基于冷原子重力仪的船载动态绝对重力测量实验研究

冷原子重力仪正逐渐向小型化、动态化、实用化方向发展,将其应用于深远海绝对重力测量及水下长航时、高精度导航具有十分重要的意义.而目前冷原子重力仪多数尚处于实验室静基座或准静基座测量状态,难以满足动态应用场景下的重力测量需求,因此对冷原子干涉重力测量进行“由静到动”的相关研究十分迫切和关键.本文分析了动态测量的基本原理,给出了冷原子重力仪与加速度计组合测量的基本方法,搭建了一套基于冷原子重力仪和惯性稳定平台绝对动态重力测量系统,并采用冷原子重力仪与传统加速度计组合测量方式,开展了船载动态测量实验.首先,在实验室静态环境下进行了约40 h的连续绝对重力测量,对冷原子重力仪的性能进行初步评估,灵敏度为447μGal/■(1Gal=1 cm/s2),长期稳定度可达2.7μGal.在此基础上开展船载实验,测量船在湖上以约4.6 kn的速度航行,采用重复测线的方式开展了船载绝对动态重力测量.经评估,四条重复测线的内符合精度为2.272 mGal,四个航次外符合精度分别为2.331,1.837,3.988和2.589 mGal.最后,针对实验结果,对可能存在的问题进行进一步分析与总结.本实验研究为海洋...     

船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量

重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定平台,搭建了一套船载绝对重力动态测量系统,并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验.经评估,船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz^-1/2,1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.通过两周的绝对重力测量,评估了系统的稳定性.为了评估绝对重力的动态测量精度,将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较,两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072±0.134)mGal.本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.     

基于车载原子重力仪的外场绝对重力快速测绘研究

地球重力场信息是大地测量学、地球物理学、地球动力学等学科所必需的重要基础信息,重力场测绘是获取地球重力场信息的有效手段.相比于卫星、海洋、航空重力场测绘,车载重力场测绘具有灵活性强、空间分辨率高、精度高等优点.基于相对重力仪和高精度绝对重力基准点可以实现陆域小范围重力场测绘,但相对重力仪存在零点漂移,不适用于长基线、大范围的陆域测绘.本文基于小型化原子重力仪搭建了一套车载绝对重力快速测绘系统,在郊区安静外场环境,由12个测点约3 km的测绘结果评估仪器的内符合精度为0.123 mGal (1 Gal=10^–2 m/s~2),外符合精度为0.112 mGal,并在闹市复杂外场环境下实现了单点调节时间小于2 min,有效测量时间5 min的快速绝对重力测量,通过19个测点跨区约24 km的重力场快速测绘,评估仪器的内符合精度为0.162 mGal,外符合精度为0.169 mGal.最后将原子重力仪的外场重力场测绘数据与卫星重力模型计算的数据进行了比较,发现两者的自由空间重力异常数据的整体变化趋势相吻合.本文为外场绝对重力场快速测绘提供了一种新的方案.     

大倾斜角度下基于冷原子重力仪的绝对重力测量

冷原子重力仪的倾斜角会对绝对重力测量产生显著的影响.高精度的绝对重力测量需要对重力仪的倾斜角进行精确的测量、控制及校正.本文从理论上分析了四种不同情况下倾斜对绝对重力测量的影响规律,并在实验上对得到的理论进行了实验验证.基于此,设计了一种基于双倾斜计的绝对重力测量方案,主要是为了解决恶劣测量环境下的冷原子重力仪倾斜漂移问题.此方案利用高精度倾斜计记录放置在被动隔振平台上的拉曼反射镜的倾斜角度,并使用另外一个倾斜计监控真空系统的倾斜,以实现振动噪声的抑制和倾斜的高精度测量.基于自研的小型化冷原子重力仪,对该方案进行了实验验证,并最终实现了车间复杂环境下的高精度绝对重力测量.由于倾斜得到精确测量和补偿,冷原子重力仪的测量精度达到了12.3μGal.本文为复杂环境下的高精度绝对重力测量提供了一种可行的方案,为冷原子重力仪的实用化提供了参考数据.     

基于冷原子重力仪的绝对重力动态移动测量实验

动态重力测量可以提高重力场的勘测效率,对基础地质调查、资源勘探、地球物理研究等具有十分重要意义.本文基于冷原子重力仪、惯性稳定平台和牵引动力装置搭建了一套绝对重力动态移动测量系统,并开展了绝对重力动态测量实验.首先测量了不同牵引速度下的垂向振动噪声功率谱,理论分析了其对动态重力测量的影响;其次评估了不同牵引速度对原子干...     

基于原子重力仪的车载静态绝对重力测量

目前大多数原子重力仪的装置复杂、体积庞大、环境适应性差,不能应用于野外进行绝对重力测量,这限制了原子重力仪的应用领域.本文利用自研的小型化原子重力仪,集成了一套车载绝对重力测量系统.该系统主要由原子重力仪、被动平台隔震系统、位姿平台调平系统、差分GPS测高系统、不间断电源供电系统及车载空调温控系统等组成.首先,本文对该测量系统的车载环境适应性进行了评估,发现在野外40℃高温、8°大倾角普通路面的环境下,该系统仍然能够正常工作;其次,介绍了车载绝对重力测量的实验步骤及数据处理方法,并测量了车头朝向对绝对重力测量的影响.最后,在野外平坦路面上进行了重复测线工作,评估了系统的内符合绝对重力测量精度,结果约为30μGal;在野外大倾角山体路面,通过测量不同海拔高度点的绝对重力值,得到了地球的垂直重力梯度值,约为-231(36)μGal/m.本文结果为野外绝对重力勘测提供了依据.     

基于系数搜索的振动补偿方法

绝对重力仪普遍采用激光干涉式或原子干涉式的测量原理来测量重力加速度的绝对值,在地球物理等领域有着广泛的应用.振动补偿是一种有效减小地面振动对绝对重力仪测量精度的影响的方法,尤其适用于复杂振动环境.本文介绍了一种基于传递函数简化模型的、用于实时修正原子干涉式绝对重力仪干涉条纹的振动补偿方法,给出了该方法的工作原理及搜索模型系数的具体算法流程,然后利用仿真运算验证算法的有效性,最后利用已有的原子干涉式绝对重力仪对算法效果进行了实验评估.结果表明,使用该振动补偿算法对原子重力仪的干涉条纹进行修正,最大可将干涉条纹的余弦拟合残差的标准差衰减58%.该振动补偿算法具有较强的自适应性,有望提升原子干涉式绝对重力仪在不同测量环境尤其是复杂振动环境中的测量精度.     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例,通过对拉曼激光进行相位调制,然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期,获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析,对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真. 关键词： 原子干涉仪 原子陀螺 相位调制 绝对转动测量     

提高激光抽运铯原子磁力仪灵敏度的研究

本文报道了一种基于激光抽运射频共振的铯原子磁力仪. 通过圆偏振光将铯原子抽运到暗态, 实现偏极化. 外磁场存在时, 原子磁矩将以拉莫尔频率绕外磁场进动. 在共振射频磁场的作用下, 原子被去极化而重新吸收光子. 通过探测出射光光谱可以测得拉莫尔频率进而得到外磁场的信息. 本文通过运用自制的894 nm 外腔半导体激光器, 建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境, 实现了一种基于铯原子激光抽运射频共振的磁力仪. 通过磁力仪参数优化以及闭环测量, 磁力仪测量的外磁场达到了19 fT/Hz^1/2的极限灵敏度和1.8 pT/Hz^1/2的本征灵敏度, 空间分辨率小于2 cm. 关键词： 光抽运 塞曼效应 光探测磁共振 磁力仪     

不同序列拉曼光脉冲对原子重力仪灵敏度的影响

研究了不同序列拉曼光脉冲对原子重力仪灵敏度的影响.结果表明,通过调节脉冲间隔可以改善原子干涉重力仪的灵敏度.在标准配置下,只考虑重力及一阶重力梯度时,三脉冲序列（π/2-π-π/2）的原子干涉重力仪具有较大的灵敏度,四脉冲序列（π/2-π-π-π/2）的原子干涉重力仪对重力不敏感,可用来测量重力梯度,五脉冲作用会降低原子干涉重力仪的灵敏度. 关键词： 原子重力仪 拉曼激光脉冲序列 灵敏度     

基于冷里德堡原子电磁感应透明的微波电场测量

在磁光阱中利用冷原子温度低,多普勒展宽小的优势获得了窄线宽的里德堡电磁感应透明(EIT)谱峰,结合Autler-Townes分裂效应(EIT-AT分裂)分别测量了多个频率的微波电场强度.结果显示,EIT-AT分裂间距与微波电场强度呈很好的线性关系,EIT-AT分裂方法可测量的微波电场强度线性区的下限可达222μV/cm,这个下限比传统热原子蒸汽池中EIT-AT分裂线性区的下限5 mV/cm提高了大约22倍,这对极弱微波电场的绝对校准非常有帮助.我们进一步利用EIT共振处探测光透过率的变化测量微波电场强度,对应的最小测量值可以小于1μV/cm,相应的灵敏度可达到1μV·cm^-1.Hz^-1/2.这些结果展示了冷原子样品在微波电场测量及其绝对校准方面的优势.     

对抛式冷原子陀螺仪中原子运动轨迹的控制

冷原子具有很小的速度,很窄的速度分布以及良好的相干特性,利用冷原子物质波干涉特性可实现原子干涉仪,具有萨格奈克效应的原子干涉仪即原子陀螺仪,可精密测量转动速率. 冷原子轨迹的精确控制对提高冷原子陀螺仪的测量精度有着重要的意义,文章报道了利用直接数字频率综合器,实现对双向对抛冷原子运动轨迹的精确控制. 关键词： 冷原子 原子陀螺仪 直接数字频率综合器     

基于磁光阱中~6Li冷原子的真空度测量

2018年第26届国际计量大会召开后,伴随着国际单位制的重新定义,真空量值加速了其量子化进程.在超高/极高真空测量领域,可基于囚禁在磁光阱中的冷原子与背景气体碰撞的损失率以及损失率系数反演真空度.本文从磁光阱中冷原子真空测量的基本原理出发,基于量子散射理论小角近似和冲激近似计算了~6Li冷原子与背景气体碰撞的损失率系数,并利用光缔合法测定了在一定磁场和光场条件下的磁光阱阱深,基于两级磁光阱装置通过拟合冷原子数的衰减曲线精确提取出了碰撞损失率.最后在1×10^-8—5×10^-6 Pa压强范围内将真空反演量值与电离计示数对比,分析了制约测量精度提高的因素并提出了改进措施.     

用于冷原子的高精度磁场锁定系统

磁场调控的Feshbach共振是调控原子间相互作用最常用的基本工具,减小磁场起伏,对于提高超冷原子散射共振的稳定性有着重要意义.本文通过一套分流磁场锁定系统,实现了百高斯磁场下相对不确定度为10^-6量级的磁场锁定,相较于未经锁定时,低频电流噪声得到45 dB以上的抑制.利用本文的锁定方法,~6Li原子团Rabi振荡相干时间提高了9.6倍,有效延长了超冷原子系统的相干时间.同时根据原子的Raman损耗谱标定了磁场均方根噪声,通过选择无相互作用的528 Gs (1 Gs=10^-4 T)处进行检测,磁场均方根噪声抑制到1.2 mGs,相较于未经锁定时,磁场均方根噪声降低16倍,磁场锁定相对不确定度为2.27×10^-6.这样的磁场锁定系统,可以为超冷原子气体提供精确稳定的背景磁场,对延长量子存储寿命、精确调控原子散射、开展凝聚态物理模拟等超冷量子气体实验有重要意义.     

中速C3+与Ne原子靶相互作用过程中单电子转移绝对截面的测量

实验测量了2.2v₀—4.2v₀(v₀为玻尔速度,v₀=2.19×10⁸cm/s)的C³⁺与Ne原子碰撞过程中单电子转移绝对截面.将实验结果与多体经典轨道蒙特卡罗模拟计算结果进行了比较.用电离能的变化、屏蔽效应、动态关联对实验和理论计算结果间的数值差异做了分析.总体上,实验结果与多体经典轨道蒙特卡罗方法计算结果在趋势上相 关键词： 离子-原子碰撞 单电子转移 绝对截面     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子重力仪及重力梯度仪中的姿态扰动研究

冷原子绝对重力仪和冷原子重力梯度仪在外界动平台上的精度相较实验室精度差距较大,其中最主要的振动噪声目前已经有较为成熟的方案进行抑制,而由于载体转动引起的姿态噪声目前尚未研究。从冷原子干涉仪的敏感机制入手,推导了在姿态扰动情况下冷原子绝对重力仪和重力梯度仪的相位改变,并利用双光子拉曼演化方程给出了相应的高阶灵敏度函数补偿方案,提升了冷原子绝对重力仪和重力梯度仪在复杂环境下的灵敏度和环境适应性。     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例，通过对拉曼激光进行相位调制，然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期，获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析，对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真.     

拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响

电光调制技术是产生拉曼光的几种方法之一,其优点是系统简单、易搭建且环境适应性强.然而,这种调制技术会产生额外的边带光,并影响冷原子干涉绝对重力仪的测量精度.本文利用自行研制的可移动冷原子重力仪,研究了边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响.详细分析了拉曼反射镜的位置、拉曼脉冲的作用时刻及其间隔、拉曼光的失谐等一系列参数与边带效应之间的关系,实验发现这些参数对冷原子重力仪的精度评估有比较大的影响;此外,我们还发现在有边带效应的情况下,原本不影响重力测量精度的实验参数也会影响最终的重力测量结果.最后,通过研究拉曼边带效应与拉曼光失谐之间的关系,本文提出一种评估拉曼边带效应影响重力仪精度的方法.本文结果为减小拉曼边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响提供了依据.