基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量系統(tǒng)，設(shè)置有上下對稱的干涉儀，所述干涉儀包括固定棱鏡、活動棱鏡和分光鏡，通過相同頻率的激光光源照射所述干涉儀分別發(fā)生干涉；上、下活動棱鏡設(shè)置在同一個落體內(nèi)，上、下活動棱鏡的光心相距預(yù)定距離，在垂直方向上落體質(zhì)心位于兩個所述光心中間。本系統(tǒng)能夠消除落體偏擺對自由落體絕對重力測量精度的影響。本發(fā)明同時還提供了一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量方法。
【專利說明】基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量方法，本發(fā)明還涉及一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量系統(tǒng)，屬于高精度絕對重力測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]精確的重力值g在大地測量、地球物理和精密計量等領(lǐng)域具有極其重要的意義。目前國際上多數(shù)國家均采用“自由下落”法進(jìn)行絕對重力測量，其測量原理是在高真空環(huán)境下，通過測量落體在豎直方向自由下落運(yùn)動過程中所經(jīng)歷的時間和距離，根據(jù)牛頓第二定律計算得到重力值g。
[0003]經(jīng)典自由落體絕對重力測量系統(tǒng)采用銣(或銫)原子頻標(biāo)作為時間測量標(biāo)準(zhǔn)，用高穩(wěn)定度的激光作為長度測量標(biāo)準(zhǔn)，基于邁克爾遜干涉儀原理實現(xiàn)精確地測距。如圖1所示，干涉儀的兩個棱鏡一個安裝在落體內(nèi)，作為可動反射面，另一個則固定在干涉儀上，作為固定反射面。激光器發(fā)射的一束激光經(jīng)分光后，分別經(jīng)可動反射面和固定反射面反射后再次重合，發(fā)生干涉，干涉光的波形圖如圖2所示。落體下落時，使得經(jīng)可動反射面反射的光束的光程發(fā)生變化，引起兩束光的相位差發(fā)生變化，每下落半波長的距離，干涉光會出現(xiàn)一次明暗變化，根據(jù)記錄的干涉條紋數(shù)可以實現(xiàn)精確的長度測量。測量時，預(yù)先設(shè)定固定的條紋數(shù)，根據(jù)過零點(diǎn)來計算條紋數(shù)，用高分辨率的時間間隔測量儀測量出相應(yīng)條紋變化過程對應(yīng)的微小時間段，從而獲得下落物體的自由落體運(yùn)動過程中多組時間和距離的參數(shù)，最后通過數(shù)學(xué)多項式擬合，即可計算得到重力值g。
[0004]但是，干涉儀中固定的棱鏡在落體下落過程中會受到來自地面的垂直方向振動的影響，影響絕對重力儀測量精度?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用超長彈簧或長周期地震計來隔離地面的振動，或利用長周期地震儀拾取地面振動情況，對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ蟠筇岣吡酥亓χ礸的測量精度。
[0005]此外，高精度重力測量還會受偏擺(在下落過程中落體圍繞自身質(zhì)心的旋轉(zhuǎn))的影響，該現(xiàn)象是因為干涉儀中做自由落體運(yùn)動的活動棱鏡的光心無法和落體的質(zhì)心做到完全重合，所以在下落過程中落體會偏擺。這種影響不易消除，而且依賴于時間，會隨著落體和托盤之間的磨損日趨惡化，給測量帶來系統(tǒng)誤差。通常利用加工方法反復(fù)調(diào)校使得落體中反射棱鏡的光心和落體質(zhì)心盡量重合，來減小偏擺的影響，但是這樣對加工方法要求很高，而且需要反復(fù)測量、調(diào)校才能加工得到合適的落體。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量方法，能夠消除落體偏擺對自由落體絕對重力測量精度的影響。本發(fā)明同時還提供了一種基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0008]基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量系統(tǒng)，設(shè)置有上下對稱的干涉儀，所述干涉儀包括固定棱鏡、活動棱鏡和分光鏡，通過相同頻率的激光光源照射所述干涉儀分別發(fā)生干涉；上、下活動棱鏡設(shè)置在同一個落體內(nèi)，上、下活動棱鏡的光心相距預(yù)定距離，在垂直方向上落體質(zhì)心位于兩個所述光心中間。
[0009]進(jìn)一步，所述上、下活動棱鏡的光心相距< 5mm。
[0010]進(jìn)一步，所述測量系統(tǒng)對上干涉儀和下干涉儀的固定棱鏡采用主動隔震方法或地震計振動修正方法來消除隨機(jī)的地面振動擾動的影響。
[0011]進(jìn)一步，所述落體采用鋼帶式落體控制裝置進(jìn)行自由落體運(yùn)動控制。
[0012]使用上述測量系統(tǒng)所進(jìn)行的自由落體絕對重力測量方法，對所述系統(tǒng)采用隔振或振動補(bǔ)償方法的條件下進(jìn)行測量，或?qū)Χ啻螠y量結(jié)果取平均，以消除隨機(jī)的地面振動擾動的影響；采用相同頻率的激光同時照射上、下干涉儀分別發(fā)生干涉，對干涉光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分別得到單次下落的重力值gji gT，進(jìn)行多次下落測量并計算得到平均值?Ρ?ν;利用雙干涉儀在相同測量點(diǎn)進(jìn)行多次測量的結(jié)果擬合出上、下活動棱鏡光心與落體質(zhì)心的距離比；根據(jù)單次下落的重力值gji gT以及所述距離比進(jìn)行計算得到該測量點(diǎn)消除偏擺影響后的絕對重力真值g。。
[0013]進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中的落體下落過程中，上、下活動棱鏡的光心圍繞落體質(zhì)心旋轉(zhuǎn)會使得光心在豎直方向受一個附加的向心力作用，測得的加速度結(jié)果包含附加的垂直方向加速度值為
[0014]ga = ω 2Rsin ( Y 0+ω?)(I)
[0015]其中，ω、R和Ytl分別為落體角速度、光心-質(zhì)心間的距離和光心-質(zhì)心與水平面的初始夾角；落體下落過程中偏轉(zhuǎn)的角度很小，上式可簡化為
[0016]δω = ω\(2)
[0017]其中Iitl為光心-質(zhì)心垂直方向的初始高度差。
[0018]進(jìn)一步，考慮偏擺和振動的重力測量結(jié)果，某次下落過程中落體角速度為ω i，上下干涉儀同時測量的結(jié)果分別為
[0019]

【權(quán)利要求】
1.基于雙干涉儀的自由落體絕對重力測量系統(tǒng)，設(shè)置有上下對稱的干涉儀，所述干涉儀包括固定棱鏡、活動棱鏡和分光鏡，通過相同頻率的激光光源照射所述干涉儀分別發(fā)生干涉；上、下活動棱鏡設(shè)置在同一個落體內(nèi)，上、下活動棱鏡的光心相距預(yù)定距離，在垂直方向上落體質(zhì)心位于兩個所述光心中間。
2.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述上、下活動棱鏡的光心相距<5mm。
3.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)對上干涉儀和下干涉儀的固定棱鏡采用主動隔震方法或地震計振動修正方法來消除隨機(jī)的地面振動擾動的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，所述落體采用鋼帶式落體控制裝置進(jìn)行自由落體運(yùn)動控制。
5.使用權(quán)1-4任一項所述測量系統(tǒng)所進(jìn)行的自由落體絕對重力測量方法，其特征在于，對所述系統(tǒng)采用隔振或振動補(bǔ)償方法的條件下進(jìn)行測量，或?qū)Χ啻螠y量結(jié)果取平均，以消除隨機(jī)的地面振動擾動的影響；采用相同頻率的激光同時照射上、下干涉儀分別發(fā)生干涉，對干涉光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分別得到單次下落的重力值8±和gT，進(jìn)行多次下落測量并計算得到平均值|^和1;利用雙干涉儀在相同測量點(diǎn)進(jìn)行多次測量的結(jié)果擬合出上、下活動棱鏡光心與落體質(zhì)心的距離比；根據(jù)單次下落的重力值8±和gT以及所述距離比進(jìn)行計算得到該測量點(diǎn)消除偏擺影響后的絕對重力真值go。
6.如權(quán)利要求5所述的測量方法，其特征在于，所述系統(tǒng)中的落體下落過程中，上、下活動棱鏡的光心圍繞落體質(zhì)心旋轉(zhuǎn)會使得光心在豎直方向受一個附加的向心力作用，測得的加速度結(jié)果包含附加的垂直方向加速度值為 ga = o2Rsin( Y0+ω?)(I) 其中，co、R和Ytl分別為落體角速度、光心-質(zhì)心間的距離和光心-質(zhì)心與水平面的初始夾角；落體下落過程中偏轉(zhuǎn)的角度很小，上式可簡化為gij= ω2ho ⑵ 其中1?為光心-質(zhì)心垂直方向的初始聞度差。
7.如權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于，考慮偏擺和振動的重力測量結(jié)果，某次下落過程中落體角速度為Qi，上下干涉儀同時測量的結(jié)果分別為
其中和Agvi分別表示落體中上、下活動棱鏡光心-質(zhì)心垂直方向的初始高度差、該點(diǎn)的絕對重力真值和地面振動引起的重力值誤差；通過隔振或振動補(bǔ)償方法、以及多次下落結(jié)果平均的方法可消除地面振動的影響，即認(rèn)為Σ Agvi~O，則η次測量結(jié)果的平均值為
兩式相比消除Σω/項可得
其中g(shù)o和K h均為常數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于，由式(7)可看出，利用雙干涉儀在相同測量點(diǎn)進(jìn)行多次測量，通過測得的多組結(jié)果可擬合出10和^;進(jìn)而，利用單次測得的I和&值，結(jié)合計算得到的^值，可計算得到測量點(diǎn)的絕對重力真值go。
【文檔編號】G01V7/14GK104199116SQ201410455839
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】馮金揚(yáng) 申請人:中國計量科學(xué)研究院