本發(fā)明涉及一種激光干涉測量系統(tǒng)，尤其涉及一種用于絕對重力儀的激光三干涉測量系統(tǒng)。

背景技術：

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，只有美國等少數(shù)國家能制造。在地球物理環(huán)境、地震、石油勘探和測量等領域有廣泛應用，我國只有一臺實驗樣機，市場上沒有產品。該產品綜合使用了激光、真空、自動控制、精密機械、電子和計算機等先進技術。美國、德國等少數(shù)國家的絕對重力儀為自由下落式。我們參與設計的絕對重力儀是上拋式的，具有更高的精度和綜合性能。

目前，傳統(tǒng)的絕對重力儀均采用單個激光干涉儀來進行絕對重力加速度測量，這樣的測量方法的存在的問題是：

采用單個激光干涉的絕對重力儀需要先借助其它儀器進行重力梯度γ的測量，并將其作為已知參數(shù)輸入到絕對重力觀測軟件，才能計算得到g；

傳統(tǒng)的絕對重力儀采用單個激光干涉儀進行重力測量，當這一套測量機構發(fā)生故障時儀器便不能正常測量，使得儀器可靠性較差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點和不足，提供一種用于絕對重力儀的激光三干涉測量系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

通過兩組測量子系統(tǒng)分別測得兩個加速度g₁和g₂；

通過第三組測量子系統(tǒng)計算重力梯度γ。

具體地說，本系統(tǒng)包括被測對象——絕對重力儀，絕對重力儀包括落體機構和隔震艙；

設置有激光器組、第1干涉組件、第2干涉組件、第3干涉組件和信號采集及處理系統(tǒng)；

在落體機構的左右，分別設置有第1落體角錐部件和第2落體角錐部件；

在隔震艙內的左右，分別設置有第1隔震角錐部件和第2隔震角錐部件；

在落體機構的下方，分別設置有與激光器組連通的第1干涉組件和第2干涉組件，得到左、右輸出的第1、2干涉光，供測量用；

第3干涉組件分別與第1干涉組件和第2干涉組件連接得到第3干涉光，供修正用；

信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別與第1干涉組件、第2干涉組件和第3干涉組件的光電檢測部件連接，對干涉信號進行采集和數(shù)據(jù)處理。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

①絕對重力儀中落體的一次下落，可同時產出重力梯度γ和重力加速度g，其中g已進行梯度修正，而常規(guī)絕對重力儀需要先進行重力梯度測量，并將其作為已知參數(shù)輸入絕對重力觀測軟件，才能計算得到g。

②絕對重力儀中落體的一次下落，可同時產出兩個g，觀測效率比常規(guī)絕對重力儀提高一倍；因此，對于一定觀測數(shù)據(jù)量的要求，雙落體絕對重力儀的觀測時間減少一半；或者在同樣觀測時間內，觀測數(shù)據(jù)量多一倍。

③絕對重力儀由于有兩套完整的測量機構，因此當某套機構發(fā)生故障時，另一套仍可完成絕對重力觀測任務，只是這時需要手工輸入重力梯度參數(shù)，提高了儀器的可靠性。

總之，本發(fā)明采用獨特的三干涉激光測量結構，提高了絕對重力值的測量精度，增強了系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1本系統(tǒng)的結構示意圖；

圖中：

00—激光器組，

01—激光器，

02—激光器分束鏡，

03—激光器反射鏡；

10—第1干涉組件，

11—第1分束鏡，

12—第1落體角錐部件，

13—第1隔震角錐部件，

14—第1A反射鏡，

15—第1B反射鏡，

16—第1合束鏡，

17—第1光電檢測部件；

20—第2干涉組件，

21—第2分束鏡，

22—第2落體角錐部件，

23—第2隔震角錐部件，

24—第2A反射鏡，

25—第2B反射鏡，

26—第2合束鏡，

27—第2光電檢測部件；

30—第3干涉組件，

31—第3反射鏡，

32—第3合束鏡，

33—第3光電檢測部件；

40—信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；

50—落體機構；

60—隔震艙。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明：

一、系統(tǒng)

1、總體

如圖1，本系統(tǒng)包括被測對象——絕對重力儀，絕對重力儀包括落體機構50和隔震艙60；

設置有激光器組00、第1干涉組件10、第2干涉組件20、第3干涉組件30、和信號采集及處理系統(tǒng)40；

在落體機構50的左右，分別設置有第1落體角錐部件12和第2落體角錐部件22；

在隔震艙60內的左右，分別設置有第1隔震角錐部件13和第2隔震角錐部件23；

在落體機構50的下方，分別設置有與激光器組00連通的第1干涉組件10和第2干涉組件20，得到左、右輸出的第1、2干涉光，供測量用；

第3干涉組件30分別與第1干涉組件10和第2干涉組件20連接得到第3干涉光，供修正用；

信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)40分別與第1干涉組件10、第2干涉組件20和第3干涉組件30的光電檢測部件連接，對干涉信號進行采集和數(shù)據(jù)處理。

2、功能部件

0)激光器組00

激光器組00包括依次排列的激光器01、激光器分束鏡02和激光器反射鏡03；

激光器組00的輸出光分別為第1、2干涉組件10、20的輸入光；

其光路是：激光器01的出射光G00在激光器分束鏡02處形成的反射光G10為第1干涉組件10的輸入光；激光器01的出射光G00透過激光器分束鏡02在激光器反射鏡03的反射光G20為第2干涉組件20的輸入光。

1)第1干涉組件10

第1干涉組件10包括依次連通的第1分束鏡11、第1落體角錐部件12、第1隔震角錐部件13、第1A反射鏡14、第1B反射鏡15、第1合束鏡16和第1光電檢測部件17。

其光路是：激光器分束鏡02的反射光G10通過第1分束鏡11形成反射光G12和透射光G11；反射光G12經第1落體角錐部件12到達第1分束鏡11形成反射光G13和透射光G14；反射光G13成為第3干涉組件30的輸入光；透射光G14依次經過第1隔震角錐部件13、第1A反射鏡14和第1B反射鏡15后，與透射光G11在第1合束鏡16處完全重合，形成光束G15，G15入射到第1光電檢測部件17，當?shù)?落體角錐部件13做自由落體運動時，第1光電檢測部件17對干涉信號進行光電轉換和檢測。

第1落體角錐部件12設置于絕對重力儀落體艙。

其它功能部件均為常用部件。

2)第2干涉組件20

第2干涉組件20包括依次連通的第2分束鏡21、第2落體角錐部件22、第2隔震角錐部件23、第2A反射鏡24、第2B反射鏡25、第2合束鏡26和第2光電檢測部件27；

其光路是：激光器反射鏡03的反射光G20通過第2分束鏡21形成反射光G22和透射光G21；反射光G22經第2落體角錐部件22到達第2分束鏡21形成反射光G23和透射光G24；反射光G23成為第3干涉組件30的輸入光；透射光G24依次經過第2隔震角錐部件23、第2A反射鏡24和第2B反射鏡25后，與透射光G21在第2合束鏡26處完全重合，形成光束G25，G25入射到第2光電檢測部件27，當?shù)?落體角錐部件23做自由落體運動時，第2光電檢測部件27對干涉信號進行光電轉換和檢測。

第2隔震角錐部件23設置于絕對重力儀落體艙。

其它功能部件均為常用部件。

3)第3干涉組件30

第3干涉組件30包括依次連通的第3反射鏡31、第3合束鏡32和第3光電檢測部件33。

其光路是：反射光G13經反射鏡31后與反射光G23在第3合束鏡32處重合形成干涉光G30，干涉光G30到達第3光電檢測部件33，第3光電檢測部件33對干涉信號進行光電轉換和檢測。

4)信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)40

信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)40是一種通用的計算機，對干涉信號進行采集和數(shù)據(jù)處理。

5)落體機構50

是放置第1落體角錐部件11和第2落體角錐部件22的機械部件，用于對落體角錐進行下落控制。

6)隔震艙60

是放置第1隔震角錐部件13和第2隔震角錐部件23的機械部件，用于隔離地殼微震動和外界干擾。

3、工作機理

本系統(tǒng)中第1干涉組件10和第2干涉組件20可獨立輸出絕對重力加速度值，第3干涉組件30可輸出相對重力加速度值；三個干涉組件可輸出校正后的絕對重力加速度值。

三個干涉組件測得的自由落體運動時位移如下：

$s=s_0+v_{0}t+\frac{1}{2}{g}_0{t}^2---\left(1\right)$

式中，s、t分別是落體下落的距離和時間，s₀、v₀、g₀分別是落體的初始位置、初始速度和初始位置的重力加速度；考慮到重力梯度γ的影響，運動方程則為：

$s=s_0+v_{0}t+\frac{1}{2}{g}_0{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_0{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_0{t}^4---\left(2\right)$

對于傳統(tǒng)的絕對重力儀，需要用相對重力儀事先測得重力梯度γ，代入(2)式，然后將觀測得到的落體距離-時間數(shù)據(jù)對，用最小二乘法根據(jù)(2)式，計算得到重力加速度g。

利用本發(fā)明，可用下列原理測得重力梯度γ，直接計算重力加速度g，不需要事先測量。

當兩個落體在不同高度同步釋放，開始自由下落時，利用第1干涉組件10和第2干涉組件20分別測量雙落體的距離-時間數(shù)據(jù)對，依據(jù)上述原理計算重力加速度g；同時，利用第3干涉組件30測量雙落體之間的距離差-時間數(shù)據(jù)對，計算重力梯度γ。

利用第1干涉組件10和第2干涉組件20測得兩個落體的位移分別是：

$s_a=s_{a0}+v_{a0}t+\frac{1}{2}{g}_{a0}{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_{b0}{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_{a0}{t}^4---\left(3\right)$

$s_b=s_{b0}+v_{b0}t+\frac{1}{2}{g}_{b0}{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_{b0}{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_{b0}{t}^4---\left(4\right)$

有s_b0-s_a0＝l，v_a0＝v_b0，g_b0＝g_a0+γ·l，將(3)式減去(4)式，則可得第1干涉組件10和第2干涉組件20測量的距離差為：

$\mathrm{\Δ}s=s_b-s_a=\frac{l}{24}({\mathrm{\γ}}^2{t}^4+12{\mathrm{\γt}}^2+24)---\left(5\right)$

將第3干涉組件30測得的距離差-時間數(shù)據(jù)對，代入(5)式，可計算得到重力梯度γ，再將γ和第1干涉組件10和和第2干涉組件20得到的落體距離-時間數(shù)據(jù)對，用最小二乘法根據(jù)(2)式，便可計算得到重力加速度g。

二、使用方法

①驅動落體機構50中的第1落體角錐棱鏡12和第2落體角錐棱鏡22做自由落體運動；

②激光器組00的出射光經第1干涉組件10和第2干涉組件20分別輸出干涉信號到信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)40，分別得到絕對重力加速度值g1、g2；

③同時，第1干涉組件10和第2干涉組件20各有一束輸出光經第3干涉組件30后得到干涉信號，輸出到信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)40，得到相對重力加速度值γ；

④絕對重力加速度值g1、g2和相對重力加速度值γ經數(shù)據(jù)處理后得到最后的絕對重力值g；

⑤絕對重力加速度值g1、g2也可作為單獨的絕對重力值輸出。