[发明专利]基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及原子分子物理学科中的冷原子技术领域，尤其涉及一种基于原子干涉效应的重力势三阶微商测量传感器及其方法，应用于重力勘测领域。

背景技术

大地内部的质量和密度分布直接决定了地表的重力场，同时由重力势的各阶微商也同样可以通过一系列算法反演得到大地内部质量和密度的分布特征；因此重力测量在资源勘探、地质结构分析和地下目标搜寻等事关国民经济发展的一系列重要领域一直发挥着十分重要的作用。而重力势不同阶次的微商对于异常地质体的空间灵敏度和分辨率并不相同，越高阶次的微商随埋深Z的变化越快，即具有更高的空间灵敏度，也就是说对于异常地质体的空间分辨能力就越强。

一方面，重力势的高阶微商对地球重力场的变化更加灵敏；另一方面，由于可采取实时差分的测量方案，震动、潮汐和磁场异常等因素对测量所造成的负面影响在针对高阶微商的差分测量方案中可在很大程度上被抑制掉从而使测量达到更高的精度，因此先针对高阶微商进行测量再通过积分恢复出低阶微商的勘测方案目前已被广泛使用。

迄今为止，用于测量重力势一阶微商（即重力加速度g）技术方案已经相当成熟，其中具有代表性的有宏观自由落体方案和冷原子干涉方案。其中宏观自由落体方案已经完全实现商品化，如美国Micro-g Lacoste公司所生产的采用自由落体方案的FG5型绝对重力仪和CG5型相对重力仪；而冷原子干涉方案则具有更高的测量精度（可达10^-12g）。对于重力势二阶微商即重力梯度的测量方法，在国际上也有低温超导、旋转加速度计、静电悬浮以及原子干涉等多种成熟的技术方案，并且已经开始商品化运作。我国也已经布局相关的研究工作，目前在实验室研发阶段已经取得了一系列重要进展。

如前文所述，重力势的三阶微商相对于一阶、二阶微商具有更高的空间灵敏度和分辨率，但目前在国际上尚未有研究机构提出合适的直接测量装置和测量方法。在理论上讲可以使用单个重力仪先后在不同的位置进行四次测量，或者使用四个重力仪在不同的位置进行同时测量；但前者由于没有任何抑制共模噪声和偏差的机制，所以无法超越单个重力仪自身测量精度的限制，后者虽然做到了在时间上同步，可以在一定程度上抑制外部环境共模噪声的负面影响，但对于来自重力仪自身的噪声和偏差仍然是无能为力，所以同样不能突破其自身测量的精度。使用单个重力梯度仪先后在不同的位置进行二次测量，或者使用两个重力梯度仪在两个位置进行同时测量的方案，与前面阐述的重力仪方案具有同样的弊端。

本发明所提出的重力势三阶微商测量传感器和测量方法，涉及冷原子技术领域中的激光冷却和囚禁技术、移动光学粘胶技术和基于原子干涉效应的重力测量技术。1986年美国贝尔实验室的朱棣文等人首次实现了原子的激光冷却和囚禁，开辟了冷原子物理研究的新纪元。1991年该小组采用受激拉曼跃迁的方法观测到了原子干涉效应，继而又于1998年首次实现了冷原子干涉仪并完成了绝对重力测量（High-precision gravity measurements using atom interferometry，A.Peter等，Metrologia，38卷，25页，2001年）。在国内，中国科学院武汉物理与数学研究所也早在1995年即开展了冷原子物理的研究工作并于1998年首次实现了铷原子的激光冷却和囚禁，接着于2006年和2010年分别在国内首次实现了原子干涉仪和原子干涉型重力仪原理样机（Measurement of Local Gravity via a Cold Atom Interferometer,L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701页,2011年）。