华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心, 湖北武汉 430223
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。
冷原子绝对重力仪 冷原子重力梯度仪 姿态扰动 高阶灵敏度函数 cold-atom absolute gravimeter cold-atom gravity gradiometer rotation fluctuation high-order sensitivity function
航空工业北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室, 北京 100095
在原子干涉重力实验中, 拉曼激光制备常采用光学锁相环方法, 即先将主从激光器拍频信号与 6.8 GHz 微波信号源进行混频, 再与直接数字频率合成信号发生器进行鉴频鉴相, 得到的反馈信号用以控制激光器实现低噪声拉曼光输出, 而拉曼光相噪将直接影响原子干涉重力仪的灵敏度。本设计采用 STM32F103C8T6 单片机对 LMX2594数字锁相环芯片进行编程控制, 通过锁相环频率合成技术, 最终获得 6.8 GHz的微波信号源。测试结果表明, 该微波信号源相位噪声分别为 -65.2 dB@1 Hz、-95.3 dB@1 kHz, 频率稳定度为 2.72 × 10-11@1 s, 输出功率大于10 dBm。在脉冲间隔时间为 100 ms 时, 信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为 8 × 10-8 m/s2/Hz1/2, 分辨率影响为 2 × 10-8 m/s2@600 s, 具有频率稳定度高、相位噪声低等优点, 可以满足原子干涉重力实验。
量子光学 原子干涉重力仪 微波信号源 相位噪声 锁相环 quantum optics atom interference gravimeter microwave signal source phase noise phase-looked loop
东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
针对捷联式海空重力仪开展初始误差补偿研究, 重力仪开机后其数据存在一个逐渐稳定的过程, 估计出初始段的不稳定值与稳定值间的误差, 实现重力数据误差补偿。该文提出了长短期记忆网络法, 该方法可通过不断学习现有数据后高精度地预测未来数据变化。经过实测重力测量数据验证了该方法具有很好的误差补偿效果, 提高了重力测量数据的准确性和有效性。实验结果表明, 对于重力数据初始段测量误差抑制效果超过90%, 对于捷联式海空重力仪作业运行效率具有重要价值。
重力仪 初始段 长短期记忆网络 误差补偿 gravimeter initial stage long-term and short-term memory network error compensation
1 首都师范大学物理系, 北京 100089
2 中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所, 北京 100029
介绍了一种自主搭建的测量落体在自由下落过程中旋转角速度的装置,评估了不同落体旋转角速度引入的旋转误差对重力测量的影响。针对具有旋转初速度的落体在真空腔内自由下落的运动模型,该装置采用光杠杆原理,将高精度位置传感器(PSD)作为光跟踪设备,研究并推导出落体由旋转所导致的反射光位移与下落时间的关系。然后,对PSD采集记录的时间位移曲线进行拟合,求解落体单次下落的旋转角速度值。在调整真空腔垂直度后,最大旋转角速度值可减小为16.88 mrad/s,引入的重力测值不确定度为0.57 μGal,即该状态下落体的释放更加平稳。实验表明,该装置不仅可以进一步提升绝对重力仪中落体传动机构的装调精度,还可以对光学干涉绝对重力仪工作过程中的落体姿态进行监测,进一步降低落体旋转所引入的测量不确定度。
测量 计量仪器 光学干涉绝对重力仪 落体旋转误差 光杠杆原理 角速度测量
1 华中科技大学-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430074
2 华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心， 湖北 武汉 430223
为了满足海空重力场测量、资源勘探、惯性导航与定位等野外绝对重力测量需求，小型化、可移动和高鲁棒性是工程化原子干涉重力仪的重要发展方向。分析了原子干涉重力仪的原理和结构特点，总结了原子重力仪的主流分类和发展趋势。具体分析了基于可移动原子重力仪的可搬运、车载、机载、电梯运载和船载绝对重力测量试验的原理及目前达到的精度指标。对应用于不同运动载体的可移动重力仪的技术特点和主要指标进行了比较，并初步探讨了用于野外测试的可移动原子重力仪发展方向和应用前景。
冷原子 原子干涉仪 原子重力仪 可移动 绝对重力测量 cold atom atom interferometer atomic gravimeter mobile absolute gravity measurement
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 国防科技创新研究院前沿交叉技术研究中心, 北京 100010
研制了一种用于冷原子重力仪的集成化、低相噪、多通道微波频率综合器。利用锁相环技术,将100 MHz晶振锁定到10 MHz晶振上,改善了100 MHz晶振近端的相位噪声,使输出至后级倍频链路的100 MHz信号的相位噪声同时具备10 MHz及100 MHz晶振的优点。通过搭建超低相噪倍频链路,得到 87Rb原子基态跃迁所需的6.834 GHz微波信号。通过互相关法测量得到在频偏为1 Hz和10 kHz处的相位噪声分别为-60 dBc/Hz和-120 dBc/Hz,其频率分辨率为1.42×10 -6 Hz,并评估了其相位噪声对冷原子重力仪测量分辨率的影响。该微波频综方案具有普适性,可广泛应用于原子钟和干涉仪等量子精密测量领域。
测量与计量 精密测量 微波频综 低相噪 锁相环 冷原子重力仪 中国激光
2021, 48(23): 2311001
1 中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所, 北京 100029
2 国家市场监管总局时间频率计量基准重点实验室, 北京 100029
绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪。1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪。中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革。
原子与分子物理学 重力加速度 绝对重力测量 绝对重力仪 光学干涉 激光冷却 原子干涉
东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
为了满足水下运载体长航时、高精度、低成本的导航需要, 提出由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、计程仪、深度计、光纤陀螺捷联式重力仪和数字重力异常图组成的捷联式重力无源导航系统。运载体的位置由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统给出; 光纤陀螺捷联式重力仪、计程仪和深度计组成水下捷联式重力测量系统, 以激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统提供的位置信息、计程仪提供的速度信息和深度计提供的水深信息作为观测量, 应用扩展卡尔曼滤波计算出东、北、天坐标系下加速度计比力值, 使用低通滤波实时获得重力值和重力异常值。根据存贮在计算机中的数字重力异常图, 运用相关极值法, 计算得到运载体位置。2019年底, 捷联式重力无源导航系统进行了长时间船载试验, 对该系统试验数据进行了离线处理。试验结果表明, 在匹配海域内, 运载体位置误差小于1个重力异常图格网大小。
旋转捷联惯导系统(SINS) 捷联式重力仪 重力异常图 重力无源导航 rotating strapdown inertial navigation system(SINS strapdown gravimeter gravity anomaly map gravity passive navigation
