[发明专利]绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法有效

专利信息
申请号: 201110224531.5 申请日: 2011-08-05
公开(公告)号: CN102323624A 公开(公告)日: 2012-01-18
发明(设计)人: 王力军;胡华;伍康 申请(专利权)人: 清华大学
主分类号: G01V7/14 分类号: G01V7/14
代理公司: 中科专利商标代理有限责任公司 11021 代理人: 王波波
地址: 100084*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 绝对 重力 测量 系统 测量方法 自由落体 下落 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法,特别的,涉及采用激光干涉测量装置测量绝对重力的系统、测量方法及自由落体下落方法。

背景技术

精确测量地球表面的重力加速度(g,常用值9.81m/s2),在地球物理、测绘计量和资源勘探等领域具有重要意义和广泛应用。随着激光和时间频率技术的发展,利用激光干涉方法来测量绝对重力成为当前的主流技术方案。

现有的绝对重力测量系统主要通过激光干涉方法实现重力加速度的精密测量,其通过精确测量某物体在高真空度环境下的自由落体运动轨迹,根据测量的时间和位移数据,基于数学多项式拟合的方法计算下落物体的运动加速度,即绝对重力加速度值。

在现有的绝对重力测量系统中,真空腔内的下落物体被放置在一个支撑托盘上,支撑托盘固定在竖直方向安装的直线导轨的滑块上,支撑托盘和滑块可以沿导轨上下运动。支撑托盘通过机械传动系统,与真空腔外的马达传动系统连接。为了实现下落物体的自由落体运动,首先通过控制马达传动系统,将支撑托盘和放置在其上面的下落物体运送到真空腔的顶部位置;然后反向快速转动马达传动系统,使支撑托盘开始加速往下运动,其加速度略大于重力加速度,此时下落物体与支撑托盘分离,从而实现下落物体的自由落体运动。在真空腔的底部位置,通过控制马达传动系统,使支撑托盘减速运动,直至下落物体与支撑托盘接触,最后一起停留在真空腔的底部位置。因此,该马达传动系统可以重复实现下落物体的自由落体运动。

但是,现有的自由落体装置通过马达的高速转动来实现下落物体的自由落体运动,马达传动系统一直处于工作状态,导致自由落体装置在测量进行期间产生较强的振动,由于重力测量系统对于装置本身的振动非常敏感,因此这种系统会影响到重力测量结果的准确度。

此外,绝对重力测量系统通常采用激光干涉测量装置来精确测量下落物体的重力加速度。为了测量下落物体的自由落体运动轨迹,目前通常采用改进型的马赫-泽德尔激光干涉测量装置。在该装置中,激光束通过分光镜,一部分激光作为测量光束,射向真空腔内的下落物体,下落物体内安装了回射棱镜,将测量光束反射回来;另一部分激光作为参考光束,射向一个放置在隔振平台上的回射棱镜,将参考光束反射回来。反射回来的测量光束和参考光束通过另一个分光镜实现合光,即可实现激光干涉测量,干涉条纹的数量与下落物体运动的位移成正比。在激光干涉测量装置中,需要精确调整测量光束的方向,使其与重力加速度方向即绝对竖直方向平行。

现有的激光干涉测量装置中,通常采用望远镜瞄准的方法来调整测量光束的竖直方向。但是,该方法需要使用多个光学器件和复杂的光路设计,这导致增加了系统的复杂度,使得调整测量光束的实际操作非常复杂,并且容易产生操作误差。因此,需要改进激光干涉测量装置的测量光束竖直方向调整单元,以简化系统结构以及调整操作,并保证较高的操作精度。

另一方面,在现有的激光干涉测量装置中,通常采用过零检测器和时间间隔分析仪获取激光干涉条纹信号的过零点特征。为了获取下落物体的自由落体运动特征,首先将激光干涉条纹信号通过一个过零检测器,检测干涉条纹信号的过零点;然后将过零点信号输入时间间隔分析仪,测量过零点之间的时间间隔。根据激光干涉测量原理,干涉条纹信号的两个相邻过零点对应着四分之一激光波长的运动位移,因此可以得到自由落体运动轨迹的时间和位移数据,通过进一步的数学多项式拟合,即可计算重力加速度的数值。

但是,现有的激光干涉测量装置中的过零检测器和时间间隔分析仪的电路系统可能引入非线性的相位噪声,这种利用硬件电路的方法获取激光干涉条纹信号的过零点特征,可能引入非线性的相位噪声,导致测量结果产生一定的偏差。

因此,有必要对现有的绝对重力测量系统进行改进,以简化系统结构,并提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法,其通过一下拉构件代替马达实现下落物体的自由落体运动,从而明显降低了马达传动系统对自由落体装置的振动影响,同时简化了系统结构。

本发明的另一目的是改进激光干涉测量装置的结构,使得测量光束的竖直方向校准更加简单精确,从而大大提高了绝对重力测量系统的测量精度,同时简化了系统校准的操作步骤。

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