[发明专利]绝对重力测量系统及测量方法

说明书

本发明提供一种绝对重力测量系统及测量方法，所述绝对重力测量包括：自由落体装置、激光干涉测量装置、隔振平台。所述自由落体装置包括壳体、设置在所述壳体内的真空仓、以及与所述真空仓传动连接的动力装置。所述动力装置用于控制所述真空仓在竖直方向的运动。所述落体设置于所述真空仓内。所述真空仓底部设置有真空仓观察窗用于观测所述落体的自由落体运动。所述绝对重力测量系统进一步包括设置在所述壳体内的真空仓位移测量装置。所述真空仓位移测量装置包括设置于所述壳体内部的光栅尺，以及固定安装在所述真空仓外壳的读数头。所述绝对重力测量系统进一步包括空气折射率测量装置，用于测量所述壳体内部的空气折射率。

技术领域

本发明涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种绝对重力测量系统及测量方法。

背景技术

绝对重力仪是一种通过测量敏感元件对重力场的响应来计算重力加速度绝对值的仪器，在计量、测绘、地震、地球物理、资源勘探和辅助导航等领域承担着重要测量任务。绝对重力仪根据敏感元件的线度可分为两类：一类是经典自由落体绝对重力仪，它以激光器波长为长度测量参考基准、原子钟频率为时间测量参考基准，以角反射棱镜为敏感元件，使用马赫-曾德尔型激光干涉仪测量角反射棱镜在真空中的自由落体运动位移。下落棱镜每移动二分之一激光波长的距离，光电探测器探测到的光强会发生一个整周期的变化。光电探测器将该光信号转换成均值为零的电信号，通过测量其过零点时间可反推出落体运动轨迹，拟合求解重力加速度值。另一类是原子干涉绝对重力仪，它利用原子能级分布概率对重力场的响应来测量重力加速度值。

由于原子干涉重力仪技术成熟较晚、复杂度较高，目前广泛应用的绝对重力仪仍是经典自由落体绝对重力仪。Micro-g LaCoste公司在早期JILA型绝对重力仪的基础上开发出了FG-5型绝对重力仪。该重力仪采用“无拖曳下落腔技术”有效地减小了残余空气的影响，并将激光干涉仪中的参考棱镜放置在“超级弹簧(Super Spring)”中组成隔振系统，以降低地面微振动对测量结果的影响。另外，该重力仪的隔振系统与真空下落腔共线布置，满足阿贝原则，可提高测量准确度及可靠性。在此基础上开发出的FG-5X型绝对重力仪带有补偿质量块，可减小地面反弹效应对测量结果的影响。这两种仪器的不确定度可达2μGal。此外，意大利国家计量院(INRIM)研发的IMGC-02型绝对重力仪采用上抛下落的运动方式，不确定度可达9μGal。中国计量科学研究院研制NIM系列绝对重力仪，该系列仪器曾多次参与国际绝对重力仪比对，不确定度优于10μGal。本课题组于2011年自主研制出T-1型高精度绝对重力仪。该重力仪同样采用经典自由落体结构，使用弹性下拉方式实现落体释放，并用高速信号采集系统采集小型化激光干涉仪的输出信号，不确定度可达到μGal量级。为提高仪器的机动性，Micro-g公司还研发出一款A-10型便携式绝对重力仪。该重力仪通过缩小真空腔和隔振系统、简化激光干涉仪、选用小型离子泵代替原离子泵等方法，简化系统的整体结构，可快速拆装，便于在测量地点之间移动。A-10型便携式绝对重力仪的精度可达10μGal。

在上述的所有绝对重力仪里，落体的下落过程全部发生在一个体积较大的真空腔中，且一般都带有离子泵来维持腔中的真空，以减小空气阻尼、空气浮力等对落体运动的干扰。这些绝对重力仪可以在实验室环境中实现高精度测量，但其系统较为复杂、沉重，不适用于环境恶劣的野外测量。

为此，必须设计更为轻便简单、机动性和可靠性更高的绝对重力仪。虽然上述A-10型便携式绝对重力仪相比其他重力仪而言体积更小，但由于它仍使用了传统结构，体积减小有限，且运输途中仍需要离子泵来维持真空，若遇到系统断电等突发情况，就会有真空泄漏的风险。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种轻便简单、机动性和可靠性更高，适用于环境恶劣的野外测量的绝对重力测量系统及测量方法。

一种绝对重力测量系统，包括：

自由落体装置，用于实现落体的自由落体运动；

激光干涉测量装置，用于跟踪所述落体作自由落体运动以获取激光干涉条纹信号；