高精度絕對(duì)重力儀用光學(xué)倍頻式激光干涉系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及絕對(duì)重力測(cè)試技術(shù)，特別的，涉及一種高精度絕對(duì)重力儀用光學(xué)倍頻 式激光干涉系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)能精密檢測(cè)絕對(duì)重力測(cè)試過(guò)程中落體棱鏡的下落位置。
【背景技術(shù)】
[0002] 重力場(chǎng)是地球的基本物理場(chǎng)，高精度絕對(duì)重力觀測(cè)資料廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量學(xué)、 地球物理學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)和地震學(xué)等領(lǐng)域，同時(shí)也在軍事、航天、導(dǎo)航、資源勘探與開(kāi)發(fā)工程 領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前一般采用絕對(duì)重力儀對(duì)重力加速度進(jìn)行測(cè)量。
[0003] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中絕對(duì)重力儀利 用激光干涉技術(shù)，精確測(cè)量落體棱鏡在真空環(huán)境中自由下落時(shí)的位置時(shí)間數(shù)據(jù)（hi，ti)，再 將數(shù)據(jù)帶入自由落體運(yùn)動(dòng)方程A = % + V, + %坑2，并利用多項(xiàng)式擬合的方法得到重力加速度 的最佳估值。絕對(duì)重力儀一般由激光干涉系統(tǒng)、真空自由落體控制系統(tǒng)、超低頻垂直隔振系 統(tǒng)、高速信號(hào)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理及儀器控制系統(tǒng)五部分組成。
[0004] 激光干涉系統(tǒng)為絕對(duì)重力測(cè)試提供長(zhǎng)度基準(zhǔn)，保證測(cè)試光束與重力加速度方向一 致，是絕對(duì)重力儀的重要組成部分。
[0005] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀用激光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，激光由穩(wěn)頻 激光器發(fā)出后被第一分束器分為水平傳輸?shù)膮⒖脊馐拖蛏蟼鬏數(shù)臏y(cè)試光束，測(cè)試光束向 上被在真空腔中做自由落體運(yùn)動(dòng)的落體棱鏡反射后向下傳輸，再被安裝在超長(zhǎng)彈簧隔振系 統(tǒng)上的參考棱鏡反射后經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)整光路的平面反射鏡后與參考光束匯合于第二分束器， 產(chǎn)生干涉，光電探測(cè)器將光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于后續(xù)系統(tǒng)作數(shù)據(jù)處理。
[0006] 絕對(duì)重力儀探測(cè)確定點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度，需要保證激光干涉系統(tǒng)中測(cè)試光束與 絕對(duì)重力加速度方向平行，因此在現(xiàn)有絕對(duì)重力儀激光干涉系統(tǒng)中，均有相應(yīng)的激光豎直 方向調(diào)節(jié)單元。
[0007] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀激光干涉系統(tǒng)中激光豎直方向調(diào)節(jié)單元。如圖3所示， 在絕對(duì)重力測(cè)試開(kāi)始前，需要調(diào)節(jié)激光干涉系統(tǒng)中測(cè)試光束方向，使其與重力加速度方向 平行，一般利用水平液面反射原光路中的測(cè)試光束使其沿原路返回，并與參考光束產(chǎn)生干 涉，再利用望遠(yuǎn)系統(tǒng)觀察干涉圖像是否為均勻圓形光斑，以此判斷測(cè)試光束是否已經(jīng)調(diào)節(jié) 為豎直方向，待確定測(cè)試光束已調(diào)為豎直方向，撤去水平液面，進(jìn)行絕對(duì)重力加速度測(cè)量。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀中激光干涉系統(tǒng)測(cè)試光束在落體棱鏡及參考棱鏡間只反射 一次，對(duì)測(cè)試?yán)忡R下落距離敏感度低；同時(shí)測(cè)試光束豎直方向調(diào)節(jié)需要通過(guò)望遠(yuǎn)系統(tǒng)輔助 觀察，系統(tǒng)較為復(fù)雜，且測(cè)試光束豎直方向調(diào)節(jié)完成后需撤走水平液面才能開(kāi)始絕對(duì)重力 測(cè)試，改變了儀器的狀態(tài)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試光束的豎直方向狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了克服上述不足，本發(fā)明提供了高精度絕對(duì)重力儀用光學(xué)倍頻式激光干涉系統(tǒng) 及應(yīng)用。
[0010] 一種高精度絕對(duì)重力儀用光學(xué)倍頻式激光干涉系統(tǒng)，它包括穩(wěn)頻激光器、準(zhǔn)直擴(kuò) 束鏡、可調(diào)反射鏡、分束器、參考棱鏡、落體棱鏡、水平液面、反射棱鏡、光闌、聚焦透鏡、光電 探測(cè)器；激光由穩(wěn)頻激光器發(fā)出，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡后由可調(diào)反射鏡反射后豎直向下傳輸，再經(jīng) 分束器分為豎直向下傳輸?shù)臏y(cè)試光束和水平向右傳輸?shù)膮⒖脊馐?，其中測(cè)試光束分別經(jīng)過(guò) 參考棱鏡和落體棱鏡的多次反射后射向水平液面，然后經(jīng)水平液面反射后按原光路返回到 分束器處與經(jīng)反射棱鏡反射的參考光束匯合，產(chǎn)生干涉條紋，干涉光束經(jīng)過(guò)打開(kāi)的光闌被 聚焦透鏡匯聚于光電探測(cè)器上。
[0011] 所述的水平液面為酒精或水銀。
[0012] 所述的分束器的透射比，能使產(chǎn)生干涉時(shí)的測(cè)試光束和參考光束光強(qiáng)相等。
[0013] 一種采用所述系統(tǒng)的絕對(duì)重力儀。
[0014] -種根據(jù)所述的系統(tǒng)的應(yīng)用方法，在絕對(duì)重力測(cè)試開(kāi)始前，關(guān)閉光闌，當(dāng)入射光束 與豎直方向有一夾角Θ時(shí)，會(huì)引起測(cè)試誤差為Ag = g··^，傾斜入射光束經(jīng)過(guò)參考棱鏡與 落體棱鏡的多次反射后變?yōu)閮A角相同的光束，光束入射到水平液面上，經(jīng)反射后，出射光束 與光束分離，夾角為2 Θ，出射光束再經(jīng)過(guò)落體棱鏡和參考棱鏡的多次反射變?yōu)楣馐馐?被分束器反射后成為測(cè)試光束，測(cè)試光束與經(jīng)由反射棱鏡反射的參考光束產(chǎn)生干涉，其角 度為α = 2 Θ，在光闌面上形成等間距的干涉條紋，調(diào)節(jié)可調(diào)反射鏡，使干涉圖像變?yōu)橐坏?光強(qiáng)圓斑，這時(shí)測(cè)試光束與重力加速度方向平行，即Θ =〇,再打開(kāi)光闌，開(kāi)始絕對(duì)重力測(cè) 試，在測(cè)試過(guò)程中，可隨時(shí)關(guān)閉光闌，觀測(cè)光闌面上干涉圖像是否保持為一等光強(qiáng)圓斑來(lái)實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試光束與豎直方向是否平行，如果干涉圖像已經(jīng)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)可調(diào)反射鏡至干 涉圖像變回等光強(qiáng)圓斑，再關(guān)閉光闌，繼續(xù)絕對(duì)重力測(cè)試。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：
[0016] 1、充分利用參考棱鏡和落體棱鏡的口徑，米用光學(xué)倍頻的方式，使測(cè)試激光在參 考棱鏡和落體棱鏡之間反射N(xiāo)次，在不改變絕對(duì)重力儀其它組件的基礎(chǔ)上，可將測(cè)試精度 提高N倍；
[0017] 2、設(shè)計(jì)了一種激光干涉系統(tǒng)測(cè)試光束豎直方向調(diào)節(jié)單元，能簡(jiǎn)單有效地調(diào)節(jié)測(cè)試 光束的方向，保證其與重力加速度方向平行，同時(shí)可以在絕對(duì)重力測(cè)試過(guò)程中對(duì)測(cè)試光束 的方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀用激光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)絕對(duì)重力儀激光干涉系統(tǒng)中激光豎直方向調(diào)節(jié)單元；
[0021] 圖4是測(cè)試光束與重力加速度方向不平行引起測(cè)量誤差原理圖；
[0022] 圖5是激光干涉原理圖；
[0023] 圖6顯示了本發(fā)明的一種實(shí)施例絕對(duì)重力儀用激光干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中， 1一穩(wěn)頻激光器、2-準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、3-可調(diào)反射鏡、4一分束器、5-參考棱鏡、6-落體棱鏡、 7-水平液面、8-反射棱鏡、9 一光闌、10-聚焦透鏡、11 一光電探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 絕對(duì)重力儀利用激光干涉技術(shù)，精確測(cè)量落體棱鏡在真空環(huán)境中自由下落的位置 時(shí)間數(shù)據(jù)Oii, &)，再將其帶入自由落體公式h =? +，采用多項(xiàng)式擬合的方法得到 重力加速度的最佳估值，其干涉原理與邁克爾遜干涉儀類(lèi)似，落體棱鏡每下落λ /2 (其中 λ激光波長(zhǎng)），便產(chǎn)生一條干涉條紋。
[0026] 絕對(duì)重力儀測(cè)試確定點(diǎn)的重力加速度，需要保證測(cè)試光束與重力加速度方向平 行，如果兩者不平行，會(huì)在測(cè)量過(guò)程中引入誤差。如圖4所示，測(cè)試光束與豎直方向有一夾 角Θ時(shí)，測(cè)試誤差為= 因此絕對(duì)重力儀激光干涉系統(tǒng)必須有測(cè)試光束豎直方向 調(diào)節(jié)單元，以保證測(cè)試光束方向豎直，減小測(cè)試誤差。
[0027] 激光干涉圖像由參與干涉的光束的光程差決定，干涉條紋即等光程差軌跡，如圖5 所示，λ為干涉激光波長(zhǎng)，ω為兩干涉光束的夾角，則干涉條紋間距e = l，當(dāng)ω = 〇,即干 0) 涉光束平行，則條紋間距e趨近