[发明专利]绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置

说明书

技术领域

本发明属于绝对重力仪技术领域，更具体地，涉及一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置。

背景技术

绝对重力仪的测量不确定度由两部分误差共同决定：测量中的随机误差和仪器本身的系统误差。其中大部分的误差源都能够被很好地独立分析、计算和测量，从而获得较为准确的不确定度。但是，有一些误差源至今只能通过理论方法进行计算分析，例如光速有限效应的影响，该项误差的大小可以达到十几μGal(1μGal＝10^-8m/s²)的量级，并且很多科学家都对这一项误差进行了理论分析和计算，但是至今仍无法达成共识。

光速有限效应是由于激光传播速度有限(尽管很大)，激光束到达光电管产生干涉信号的时刻总是延迟于激光束从自由落体的角锥棱镜处反射的时刻，这种情况下，从干涉信号中提取的角锥棱镜的位置并不是该时刻角锥棱镜的真实位置，从而引起了绝对重力测量的误差。

光速有限效应的修正的物理模型都是基于时间延迟和多普勒效应，可以将修正后的重力加速度g值表示为：其中k为修正系数，v₀表示落体角锥棱镜的初始速度，g₀表示被测量处的重力加速度，T表示落体一次所需要的总时间。理论上无论是基于时间延迟进行计算，还是基于多普勒效应进行计算，由于物理的本质都是光速有限引起的物理效应，该修正系数只可能得到唯一的数值。但是基于时间延迟的方法进行计算时，修正系数k＝3；而基于多普勒效应的方法进行计算时，修正系数k＝2。对于FG5绝对重力仪(美国Micro-g LaCoste公司生产和制造，该公司是目前唯一生产商用绝对重力仪的公司)，其落体距离约为20cm，实际用于数据拟合的落体总时间约为T＝0.17s，初速度约为v₀＝0.4m/s，则当修正系数k＝3时，光速有限效应的修正约为12μGal；而当修正系数k＝2时，该修正的大小约为8μGal。修正系数的不同可以产生4μGal的系统误差，由于重力加速度g值的真值未知，修正系数的多少将直接影响重力加速度g值的测量结果。

科学家们试图利用FG5X绝对重力仪进行实验测量光速有限效应的影响，试图证明修正系数并不是过去一直认为的k＝3，而应该修正为k＝2。该实验的最大难点是仪器的各种噪声都会进入最后的数据，从实验数据中判断和扣除其他各项误差。但是科学家们对该实验的数据分析和误差扣除目前还存在一些争议，并不认为该实验确定了光速有限效应的影响多少，也就并没有彻底解决对于该修正系数的争议。

发明内容

针对现有测试装置和实验手段的不足和该科学问题的重要性，本发明提供一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置，通过该测试装置能够直接测量绝对重力仪中光速有限效应的影响，从而解决上述关于修正系数的争议。

光程差在通常落体式绝对重力仪中都随着角锥棱镜的下落而减小，这是因为落体相对于参考棱镜的距离在减小。如果将落体替换为固连的两个对顶的角锥棱镜，即落体具有平行的上、下两个反射面，并在落体的上方增加一套激光干涉仪。这样，在落体的下落过程中，上方干涉仪中的光程差将随着落体的下落而增大。在这种情况下，两套干涉仪对应的干涉信号中，光速有限效应的符号相反，而重力加速度、地面振动和仪器的其他误差等都是共模项，从而通过差分测量的方式能够对光速有限效应进行直接的实验测量。基于以上陈述，本发明通过搭建一套创新的双光路系统，利用对顶的角锥棱镜作为落体，在其上方和下方分别构建一套激光干涉仪，利用这种双光路系统的两个干涉仪输出信号的差分来直接测量光速有限效应的影响，解决国际上关于这一问题的争议。