[发明专利]基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器

说明书

技术领域

本发明属于重力勘测技术领域，尤其涉及一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器。

背景技术

由重力势的一阶微商（重力加速度）和二阶微商（重力梯度）可以反演得到地表以下的质量和密度的分布特征。因此重力勘测方法在资源勘探、地质结构分析和地球物理研究等领域一直发挥着非常重要的作用。

与重力加速度信号相比，重力梯度信号具有更高的空间分辨率和灵敏度；并具有9个空间张量分量（其中5个位独立分量），可进行立体成像；此外，针对重力梯度的一系列差分测量方案，可以从很大程度上抑制震动、潮汐等环境噪声对测量结果所造成的负面影响，可以获得更高的测量精度，从而也使得先测量重力梯度分布再积分恢复出重力场分布已经成为一种成熟的勘测方法。因此在很多应用领域，重力梯度仪技术相对于重力仪技术具有更重要的意义。

迄今为止，用于测量重力势一阶微商的重力仪技术已经相当成熟，主要有自由落体和原子干涉两种技术方案。其中自由落体方案已经完全实现了商业化，最具代表性的当属美国Micro-g Lacoste公司所生产的FG5型绝对重力仪和CG5型相对重力仪；原子干涉方案，是目前所达到测量精度最高的技术方案（10^-12g），其原理如文献（Measurement of Local Gravity via a Cold Atom Interferometer，L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701页，2011年）所介绍，也可简述如下：冷原子团在垂向拉曼激光脉冲的作用下发生类似光学干涉仪的分束、反射、合束过程，最终原子在两个末态路径的分布几率与拉曼激光的相对相位呈正弦关系，而重力加速度会使得原子的路径发生偏折从而感受到拉曼激光的相对相位发生变化，从而使原正弦曲线的相位发生移动，通过该相位移动即可反推出重力加速度的数值。但受限于物理系统可搬运技术、激光系统及电子控制系统的集成化技术，采用原子干涉方案的重力仪尚未实现商业化生产。

关于测量重力势二阶微商的重力梯度仪，在国际上除了低温超导、旋转加速度计、静电悬浮等技术方案之外，原子干涉方案也受到了人们的广泛关注。1998年，美国斯坦福大学的Kasevich小组将两个原子干涉型重力仪沿垂向层叠，实现了重力梯度的测量，可参考文献（Sensitive absolute-gravity gradiometry using atom interferometry，J.M.McGuirk等，Physical Review A，第65卷，033608页，2002年）。但该测量装置实际上仍然是两个分立的重力仪，主要表现在两个重力仪的物理装置在空间上是独立的，这一方面使得其相对距离的稳定性很难保证，容易受到震动及环境噪声的影响；另一方面虽然两个重力仪共用一对拉曼激光，实现了测量的时间同步，抑制了一部分环境噪声，但在两个重力仪内部的两个原子团中间存在有两个玻璃窗口和一段空气，这就使得拉曼激光与第一（上方或下方）重力仪中的原子作用之后，与第二（下方或上方）重力仪中的原子作用之前又先后经过了两个玻璃窗口以及中间的一段空气，因此玻璃窗口的面型偏差、光洁度、平行度以及空气的震动、流动以及气压变化都会造成与两团原子相作用的拉曼激光的相对相位的不一致性和不均匀性。如前文所述，拉曼激光的相位是原子干涉条纹相位的直接来源，而重力加速度信息又是从原子干涉条纹的相位差中直接提取而得到，因此拉曼激光的相位噪声是重力加速度测量噪声的主要来源，而这两个玻璃窗口和中间的空气使得来自于拉曼激光的测量噪声无法有效的共模消除，这就使得该测量装置的重力梯度测量灵敏度和精度很难进一步提高；再次，由于使用两个分立的重力仪，因此必须使用两套独立的真空泵组来分别实现和维持两个重力仪真空容器的真空度，这使得整个测量装置的体积、重量和功耗被迫维持在一个较高的水平。

由此可见，现有技术是利用两个分立重力仪进行重力梯度测量，存在两个重力仪之间的相对位置的稳定性问题和玻璃窗口及空气间隙引入系统偏差和噪声的问题，以及测量装置过于复杂的问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器。

本发明的目的是这样实现的：