CN103472495A - 基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器，属于重力勘测技术领域。本传感器包含有两个结构相同的第一、第二单元装置（A、B），其特征是第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成真空容器（1），并且第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)内部空心部分连通为一体；在真空容器（1）沿重力场方向的中轴线上，分别设置有两个对射的且指向冷原子团（c）制备区的拉曼激光光束发射器（7），两个单元装置共用一对拉曼激光光束发射器（7）。本发明使得来自于环境中和拉曼激光相位的噪声和偏差共模相消；降低物理系统的复杂程度、体积、质量和功耗。

Description

基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器

技术领域

本发明属于重力勘测技术领域，尤其涉及一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器。

背景技术

由重力势的一阶微商（重力加速度）和二阶微商（重力梯度）可以反演得到地表以下的质量和密度的分布特征。因此重力勘测方法在资源勘探、地质结构分析和地球物理研究等领域一直发挥着非常重要的作用。

与重力加速度信号相比，重力梯度信号具有更高的空间分辨率和灵敏度；并具有9个空间张量分量（其中5个位独立分量），可进行立体成像；此外，针对重力梯度的一系列差分测量方案，可以从很大程度上抑制震动、潮汐等环境噪声对测量结果所造成的负面影响，可以获得更高的测量精度，从而也使得先测量重力梯度分布再积分恢复出重力场分布已经成为一种成熟的勘测方法。因此在很多应用领域，重力梯度仪技术相对于重力仪技术具有更重要的意义。

迄今为止，用于测量重力势一阶微商的重力仪技术已经相当成熟，主要有自由落体和原子干涉两种技术方案。其中自由落体方案已经完全实现了商业化，最具代表性的当属美国Micro-g Lacoste公司所生产的FG5型绝对重力仪和CG5型相对重力仪；原子干涉方案，是目前所达到测量精度最高的技术方案（10^-12g），其原理如文献（Measurement of Local Gravity viaa Cold Atom Interferometer，L.Zhou等,Chin.Phys.Lett.第28卷,013701页，2011年）所介绍，也可简述如下：冷原子团在垂向拉曼激光脉冲的作用下发生类似光学干涉仪的分束、反射、合束过程，最终原子在两个末态路径的分布几率与拉曼激光的相对相位呈正弦关系，而重力加速度会使得原子的路径发生偏折从而感受到拉曼激光的相对相位发生变化，从而使原正弦曲线的相位发生移动，通过该相位移动即可反推出重力加速度的数值。但受限于物理系统可搬运技术、激光系统及电子控制系统的集成化技术，采用原子干涉方案的重力仪尚未实现商业化生产。

关于测量重力势二阶微商的重力梯度仪，在国际上除了低温超导、旋转加速度计、静电悬浮等技术方案之外，原子干涉方案也受到了人们的广泛关注。1998年，美国斯坦福大学的Kasevich小组将两个原子干涉型重力仪沿垂向层叠，实现了重力梯度的测量，可参考文献（Sensitiveabsolute-gravity gradiometry using atom interferometry，J.M.McGuirk等，Physical Review A，第65卷，033608页，2002年）。但该测量装置实际上仍然是两个分立的重力仪，主要表现在两个重力仪的物理装置在空间上是独立的，这一方面使得其相对距离的稳定性很难保证，容易受到震动及环境噪声的影响；另一方面虽然两个重力仪共用一对拉曼激光，实现了测量的时间同步，抑制了一部分环境噪声，但在两个重力仪内部的两个原子团中间存在有两个玻璃窗口和一段空气，这就使得拉曼激光与第一（上方或下方）重力仪中的原子作用之后，与第二（下方或上方）重力仪中的原子作用之前又先后经过了两个玻璃窗口以及中间的一段空气，因此玻璃窗口的面型偏差、光洁度、平行度以及空气的震动、流动以及气压变化都会造成与两团原子相作用的拉曼激光的相对相位的不一致性和不均匀性。如前文所述，拉曼激光的相位是原子干涉条纹相位的直接来源，而重力加速度信息又是从原子干涉条纹的相位差中直接提取而得到，因此拉曼激光的相位噪声是重力加速度测量噪声的主要来源，而这两个玻璃窗口和中间的空气使得来自于拉曼激光的测量噪声无法有效的共模消除，这就使得该测量装置的重力梯度测量灵敏度和精度很难进一步提高；再次，由于使用两个分立的重力仪，因此必须使用两套独立的真空泵组来分别实现和维持两个重力仪真空容器的真空度，这使得整个测量装置的体积、重量和功耗被迫维持在一个较高的水平。

由此可见，现有技术是利用两个分立重力仪进行重力梯度测量，存在两个重力仪之间的相对位置的稳定性问题和玻璃窗口及空气间隙引入系统偏差和噪声的问题，以及测量装置过于复杂的问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度测量传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本传感器包含有两个结构相同的第一、第二单元装置，每个单元装置包含有第一真空容器或第二真空容器、真空泵、碱金属样品、反向磁场线圈对、偏置磁场线圈、囚禁激光光束发射器、拉曼激光光束发射器和光电探测器；每个单元装置的碱金属样品设置于第一真空容器或第二真空容器中，第一真空容器或第二真空容器的内部与真空泵连通；以冷原子团制备区为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的囚禁激光光束发射器，同时以其中一对方向为轴，对称地设置有一对反向磁场线圈对；以第一真空容器或第二真空容器的中轴线为方向设置有偏置磁场线圈，另有光电探测器设置于原子团运动路径的末端；

第一真空容器和第二真空容器以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成真空容器，并且第一真空容器和第二真空容器内部空心部分连通为一体；在真空容器沿重力场方向的中轴线上，分别设置有两个对射的且指向冷原子团制备区的拉曼激光光束发射器，两个单元装置共用一对拉曼激光光束发射器，可共模消除来自于环境中的噪声和偏差。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、两个单元装置共用一对拉曼激光光束发射器，可实现两个单元装置的同步测量，以使得来自于环境中的噪声和偏差共模相消；

2、真空容器内部连为一体，使得拉曼激光在两团冷原子之间的传播路径为真空，可以彻底消除由玻璃窗口和空气间隙引入的系统测量偏差和噪声，使得来自于拉曼激光相位的测量噪声和偏差共模相消，大幅度提高测量的精度和灵敏度；

3、提高了上下两个冷原子干涉环路的相对位置的结构稳定性，抑制相对位置变化对测量带来的不稳定因素；

4、仅用一套真空泵，降低物理系统的复杂程度、体积、质量和功耗；

5、真空容器选择钛金属材料或全玻璃结构。相对于传统不锈钢材料具有更好的无磁特性，可抑制真空容器携带不均匀磁场造成激光相位偏差的累加；相对于传统铝合金材料具有更好的抗涡流特性，使测量过程中可以更快地开关磁场，提高测量的速度；

6、既可采用上抛式结构又可采用下落式结构。采用上抛式结构以加倍原子团浮空的时间，增大拉曼激光脉冲作用的间隔，提高测量的灵敏度；采用下落式结构，仅仅依靠重力来实现冷原子团的发射，减小激光系统的复杂性。

附图说明

图1为本传感器采用上抛式的结构示意图；

图2为本传感器采用下落式的结构示意图；

图3为真空容器的结构示意图；

图4为囚禁激光光束发生器的结构方框图；

图5为拉曼激光光束发生器的结构方框图；

图6为三维磁光阱示意图；

图7为三能级原子受激拉曼跃迁示意图；

图8为原子干涉示意图。

其中：

A—第一（重力敏感型原子干涉）单元装置；

B—第二（重力敏感型原子干涉）单元装置；

1—真空容器，

1.1—第一真空容器，

1.11—第一柱体，1.12—第一多面体；

1.2—第二真空容器，

1.21—第二柱体，1.22—第二多面体；

2—真空泵；

3—碱金属样品；

4—反向磁场线圈对；

5—偏置磁场线圈；

6—囚禁激光光束发生器，

6.1—第一激光器，6.2—声光移频器，6.3—光传播器；

7—拉曼激光光束发生器，

7.1—第二激光器，7.2—偏振分光器；

7.31—第一移频器，7.32—第二移频器；

7.41—第一光传播器，7.42—第二光传播器；

8—光电探测器；

a—囚禁激光光束；

b—拉曼激光脉冲对；

c—冷原子团；

d—上抛后冷原子团；

e—原子基态下能级；

f—原子基态上能级；

g—原子激发态。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1、2，本传感器包含有两个结构相同的第一、第二单元装置A、B，每个单元装置包含有第一真空容器1.1或第二真空容器1.2、真空泵2、碱金属样品3、反向磁场线圈对4、偏置磁场线圈5、囚禁激光光束发射器6、拉曼激光光束发射器7和光电探测器8；每个单元装置的碱金属样品3设置于第一真空容器1.1或第二真空容器1.2中，第一真空容器1.1或第二真空容器1.2的内部与真空泵2连通；以冷原子团c制备区为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的囚禁激光光束发射器6，同时以其中一对（图中构型为垂直纸面方向的一对，无法画出）方向为轴，对称地设置有一对反向磁场线圈对4；以第一真空容器1.1或第二真空容器1.2的中轴线为方向设置有偏置磁场线圈5，另有光电探测器8设置于原子团运动路径的末端；

第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成真空容器1，并且第一真空容器1.1和第二真空容器1.2内部空心部分连通为一体；在真空容器1沿重力场方向的中轴线上，分别设置有两个对射的且指向冷原子团c制备区的拉曼激光光束发射器7，两个单元装置共用一对拉曼激光光束发射器7，可共模消除来自于环境中的噪声和偏差。

工作机理：

1、传感器包含有两个单元装置，第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成真空容器1，其顶端和底端各安装有玻璃窗口，可使得拉曼激光脉冲对b沿该方向无阻碍地贯穿整个真空容器1。

其效果是：

1）该方案使得拉曼激光在两团冷原子之间的传播路径为真空，可以彻底消除由玻璃窗口和空气间隙引入的系统测量偏差和噪声，使得拉曼激光的绝对相位噪声共模相消，提高测量的精度和灵敏度；

2）该方案提高了上下两个冷原子干涉环路的相对位置的稳定性，抑制相对位置变化对测量带来的不稳定因素；

3）该方案可以使得整个测量装置仅用一套真空泵，降低物理系统的复杂程度、体积、质量和功耗。

2、真空容器1使用钛金属材料或全玻璃结构

其效果是：该方案使得整个传感器的无磁特性大幅度优于传统不锈钢材料，可避免整个容器携带非均匀磁场使得原子能级的赛曼劈裂发生起伏，从而导致激光相位偏差的累加；同时使得整个传感器的采样率指标优于传统铝合金材料，由于钛材料的电阻远大于铝材料，故可以减少磁场开关过程中所产生的感应涡流存在的时间，提高测量的速度。

3、采用如图1所示的上抛式结构或如图2所示的下落式结构

如图1，上抛式结构是第一真空容器1.1的第一柱体1.11和第二真空容器1.2的第二柱体1.21分别在第一多面体1.12和第二多面体1.22的上方；

其效果是：加倍原子团浮空的时间，增大拉曼激光脉冲作用的间隔，以提高测量的灵敏度。

如图2，下落式结构是第一真空容器1.1的第一柱体1.11和第二真空容器1.2的第二柱体1.21分别在第一多面体1.12和第二多面体1.22的下方；

其效果是：仅仅依靠重力来实现冷原子团的发射，以减小激光系统的复杂性。

二、功能部件

1、真空容器1

如图3，真空容器1是一种由材料为钛金属或全玻璃制成的第一真空容器1.1和第二真空容器1.2以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成的长型容器，中部窗口和真空泵2连通；要求此容器确保真空度优于10^-6Pa。

* 第一真空容器1.1

第一真空容器1.1由以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接的第一柱体1.11和第一多面体1.12组成。

** 第一柱体1.11

第一柱体1.11为空心圆柱体或方柱体，其尺寸由实际需求决定；该柱体顶部、底部和侧壁上设置有与内部空心部分连通的通光窗口，除与真空容器1的其他组成部件和真空泵2连通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。

** 第一多面体1.12

第一多面体1.12为空心的对称多面体，其中心为第一单元装置A的冷原子团c制备区，其面数和尺寸由实际需求决定；该多面体的每个面均设置了与内部空心部分连通的圆形通光窗口，除与真空容器1的其他组成部件连通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。

* 第二真空容器1.2

第二真空容器1.2由以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接的第二柱体1.21和第二多面体1.22组成；

** 第二柱体1.21

第二柱体1.21为空心圆柱体或方柱体，其尺寸由实际需求决定；该柱体顶部、底部和侧壁上设置有与内部空心部分连通的通光窗口，除与真空容器1的其他组成部件和真空泵2连通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。

** 第二多面体1.22

第二多面体1.22的结构和尺寸同第一多面体1.21，其中心为第二单元装置B的冷原子团c制备区；该多面体的每个面均设置了与内部空心部分连通的圆形通光窗口，除与真空容器1的其他组成部件连通的窗口之外，其余窗口均由玻璃密封。

2、真空泵2

真空泵2是一种通用真空获得装置，选用分子泵、离子泵或吸气剂泵。

3、碱金属样品3

碱金属样品3选用锂、钠、钾、铷和铯等碱金属元素中的一种或几种。

4、反向磁场线圈对4

反向磁场线圈对4由两个结构相同的通用线圈组成，由金属导线绕制而成；两线圈的中轴线重合，中心间距由真空容器1的结构决定；反向磁场线圈对4通过大小相等方向相反的电流，可获得对称中心为零的梯度四极磁场。

5、偏置磁场线圈5

偏置磁场线圈5是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成，可在其轴向产生均匀的恒定磁场。

6、囚禁激光光束发射器6

如图4，囚禁激光光束发射器6是一种由依次连接的第一激光器6.1、声光移频器6.2和光传播器6.3组成的光学系统，用于获取冷却和囚禁碱金属原子的激光光束。

* 第一激光器6.1

第一激光器6.1是一种输出频率与所用的碱金属原子的D₂线跃迁频率相近的连续激光器（半导体激光器、钛宝石激光器或染料激光器）；其功能是提供单模连续激光束。

* 声光移频器6.2

声光移频器6.2是一种商用声光调制器，其型号根据所需要的调制频率来选取；其功能是使激光器产生的激光频率调整到与原子跃迁的频率近共振。

* 光传播器6.3

光传播器6.3是一种通用的光纤准直透镜组（由前后连接的光纤耦合器和单模保偏光纤组成）或反射镜组；其功能是将激光束引导到真空容器1中，用于冷却和囚禁原子。

7、拉曼激光光束发射器7

如图5，拉曼激光光束发射器7是一种由第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第一移频器7.31、第二移频器7.32、第一光传播器7.41和第二光传播器7.42组成的光学系统；第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第一移频器7.31和第一光传播器7.41依次连接，得到第一拉曼激光光束；第二激光器7.1、偏振分光器7.2、第二移频器7.32和第二光传播器7.42依次连接，得到第二拉曼激光光束。

* 第二激光器7.1

第二激光器7.1是一种输出频率与所用的碱金属原子的D₂线跃迁频率相近的连续激光器（半导体激光器、钛宝石激光器或染料激光器）；其功能是提供单模连续激光束。

* 偏振分光器7.2

偏振分光器7.2是一种商用偏振分光器；其功能是将第二激光器7.1产生的激光束分成偏振方向相互垂直的两束。

* 第一移频器7.31

第一移频器7.31是一种商用的声光调制器、电光调制器或光学锁相环，其型号根据需要的调制频率来选取；其功能是使第一拉曼激光光束的频率相对于原子基态下能级e到原子激发态g的跃迁频率远失谐。

* 第二移频器7.32

第二移频器7.32是一种商用的声光调制器、电光调制器或光学锁相环，其型号根据需要的调制频率来选取；其功能是使第一拉曼激光光束的频率相对于原子基态上能级f到原子激发态g的跃迁频率远失谐。

* 第一光传播器7.41

第一光传播器7.41是一种通用的光纤准直透镜组（由前后连接的光纤耦合器和单模保偏光纤组成）或反射镜组；其功能是将激光束引导到真空容器1中，用于实现冷原子的拉曼跃迁。

* 第二光传播器7.42

第二光传播器7.42同第一光传播器7.41。

8、光电探测器8

光电探测器8是一种通用的荧光信号的测量仪器，可以是半导体光电二极管或光电倍增管。

3、工作原理

以下按照冷原子团的制备、冷原子团的发射、原子干涉及数据提取三个过程阐述本传感器的工作原理。

真空容器1内的碱土金属样品3在常温或微加热的条件下升华为稀薄的原子蒸气并充满于真空容器1内。以冷原子团c制备区域为中心对称设置有三对两两对射且相互垂直的囚禁激光光束发射器6，所发射的六束囚禁激光光束a相交于该中心。由6束囚禁激光光束a和一对反向磁场线圈对4可以构成冷却和囚禁碱金属原子的三维磁光阱，其原理图如图6所示，具体工作原理如下：

频率为ω的激光与速度为v的碱金属原子相互作用时，在激光频率ω相对于原子在基态能级和激发态能级之间的共振跃迁频率ω₀红失谐（即ω<ω₀）的条件下，激光频率越接近原子的共振频率，原子对光子的吸收率越大。由于多普勒效应，当原子的运动方向与激光的传播方向相同时，原子感受到的激光频率为ω-kv，当原子的运动方向与激光的传播方向相反时，原子感受到的激光频率为ω+kv，其中，k为激光的波矢。因此，一个具有一定初速度v的原子与一对频率相同、强度相同的对向传播的激光作用时，原子会更多的吸收传播方向与原子速度方向相反的激光，从而获得一个与原子初速度方向相反的作用力，实现原子减速。利用图6所示的三对两两对射且相互垂直的囚禁激光光束a能够实现原子的三维减速。磁光阱中的反向磁场线圈对4的中心与六束囚禁激光光束a的交点重合，其作用是产生一个中心为0，且沿三维方向强度增加的梯度磁场。由于赛曼效应会使得能级随着磁场强度的变化而发生移动，因此可以通过选择适当的跃迁磁子能级使得偏离中心的原子以更大的几率吸收指向中心的光子从而获得具有囚禁作用的回复力，使得原子被冷却和囚禁在磁光阱的中心区域，获得原子数密度足够高的冷原子团。

冷原子团制备完成之后，需要令其在重力场中做自由落体运动。本传感器可采用如图1所示的上抛式结构，或者如图2所示的下落式结构。选用下落式结构时，首先关闭由反向磁场线圈对4所产生的磁场，然后关闭全部六束囚禁激光光束，则原子可在重力的作用下实现自由下落。该结构的优点在于简便易行，不必改变激光的频率以增加激光系统的复杂性。选用上抛式结构时，首先关闭由反向磁场线圈对4所产生的磁场，然后将具有沿重力场方向向上分量的激光光束的频率调低Δf，将具有沿重力场方向向下分量的激光光束的频率调高Δf，由于多普勒效应，原子吸收具有向上方向分量的光子的几率增加，将获得值为v=λΔfsinθ的向上初速度，实现向上的发射，其中λ为激光的波长，θ为激光光束与重力方向的夹角。这种上抛式结构可以在相同的装置高度下，使原子获得加倍的浮空时间以及拉曼脉冲间隔，而拉曼脉冲之间的时间间隔直接关系到测量的灵敏度，因此该结构可以获得更高的测量精度。

冷原子团发射之后，沿重力方向做自由落体运动，在浮空过程中，下落到光电探测器8的探测区域之前，利用拉曼激光光束发射器7先后发射π/2、π、π/2三对拉曼激光脉冲对b，三对拉曼激光脉冲对b之间的时间间隔均为T。利用这种π/2-π-π/2脉冲构型，可以实现冷原子干涉仪，并用于测量本地重力加速度。具体工作原理如下：

拉曼激光脉冲对b与碱金属原子的作用可用图7所示的三能级原子与光场相互作用模型表示，其中e、f为原子两个基态子能级，g为原子激发态。拉曼激光脉冲对由频率为ω₁、ω₂的两束激光构成，该脉冲对与原子相互作用时，通过选择合适的ω₁、ω₂，使ω₁、ω₂相对于原子能级之间跃迁频率的失谐Δ＞＞Γ(Γ为原子激发态能级宽度)，可以有效抑制原子的自发辐射。因此原子只能通过对激光光子的受激吸收或受激辐射来改变其内部状态，从而构成双光子受激拉曼跃迁，并且在吸收和释放光子的过程中，原子的动量也发生变化，使得原子外部运动状态与内部能态相关联。

在Δ＞＞Γ且Δ＞＞Ω₁、Ω₂（Ω₁、Ω₂分别为构成拉曼激光脉冲对b的两束激光的拉比频率）的大失谐条件下，原子激发态g可以被绝热消除，该三能级原子等效为只有原子基态下能级e和原子基态上能级f的二能级原子，初态处于原子基态下能级e的原子与拉曼激光脉冲对b发生双光子受激拉曼跃迁作用后，原子处在原子基态下能级e和原子基态上能级f的概率分别为P_e＝(1+cosΩ_efft)/2和P_f＝(1-cosΩ_efft)/2，其中t是拉曼激光脉冲对b的作用时间，Ω_eff是拉曼激光脉冲对b的有效拉比频率。以上式子表明原子最终处于a态的概率随拉曼激光脉冲对b作用时间t的变化曲线是以Ω_eff为周期的正弦曲线，作用时间为t＝π/2Ω_eff的脉冲称为π/2拉曼激光脉冲对b，t＝π/Ω_eff的脉冲称为π拉曼激光脉冲对b。

用π/2-π-π/2构型的拉曼激光脉冲对b依次作用于初态为原子基态下能级e的原子，在不考虑地球重力场影响的条件下，原子在三对拉曼激光脉冲对b作用下的运动轨迹示意图如图8所示。第一个π/2拉曼激光脉冲对b使原子处于原子基态下能级e和原子基态上能级f的叠加态，并且在空间上将处于原子基态下能级e和原子基态上能级f的原子分开，相当于光学干涉仪中的反射镜；π拉曼激光脉冲对b使处于原子基态下能级e的原子变为原子基态上能级f，处于原子基态上能级f的原子变为原子基态下能级e，相当于光学干涉仪中的反射镜；第二个π/2拉曼激光脉冲对b使两个不同路径的原子产生干涉效应，相当于光学干涉仪中的合束，这样就构成一个冷原子干涉仪。设三对拉曼激光脉冲对b的初始相位

分别为原子与三对拉曼激光脉冲对b作用后处于原子基态下能级e和原子基态上能级f的概率分别为

和

由上述式子可以得到，原子最终处于原子基态下能级e或原子基态上能级f的概率随三对拉曼激光脉冲对b的位相变化做正弦振荡，这个正弦条纹为干涉条纹，为干涉条纹的相位。

如果考虑地球重力场的影响，原子在地球重力场中自由下落，并且三对拉曼激光脉冲对b的初始相位在空间稳定分布，脉冲之间时间间隔T相等，则干涉条纹末态相位的改变量为其中

为拉曼激光脉冲对b的有效波矢，此式表明干涉仪的末态相位只和拉曼激光脉冲对b的有效波矢

本地重力加速度

以及脉冲之间的时间间隔T有关。因此通过测量末态原子在原子基态下能级e和原子基态上能级f的布居数就能得到本地重力加速度

在π/2-π-π/2构型的原子干涉仪中，将第三个拉曼激光脉冲对b的相位变化

则末态中原子处于原子基态下能级e的概率为通过在每次干涉过程中改变不同的

可以得到一个P_e关于

的正弦曲线，拟合该正弦曲线的相位，就能够计算出重力加速度的大小和不确定度。对于两个原子干涉仪组成的重力梯度仪，我们也可以将两个干涉条纹分别拟合计算出重力值，然后相减可以得到重力梯度值，但是这样做得到的重力梯度的方差是两个单独重力仪方差的和，无法达到共模抑制条纹相位噪声的目的。为了更好的抑制两个干涉仪的共模噪声，采用椭圆拟合的方法处理数据。

椭圆拟合的原理如下：设两个干涉仪的干涉条纹分别为

和

其中为两个干涉仪的相位差。将上述两个方程消去

可以得到P_a1和P_a2的关系为

在

时上述方程是一个椭圆方程，以目标函数Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0对数据进行拟合，则两个干涉仪的相位差满足运用最小二乘拟合法得到参数A、B、C、D、E、F的值，从而得到

的值，并由

获取重力梯度的值。

上述椭圆拟合的方程中没有出现两个干涉条纹的相位

和

而只出现了条纹的相位差

由此，环境中各种对两个干涉仪末态相位起相同作用的噪声可以被有效消除。因此用椭圆拟合的方法能有效抑制两个干涉仪的共模相位噪声，提高测量的精度和灵敏度。

综上所述，本传感器与已有的利用两个分立重力仪的测量方案相比，可以消除由玻璃窗片的面型偏差、平行度偏差以及空气间隙所造成的系统测量偏差及噪声，大幅度提高测量的精度和灵敏度；此外，本传感器具有更优秀的物理结构稳定性，由于重力梯度的数值是重力差与间距的比值，因此物理结构的稳定性也可以在很大程度上抑制测量的偏差；再次，本传感器可以令上下单元装置共用一套真空泵组，可以另真个装置更加简洁，同时具有更低的体积、重量和功耗。

Claims (7)

1.一种基于原子干涉效应的垂向重力梯度传感器，包含有两个结构相同的第一、第二单元装置（A、B），每个单元装置包含有第一真空容器（1.1）或第二真空容器（1.2）、真空泵（2）、碱金属样品（3）、反向磁场线圈对（4）、偏置磁场线圈（5）、囚禁激光光束发射器（6）、拉曼激光光束发射器（7）和光电探测器（8）；每个单元装置的碱金属样品（3）设置于第一真空容器（1.1）或第二真空容器（1.2）中，第一真空容器（1.1）或第二真空容器（1.2）的内部与真空泵（2）连通；以冷原子团（c）制备区为中心，空间对称的六个方向分别设置有六个发射方向指向该中心的囚禁激光光束发射器（6），同时以其中一对方向为轴，对称地设置有一对反向磁场线圈对（4）；以第一真空容器（1.1）或第二真空容器（1.2）的中轴线为方向设置有偏置磁场线圈（5），另有光电探测器（8）设置于原子团运动路径的末端；

其特征在于：

第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接组成真空容器（1），并且第一真空容器（1.1）和第二真空容器(1.2)内部空心部分连通为一体；在真空容器（1）沿重力场方向的中轴线上，分别设置有两个对射的且指向冷原子团（c）制备区的拉曼激光光束发射器（7），两个单元装置共用一对拉曼激光光束发射器（7），可共模消除来自于环境中的噪声和偏差。

2.按权利要求1所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

第一单元装置（A）和第二单元装置（B）共用一个真空泵（2）。

3.按权利要求1所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

由钛金属材料或全玻璃材料制成的第一真空容器（1.1）由以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接的第一柱体（1.11）和第一多面体（1.12）组成；

第一多面体（1.12）的中心是第一单元装置（A）的冷原子团（c）制备区。

4.按权利要求1所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

由钛金属材料或全玻璃材料制成的第二真空容器（1.2）由以中轴线沿重力方向重合的方式首尾相接的第二柱体（1.21）和第二多面体（1.22）组成；

第二多面体（1.22）的中心是第二单元装置（B）的冷原子团（c）制备区。

5.按权利要求1、3和4所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

真空容器（1）采用上抛式结构或下落式结构；

所述的上抛式结构是第一真空容器（1.1）的第一柱体（1.11）和第二真空容器（1.2）的第二柱体（1.21）分别在第一多面体（1.12）和第二多面体（1.22）的上方；

所述的下落式结构是第一真空容器（1.1）的第一柱体（1.11）和第二真空容器（1.2）的第二柱体（1.21）分别在第一多面体（1.12）和第二多面体（1.22）的下方。

6.按权利要求1所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

所述的囚禁激光光束发射器（6）是一种由依次连接的第一激光器（6.1）、声光移频器（6.2）和光传播器（6.3）组成的光学系统。

7.按权利要求1所述的垂向重力梯度传感器，其特征在于：

所述拉曼激光光束发射器（7）是一种由第二激光器（7.1）、偏振分光器（7.2）、第一移频器（7.31）、第二移频器（7.32）、第一光传播器（7.41）和第二光传播器（7.42）组成的光学系统；

第二激光器（7.1）、偏振分光器（7.2）、第一移频器（7.31）和第一光传播器（7.41）依次连接，得到第一拉曼激光光束；

第二激光器（7.1）、偏振分光器（7.2）、第二移频器（7.32）和第二光传播器（7.42）依次连接，得到第二拉曼激光光束。

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