数的影响

冷原子干涉测量技术在重力加速度测量等领域已经超越传统测量方法,成为量子精密测量的重要发展方向。在干涉测量过程中,由于原子受到重力场影响,速度不断变化,因此激光相对原子具有多普勒频移效应。本文通过对原子跃迁概率及速度选择的理论分析,计算了在拉曼激光脉冲持续时间内,由于多普勒频移造成的原子跃迁概率改变。进而,具体计算了π/2-π-π/2干涉方案中,频移造成的有效原子数损失,及其对干涉条纹对比度产生的影响。     

拉曼光反射镜隔振平台设计及性能测试

为提高原子干涉重力仪拉曼光相位稳定性,降低拉曼光反射镜振动噪声对原子干涉仪测量精度的影响,设计并研制了一种适用于小型化原子干涉重力仪拉曼光反射镜隔振平台。通过COMSOL Multiphysics有限元分析和激光干涉仪测试验证了其隔振性能。根据原子干涉重力仪对噪声控制的要求,对隔振平台在60～200 Hz内的减振效果进行仿真,将仿真结果作为试验的指导,用扫描式激光干涉仪配合标准振动台,对装载到隔振平台上的拉曼光反射镜的振动进行了测试,结果符合仿真结论。     

光干涉绝对重力仪衍射修正

针对绝对重力仪的衍射修正进行研究计算。在光干涉绝对重力仪测量原理基础上,分析并得到激光的高斯特性给重力加速度测量带来的影响。利用90/10刀口法测算激光特性参数(束腰半径),推算得到光衍射(激光的高斯特性)引入的重力加速度值相对修正量。结果表明:激光束腰半径为1.158 6 mm,使用该高斯激光束给重力加速度值引入的偏差,其相对修正量为7.56×10^-9。该方法适用于光干涉绝对重力衍射修正量的计算。     

相对重力仪校准方法研究

重力仪广泛应用于大地测量、地震火山研究和矿藏勘察等领域.但是,目前国内还没有相对重力仪的检定规程和校准规范,无法保证相对重力仪测量的准确性.文章从相对重力仪的测量原理人手,重点探讨了用重力基线方法实现对相对重力仪校准方法的研究,并分析其可行性,为制定一套成熟可行的相对重力仪校准方法做些工作.     

激光与原子的相干性在计量测试领域中的应用进展

上世纪60年代激光刚被发现不久,其良好的相干性就被广泛用于测量设备的研制,在计量领域也以激光为工具建立了各类高水平计量标准,如米定义,几何量及运动量的基标准。半个世纪后的今天,冷原子技术使原子为代表的物质波具有良好的相干特性,它同样被立刻用于计量测试领域,法国计量院提供参与重力国际关键比对的冷原子重力仪就是最好的证明。本文以相干原理为主线,介绍了激光等电磁波在更高分辨力、更大空间范围以及更远物体的运动测量方面的进展,说明激光技术进展对动态测量领域开拓的重要引领作用,同时举例介绍了原子相干性在重力测量以及运动量动态测量中的重要作用。     

iGrav-012超导重力仪定期格值结果分析

利用绝对重力仪FG5X-249与超导重力仪iGrav-012在中国计量科学研究院昌平院区开展连续同期同址观测,通过最小二乘回归分析法对iGrav-012超导重力仪进行定期格值标定。2014年至2017年间的相关计算结果表明:iGrav-012超导重力仪每年的格值因子精度均优于0.1%;当绝对重力仪FG5X-249的下落次数超过 6000 次时,即可得到稳定的格值因子;格值因子年最大变化量低于0.6nm·s^-2·V^-1,每年格值一次即可达到精度要求。iGrav-012超导重力仪可以作为国家重力计量基准仪器的组成部分,为2017年全球绝对重力仪关键比对CCM.G-K2.2017期间的重力测量结果建立时间链接,比对结束后用于重力测量量值的溯源。     

超小型绝对重力仪主机系统设计

为了解决NIM-3A和NIM-3C绝对重力仪传动方式在车载、共基座上使用时会产生自振及磁性材料对重力数据准确度和稳定性影响的问题,设计了一套超小型绝对重力仪主机系统,通过传动托盘的伺服跟踪运动改为托盘先行下落的落体测量过程无其他内部机械运动的测量方式等新设计,消除自振及磁性材料的影响.在主机系统重质量减小至30 kg的...     

重力关键比对点连续观测不确定度评估

分析了超导重力仪iGrav-012在中国计量科学研究院全球绝对重力仪关键比对参考点连续观测结果的不确定度,通过最小二乘加权拟合计算超导重力仪格值因子为-927.96(nm/s²)/V,标准不确定度为0.80(nm/s²)/V,格值因子对关键比对点连续观测引入的标准不确定度为3.20nm/s²,超导重力仪与绝对重力仪5.5年同址观测线性拟合得到超导重力仪漂移率为-14.66(nm/s²)/年,标准不确定度为2.1(nm/s²)/年,对关键比对点连续观测引入的标准不确定度为 6.30nm/s²,二者对重力连续观测结果引入标准不确定度为7.07nm/s²。     

绝对重力仪国际比对新动态

全球绝对重力仪国际比对活动从1981年起每隔4年在法国国际计量局举办。近两年来,该比对活动发生了一些变化,同时,区域性绝对重力仪国际比对活动日益兴起。中国计量科学研究院代表我国参与了这方面的工作,并介绍了中国计量科学研究自主研制的NIM-II型绝对重力仪参加2009年第8届全球绝对重力仪国际比对的情况和结果