CN102323624B - 绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法。该绝对重力测量系统，包括：用于实现下落物体作自由落体运动的自由落体装置；用于测量下落物体作自由落体运动的位移的激光干涉测量装置，其采用简化的结构实现测量光束竖直方向的精确校准；以及设置在所述激光干涉测量装置和地之间的隔振平台，用于隔离地面振动对所述测量的影响。根据本发明的绝对重力测量系统，通过采用弹性的下落构件悬挂方法实现下落物体的自由落体运动，降低马达传动系统对自由落体装置的振动影响，提高重力测量结果的准确度。并且，本发明通过计算机软件计算干涉条纹信号的过零点特征，从而消除硬件电路可能导致的测量偏差。

Description

绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法

技术领域

本发明涉及一种绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法，特别的，涉及采用激光干涉测量装置测量绝对重力的系统、测量方法及自由落体下落方法。

背景技术

精确测量地球表面的重力加速度(g，常用值9.81m/s²)，在地球物理、测绘计量和资源勘探等领域具有重要意义和广泛应用。随着激光和时间频率技术的发展，利用激光干涉方法来测量绝对重力成为当前的主流技术方案。

现有的绝对重力测量系统主要通过激光干涉方法实现重力加速度的精密测量，其通过精确测量某物体在高真空度环境下的自由落体运动轨迹，根据测量的时间和位移数据，基于数学多项式拟合的方法计算下落物体的运动加速度，即绝对重力加速度值。

在现有的绝对重力测量系统中，真空腔内的下落物体被放置在一个支撑托盘上，支撑托盘固定在竖直方向安装的直线导轨的滑块上，支撑托盘和滑块可以沿导轨上下运动。支撑托盘通过机械传动系统，与真空腔外的马达传动系统连接。为了实现下落物体的自由落体运动，首先通过控制马达传动系统，将支撑托盘和放置在其上面的下落物体运送到真空腔的顶部位置；然后反向快速转动马达传动系统，使支撑托盘开始加速往下运动，其加速度略大于重力加速度，此时下落物体与支撑托盘分离，从而实现下落物体的自由落体运动。在真空腔的底部位置，通过控制马达传动系统，使支撑托盘减速运动，直至下落物体与支撑托盘接触，最后一起停留在真空腔的底部位置。因此，该马达传动系统可以重复实现下落物体的自由落体运动。

但是，现有的自由落体装置通过马达的高速转动来实现下落物体的自由落体运动，马达传动系统一直处于工作状态，导致自由落体装置在测量进行期间产生较强的振动，由于重力测量系统对于装置本身的振动非常敏感，因此这种系统会影响到重力测量结果的准确度。

此外，绝对重力测量系统通常采用激光干涉测量装置来精确测量下落物体的重力加速度。为了测量下落物体的自由落体运动轨迹，目前通常采用改进型的马赫-泽德尔激光干涉测量装置。在该装置中，激光束通过分光镜，一部分激光作为测量光束，射向真空腔内的下落物体，下落物体内安装了回射棱镜，将测量光束反射回来；另一部分激光作为参考光束，射向一个放置在隔振平台上的回射棱镜，将参考光束反射回来。反射回来的测量光束和参考光束通过另一个分光镜实现合光，即可实现激光干涉测量，干涉条纹的数量与下落物体运动的位移成正比。在激光干涉测量装置中，需要精确调整测量光束的方向，使其与重力加速度方向即绝对竖直方向平行。

现有的激光干涉测量装置中，通常采用望远镜瞄准的方法来调整测量光束的竖直方向。但是，该方法需要使用多个光学器件和复杂的光路设计，这导致增加了系统的复杂度，使得调整测量光束的实际操作非常复杂，并且容易产生操作误差。因此，需要改进激光干涉测量装置的测量光束竖直方向调整单元，以简化系统结构以及调整操作，并保证较高的操作精度。

另一方面，在现有的激光干涉测量装置中，通常采用过零检测器和时间间隔分析仪获取激光干涉条纹信号的过零点特征。为了获取下落物体的自由落体运动特征，首先将激光干涉条纹信号通过一个过零检测器，检测干涉条纹信号的过零点；然后将过零点信号输入时间间隔分析仪，测量过零点之间的时间间隔。根据激光干涉测量原理，干涉条纹信号的两个相邻过零点对应着四分之一激光波长的运动位移，因此可以得到自由落体运动轨迹的时间和位移数据，通过进一步的数学多项式拟合，即可计算重力加速度的数值。

但是，现有的激光干涉测量装置中的过零检测器和时间间隔分析仪的电路系统可能引入非线性的相位噪声，这种利用硬件电路的方法获取激光干涉条纹信号的过零点特征，可能引入非线性的相位噪声，导致测量结果产生一定的偏差。

因此，有必要对现有的绝对重力测量系统进行改进，以简化系统结构，并提高测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝对重力测量系统、测量方法及自由落体下落方法，其通过一下拉构件代替马达实现下落物体的自由落体运动，从而明显降低了马达传动系统对自由落体装置的振动影响，同时简化了系统结构。

本发明的另一目的是改进激光干涉测量装置的结构，使得测量光束的竖直方向校准更加简单精确，从而大大提高了绝对重力测量系统的测量精度，同时简化了系统校准的操作步骤。

本发明的另一目的是提供信号采集与处理装置，其通过特定算法对激光干涉测量装置测量的、反映了下落物体自由落体运动位移的激光干涉条纹信号进行采集和处理，能精确计算出下落物体的重力加速度数值，避免采用复杂的硬件电路进行信号采集和处理，提高了绝对重力测量系统的测量精度，并简化了系统结构。

根据本发明的一个方面，提供了一种绝对重力测量系统，该系统包括：自由落体装置，用于实现下落物体的自由落体运动；激光干涉测量装置，用于测量下落物体作自由落体运动的位移；隔振平台，设置在所述激光干涉测量装置和地之间，用于隔离地面振动对所述测量的影响；其中，所述自由落体装置还包括真空腔以及设置在真空腔内的下述部件：载物台，用于承载下落物体；机械运动装置，用于带动载物台上升或自由落体；保持构件，用于在载物台下落之前将载物台及其上的下落物体保持固定；下拉构件，其连接在载物台和机械运动装置的底端之间，当下落物体下落时，下拉构件向载物台施加向下的拉力，从而使下落物体保持自由落体运动。

其中，所述下拉构件的底端固定在机械运动装置的底座或真空腔的底座上。

优选的，所述下拉构件为弹簧，并且该弹簧的顶端通过一连接板固定到载物台的上部位置。

优选的，在机械运动装置的底座和顶座之间沿竖直方向设置有穿过所述弹簧的导柱，以限制弹簧在竖直方向作伸缩运动。

优选的，所述保持构件为可转动的挂钩，当载物台向上运动经过挂钩时，挂钩使载物台固定；当拨动挂钩转动时，挂钩与载物台分开，从而使载物台下落。

其中，所述机械运动装置还包括底部转轮和顶部转轮，以及缠绕在底部转轮和顶部转轮上的柔性钢丝；其中，一个转轮在马达的带动下顺时针和逆时针转动，该转轮同时带动另一个转轮和柔性钢丝运动，从而使载物台在柔性钢丝的带动下运动。

进一步，在所述柔性钢丝上还固定有第一连接件和第二连接件，当所述底部转轮沿着某一方向转动时，所述第一连接件与载物台接触，将载物台运送到真空腔的顶部；当所述底部转轮沿着相反方向转动时，所述第二连接件与保持构件接触，拨动该保持构件以释放载物台。

可选的，所述机械运动装置还包括沿竖直方向设置的直线导轨，所述载物台沿着该直线导轨作直线运动。

优选的，在下落物体内安装有回射棱镜6，用于将来自激光干涉测量装置的测量激光反射回去。

优选的，在所述隔振平台中悬挂有一参考回射棱镜7，用于将所述下落物体的回射棱镜6反射的测量激光反射到激光干涉测量装置内。

本发明的激光干涉测量装置包括：第一分光镜24，其将入射激光的一部分反射后沿水平方向传输到达第二分光镜以作为参考光束，将入射激光的另一部分沿竖直方向传输到下落物体内的回射棱镜以作为测量光束；第二分光镜25，用于将来自第一分光镜的参考光束和来自隔振平台内的参考回射棱镜的测量光束进行合光，并将合光后的激光的一部分传输到光电探测器；光电探测器27，用于将来自第二分光镜的合光后的激光的一部分转换为电信号，输出给信号采集与处理装置以计算下落物体的重力加速度。

优选的，所述激光干涉测量装置还包括一设置在第二分光镜和光电探测器之间的聚焦透镜26。

优选的，所述激光干涉测量装置还设置有光束竖直方向调节单元，该光束竖直方向调节单元包括：水平液面31，设置在与回射棱镜6对应的位置，用于将回射棱镜6反射的测量光束反射到第一分光镜24；校准回射棱镜30，用于将来自第二分光镜的激光沿原路反射到第二分光镜。

其中，所述第二分光镜25将来自第一分光镜的激光光束的一部分传输到校准回射棱镜。

可选的，所述激光干涉测量装置还包括设置在第二分光镜和校准回射棱镜之间的光阑29，当光阑29关闭时激光被挡住，当光阑29打开时激光传输到校准回射棱镜30。

本发明的绝对重力测量系统还包括信号采集与处理装置，其基于所述激光干涉测量装置测量的下落物体作自由落体运动的位移计算重力加速度。该信号采集与处理装置包括：数据采集卡，用于将光电探测器27输出的电信号转换为数字信号并输出给计算机；计算机，用于基于所述数字信号通过特定算法计算得到下落物体的重力加速度。

其中，所述计算机通过计算激光干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔得到激光干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔，进而获取下落物体的时间和位移数据，然后通过数学多项式拟合计算下落物体的重力加速度数值。

根据本发明的另一方面，提供了一种绝对重力测量方法，其基于前述的绝对重力测量系统测量下落物体的重力加速度，该方法包括以下步骤：机械运动装置将载物台及其上的下落物体运送到真空腔的顶部位置，载物台在保持构件的悬挂作用下停留在真空腔的顶部；触发保持构件，释放载物台，使下落物体作自由落体运动，马达停止转动；激光干涉测量装置产生激光干涉条纹信号，并将其转换为包含激光干涉条纹信号的电信号；数据采集卡获取所述电信号，将其转换为数字信号并输出给计算机；通过特定算法计算干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔；基于所述时间间隔计算干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔，从而得到下落物体的时间和位移数据；通过数学多项式拟合计算得到重力加速度的数值。

根据本发明的另一方面，提供了一种自由落体下落方法，该方法包括以下步骤：在载物台上放置下落物体；通过保持构件将载物台保持固定，并通过下拉构件向载物台施加向下拉力；释放保持构件，使载物台下落，并使下落物体保持自由落体运动；其中，载物台在所述下拉构件施加的向下拉力作用下，以大于重力加速度的加速度下落，从而使放置其上的下落物体保持自由落体运动。

如上所述，根据本发明的绝对重力测量系统和方法通过采用弹性的下落构件悬挂方法实现下落物体的自由落体运动，降低马达传动系统对自由落体装置的振动影响，提高重力测量结果的准确度。通过采用改进的激光干涉测量装置，能够简单而准确的校准测量光束的绝对竖直方向。并且，本发明通过采用数据采集卡获取激光干涉条纹信号，以及通过计算机软件算法得到干涉条纹信号的过零点特征，从而消除硬件电路可能导致的测量偏差。

附图说明

图1显示了本发明的绝对重力测量系统的结构示意图；

图2显示了本发明的绝对重力测量系统的具体结构图；

图3是本发明的自由落体装置的正视结构图；

图4是本发明的自由落体装置的侧视结构图；

图5是本发明的激光干涉测量装置的结构示意图；

图6是光束竖直方向调节单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1显示了本发明的绝对重力测量系统的结构示意图。

图2显示了本发明的绝对重力测量系统的具体结构图。

如图1和图2所示，本发明的绝对重力测量系统主要包括自由落体装置1、激光干涉测量装置11以及隔振平台4。

自由落体装置1用于实现物体的自由落体运动，其主要包括下述部件：真空腔1；设置在真空腔1内部的一系列机械运动装置(参见图3、图4)，其用于可重复的、稳定的实现下落物体5的自由落体运动。优选的，在下落物体5内部安装有回射棱镜6，用于将来自激光干涉测量装置11的测量光束反射回去。可选的，真空腔1连接到一离子泵2，其用于保持真空腔1内的高真空度，离子泵2与真空腔1之间通过标准的真空法兰连接，以保证连接的密封性。可选的，真空腔1还设置有真空旋转密封件3，其用于密封连接真空腔内的自由落体运动装置和真空腔外的马达。马达在外部计算机的控制下按一定的速度和方向转动，以控制下落物体5的自由落体运动。

激光干涉测量装置11用于测量下落物体作自由落体运动的位移，以计算其重力加速度值。该装置包括反射镜、分光镜、透镜和将激光干涉条纹转换为电信号的光电探测器等器件。激光干涉条纹信号反映了自由落体运动的位移、速度特征，该信号经过计算机软件算法处理，即可得到重力加速度的数值。优选的，激光干涉测量装置连接到一数据采集卡，其获取所述激光干涉条纹信号并传输给外部计算机进行处理。可选的，数据采集卡连接到一基准钟，其为数据采集提供标准的时钟参考信号。本发明中，基准钟可选的采用铷原子钟，但不限于此。

另外，本发明中在激光器和激光干涉测量装置之间还可选的设置有准直器，激光器输出的激光可以由光纤传输并通过准直器后输出给激光干涉测量装置，也可以直接输出给激光干涉测量装置以用于干涉测量。

隔振平台4设置在所述激光干涉测量装置和地之间，其用于隔离地面振动对测量的影响。如图2所示，隔振平台4中悬挂有参考回射棱镜7，用于与激光干涉测量装置配合组成光路，将下落物体的回射棱镜反射的测量激光反射到激光干涉测量装置。此外，隔振平台4还包括机械弹簧和精密控制系统。本发明中，隔振平台通常可以实现超过20秒的本征振荡周期，具有较好的隔离地面振动的效果。

此外，本发明的绝对重力测量系统可选的还包括支撑自由落体装置的支撑平台，其包括支撑自由落体装置1的支撑平台8，支撑平台8的若干个支柱9，以及设置在至少一个支柱9下端的水平调节器10，用于调节支撑平台的水平位置。本发明中，支撑平台8优选的为刚性的三角形状的平台。

可选的，本发明的绝对重力测量系统还设置有信号采集与处理装置，其基于所述激光干涉测量装置测量的下落物体作自由落体运动的位移计算重力加速度。

如图1所示，信号采集与处理装置主要包括数据采集卡和计算机。激光干涉测量装置输出的激光干涉条纹信号经转换为电信号(模拟信号)后输出给数据采集卡，数据采集卡将其转换为数字信号并输出给计算机。计算机基于特定算法计算激光干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔；根据激光干涉测量原理，激光干涉条纹信号的两个相邻过零点对应着四分之一激光波长的运动位移。因此，只要计算得到激光干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔，即可得到激光干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔。然后，根据上述从激光干涉条纹信号中获取的下落物体的时间和位移数据，通过数学多项式拟合，即可得到重力加速度的数值。可见，本发明通过采用信号采集与处理装置对反映下落物体的自由落体运动的位移的激光干涉条纹信号进行采集和处理，无需采用基于硬件电路的过零检测器和时间间隔分析仪，从而能够消除硬件电路可能导致的测量偏差。

<自由落体装置>

图3是本发明的自由落体装置的正视结构图。图4是本发明的自由落体装置的侧视结构图。下面参照图3-4说明本发明的绝对重力测量系统的结构组成。

本发明中，自由落体装置主要包括真空腔、载物台、保持构件和下拉构件，以及机械运动装置。

如图3所示，真空腔1包括顶部法兰51、顶部真空观察窗52、主腔体53、位于下部的连接腔体54、底部法兰55、底部真空观察窗56。顶部法兰51设置在真空腔1的顶部，用于密封住真空腔1的顶部开口。顶部真空观察窗52设置在顶部法兰51中，便于使用者观察真空腔的内部情况。主腔体53密封连接在顶部法兰51的下方，构成真空腔1的主体腔体。优选的，主腔体53采用铝合金材料制作，以便于降低真空腔的重量。连接腔体54密封连接在主腔体53的下方，构成真空腔1的底部腔体，并用于连接离子泵2等外部设备。优选的，连接腔体54采用不锈钢材料制作。底部法兰55设置在真空腔1的底部，用于密封住真空腔1的底部开口。底部真空观察窗56设置在底部法兰55中，便于使用者观察真空腔的内部情况。本发明中，主腔体53的材料不限于铝合金，连接腔体54的材料也不限于不锈钢材料，而是可以采用其他金属材料。

真空腔1内主要设置有机械运动装置、载物台、保持构件和下拉构件。

机械运动装置用于带动载物台作上升或自由落体运动，如图3所示，其主要包括下述部件：设置在底部法兰55上的底座，设置在底座上的底部转轮60，在底座上沿竖直方向设置的直线导轨57，设置在直线导轨57顶端的顶座，设置在顶座上的顶部转轮61，可转动的连接在底部转轮60和顶部转轮61之间的柔性钢丝62，设置在柔性钢丝62上的第一连接件63和第二连接件64。可选的，也可以不设置底座，这种情况下，底部转轮60和直线导轨57可以直接固定在底部法兰55上。

柔性钢丝62缠绕在底部转轮60和顶部转轮61上，使得底部转轮60可以带动顶部转轮61一起运动。第一连接件63和第二连接件64固定在柔性钢丝62上，当底部转轮60沿着某一方向转动时，第一连接件63与载物台接触，将载物台及其上的下落物体5运送到真空腔的顶部；当所述底部转轮沿着相反方向转动时，第二连接件64与保持构件65接触，拨动该保持构件并释放载物台，从而实现下落物体的自由落体运动。

底部转轮60通过柔性联轴器69与真空旋转密封件3连接，真空旋转密封件3可以在真空腔内部与外部之间传递转动力矩。在真空腔外部，真空旋转密封件3通过柔性联轴器70与马达71相连接。在马达71的带动下，底部转轮60可以顺时针、逆时针转动，带动真空腔内的机械运动装置转动。

载物台用于承载下落物体5，其包括下述部件：设置在导轨57上的滑块58(参考图4)，其可以沿导轨57作低摩擦的直线运动；固定在滑块58上的支撑托盘59，其也可以沿导轨57作低摩擦的直线运动。下落物体5放置在支撑托盘上59上。本发明中，下落物体5上安装了至少三个金属球珠，与支撑托盘上的至少三个V型槽相配合，使得下落物体可以稳定的、可重复的放置在支撑托盘59上。

下拉构件形成为一弹性构件，其连接在载物台和机械运动装置的底端(机械运动装置的底座或真空腔的底部法兰)之间，用于向载物台施加一向下的拉力。当物体下落时，下拉构件向下施力于载物台，使载物台的下落加速度大于重力加速度，从而使下落物体保持自由落体运动。如图4所示，下拉构件优选的形成为弹簧66，其通过水平的连接板72固定到载物台上，连接板72与弹簧66的顶端固定连接。在一个优选实施例中，弹簧66通过连接板72固定到载物台的上部位置。弹簧66沿竖直方向设置，其底端固定在机械运动装置的底座或真空腔的底部法兰55上。优选的，在机械运动装置的底座和顶座之间还沿竖直方向设置有穿过弹簧66的导柱67，该导柱67优选的穿过弹簧66的中心线，其用于限制弹簧66只能在竖直方向作伸缩运动。在一个优选实施例中，该导柱优选的采用金属导柱。由于载物台上部的连接板72与弹簧66顶端连接，当载物台沿导轨57上下运动时，带动弹簧66沿着导柱67作伸缩运动。

保持构件用于在载物台下落之前将载物台和下落物体保持固定，当保持构件不再保持载物台时，载物台及其上面的下落物体自由下落。如图4所示，在机械运动装置的顶座上设置有形成为钩状物的保持构件65，优选的形成为一可转动的挂钩，其与设置在载物台上部位置的定位销68配合，以将载物台保持固定。具体来说，当载物台向上运动经过挂钩时，挂钩勾住载物台的定位销68从而使载物台固定，马达71停止转动。因此，在保持构件的悬挂作用下，载物台和下落物体5停留在真空腔1的顶部位置。此时，与载物台连接的弹簧66处于被拉伸的状态，产生一个竖直向下的拉力。然后，当拨动挂钩转动时，挂钩与载物台分开，从而使载物台及其上的下落物体5自由下落。在一个实施例中，可以设置为通过计算机指令控制拨动挂钩转动，使挂钩与载物台分开，优选的，可以从侧面向上拨动挂钩转动。

此外，如图2所示，在下落物体5内部安装有回射棱镜6，其随着下落物体5一起运动，用于将来自激光干涉测量装置11的测量光束反射回去，以测量下落物体5的运动加速度。

下面详细介绍本发明的自由落体装置实现下落物体的自由落体运动的方式。

首先，将载物台运送至真空腔的顶部位置并固定住载物台；

如图4所示，外部计算机控制马达71转动，使得第一连接件63向上运动，与支撑托盘59接触并带动支撑托盘59向上运动，将支撑托盘59和放置在其上面的下落物体5运送至真空腔1的顶部位置。

到达顶部位置后，支撑托盘59的定位销68与保持构件65接触并被保持构件65勾住，马达71停止转动。在保持构件65的悬挂作用下，支撑托盘59和下落物体5停留在真空腔1的顶部位置。此时，与支撑托盘59连接的机械弹簧66处于被拉伸的状态，产生一个竖直向下的拉力。

下一步，释放载物台，载物台在下拉构件的拉力作用下以大于重力加速度的加速度加速向下运动，从而使载物台上的下落物体保持向下作自由落体运动。

具体来说，控制马达71反向转动，使得第一连接件63向下运动，第二连接件64向上运动。当第二连接件64向上运动直至接触保持构件65时，保持构件65松开定位销68以释放载物台，马达71转动停止。在弹簧66的向下拉力作用下，支撑托盘59加速向下运动，其运动加速度大于重力加速度。放置在支撑托盘上的下落物体5仅受到重力的作用，当支撑托盘59加速向下运动时，下落物体5与支撑托盘59分离，从而保持自由落体运动。

然后，当支撑托盘59向下运动到真空腔1的下方位置时，弹簧66由被拉伸的状态转变为被压缩的状态，产生一个竖直向上的推力，使支撑托盘59开始作减速运动。在支撑托盘59作减速运动的过程中，支撑托盘59与作自由落体运动的下落物体5重新接触，并且一起作减速运动，直至静止停留在真空腔1的底部位置。

通过重复以上步骤，可以重复实现下落物体的自由落体运动。

如上所述，本发明通过采用下拉构件及相应的精密机械运动控制技术实现了下落物体的自由落体运动。与现有技术相比，本发明避免了采用快速转动马达传动系统实现自由落体运动。因此，可以在自由落体运动期间使马达与机械传动系统保持停止不动，降低了马达传动系统对重力测量系统的振动干扰，提高测量系统的机械稳定性和测量结果的准确度。

<激光干涉测量装置>

图5是本发明的激光干涉测量装置的结构示意图。

如图5所示，激光通过光纤21传输到激光干涉测量装置11，经过光束准直器22，准直的激光束被反射镜23反射，竖直向上传输到分光镜24。一部分激光经分光镜24反射后沿水平方向传输，作为参考光束到达分光镜25；另一部分激光继续沿竖直向上方向传输，作为测量光束进入真空腔内，到达下落物体内部安装的回射棱镜6，经反射后沿竖直向下方向传输，到达隔振平台4上安装的参考回射棱镜7，经反射后沿竖直向上方向传输，到达分光镜25。参考光束和测量光束在分光镜25进行合光，合光后的激光经过分光镜25之后，一部分激光沿水平方向传输，经过聚焦透镜26，到达光电探测器27，光信号被转换为模拟电信号；另一部分激光沿竖直向上方向传输，经过反射镜28之后沿水平方向传输，到达光阑29，当光阑29关闭时激光被挡住，当光阑29打开时激光传输到校准回射棱镜30，用于将来自分光镜25的激光沿原路反射到分光镜25，以在测量光束竖直方向调节时用于校准测量光束的竖直方向。

在进行测量任务时，回射棱镜6随着下落物体作自由落体运动，参考光束和测量光束在分光镜25进行合光后产生激光干涉现象，合光后的激光包含有参考光束与测量光束的激光干涉条纹信息，该激光干涉条纹信息反映了下落物体作自由落体运动的位移(干涉条纹的数量与下落物体运动的位移成正比)。来自分光镜25的合光光束经聚焦透镜26会聚后传输到光电探测器27，经过光电探测器27转换为电信号，传输给数据采集卡进行后续处理。在实际操作中，通过调节分光镜24和分光镜25的角度，使得激光干涉条纹信号的峰峰值较强，提高激光干涉条纹信号的信噪比，满足后续信号采集和处理的需要。

本发明中，参考光束和测量光束在分光镜25进行合光后产生的光束直径可能较大，经聚焦透镜26会聚后使光束直径变小，光束能量更加集中，从而能够提高光电探测器27的探测精度。

以下介绍本发明的激光干涉测量装置的光束竖直方向调节单元，其用于调节测量光束的竖直方向，使其无限接近于绝对竖直方向。

图6是光束竖直方向调节单元的结构示意图。

如图6所示，在激光干涉测量装置11内与回射棱镜6对应的位置设置有水平液面31，其将下落物体5内的回射棱镜6反射回来的测量光束反射到分光镜24。本发明中，水平液面31具体来说是放入容器的液体液面，液体可为酒精或其他有机溶剂，该液体液面作为绝对的水平面。在调节测量光束的过程中，光阑29处于打开状态。

调节测量光束的具体方法如下：准直的激光束被反射镜23反射，竖直向上传输到分光镜24。一部分激光继续沿竖直向上方向传输，作为测量光束进入真空腔1，到达下落物体5内的回射棱镜6，经反射后沿竖直向下方向传输，照射到水平液面31，被水平液面31反射，沿着原光路重新回到分光镜24；另一部分激光经分光镜24反射后沿水平方向传输，经过分光镜25反射后沿竖直向上方向传输，经过反射镜28反射之后沿水平方向传输，通过光阑29，到达校准回射棱镜30，经反射后沿着原光路(分别被反射镜28和分光镜25反射)重新回到分光镜24。上述两路回射的激光在分光镜24进行合光，当测量光束接近于竖直方向向上传输时，合光后可以形成激光干涉条纹。通过精细调节反射镜23以控制入射到分光镜24的激光的入射方向(即控制经分光镜24沿竖直方向传输到下落物体内的回射棱镜6的测量光束的竖直方向)，当该激光干涉条纹呈现为均匀的圆形光斑32(如图6中附图标记32所示)，则认为测量光束沿着绝对竖直方向向上传输。根据激光干涉条纹的形状特征，可以判断测量光束的竖直方向是否调整到位。

在本发明中，调整测量光束的竖直方向不需要移动原有的激光干涉测量装置的光学器件。测量光束的竖直方向调整完毕后，取出酒精容器，关闭光阑29即可。本发明提出的激光干涉测量装置及其测量光束的竖直方向调整方法，具有设计简便、光路简单、调试方便等优点，提高了激光干涉测量的稳定性和准确性。

下面结合图1-6介绍基于本发明的绝对重力测量系统的绝对重力测量方法。

在进行测量之前，首先应确认系统各部分已正确连接并工作正常；调整激光干涉测量装置的测量光束的竖直方向；以及调整激光干涉测量装置的条纹信号，使其信号峰峰值满足测量要求。

首先，机械运动装置将载物台及其上的下落物体运送到真空腔的顶部位置，载物台在保持构件的悬挂作用下停留在真空腔的顶部。

触发保持构件，释放载物台，使下落物体作自由落体运动，马达停止转动。

此时，载物台在下拉构件的向下拉力作用下以大于重力加速度的加速度向下运动，使其上的下落物体保持自由落体运动。

通过设置在下落物体内的回射棱镜反射的测量光束，激光干涉测量装置产生激光干涉条纹信号，并将其转换为包含激光干涉条纹信号的模拟电信号。

数据采集卡获取所述电信号，将其转换为数字信号并输出给计算机。

计算机通过特定算法计算干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔。

计算机通过特定算法基于所述时间间隔计算干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔，从而得到下落物体的时间和位移数据。

计算机通过数学多项式拟合计算得到重力加速度的数值。

重复前述步骤，实现重复的重力测量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (19)

1.一种绝对重力测量系统，该系统包括：

自由落体装置，用于实现下落物体的自由落体运动；

激光干涉测量装置，用于测量下落物体作自由落体运动的位移；

隔振平台,设置在所述激光干涉测量装置和地之间，用于隔离地面振动对所述测量的影响；

其中，所述自由落体装置还包括真空腔以及设置在真空腔内的下述部件：

载物台，用于承载下落物体；

机械运动装置，用于带动载物台上升或自由落体，该机械运动装置还包括底部转轮和顶部转轮，以及缠绕在底部转轮和顶部转轮上的柔性钢丝；其中，一个转轮在马达的带动下顺时针或逆时针转动，该转轮同时带动另一个转轮和柔性钢丝运动，从而使载物台在柔性钢丝的带动下运动；

保持构件，用于在载物台下落之前将载物台及其上的下落物体保持固定；

下拉构件，其连接在载物台和机械运动装置的底端之间，当下落物体下落时，下拉构件向载物台施加向下的拉力，从而使下落物体保持自由落体运动。

2.根据权利要求1所述的系统，所述下拉构件的底端固定在机械运动装置的底座或真空腔的底座上。

3.根据权利要求1所述的系统，所述下拉构件为弹簧，并且该弹簧的顶端通过一连接板固定到载物台的上部位置。

4.根据权利要求3所述的系统，在机械运动装置的底座和顶座之间沿竖直方向设置有穿过所述弹簧的导柱，以限制弹簧在竖直方向作伸缩运动。

5.根据权利要求1所述的系统，所述保持构件为可转动的挂钩，当载物台向上运动经过挂钩时，挂钩使载物台固定；当拨动挂钩转动时，挂钩与载物台分开，从而使载物台下落。

6.根据权利要求1所述的系统，在所述柔性钢丝上还固定有第一连接件和第二连接件，当所述底部转轮沿着某一方向转动时，所述第一连接件与载物台接触，将载物台运送到真空腔的顶部；当所述底部转轮沿着相反方向转动时，所述第二连接件与保持构件接触，拨动该保持构件以释放载物台。

7.根据权利要求1所述的系统，所述机械运动装置还包括沿竖直方向设置的直线导轨，所述载物台沿着该直线导轨作直线运动。

8.根据权利要求1所述的系统，在下落物体内安装有回射棱镜（6），用于将来自激光干涉测量装置的测量激光反射回去。

9.根据权利要求8所述的系统，在所述隔振平台中悬挂有一参考回射棱镜（7），用于将所述下落物体的回射棱镜（6）反射的测量激光反射到激光干涉测量装置内。

10.根据权利要求9所述的系统，所述激光干涉测量装置包括：

第一分光镜（24），其将入射激光的一部分反射后沿水平方向传输到达第二分光镜以作为参考光束，将入射激光的另一部分沿竖直方向传输到下落物体内的回射棱镜以作为测量光束；

第二分光镜（25），用于将来自第一分光镜的参考光束和来自隔振平台内的参考回射棱镜的测量光束进行合光，并将合光后的激光的一部分传输到光电探测器；

光电探测器（27），用于将来自第二分光镜的合光后的激光的一部分转换为电信号，输出给信号采集与处理装置以计算下落物体的重力加速度。

11.根据权利要求10所述的系统，所述激光干涉测量装置还包括一设置在第二分光镜和光电探测器之间的聚焦透镜（26）。

12.根据权利要求10所述的系统，所述激光干涉测量装置还设置有光束竖直方向调节单元，该光束竖直方向调节单元包括：

水平液面（31），设置在与回射棱镜（6）对应的位置，用于将回射棱镜（6）反射的测量光束反射到第一分光镜（24）；

校准回射棱镜（30），用于将来自第二分光镜的激光沿原路反射到第二分光镜。

13.根据权利要求12所述的系统，所述第二分光镜（25）将来自第一分光镜的激光光束的一部分传输到校准回射棱镜。

14.根据权利要求13所述的系统，所述激光干涉测量装置还包括设置在第二分光镜和校准回射棱镜之间的光阑（29），当光阑（29）关闭时激光被挡住，当光阑（29）打开时激光传输到校准回射棱镜（30）。

15.根据权利要求10所述的系统，还包括信号采集与处理装置，其基于所述激光干涉测量装置测量的下落物体作自由落体运动的位移计算重力加速度。

16.根据权利要求15所述的系统，所述信号采集与处理装置包括：

数据采集卡，用于将光电探测器（27）输出的电信号转换为数字信号并输出给计算机；

计算机，用于基于所述数字信号通过特定算法计算得到下落物体的重力加速度。

17.根据权利要求16所述的系统，所述计算机通过计算激光干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔得到激光干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔，进而获取下落物体的时间和位移数据，然后通过数学多项式拟合计算下落物体的重力加速度数值。

18.一种绝对重力测量方法，其基于前述权利要求1-17中任一项所述的绝对重力测量系统测量下落物体的重力加速度，该方法包括以下步骤：

机械运动装置将载物台及其上的下落物体运送到真空腔的顶部位置，载物台在保持构件的悬挂作用下停留在真空腔的顶部；

触发保持构件，释放载物台，使下落物体作自由落体运动，马达停止转动；

激光干涉测量装置产生激光干涉条纹信号，并将其转换为包含激光干涉条纹信号的电信号；

数据采集卡获取所述电信号，将其转换为数字信号并输出给计算机；

通过特定算法计算干涉条纹信号的过零点之间的时间间隔；

基于所述时间间隔计算干涉条纹信号的过零点之间的位移间隔，从而得到下落物体的时间和位移数据；

通过数学多项式拟合计算得到重力加速度的数值。

19.一种自由落体下落方法，其基于前述权利要求1-17中任一项所述的绝对重力测量系统进行物体自由落体下落，该方法包括以下步骤：

在载物台上放置下落物体；

通过保持构件将载物台保持固定，并通过下拉构件向载物台施加向下拉力；

释放保持构件，使载物台下落，并使下落物体保持自由落体运动；

其特征在于：

载物台在所述下拉构件施加的向下拉力作用下，以大于重力加速度的加速度下落，从而使放置其上的下落物体保持自由落体运动。

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