[发明专利]一种原子干涉重力仪动态误差监测补偿系统及方法

说明书

本发明实施例提供一种原子干涉重力仪动态误差监测补偿系统及方法，该系统包括：原子干涉重力仪和非破坏性成像单元；其中：非破坏性成像单元用于对冷原子团进行非破坏性成像，得到衍射图像；原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据衍射图像得到冷原子团分布参数，进而进行各周期重力加速度测量值的动态误差补偿和修正，同时对系统控制参数进行反馈，调整原子干涉重力仪工作状态。本发明实施例通过非破坏性成像得到冷原子团分布参数，在不影响重力测量过程的前提下，通过冷原子团分布参数对重力测量结果进行动态误差补偿和修正，对系统控制参数进行反馈以调整原子干涉重力仪工作状态，实现原子干涉重力仪动态误差监测、补偿和重力测量精度的提升。

技术领域

本发明涉及原子干涉技术领域，具体涉及一种原子干涉重力仪动态误差监测补偿系统及方法。

背景技术

地球重力场是地球质量分布、大气洋流、地球内部结构、极地运动、潮汐等等诸多重要信息的综合反映，精确测量重力加速度在地球物理、灾害预警、资源勘探、现代导航等多个领域具有广泛的应用需求。并且，随着沙漠、沼泽、山川、海洋等地区重力测量的需求日益增加，对机载、车载、船载等动态平台上的重力仪高精度测量，提出了更高的需求。

随着近30年来的发展，原子干涉技术以其高灵敏度、高精度、无长时漂移的优势在重力测量上体现出巨大的应用前景，已经具备超越经典重力仪的性能水平，并逐渐从实验室样机走向典型环境应用。

原子干涉重力仪首先通过磁光阱技术将大量碱金属(如铷Rb或铯Cs)原子囚禁并冷却；然后将冷却后的冷原子团置于重力场中做自由落体运动，并与相位相干的激光脉冲相互作用，对原子波包进行分束、反射、合束等相干操控，并实现原子干涉；最后，对冷原子团末态进行探测获得原子干涉条纹，拟合出重力加速度引起的相移，实现重力加速度测量。

目前，原子干涉重力仪样机只能工作在静态或准静态环境，无法适应复杂动态环境下的应用。从机理上分析可知，在组成原子干涉重力仪的各个模块均具备较稳定的刚性连接的前提下，自由下落的冷原子团分布参数和运动状态的不稳定是主要因素之一：冷原子团制备和释放过程受到激光功率稳定性、冷却光平衡性、激光指向、系统运动等参数抖动的影响，造成单次测量之间的差异。静态测量时，操作人员可以通过多次测量周期的平均，抑制其随机影响；但在动态测量时，对测量过程的高效率要求和平台本身的动态特性，使平均方法受到局限，使测量结果中耦合进动态误差。因此，实现动态测量误差的监测、提取和补偿，是提升重力仪精度的现实需求。

现阶段，抑制原子干涉重力仪的动态误差主要采用优化工作参数完成，即通过主/被动激光功率稳定、加强系统刚性连接稳定性等措施，这些方法受制于控制精度的限制，并不能达到很高水平，限制了动态误差抑制效果。解决上述问题的最直接方法是，确定每个测量周期中冷原子团的具体分布参数和运动状态，从而在测量结果中补偿各个周期内，因冷原子团分布参数变化导致的结果偏移，实现动态误差的补偿。通常情况下，冷原子团分布参数可以通过吸收成像或荧光成像法拟合，但是上述方法将对冷原子团造成加热和破坏，影响后续干涉测量过程，因此只能通过多个周期的测量和拟合实现冷原子团分布参数的离线表征，不能解决动态误差问题。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪动态误差监测补偿系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪动态误差监测补偿系统，包括原子干涉重力仪和非破坏性成像单元；其中：所述非破坏性成像单元设置于原子干涉重力仪的磁光阱单元下方，用于对经过原子干涉重力仪干涉腔的冷原子团进行非破坏性成像，从而获取衍射图像；所述原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据所述衍射图像得到冷原子团分布参数，根据所述冷原子团分布参数进行各周期重力加速度测量值的动态误差补偿和修正，同时对系统控制参数进行反馈，调整所述原子干涉重力仪的工作状态。