冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势

地球重力场反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化.高精度重力加速度测量可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域.冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器,它利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量.本文介绍了冷原子重力仪的发展历史、现状及趋势,详细论述了冷原子重力仪的原理、分类、装置及步骤等,并重点分析了小型化冷原子重力仪的关键技术.     

冷原子干涉仪发展现状与应用分析

基于冷原子干涉仪的量子传感器具有极高的理论精度,在自然科学的各个领域特别是重力测量和惯性传感领域有着广泛的应用。首先介绍了原子干涉仪的基本原理,在此基础上给出了基于双光子受激Raman跃迁的脉冲式Mach-Zehnder原子干涉仪的干涉相位,描述了原子干涉仪在重力仪和陀螺上的应用及其发展历程,着重分析了当前发展最成熟的原子重力仪的发展历程和趋势,指出了原子干涉仪应用的发展方向。     

原子干涉技术在惯性领域中的应用

惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。     

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。     

绝对重力仪的发展现状及重力计量体系介绍

重力测量在国防军事、地质研究、资源勘探、地球物理、地震预报及计量科学等领域有着广泛的应用.在惯性导航系统中对惯性加速度和重力加速度进行分离,可以提高惯性导航的精度.重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证,而用于直接测量重力加速度值的绝对重力仪是重力测量量值溯源和传递的主要工具和载体.以此为背景,介绍了绝对重力仪的主要技术和发展现状,从而引出绝对重力测量和重力计量体系是整个重力测量溯源到SI国际单位制,确保其测量量值准确可靠的唯一途径.最后,简单介绍了重力计量体系以及中国计量科学研究院的相关工作.     

海空重力仪的技术现状及新应用

海洋/航空重力测量是基于移动平台的动态相对重力测量,是指用有人测量船或飞机搭载重力仪或加速度计,来测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法。介绍了重力仪的应用领域,针对移动海洋/航空重力仪、海空重力仪车载试验,综合阐述了其国外、国内发展现状,指出了无人重力测量技术和深远海动态重力测量技术亟待解决的问题,分析了我国在海空重力测量领域中的发展方向。     

T-1A型高精度绝对重力仪

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）,在精密计量、大地测量、地球物理、资源勘探等领域具有广泛应用。近年来,清华大学自主研制完成T-1与T-1A型高精度绝对重力仪,采用新型的自由落体装置、激光干涉测量技术和信号处理方法,可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。本文主要介绍T-1A型高精度绝对重力仪的系统技术和测试结果,经过进一步工程化改进,该仪器有望实际应用于重力计量、地震研究等领域。     

冷原子干涉陀螺研究进展

近年来,基于激光冷却与俘获的冷原子干涉技术得到了飞速的发展,这为精密转动测量提供了新的研究方向。相比于传统陀螺,冷原子干涉陀螺具有更高的灵敏度,是新一代的惯性测量仪器。从冷原子干涉陀螺的测量原理出发,介绍了近几年国内外干涉型冷原子陀螺的实现技术路线和研究现状,对比了各技术路线的优缺点,提炼出了最佳的研制冷原子干涉陀螺的总体技术方案,为高精度和高动态测量的陀螺样机研制提供了技术基础。     

用于铷原子磁光阱的超高真空系统设计

上抛式冷原子干涉重力仪,以Rb原子作为操控介质,使其在二维磁光阱中被冷却,在三维磁光阱中装载并在干涉区内实现探测。根据重力仪对真空系统的特殊要求,对真空系统的结构和参数进行设计,完成真空泵、真空腔室结构及光学玻片等关键部件的选型及设计,设计出结构紧凑实用的超高真空系统。在后期磁光阱的装配中,提出了相应的关键工艺技术,实现了超高真空系统的组装搭建。通过差分管的设计,二维磁光阱的真空度控制在10-6Pa,三维磁光阱的极限真空度达到10-8Pa。     

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。     

重力测量技术与惯性技术之间的关系

以加速度计为代表的惯性器件技术和以惯性稳定平台为代表的惯性系统技术,极大地推动了重力仪和重力梯度仪的发展。重力测量技术的不断进步,也有效支撑惯性导航系统性能的不断提升,并牵引了惯性技术研究的不断深入。国内惯性技术领域应将重力测量仪器研制作为一项长期而重要的主题,研制过程中应充分发掘现有技术潜力加快研制进度,并注重产品小型化和轻量化设计,推进重力/重力梯度测量技术协同发展,不断提高技术水平,拓展产品应用领域,推进惯性技术的可持续发展。     

航空/海洋重力测量仪器发展综述

简要介绍了航空/海洋重力测量仪器的基本概念和分类,全面分析了其应用领域。针对航空/海洋(标量)重力仪、航空/海洋矢量重力仪和航空/海洋重力梯度仪三种类型,综合阐述了其国际、国内发展现状,指出了我国航空/海洋重力测量仪器的后续发展方向。     

速率方位平台与激光捷联惯导车载重力测量比较

目前,成熟应用的航空重力测量系统主要为两轴阻尼平台,例如LaCoste&Romberg海空重力仪,以及三轴惯导平台,例如GT-1A航空重力仪和AirGrav航空重力仪。虽然捷联式航空重力仪研制及应用尚未成熟,但通过本文对自主研制的激光捷联式与速率方位平台式航空重力仪进行的车载重力测量试验表明,两种类型重力仪样机获得的自由空间重力异常精度相当。     

激光捷联惯导车载重力测量试验

惯性导航系统中加速度计测量的比力是载体运动加速度与重力加速度的矢量和,当载体运动加速度能够被有效分离时,满足一定精度水平的惯性导航系统就可以成为动态重力仪。捷联式惯性导航系统体积小、重量轻、系统组成简单,可以在记录下惯性器件原始输出信息之后,通过离线处理过程进行数据处理和精度挖掘。本文通过对某高精度激光捷联惯导进行相应的软硬件更改,获得了兼具导航及重力测量功能的一体式动态重力仪。地面车载试验是验证动态重力仪的测量精度的有效手段之一,本文将一组高速公路重复测线的数据进行了处理和分析,结果表明在平均车速72km/hr的条件下,半波长分辨率2km,自由空间重力异常内符合精度优于1mGal。     

捷联式航空重力测量系统的数据处理方法比较与分析

重力数据处理对获取高精度重力异常值有着重要作用,是重力测量的核心技术。重力仪在搭载运动载体进行重力测量时,载体的高频振动对重力测量数据和GPS数据均会产生不可避免的干扰,导致提取的重力异常粗值含有大量高频噪声。围绕重力数据的处理方法这一核心技术,介绍了FIR低通滤波、零相移滤波、标准Kalman滤波、正反Kalman滤波4种滤波方法的基本原理,运用这4种方法处理了SAG捷联式重力仪的某次实际飞行测量数据,比对了基于SINS/GPS组合导航和SINS/DGPS组合导航的重力测量数据处理结果。通过对本次试验重复测线内符合精度进行比对,验证了4种方法的可行性和优劣性,同时验证了SAG重力仪的测量精度。     

捷联式重力仪在海洋测量中的应用与数据处理

针对海洋重力测量对重力测量系统的要求,给出了一种捷联式海洋重力仪SAG-2M,论述了系统组成、工作原理、特点和数据处理流程。利用近期获得的某海域重力测量数据,评估了捷联式重力仪精度。测量结果表明,重复测线的重力异常曲线吻合度较高,交叉点不符值精度约为1.2mGal,满足海洋重力测量的指标要求。