克服原子重力仪测量死区方法综述_覃方君.pdf

第51卷 第3期2023 年 3 月华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.51 No.3Mar.2023克服原子重力仪测量死区方法综述覃方君 李冬毅 李安 黄春福(海军工程大学电气工程学院，湖北 武汉 430033)摘要 原子重力仪测量死区为两次重力信息采集之间的时间间隔，有效地克服测量死区，对增强原子重力仪的应用性能具有重要意义在分析测量死区的成因以及对重力测量的影响的基础上，围绕克服测量死区的4种主要的方法进行研究分析，讨论了每种方法的特点和不足，结合本团队的最新研究成果对当前克服测量死区的方法进行了总结4种方法中，混合加速度计方法虽未能彻底清除测量死区的影响，但对于原子重力仪动态测量意义重大利用经典加速度计的测量值来克服测量死区将成为原子重力仪动态测量中最为实用的方法，既避免了对原子重力仪测量原理、测量时序、机械结构的复杂改进过程，与其他技术相比，又能够更充分利用原子重力仪的高精度特性，且可以很好地消除测量死区带来的恶劣影响，目前在国内外已经顺利开展了动态测量试验可在混合加速度计方法的基础上进一步消除重力测量死区，提升原子重力仪动态测量性能关键词 原子干涉；重力仪；重力测量；测量死区；重复频率中图分类号 P223 文献标志码 A 文章编号 1671-4512(2023)03-0132-09Summary of methods to overcome measuring dead zone of atomic gravimeterQIN Fangjun LI Dongyi LI An HUANG Chunfu(School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract The measuring dead zone by the atomic gravimeter is the time interval between two gravity information acquisitionIt is of great significance to overcome the dead zone effectively to enhance the application performance of atomic gravimeterBased on the analysis of the causes of measuring dead zone and its influence on gravity measurement，four main methods were studied and analyzed to overcome measuring dead zone，the characteristics and shortcomings of each method were discussesed，and the current methods were summarized to overcome measuring dead zone combined with the latest research results of our teamAmong the four methods，the hybrid accelerometer method is of great significance for the dynamic measurement of atomic gravimeter although it fails to completely remove the influence of measuring dead zone Using the measured value of the classical accelerometer to overcome the measuring dead zone will become the most practical method in the dynamic measurement of the atomic gravimeterCompared with other technologies，it can not only avoid the complicated improvement process of the atomic gravimeters measuring principle，measuring timing sequence and mechanical structure，but also make full use of the high precision characteristics of the atomic gravimeter，and eliminate the bad influence caused by the measuring dead zoneAt present，dynamic measurement tests have been successfully carried out at home and abroadBased on the hybrid accelerometer method，the dead zone of gravity measurement can be further eliminated to improve the dynamic measurement performance of atomic gravimeterKey words atomic interference；gravimeter；gravity measurement；measuring dead zone；repeat frequency自1988年美国科学家Clauser1结合原子干涉仪原理提出精密测量重力加速度的设想以来，原子重力仪经历了技术突破2、样机搭建3、高精度静态测量4、可搬运静态测量5、动态测量6等30多年艰DOI：10.13245/j.hust.230310收稿日期 2021-12-31作者简介 覃方君(1979-)，男，教授，E-mail：基金项目 国家自然科学基金资助项目(61873275，42074010，42274013)第 3 期覃方君，等：克服原子重力仪测量死区方法综述辛的探索过程，到目前为止，全球已有约25家单位开展原子重力仪的原理和应用研究7，如表1所示，涉及到基础物理、惯性导航、资源勘探等多个领域在惯性导航领域中，由于惯性器件的性能逐渐提升，高精度、高分辨率的重力模型数据和动态获取高精度重力数据的能力成为了提升惯性导航精度的关键因素之一8-9然而，惯性导航工作环境多为动态测量，且测量区域面积大、测量精度要求高、舰船或飞机等载具空间有限，这些限制对原子重力仪的测量性能提出了更高的要求10-11，主要体现在小型化、降噪、克服测量死区这3个方面12当前国内外研究团队对原子重力仪的小型化和降噪方法开展了大量的研究小型化方面，通过引入背景蒸汽装载12、光纤激光13、金字塔结构反射镜14-15、集成电子电路系统16等先进技术手段可以使原子重力仪的结构更加紧凑17-19；降噪方面，针对主要的噪声源振动噪声20，已经形成了以主动隔振、振动补偿为主的处理方法21-24相比之下，由于测量死区对静态重力测量过程中测量精度没有直接的影响，针对测量死区的研究鲜有报道随着近几年动态测量试验的成功开展25-26，为了实现高精度重力数据的连续采集，与重力测量原理密切相关的测量死区的影响逐渐凸显一方面，测量死区的存在会引入低频振动噪声，并且限制原子重力仪测量数据率，使得典型的测量重力的方法只适用于测量慢变或恒定的重力加速度；另一方面，若将原子重力仪应用到惯性导航领域中，测量死区的存在会使得系统丢失部分动态信息，增大导航误差27综上所述，原子重力仪测量死区的研究对实现高精度动态重力测量至关重要，在惯性导航等领域显示出良好的应用前景这里论述了测量死区的成因和克服测量死区的必要性，对克服测量死区的方法进行了研究分析和归纳总结，介绍了本团队的最新研究进展，对将来的若干研究方向进行了展望1 测量死区成因及对重力测量的影响分析 1.1原子重力仪测量基本过程以自由下落式原子重力仪为例，结构图如图1所示28原子重力仪测量重力的步骤如下所述a原子冷却与囚禁从原子源(铷泡)中释放出原子后，利用三对正交的冷却光和一对反亥姆霍兹线圈将碱金属原子团冷却囚禁在三维磁光阱中心，根据需求使原子团以向上或向下的初速度(分别对应喷泉式原子重力仪和自由下落式原子重力仪)离开磁光阱腔，随后利用偏振梯度冷却将原子表1全球原子重力仪主要研究团队国家法国法国法国德国德国意大利以色列英国墨西哥美国美国美国研究团队巴黎天文台航空航天实验室Muquans公司汉诺威大学洪堡大学Atom Sensors公司魏茨曼科学研究所Teledyne e2v公司San Lui Potosi大学斯坦福大学加利福尼亚大学伯克利分校AO Sense公司国家澳大利亚中国中国中国中国中国中国中国韩国新西兰新加坡研究团队澳大利亚国立大学中国科学院武汉物理与数学研究所浙江大学与浙江工业大学华中科技大学中国计量科学研究院航空工业北京长城计量测试技术研究所中国科学技术大学上海研究院国防科技大学国家标准与科学研究院Otago大学量子技术中心图1原子重力仪结构图(自由下落式)133华 中 科 技 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 51 卷团温度降低至几个Kb原子速度选择及态制备利用微波和拉曼光在原子团中制备出具有特定速度分布和磁不敏感态的原子c原子干涉在干涉区中，利用具有一定啁啾率的拉曼光脉冲使原子团发生分束、反射、合束，最终使原子团处于不同基态子能级的叠加态，发生内态干涉d归一化末态探测在探测区中，利用时间飞行法(TOF)对原子团中处于不同能级的原子的数目进行探测，计算出原子布居数e求取干涉条纹针对特定的拉曼脉冲间隔T，多次改变啁啾率，重复步骤ad可以得到若干数据点(一般需要 130 个)，拟合所有的数据点，得到干涉条纹f绝对重力加速度计算改变拉曼脉冲间隔T，重复步骤e得到多条干涉条纹(至少3条)，找到所有干涉条纹的共同的波谷对应的啁啾率值，即为共振啁啾率0，最后计算重力加速度g=20/keff，其中：keff 4/为拉曼光有效波矢；为拉曼光波长1.2测量死区定义及关键参数在1.1节介绍的前4个步骤中，除了步骤c原子干涉外，其他步骤都只是进行测量的准备和数据处理，其中的重力加速度信息并没有被采集测量死区就是指重力仪单次测量的工作周期内，由于原子冷却与囚禁、速度选择及态制备、归一化末态探测等阶段耗费的时间29，通常用占空比和重复频率fr来衡量占空比指的是测量过程中重力信息被采集的时间长度占总时间长度的比值，定义如下所述计Ta为单次测量周期，即完成一次步骤 ad需要的时间在Ta中，与T相比，拉曼脉冲作用时间通常可以忽略不计，因此有=(2T/Ta)100%需要注意的是，根据步骤f可知，完成一次重力测量会用到多个T值，这里规定只选用最小的T值来计算重复频率fr，也称数据率，指的是测得一个重力数据所需要的时间的倒数，由于测量死区在整个测量流程耗时中占比较大，目前原子重力仪重复频率受测量死区的影响最大假设一次测量需要N条干涉条纹，每条条纹由n个数据点拟合得到，则fr=(nNTa)-11.3测量死区对重力测量的影响分析测量死区对重力测量的不利影响主要包括以下两点a存在共振噪声由于测量死区内重力信息未被测量，重力加速度信息无法连续输出，存在一定的测量周期，此时与重复频率fr或其倍频相同的噪声就能够通过混叠效应融入重力信息中25，恶化重力仪工作性能，使得振动噪声的消除更为困难b限制测量带宽30-31以国防