本發(fā)明涉及，特別是一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及一種雙自由落體的絕對重力測量法，屬于高精度絕對重力測量領域。
背景技術：
目前，高精度絕對重力儀是國際上從七十年代開始研究的一種集光、電、計算機、真空技術于一體化的精密儀器，在檢測地面垂直運動、描繪地表質(zhì)量重新分布、預測全球海平面升降、標定相對重力儀漂移、礦產(chǎn)探測、導航技術等科學和國防建設領域都有廣泛的應用。20世紀60年代以來，隨著深空探測和導彈技術的高速發(fā)展，各個領域?qū)Ω呔冉^對重力測量的要求也不斷地提高，世界各國都加大了對絕對重力儀研究的投入。目前常見的絕對重力儀型號包括美國的jila型絕對重力儀，micro-g公司的fg5絕對重力儀和a10流動型絕對重力儀，意大利的imgc型絕對重力儀德國的mpg型絕對重力儀，俄羅斯的gabl型絕對重力儀以及中國的nim型絕對重力儀。絕對重力儀工作原理包括自由落體法，上拋法等，自由落體法的原理在于利用激光干涉儀來確定落體在重力場中做自由下落時的距離，憑借銣原子鐘測定自由下落的時間，然后根據(jù)公式
自由落體式絕對重力儀的工作原理如下：讓一個角錐棱鏡作為落體在高真空中自由下落，采用激光干涉法測量角錐棱鏡下落距離s，使用原子鐘同步的時鐘信號測量相應下落時間t，最后，用最小二乘法擬合實測得到的距離s和時間值t，再加入固體潮、氣壓、極移等各項改正，得到所測量點的重力加速度值，其中，距離s等于干涉條紋數(shù)n乘以激光半波長λ/2，其不確定度是由激光器的不確定度所保證；自由下落時間的不確定度由原子鐘的不確定度所保證。簡化的自由落體下落距離與時間的理論關系式為
除了重力加速度的絕對值，重力梯度值也具有很高的研究價值，往往通過重力梯度儀測量。重力梯度儀根據(jù)原理的不同，可分為基于差分加速度計的重力儀和基于扭矩的重力梯度儀。考慮到扭矩測量方法耗時長，穩(wěn)定性差，且易受到地形起伏的影響，所以，差分加速度計重力儀是目前國際上最常用的測量重力梯度的儀器[1]。隨著激光技術和原子干涉技術的蓬勃發(fā)展，激光干涉重力梯度儀的研發(fā)也成為各國學者研究的核心。本專利發(fā)明者與其團隊擁有幾十年的重力儀研究經(jīng)驗，并于2012年與中國地震局地球物理研究所合作研制了中國第一臺“基于激光干涉法的地表重力垂直梯度測量系統(tǒng)”。該方案將重力儀的真空腔分為上下兩部分，每一部分都含有一套落體、托架和導軌，采用一個電機通過齒輪、齒條保證垂直間距為50cm的兩個落體同時豎直上下移動，同步運動使得安裝誤差和制造誤差所造成的徑向力得以抵消，保障了整套機組的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)原雙落體自由下落的同步性、參考點以及各個光學部件間的剛性和雙測量光路的垂直性等是影響其測量精度的重要因素[2]。然而，在這一方案中，為了保證上下兩套光路完全互不影響，兩落體除了在垂直方向有距離外，在水平方向也有將近10cm的差距，而設計者在計算中認為這一誤差對結(jié)果影響不大，將其忽略，事實上若想進一步提高儀器的精度，必須解決這一問題。
綜上所述，在查閱相關文獻并總結(jié)歸納了幾十年的絕對重力測量經(jīng)驗后，本專利提出了一種新的絕對重力測量方法及絕對重力儀光學系統(tǒng)，即將兩個單獨的絕對重力儀連接在同一個并分為上、下的兩個真空室中同步進行下落測量，測量兩個真空室之間的下落距離，測量兩落體下落距離的參考點為同一點，克服了各個光學部件間的剛性問題，干涉儀對于自由下落運動進行三種采樣處理，從而消除地面振動所帶來的誤差，實現(xiàn)高精度測量。這種絕對重力測量法可以同時求得重力加速度的絕對值和梯度值，大大提高工作效率。
參考文獻：
[1]吳瓊,滕云田,張兵,張濤.世界重力梯度儀的研究現(xiàn)狀[j].物探與化探,37(5),2013.
[2]吳瓊,滕云田,張兵,郭有光.基于激光干涉法的地表重力垂直梯度測量系統(tǒng)設計及試驗[j].地震學報,38(5),2016.
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種激光雙自由落體絕對重力測量法及其光路系統(tǒng)，提高絕對重力測量的精度，增強了可靠性。
為了實現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統(tǒng)，包括激光光源、落體機構(gòu)、上真空室、下真空室和設置在上真空室和下真空室之間的干涉儀；
所述落體機構(gòu)包括兩個完全相同、相對應的分別設置在上、下兩真空室內(nèi)的上落體棱鏡和下落體棱鏡；
所述干涉儀包括第一干涉系統(tǒng)、第二干涉系統(tǒng)和第三干涉系統(tǒng)；所述激光光源射入干涉儀后，經(jīng)過第一干涉系統(tǒng)產(chǎn)生用于計算上落體棱鏡所在點的重力加速度值的第一干涉信號，經(jīng)過第二干涉系統(tǒng)產(chǎn)生用于計算下落體棱鏡所在點的絕對重力加速度值的第二干涉信號，經(jīng)過第三干涉系統(tǒng)產(chǎn)生用于計算上落體棱鏡所在點與下落體棱鏡所在點之間的重力加速度梯度值的第三干涉信號。
優(yōu)選地，所述上落體棱鏡和下落體棱鏡由同一套伺服電機控制系統(tǒng)驅(qū)動做自由落體運動。
優(yōu)選地，所述第一干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、第四分光鏡、第一反光鏡、第二反光鏡、參考棱鏡和第一光電接收器，各元件的位置關系滿足以下的光線傳輸路徑：激光源發(fā)出一條激光，經(jīng)過第一分光鏡后被分為兩束光，其中一束光經(jīng)過第一反射鏡后入射第二分光鏡，光在第二分光鏡表面再次被分為兩束光，其中反射光經(jīng)上真空室中上落體棱鏡和參考棱鏡反射后，再通過第二反光鏡和第四分光鏡的反射，最終與第一分光鏡的透射光交匯于第三分光鏡，形成干涉被第一光電接收器接收；
所述第二干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡、第五分光鏡、第六分光鏡、第七分光鏡、第四反光鏡、參考棱鏡和第二光電接收器，各元件的位置關系滿足以下的光線傳輸路徑：經(jīng)過所述第一分光鏡后被分為的兩束光中的另一束入射第六分光鏡，激光入射第六分光鏡后別分為兩路，一路直接透射到第七分光鏡上，另一路經(jīng)過下落體棱鏡、參考棱鏡、第四反光鏡和第五分光鏡后與透射光形成干涉，被第二光電接收器接收；
所述第三干涉系統(tǒng)包括第五分光鏡和第三光電接收器，激光通過上真空室中上落體棱鏡和參考棱鏡反射的光和通過下真空室下落體棱鏡和參考棱鏡反射的光最后交匯于第五分光鏡，而在此分光鏡上形成的干涉條紋被第三光電傳感器接收。
優(yōu)選地，所述干涉儀的參考棱鏡為一整體結(jié)構(gòu)，包括上下兩個子棱鏡，且二者光心重合。
優(yōu)選地，所述激光光源、各分光鏡、各反光鏡和參考棱鏡均采用剛性連接的方式固定。
第二方面，本發(fā)明還提供一種雙自由落體的絕對重力測量光學測量方法，使用第一方面所述的系統(tǒng)測量絕對重力加速度真值，絕對重力加速度真值安裝如下公式計算：
gou是絕對重力加速度真值，gcu是上落體棱鏡所在點的重力加速度值，gcd是下落體棱鏡所在點的重力加速度值，gη為上落體棱鏡所在點與下落體棱鏡所在點之間的重力加速度梯度值，以上各值根據(jù)相應的干涉信號得到。
本發(fā)明提供的一種激光雙自由落體絕對重力測量法及其光路系統(tǒng)，將兩個單獨的絕對重力儀連接在同一個并分為上、下的兩個真空室中同步進行下落測量，測量兩個真空室之間的下落距離，測量兩落體下落距離的參考點為同一點，克服了各個光學部件間的剛性問題，干涉儀對于自由下落運動進行三種采樣處理，從而消除地面振動所帶來的誤差，實現(xiàn)高精度測量。這種絕對重力測量法可以同時求得重力加速度的絕對值和梯度值，大大提高工作效率。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例所提供的雙自由落體的絕對重力測量光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：
1-上真空室；2-下真空室；3-上落體棱鏡；4-下落體棱鏡；11-第一分光鏡；12-第二分光鏡；13-第三分光鏡；14-第四分光鏡；15-第五分光鏡；16-第六分光鏡；17-第七分光鏡；21-第一反光鏡；22-第二反光鏡；23-第三反光鏡；24-第四反光鏡；31-參考棱鏡；41-第一光電接收器；42-第二光電接收器；43-第三光電接收器。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
在描述本發(fā)明實施例提供的測量系統(tǒng)和測量方法之前，先介紹絕對重力加速度的真值的計算公式。
設地球上某地被測點的絕對重力加速度的真值為g0，測量值為gc，測量時由振動引入的測量誤差是δg，那么
gc＝g0+δg(1)
設兩個落體是在垂直間隔h的距離同步垂直下落,可以得到兩個測量結(jié)果,由上落體測量獲得的測量結(jié)果是:
gcu＝g0u+δgu(2)
由下落體測量獲得的測量結(jié)果是:
gcd＝g0u+δgd+ηh(3)
在這里，g0u上半部絕對重力真值，gcu為上半部測量絕對重力加速度值，gcd為下半部測量絕對重力加速度值，δgu、δgd分別表示上部和下部由測量引入的系統(tǒng)誤差,ηh是被測點間隔h的重力加速度梯度值,η為單位長度的重力加速度梯度值,則ηh＝η×h。
由于兩落體下落測量距離的參考點是同一參考點,則
δgu＝δgd＝δg(4)
上落體測量獲得的測量結(jié)果是:
gcu＝g0u+δg(5)
下落體測量獲得的測量結(jié)果是:
gcd＝g0u+δg+ηh(6)
對光路進行特殊設計,將干涉儀放在兩個落體的中間,參考側(cè)和測量側(cè)誤差疊加，則有：
gη＝2δg+ηh(7)
由公式(5)、(6)、(7)得：
gcu+gcd＝2g0u+gη(8)
由此獲得沒有振動干擾誤差的絕對重力加速度真值：
根據(jù)以上公式，本發(fā)明實施例提供了一種雙自由落體的絕對重力測量光學系統(tǒng)，其光路參考圖1，將真空艙分為上下兩部分，在上、下兩個真空室1、2內(nèi)分別設置一個完全相同的落體棱鏡，即上落體棱鏡3和下落體棱鏡4，兩落體棱鏡距離h為100cm，相對設置。
驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動落體機構(gòu)中的兩個落體棱鏡同時做自由落體運動；
激光發(fā)射裝置的激光光源經(jīng)過第一分光鏡后被分為兩束光，一束入射第六分光鏡，另一束光經(jīng)過第一反射鏡后入射第二分光鏡；
上、下兩真空室對應的第一干涉系統(tǒng)和第二干涉系統(tǒng)的兩條光路原理一致。
第一干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡11、第二分光鏡12、第三分光鏡13、第四分光鏡14、第一反光鏡21、第二反光鏡22、參考棱鏡31和第一光電接收器41，各元件的位置關系滿足以下的光線傳輸路徑：激光源發(fā)出一條激光，經(jīng)過第一分光鏡11后被分為兩束光，其中一束光經(jīng)過第一反射鏡21后入射第二分光鏡12，光在第二分光鏡12表面再次被分為兩束光，其中反射光經(jīng)上真空室1中上落體棱鏡3和參考棱鏡反射后，再通過第二反光鏡22和第四分光鏡14的反射，最終與第一分光鏡11的透射光交匯于第三分光鏡13，形成干涉被第一光電接收器41接收。
所述第二干涉系統(tǒng)包括第一分光鏡11、第五分光鏡15、第六分光鏡16、第七分光鏡17、第四反光鏡24、參考棱鏡31和第二光電接收器42，各元件的位置關系滿足以下的光線傳輸路徑：經(jīng)過所述第一分光鏡11后被分為的兩束光中的另一束入射第六分光鏡16，激光入射第六分光鏡16后別分為兩路，一路直接透射到第七分光鏡17上，另一路經(jīng)過下落體棱鏡4、參考棱鏡31、第四反光鏡24和第五分光鏡15后與透射光形成干涉，被第二光電接收器42接收；
所述第三干涉系統(tǒng)包括第五分光鏡15和第三光電接收器43，激光通過上真空室1中上落體棱鏡3和參考棱鏡31反射的光和通過下真空室2下落體棱鏡4和參考棱鏡31反射的光最后交匯于第五分光鏡15，而在此分光鏡上形成的干涉條紋被第三光電接收器43接收。
圖1給出了一種滿足上述光線傳輸路徑的光路結(jié)構(gòu)，即在干涉儀的第一層從左至右依次斜向設置第一反光鏡21、第二分光鏡12、第三分光鏡13和第一光電接收器41。第二層從左至右依次斜向設置的第二反光鏡22、第四分光鏡14和第三反光鏡23，其中第三反光鏡23傾斜方向與第二反光鏡22和第四分光鏡14相反。第三層設置參考棱鏡31。第四層從左至右依次斜向設置的第四反光鏡24和第五分光鏡15和第三光電接收器43。第五層從左向右依次設置第一分光鏡11、第六分光鏡16、第七分光鏡17和第二光電接收器42。各個反射和透射的光路路徑和交匯點如圖1所示。
本系統(tǒng)中激光源、各分光鏡、反射鏡和參考棱鏡等均剛性連接，落體棱鏡在真空室中由同一套伺服電機控制系統(tǒng)驅(qū)動同步做自由落體運動，所以，第一光電接收器41和第二光電接收器42接收到的干涉條紋所受到的地面振動和氣壓等環(huán)境干擾無論在水平方向還是垂直方向均保持相同。
采用特殊的工藝使兩塊小的參考棱鏡的光心重合,這樣無論受到何種振動的影響,光經(jīng)過落體和棱鏡反射后入射到分光鏡上的光程與直接入射到棱鏡上的光程之間的差值基本保持不變,不影響系統(tǒng)精度。
本系統(tǒng)中單次下落試驗就可以產(chǎn)生三組不同的干涉條紋，進而求得三個不同的加速度g；第一干涉機構(gòu)和第二干涉機構(gòu)可獲得重力加速度值g1和g2，第三干涉機構(gòu)可獲得梯度值g3；帶入公式
以上對本發(fā)明所提供的一種激光雙自由落體絕對重力測量法及其光路系統(tǒng)和方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內(nèi)。