CN105182433A - 一种时间关联计算重力仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种时间关联计算重力仪及测量方法，包括：光源、数字微镜阵列DMD、透镜、控制器、第一分束器、应力传感器、待下落棱镜、参考棱镜、第二分束器、CCD(或点探测器)、符合测量逻辑模块、延时器和原子钟，符合测量逻辑模块包括符合测量逻辑单元和计算单元。通过调整延时器延时，符合测量逻辑单元对两路信号做时间符合测量逻辑计算，得到延时差值，结合原子钟记录的初末位置处时刻，计算得到重力加速度g。本发明重力仪能有效减小空气扰动因素引起的测量误差，具有结构设计简单，可实现性较强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种时间关联计算重力仪及测量方法，属于重力测量领域。
背景技术
重力测量最早可追溯到16世纪伽利略的比萨斜塔自由落体实验,随着量子力学和时频技术的发展，绝对重力测量(g，常用值9.81m/s2)的准确度也在不断提高，并广泛应用于计量、测绘、地质、地震和资源勘探等多个领域。
意大利国家计量院研制了IMGC-2型绝对重力仪，是采用上抛-下落原理的高精度绝对重力仪。美国JILA实验室Faller的研究小组曾研制六台JILA-g型绝对重力仪，提供给多个国家的计量和测绘部门使用，后来Niebauer等在JILA-g的基础上进行改进，实现了高精度绝对重力仪的商品化，即目前Micro-g公司生产的FG-5型绝对重力仪。1999年朱棣文等发表在基于原子干涉仪的高精度绝对重力测量结果，在精密物理测量领域引起广泛关注。2012年清华大学也自主研制了T-1型可搬运式高精度绝对重力仪，可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。
目前可实现的高精度重力仪方案多种多样，但是在抗干扰性和工程实现上都存在各种各样的问题。例如基于经典光学的重力仪，要求所使用的光源带宽越宽越好，但是光源的线宽会引起色散问题，且受环境影响严重，不能暴露在大气环境中测量；原子干涉重力仪精度较高，但是在工程化方面，成熟度低，体积庞大且不能实现连续测量，因此需要寻求一种新型重力仪方案从根本上解决这一系列问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能有效减小空气扰动的时间关联计算重力仪及测量方法,通过调整延时器(12)延时，符合测量逻辑单元对两路信号做时间符合测量逻辑计算，得到延时差值，结合原子钟(13)记录的初末位置处时刻，计算得到重力加速度g,能有效减小空气扰动因素引起的测量误差，具有结构设计简单，可实现性较强等优点。
本发明的技术解决方案是：一种时间关联计算重力仪，包括：光源(1)、数字微镜阵列DMD(2)、透镜(3)、控制器(4)、第一分束器(5)、应力传感器(6)、待下落棱镜(7)、参考棱镜(8)、第二分束器(9)、CCD(或点探测器)(10)、符合测量逻辑模块(11)、延时器(12)、原子钟(13)；符合测量逻辑模块(11)包括符合测量逻辑单元和计算单元；
数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)水平照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器(12)，调整延时器(12)延时，经延时器(12)延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD(2)上，控制多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜(3)，数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上，经透镜(3)的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器(5)上；
第一分束器(5)将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器(5)分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器(5)分光得到的反射光束沿竖直向上方向入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)上设置有透光通孔，将第一分束器(5)分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜(7)上，应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的正下方，经过应力传感器(6)竖直向上传播的光束在待下落棱镜(7)中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)将在待下落棱镜(7)中发生回射的光束经过应力传感器(6)入射到参考棱镜(8)上，参考棱镜(8)放置于第一分束器(5)的下方偏右，参考棱镜(8)和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参考棱镜(8)上的光束平行回射，参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器(9)分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器(9)分光得到的反射光束反射到CCD(10)上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果；
多次调整延时器(12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第一信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器(12)的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ1，并记录该延时τ1；
控制待下落棱镜(7)开始做自由落体运动，同时原子钟(13)记录控制待下落棱镜(7)下落的初位置时刻t1，待下落棱镜(7)沿竖直向下下落到应力传感器(6)，应力传感器(6)将信号传递到原子钟(13)，同时原子钟(13)记录下末位置时刻t2；
待下落棱镜(7)自由下落到应力传感器(6)上后，重置延时器(12)的延时，CCD(10)重新接收到从第二分束器(9)反射过来的反射光束，形成第二信号，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
调整延时器的延时，再次将新的光场调制矩阵储存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第二信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果，同时将时间关联计数结果发送至计算单元；
多次调整延时器(12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第二关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器(12)的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ2，并记录该延时τ2；
计算单元将记录的τ1和τ2做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，原子钟(13)记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜(7)下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜(7)下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，其每一行(或列)元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
所述数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上。
所述应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的下方偏右，一方面用于支撑待下落棱镜(7)，一方面用于应力传感，当待下落棱镜(7)下落到应力传感器(6)上时，高灵敏度应力传感器(6)将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟(13)计时。
一种时间关联计算重力仪的测量方法，步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器(12)，调整延时器(12)延时，经延时器(12)延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD(2)上，控制多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜(3)，数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上，经透镜(3)的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器(5)上；
(2)第一分束器(5)将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器(5)分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器(5)分光得到的反射光束沿竖直向上方向入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)上设置有透光通孔，将第一分束器(5)分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜(7)上，应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的正下方，经过应力传感器(6)竖直向上传播的光束在待下落棱镜(7)中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)将在待下落棱镜(7)中发生回射的光束经过应力传感器(6)入射到参考棱镜(8)上，参考棱镜(8)放置于第一分束器(5)的下方偏右，参考棱镜(8)和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参考棱镜(8)上的光束平行回射；
(3)经参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器(9)分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器(9)分光得到的反射光束反射到CCD(10)上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
(4)符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果；
(5)调整延时器(12)的延时，并且将该延时结果发送到计算单元，返回步骤(1)、(2)和(3)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第一信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将该新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(6)重复步骤(5)N次，计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果描绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的N个延时器(12)的延时时间，纵坐标为N个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的N个延时所对应的N个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ1，并记录该延时τ1；
(7)控制待下落棱镜(7)开始做自由落体运动，同时原子钟(13)记录控制待下落棱镜(7)下落的初位置时刻t1，待下落棱镜(7)沿竖直向下下落到应力传感器(6)，应力传感器(6)将信号传递到原子钟(13)，同时原子钟(13)记录下末位置时刻t2；
(8)待下落棱镜(7)自由下落到应力传感器(6)上后，重新开始步骤(1)和(2)，经参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将分束器(9)分光后的透射光束舍弃，将分束器(9)分光后的反射光束反射到CCD(10)上，形成第二信号，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
(9)符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，得到一个时间关联计数结果，同时将延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果发送至计算单元；
(10)调整延时器(12)的延时，返回步骤(8)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第二信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将延时器(12)延时和对应的新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(11)多次调整延时器(12)的延时，并且将该N个延时结果发送到计算单元，，重复步骤(10)N次，符合测量逻辑单元将储存的N个新的光场调制矩阵信号和记录的N个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到N个新的时间关联计数结果，同时将该N个新的时间关联计数结果发送至计算单元；计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果绘成第二关联结果曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时τ2，并记录该延时τ2；
(12)计算单元将步骤(6)和步骤(11)记录的τ1和τ2做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，步骤(7)记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜(7)下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜(7)下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
与现有技术相比，总结归纳本发明具有以下几个优点：
(1)本发明在整体外观和光学系统上类似传统上抛-下落重力仪装置，但是又有本质区别。相比传统上抛-下落重力仪装置，用数字微镜阵列代替了传统重力仪光源，光学系统变化不大，在数据采集和处理方面增加了时间符合测量逻辑计算和图像处理，这两部分也可以集成到传统重力仪数据处理里面，完全保持了传统重力仪的光学系统和整体外观，具有操作简单，技术成熟度高，可实现性强等优点，在工程实现上较为容易。
(2)本发明将量子成像技术中的计算时间二阶关联探测方法引入重力仪的设计中，时间二阶关联探测方法计算的是时间的二阶关联特性，跟传统重力仪测量原理完全不同，能有效减小空气扰动等因素引起的测量误差，提高系统的灵敏度和稳定性。
(3)本发明是基于计算强度关联成像原理，可将具有空间分辨力的CCD替换成点探测器，目前市面上的光电管价格低廉，使用方便，操作简单，可用于本方案作为信号探测装置。另外，随着具有单光子灵敏度单光子探测器的广泛应用，还可进一步提高本方案的性能。
附图说明
图1为测量光束的垂直度调节方法；
图2为本发明的系统原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的一种时间关联计算重力仪的具体实施方式做进一步详细的说明。
如图1所示，图中：5、第一分束器；7、待下落棱镜；9、第二分束器；14、激光；15、水槽；16、校准回射棱镜；17、白屏；
在搭建如图2所示的系统时，为得到更准确的测量结果，先用一种时间关联计算重力仪测量光束的垂直度调节系统对测量光束的垂直度调节，该一种时间关联计算重力仪测量光束的垂直度调节系统，包括：激光14、第一分束器5、待下落棱镜7、水槽15、第二分束器9、校准回射棱镜16、白屏17；
激光14发出的光直接照射到第一分束器5上，一部分激光被第一分束器5反射(称作第一光束或第一调整光束)，一部分激光被第一分束器5透射(称作第二光束或第二调整光束)；第一光束沿竖直向上方向传输到待下落棱镜7上，经待下落棱镜7回射后，沿竖直向下方向传输，照射到水槽15液面上，经过水槽15液面的反射后，沿原路返回，照射到待下落棱镜7，经待下落棱镜7回射后，沿竖直向下方向传输，照射到第一分束器5上，第一分束器5将第一光束分成两束，分别是第一透射光束和第一反射光束，将第一反射光束舍弃，保留第一透射光束；经第一分束器5透射的第二光束，照射到第二分束器9，第二分束器9将第二光束分成两束，分别是透射光束和反射光束，将透射光束舍弃，保留反射光束，反射光束沿竖直向上方向传输，照射到校准回射棱镜16上，经校准回射棱镜16回射后，沿原路返回到第二分束器9，第二分束器9将回射光束分成两束，分别是透射光束和反射光束，将透射光束舍弃，保留反射光束，经第二分束器9反射的光束照射到第一分束器5上，第一分束器5将第二光束分成两束，分别是第二透射光束和第二反射光束，将第二透射光束舍弃，保留第二反射光束；第一透射光束和第二反射光束在第一分束器5上相遇并发生干涉，在白屏17上出现干涉条纹；反复调节第一分束器5和第二分束器9控制测量光束方向，直到在白屏17上观测到均匀的圆形干涉条纹为止，就认为测量光束沿绝对竖直方向向上传输。在调节过程中，不需要移动原有的光学器件，因此该调节方法简单易行，可以用来调节本发明光路，以确保测量结果的稳定性和准确性。
为得到更准确的测量结果，先用一种时间关联计算重力仪测量光束的垂直度调节方法对测量光束的垂直度调节，该一种时间关联计算重力仪测量光束的垂直度调节方法，步骤如下：
(1)激光14发出的光直接照射到第一分束器5上，一部分激光被第一分束器5反射(叫第一光束)，一部分激光被第一分束器5透射(叫第二光束)；第一光束沿竖直向上方向传输到待下落棱镜7上，经待下落棱镜7回射后，沿竖直向下方向传输，照射到水槽15液面上，经过水槽15液面的反射后，沿原路返回，照射到待下落棱镜7；(2)经待下落棱镜7回射后，沿竖直向下方向传输，照射到第一分束器5上，第一分束器5将第一光束分成两束，分别是第一透射光束和第一反射光束，将第一反射光束舍弃，保留第一透射光束；经第一分束器5透射的第二光束，照射到第二分束器9；(3)第二分束器9将第二光束分成两束，分别是透射光束和反射光束，将透射光束舍弃，保留反射光束，反射光束沿竖直向上方向传输，照射到校准回射棱镜16上，经校准回射棱镜16回射后，沿原路返回到第二分束器9，第二分束器9将回射光束分成两束，分别是透射光束和反射光束，将透射光束舍弃，保留反射光束，经第二分束器9反射的光束照射到第一分束器5上，第一分束器5将第二光束分成两束，分别是第二透射光束和第二反射光束，将第二透射光束舍弃，保留第二反射光束；第一透射光束和第二反射光束在第一分束器5上相遇并发生干涉，在白屏17上出现干涉条纹；(4)反复调节第一分束器5和第二分束器9控制测量光束方向，直到在白屏17上观测到均匀的圆形干涉条纹为止，就认为测量光束沿绝对竖直方向向上传输。
在调节过程中，不需要移动原有的光学器件，因此该调节方法简单易行，可以用来调节本发明光路，以确保测量结果的稳定性和准确性。
如图2所示，图中：1、光源；2、数字微镜阵列DMD；3、透镜；4、控制器；5、第一分束器；6、应力传感器；7、待下落棱镜；8、参考棱镜；9、第二分束器；10、CCD(或点探测器)；11、符合测量逻辑模块；12、延时器；13、原子钟；
一种时间关联计算重力仪，包括：光源1、数字微镜阵列DMD2、透镜3、控制器4、第一分束器5、应力传感器6、待下落棱镜7、参考棱镜8、第二分束器9、CCD(可将该具有空间分辨力的CCD替换成点探测器)10、符合测量逻辑模块、11、延时器12、原子钟13；符合测量逻辑模块(11)包括符合测量逻辑单元和计算单元；
数字微镜阵列DMD2包括多个微镜阵列，每一个微镜阵列都可以向+12°和-12°两个方向任意翻转，光源1照射在数字微镜阵列DMD2的微镜阵列上，控制器4产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器12，调整延时器12延时，经延时器12延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD2上，控制多个微镜阵列各自按+12°和-12°两个方向发生翻转，多个微镜阵列反射光源1照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜3，数字微镜阵列DMD2放置于透镜3的焦平面上，经透镜3的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器5上；
第一分束器5将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器5分光后的透射光束舍弃，将第一分束器5分光后的反射光束反射并沿竖直向上方向传播，经第一分束器5反射的平行光束经应力传感器6入射到待下落棱镜7上，应力传感器6放置于待下落棱镜7的正下方，应力传感器6上设置有透光通孔，将第一分束器5分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜7上，该透过应力传感器6的反射光束在待下落棱镜7中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次经过应力传感器6入射到参考棱镜8上，参考棱镜8放置于第一分束器5的下方偏右，和下落棱镜一样用于回射光束；
经参考棱镜8回射后的回射光束照射到第二分束器9上，第二分束器9将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器9分光后的透射光束舍弃，将第二分束器9分光后的反射光束反射到CCD10上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果，同时将延时器12延时和对应的时间关联计数结果发送至计算单元；
多次调整延时器12的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第一信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器12延时和对应的时间关联计数结果，绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器12的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器12记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器12延时τ1，并记录该延时τ1；
控制待下落棱镜7开始做自由落体运动，同时原子钟13记录控制待下落棱镜7下落的初位置时刻t1，待下落棱镜7沿竖直向下下落到应力传感器6，应力传感器6将信号传递到原子钟13，同时原子钟13记录下末位置时刻t2；
待下落棱镜7自由下落到应力传感器6上后，重置延时器12的延时，CCD10重新接收到从第二分束器9反射过来的反射光束，形成第二信号，符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
调整延时器的延时，再次将新的光场调制矩阵储存至符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第二信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果，同时将时间关联计数结果发送至计算单元；
多次调整延时器12的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器12延时和对应的时间关联计数结果，绘成第二关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器12的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器12记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时器12延时τ2，并记录该延时τ2；
计算单元将记录的τ1和τ1做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，原子钟13记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜7下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜7下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，其每一行(或列)元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
所述数字微镜阵列DMD2放置于透镜3的焦平面上。
所述应力传感器6放置于待下落棱镜7的下方偏右，一方面用于支撑待下落棱镜7，一方面用于应力传感，当待下落棱镜7下落到应力传感器6上时，应力传感器6将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟13计时。
一种时间关联计算重力仪的测量方法，步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD2包括多个微镜阵列，每一个微镜阵列都可以向+12°和-12°两个方向任意翻转，光源1照射在数字微镜阵列DMD2的微镜阵列上，控制器4产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器12，调整延时器12延时，经延时器12延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD2上，控制多个微镜阵列各自按+12°和-12°两个方向发生翻转，多个微镜阵列反射光源1照射的光束形成调制光场，将调制光场入射至透镜3，数字微镜阵列DMD2放置于透镜3的焦平面上，经透镜3的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器5上；
(2)第一分束器5将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器5分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器5分光得到的反射光束沿竖直向上方向入射至应力传感器6，应力传感器6上设置有透光通孔，将第一分束器5分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜7上，应力传感器6放置于待下落棱镜7的正下方，经过应力传感器6竖直向上传播的光束在待下落棱镜7中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器6，应力传感器6将在待下落棱镜7中发生回射的光束经过应力传感器6入射到参考棱镜8上，参考棱镜8放置于第一分束器5的下方偏右，参考棱镜8和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参考棱镜8上的光束平行回射；
(3)经参考棱镜8回射后的回射光束照射到第二分束器9上，第二分束器9将入射的回射光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器9分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器9分光得到的反射光束反射到CCD10上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
(4)符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果；
(5)调整延时器12的延时，并且将该延时结果发送到计算单元，返回步骤(1)、(2)和(3)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第一信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(6)重复步骤5N次，计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果描绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的N个延时器12的延时时间，纵坐标为N个时间关联计数结果，将每个延时器12记录的N个延时所对应的N个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器12延时τ1，并记录该延时τ1；
(7)控制待下落棱镜7开始做自由落体运动，同时原子钟13记录控制待下落棱镜7下落的初位置时刻t1，待下落棱镜7沿竖直向下下落到应力传感器6，应力传感器6将信号传递到原子钟13，同时原子钟13记录下末位置时刻t2；
(8)待下落棱镜7自由下落到末位置处后，重新开始步骤(1)和(2)，经参考棱镜8回射后的回射光束照射到第二分束器9上，第二分束器9将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器9分光后的透射光束舍弃，将第二分束器9分光后的反射光束反射到CCD10上，形成第二信号，符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
(9)符合测量逻辑模块11的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，得到一个时间关联计数结果，同时将延时器12延时和对应的时间关联计数结果发送至计算单元；
(10)调整延时器12的延时，返回步骤(8)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第二信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将延时器12延时和对应的新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(11)多次调整延时器12的延时，并且将该N个延时结果发送到计算单元，重复步骤10N次，符合测量逻辑单元将储存的N个新的光场调制矩阵信号和记录的N个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到N个新的时间关联计数结果，同时将该N个新的时间关联计数结果发送至计算单元；计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果绘成第二关联结果曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时τ2，并记录该延时τ2；
(12)计算单元将步骤(6)和步骤(11)记录的τ1和τ2做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，步骤(7)记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜7下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜7下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
所述的一种时间关联计算重力仪及测量方法，主要用于重力加速度g的测量，主要部件为数字微镜阵列DMD2、应力传感器6和原子钟13，其中数字微镜阵列DMD2用于产生调制光场，应力传感器6一方面用于支撑待下落棱镜7，一方面用于应力传感，当待下落棱镜7下落到应力传感器6上时，应力传感器6将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟13计时，原子钟13用于记录开始下落时间和下落到应力传感器6上的时间，本发明是基于时间关联，需要用到延时器9控制时间延时。
在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种时间关联计算重力仪，其特征在于：包括：光源(1)、数字微镜阵列DMD(2)、透镜(3)、控制器(4)、第一分束器(5)、应力传感器(6)、待下落棱镜(7)、参考棱镜(8)、第二分束器(9)、CCD(10)、符合测量逻辑模块(11)、延时器(12)、原子钟(13)；符合测量逻辑模块(11)包括符合测量逻辑单元和计算单元；
数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)水平照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器(12)，调整延时器(12)延时，经延时器(12)延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD(2)上，控制多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜(3)，数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上，经透镜(3)的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器(5)上；
第一分束器(5)将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器(5)分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器(5)分光得到的反射光束沿竖直向上方向入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)上设置有透光通孔，将第一分束器(5)分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜(7)上，应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的正下方，经过应力传感器(6)竖直向上传播的光束在待下落棱镜(7)中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)将在待下落棱镜(7)中发生回射的光束经过应力传感器(6)入射到参考棱镜(8)上，参考棱镜(8)放置于第一分束器(5)的下方偏右，参考棱镜(8)和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参考棱镜(8)上的光束平行回射，参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器(9)分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器(9)分光得到的反射光束反射到CCD(10)上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果；
多次调整延时器(12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第一信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器(12)的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ1，并记录该延时τ1；
控制待下落棱镜(7)开始做自由落体运动，同时原子钟(13)记录控制待下落棱镜(7)下落的初位置时刻t1，待下落棱镜(7)沿竖直向下下落到应力传感器(6)，应力传感器(6)将信号传递到原子钟(13)，同时原子钟(13)记录下末位置时刻t2；
待下落棱镜(7)自由下落到应力传感器(6)上后，重置延时器(12)的延时，CCD(10)重新接收到从第二分束器(9)反射过来的反射光束，形成第二信号，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
调整延时器的延时，再次将新的光场调制矩阵储存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第二信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果，同时将时间关联计数结果发送至计算单元；
多次调整延时器(12)的延时，并且将该多个延时结果发送到计算单元，符合测量逻辑单元将储存的多个新的光场调制矩阵信号和记录的多个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到多个新的时间关联计数结果，同时将该多个新的时间关联计数结果发送至计算单元；
计算单元将接收到的多对延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果，绘成第二关联结果曲线，其中横坐标为记录的多个延时器(12)的延时时间，纵坐标为多个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的多个延时所对应的多个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ2，并记录该延时τ2；
计算单元将记录的τ1和τ2做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，原子钟(13)记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜(7)下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜(7)下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
2.根据权利要求1所述的一种时间关联计算重力仪，其特征在于:所述光场调制矩阵为Hadamard矩阵，Hadamard矩阵编码原则为Hadamard矩阵行与行、列与列之间满足正交归一关系H*HT＝I，I为对角单位矩阵，其每一行(或列)元素之和相等，将该光场调制矩阵加载到数字微镜阵列DMD(2)上，使多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，用来模拟热光源。
3.根据权利要求1所述的一种时间关联计算重力仪，其特征在于:所述数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上。
4.根据权利要求1所述的一种时间关联计算重力仪，其特征在于：所述应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的下方偏右，一方面用于支撑待下落棱镜(7)，一方面用于应力传感，当待下落棱镜(7)下落到应力传感器(6)上时，应力传感器(6)将应力信号转化为电信号，直接控制原子钟(13)计时。
5.一种时间关联计算重力仪的测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)数字微镜阵列DMD(2)包括多个微镜阵列，光源(1)照射在数字微镜阵列DMD(2)的多个微镜阵列上，控制器(4)产生光场调制矩阵信号，一路输出将光场调制矩阵信号发送到延时器(12)，调整延时器(12)延时，经延时器(12)延时后将光场调制矩阵信号存至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，另一路输出将该光场调制矩阵信号加载到数字微镜阵列DMD(2)上，控制多个微镜阵列发生不同角度的偏转，微镜阵列反射光源(1)照射的光束形成调制光场，将该调制光场入射至透镜(3)，数字微镜阵列DMD(2)放置于透镜(3)的焦平面上，经透镜(3)的调制光场变成平行光束，照射到第一分束器(5)上；
(2)第一分束器(5)将入射的平行光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将第一分束器(5)分光得到的透射光束舍弃，将第一分束器(5)分光得到的反射光束沿竖直向上方向入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)上设置有透光通孔，将第一分束器(5)分光得到的沿竖直向上方向传输的反射光束透过，入射到待下落棱镜(7)上，应力传感器(6)放置于待下落棱镜(7)的正下方，经过应力传感器(6)竖直向上传播的光束在待下落棱镜(7)中发生回射，沿竖直向下方向传播，再次入射至应力传感器(6)，应力传感器(6)将在待下落棱镜(7)中发生回射的光束经过应力传感器(6)入射到参考棱镜(8)上，参考棱镜(8)放置于第一分束器(5)的下方偏右，参考棱镜(8)和下落棱镜一样用于回射光束，将入射到参考棱镜(8)上的光束平行回射；
(3)经参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分成两路分别是透射光束和反射光束，将第二分束器(9)分光得到的透射光束舍弃，将第二分束器(9)分光得到的反射光束反射到CCD(10)上，形成第一信号送至符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第一信号；
(4)符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第一信号，进行时间符合测量逻辑计算，具体为通过设定一个时间阈值，如果光场调制矩阵信号和记录的第一信号差大于或等于该阈值，就计数，如果小于该阈值，就舍弃不计数，得到一个时间关联计数结果；
(5)调整延时器(12)的延时，并且将该延时结果发送到计算单元，返回步骤(1)、(2)和(3)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第一信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将该新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(6)重复步骤(5)N次，计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果描绘成第一关联结果曲线，其中横坐标为记录的N个延时器(12)的延时时间，纵坐标为N个时间关联计数结果，将每个延时器(12)记录的N个延时所对应的N个时间关联计数结果连接成一条曲线，寻找第一关联结果峰值所对应的延时器(12)延时τ1，并记录该延时τ1；
(7)控制待下落棱镜(7)开始做自由落体运动，同时原子钟(13)记录控制待下落棱镜(7)下落的初位置时刻t1，待下落棱镜(7)沿竖直向下下落到应力传感器(6)，应力传感器(6)将信号传递到原子钟(13)，同时原子钟(13)记录下末位置时刻t2；
(8)待下落棱镜(7)自由下落到应力传感器(6)上后，重新开始步骤(1)和(2)，经参考棱镜(8)回射后的回射光束照射到第二分束器(9)上，第二分束器(9)将入射的回射光束分光成两路分别是透射光束和反射光束，将分束器(9)分光后的透射光束舍弃，将分束器(9)分光后的反射光束反射到CCD(10)上，形成第二信号，符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元记录该第二信号；
(9)符合测量逻辑模块(11)的符合测量逻辑单元将储存的光场调制矩阵信号和记录的第二信号，进行时间符合测量逻辑计算，得到一个时间关联计数结果，同时将延时器(12)延时和对应的时间关联计数结果发送至计算单元；
(10)调整延时器(12)的延时，返回步骤(8)，符合测量逻辑单元将储存的新的光场调制矩阵信号和记录的新的第二信号，再次进行时间符合测量逻辑计算，得到一个新的时间关联计数结果，同时将延时器(12)延时和对应的新的时间关联计数结果发送至计算单元；
(11)多次调整延时器(12)的延时，并且将该N个延时结果发送到计算单元，重复步骤(10)N次，符合测量逻辑单元将储存的N个新的光场调制矩阵信号和记录的N个新的第二信号，多次进行时间符合测量逻辑计算，得到N个新的时间关联计数结果，同时将该N个新的时间关联计数结果发送至计算单元；计算单元将接收到的N对延时和对应的时间关联计数结果绘成第二关联结果曲线，寻找第二关联结果峰值所对应的延时τ2，并记录该延时τ2；
(12)计算单元将步骤(6)和步骤(11)记录的τ1和τ2做差计算得到延时差Δτ＝τ2-τ1，步骤(7)记录的t1和t2做差计算得到待下落棱镜(7)下落时间差Δt＝t2-t1,根据该延时差Δτ和待下落棱镜(7)下落时间差Δt，解算出重力加速度式中c为真空中光速。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |