CN106125150A - 用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统，涉及一种激光干涉测量系统。本系统是：在落体机构的左右，分别设置有第1落体角锥部件和第2落体角锥部件；在隔震舱内的左右，分别设置有第1隔震角锥部件和第2隔震角锥部件；在落体机构的下方，分别设置有与激光器组连通的第1干涉组件和第2干涉组件；第3干涉组件分别与第1干涉组件和第2干涉组件连接；信号采集及数据处理系统分别与第1干涉组件、第2干涉组件和第3干涉组件的光电检测部件连接，对干涉信号进行采集和数据处理。本发明采用独特的三干涉激光测量结构，提高了绝对重力值的测量精度，增强了系统的可靠性。

Description

用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统

技术领域

本发明涉及一种激光干涉测量系统，尤其涉及一种用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统。

背景技术

绝对重力仪是国际上从七十年代开始研究的一种集光、电、计算机、真空技术于一体化的精密仪器，只有美国等少数国家能制造。在地球物理环境、地震、石油勘探和测量等领域有广泛应用，我国只有一台实验样机，市场上没有产品。该产品综合使用了激光、真空、自动控制、精密机械、电子和计算机等先进技术。美国、德国等少数国家的绝对重力仪为自由下落式。我们参与设计的绝对重力仪是上抛式的，具有更高的精度和综合性能。

目前，传统的绝对重力仪均采用单个激光干涉仪来进行绝对重力加速度测量，这样的测量方法的存在的问题是：

采用单个激光干涉的绝对重力仪需要先借助其它仪器进行重力梯度γ的测量，并将其作为已知参数输入到绝对重力观测软件，才能计算得到g；

传统的绝对重力仪采用单个激光干涉仪进行重力测量，当这一套测量机构发生故障时仪器便不能正常测量，使得仪器可靠性较差。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统。

本发明的目的是这样实现的：

通过两组测量子系统分别测得两个加速度g₁和g₂；

通过第三组测量子系统计算重力梯度γ。

具体地说，本系统包括被测对象——绝对重力仪，绝对重力仪包括落体机构和隔震舱；

设置有激光器组、第1干涉组件、第2干涉组件、第3干涉组件和信号采集及处理系统；

在落体机构的左右，分别设置有第1落体角锥部件和第2落体角锥部件；

在隔震舱内的左右，分别设置有第1隔震角锥部件和第2隔震角锥部件；

在落体机构的下方，分别设置有与激光器组连通的第1干涉组件和第2干涉组件，得到左、右输出的第1、2干涉光，供测量用；

第3干涉组件分别与第1干涉组件和第2干涉组件连接得到第3干涉光，供修正用；

信号采集及数据处理系统分别与第1干涉组件、第2干涉组件和第3干涉组件的光电检测部件连接，对干涉信号进行采集和数据处理。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

①绝对重力仪中落体的一次下落，可同时产出重力梯度γ和重力加速度g，其中g已进行梯度修正，而常规绝对重力仪需要先进行重力梯度测量，并将其作为已知参数输入绝对重力观测软件，才能计算得到g。

②绝对重力仪中落体的一次下落，可同时产出两个g，观测效率比常规绝对重力仪提高一倍；因此，对于一定观测数据量的要求，双落体绝对重力仪的观测时间减少一半；或者在同样观测时间内，观测数据量多一倍。

③绝对重力仪由于有两套完整的测量机构，因此当某套机构发生故障时，另一套仍可完成绝对重力观测任务，只是这时需要手工输入重力梯度参数，提高了仪器的可靠性。

总之，本发明采用独特的三干涉激光测量结构，提高了绝对重力值的测量精度，增强了系统的可靠性。

附图说明

图1本系统的结构示意图；

图中：

00—激光器组，

01—激光器，

02—激光器分束镜，

03—激光器反射镜；

10—第1干涉组件，

11—第1分束镜，

12—第1落体角锥部件，

13—第1隔震角锥部件，

14—第1A反射镜，

15—第1B反射镜，

16—第1合束镜，

17—第1光电检测部件；

20—第2干涉组件，

21—第2分束镜，

22—第2落体角锥部件，

23—第2隔震角锥部件，

24—第2A反射镜，

25—第2B反射镜，

26—第2合束镜，

27—第2光电检测部件；

30—第3干涉组件，

31—第3反射镜，

32—第3合束镜，

33—第3光电检测部件；

40—信号采集及数据处理系统；

50—落体机构；

60—隔震舱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括被测对象——绝对重力仪，绝对重力仪包括落体机构50和隔震舱60；

设置有激光器组00、第1干涉组件10、第2干涉组件20、第3干涉组件30、和信号采集及处理系统40；

在落体机构50的左右，分别设置有第1落体角锥部件12和第2落体角锥部件22；

在隔震舱60内的左右，分别设置有第1隔震角锥部件13和第2隔震角锥部件23；

在落体机构50的下方，分别设置有与激光器组00连通的第1干涉组件10和第2干涉组件20，得到左、右输出的第1、2干涉光，供测量用；

第3干涉组件30分别与第1干涉组件10和第2干涉组件20连接得到第3干涉光，供修正用；

信号采集及数据处理系统40分别与第1干涉组件10、第2干涉组件20和第3干涉组件30的光电检测部件连接，对干涉信号进行采集和数据处理。

2、功能部件

0)激光器组00

激光器组00包括依次排列的激光器01、激光器分束镜02和激光器反射镜03；

激光器组00的输出光分别为第1、2干涉组件10、20的输入光；

其光路是：激光器01的出射光G00在激光器分束镜02处形成的反射光G10为第1干涉组件10的输入光；激光器01的出射光G00透过激光器分束镜02在激光器反射镜03的反射光G20为第2干涉组件20的输入光。

1)第1干涉组件10

第1干涉组件10包括依次连通的第1分束镜11、第1落体角锥部件12、第1隔震角锥部件13、第1A反射镜14、第1B反射镜15、第1合束镜16和第1光电检测部件17。

其光路是：激光器分束镜02的反射光G10通过第1分束镜11形成反射光G12和透射光G11；反射光G12经第1落体角锥部件12到达第1分束镜11形成反射光G13和透射光G14；反射光G13成为第3干涉组件30的输入光；透射光G14依次经过第1隔震角锥部件13、第1A反射镜14和第1B反射镜15后，与透射光G11在第1合束镜16处完全重合，形成光束G15，G15入射到第1光电检测部件17，当第1落体角锥部件13做自由落体运动时，第1光电检测部件17对干涉信号进行光电转换和检测。

第1落体角锥部件12设置于绝对重力仪落体舱。

其它功能部件均为常用部件。

2)第2干涉组件20

第2干涉组件20包括依次连通的第2分束镜21、第2落体角锥部件22、第2隔震角锥部件23、第2A反射镜24、第2B反射镜25、第2合束镜26和第2光电检测部件27；

其光路是：激光器反射镜03的反射光G20通过第2分束镜21形成反射光G22和透射光G21；反射光G22经第2落体角锥部件22到达第2分束镜21形成反射光G23和透射光G24；反射光G23成为第3干涉组件30的输入光；透射光G24依次经过第2隔震角锥部件23、第2A反射镜24和第2B反射镜25后，与透射光G21在第2合束镜26处完全重合，形成光束G25，G25入射到第2光电检测部件27，当第2落体角锥部件23做自由落体运动时，第2光电检测部件27对干涉信号进行光电转换和检测。

第2隔震角锥部件23设置于绝对重力仪落体舱。

其它功能部件均为常用部件。

3)第3干涉组件30

第3干涉组件30包括依次连通的第3反射镜31、第3合束镜32和第3光电检测部件33。

其光路是：反射光G13经反射镜31后与反射光G23在第3合束镜32处重合形成干涉光G30，干涉光G30到达第3光电检测部件33，第3光电检测部件33对干涉信号进行光电转换和检测。

4)信号采集及数据处理系统40

信号采集及数据处理系统40是一种通用的计算机，对干涉信号进行采集和数据处理。

5)落体机构50

是放置第1落体角锥部件11和第2落体角锥部件22的机械部件，用于对落体角锥进行下落控制。

6)隔震舱60

是放置第1隔震角锥部件13和第2隔震角锥部件23的机械部件，用于隔离地壳微震动和外界干扰。

3、工作机理

本系统中第1干涉组件10和第2干涉组件20可独立输出绝对重力加速度值，第3干涉组件30可输出相对重力加速度值；三个干涉组件可输出校正后的绝对重力加速度值。

三个干涉组件测得的自由落体运动时位移如下：

$s=s_0+v_{0}t+\frac{1}{2}{g}_0{t}^2---\left(1\right)$

式中，s、t分别是落体下落的距离和时间，s₀、v₀、g₀分别是落体的初始位置、初始速度和初始位置的重力加速度；考虑到重力梯度γ的影响，运动方程则为：

$s=s_0+v_{0}t+\frac{1}{2}{g}_0{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_0{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_0{t}^4---\left(2\right)$

对于传统的绝对重力仪，需要用相对重力仪事先测得重力梯度γ，代入(2)式，然后将观测得到的落体距离-时间数据对，用最小二乘法根据(2)式，计算得到重力加速度g。

利用本发明，可用下列原理测得重力梯度γ，直接计算重力加速度g，不需要事先测量。

当两个落体在不同高度同步释放，开始自由下落时，利用第1干涉组件10和第2干涉组件20分别测量双落体的距离-时间数据对，依据上述原理计算重力加速度g；同时，利用第3干涉组件30测量双落体之间的距离差-时间数据对，计算重力梯度γ。

利用第1干涉组件10和第2干涉组件20测得两个落体的位移分别是：

$s_a=s_{a0}+v_{a0}t+\frac{1}{2}{g}_{a0}{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_{b0}{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_{a0}{t}^4---\left(3\right)$

$s_b=s_{b0}+v_{b0}t+\frac{1}{2}{g}_{b0}{t}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\γv}}_{b0}{t}^3+\frac{1}{24}{\mathrm{\γg}}_{b0}{t}^4---\left(4\right)$

有s_b0-s_a0＝l，v_a0＝v_b0，g_b0＝g_a0+γ·l，将(3)式减去(4)式，则可得第1干涉组件10和第2干涉组件20测量的距离差为：

$\mathrm{\Δ}s=s_b-s_a=\frac{l}{24}({\mathrm{\γ}}^2{t}^4+12{\mathrm{\γt}}^2+24)---\left(5\right)$

将第3干涉组件30测得的距离差-时间数据对，代入(5)式，可计算得到重力梯度γ，再将γ和第1干涉组件10和和第2干涉组件20得到的落体距离-时间数据对，用最小二乘法根据(2)式，便可计算得到重力加速度g。

二、使用方法

①驱动落体机构50中的第1落体角锥棱镜12和第2落体角锥棱镜22做自由落体运动；

②激光器组00的出射光经第1干涉组件10和第2干涉组件20分别输出干涉信号到信号采集及数据处理系统40，分别得到绝对重力加速度值g1、g2；

③同时，第1干涉组件10和第2干涉组件20各有一束输出光经第3干涉组件30后得到干涉信号，输出到信号采集及数据处理系统40，得到相对重力加速度值γ；

④绝对重力加速度值g1、g2和相对重力加速度值γ经数据处理后得到最后的绝对重力值g；

⑤绝对重力加速度值g1、g2也可作为单独的绝对重力值输出。

Claims (5)

1.一种用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统，包括被测对象——绝对重力仪，绝对重力仪包括落体机构（50）和隔震舱（60）；

其特征在于：

设置有激光器组（00）、第1干涉组件（10）、第2干涉组件（20）、第3干涉组件（30）和信号采集及处理系统（40）；

在落体机构（50）的左右，分别设置有第1落体角锥部件（12）和第2落体角锥部件（22）；

在隔震舱（60）内的左右，分别设置有第1隔震角锥部件（13）和第2隔震角锥部件（23）；

在落体机构（50）的下方，分别设置有与激光器组（00）连通的第1干涉组件（10）和第2干涉组件（20），得到左、右输出的第1、2干涉光，供测量用；

第3干涉组件（30）分别与第1干涉组件（10）和第2干涉组件（20）连接得到第3干涉光，供修正用；

信号采集及数据处理系统（40）分别与第1干涉组件（10）、第2干涉组件（20）和第3干涉组件（30）的光电检测部件连接，对干涉信号进行采集和数据处理。

2.按权利要求1所述的激光三干涉测量系统，其特征在于：

所述的激光器组（00）包括依次排列的激光器（01）、激光器分束镜（02）和激光器反射镜（03）；

激光器组（00）的输出光分别为第1、2干涉组件（10、20）的输入光。

3.按权利要求1所述的激光三干涉测量系统，其特征在于：

所述的第1干涉组件（10）包括依次连通的第1分束镜（11）、第1落体角锥部件（12）、第1隔震角锥部件（13）、第1A反射镜（14）、第1B反射镜（15）、第1合束镜（16）和第1光电检测部件（17）。

4.按权利要求1所述的激光三干涉测量系统，其特征在于：

所述的第2干涉组件（20）包括依次连通的第2分束镜（21）、第2落体角锥部件（22）、第2隔震角锥部件（23）、第2A反射镜（24）、第2B反射镜（25）、第2合束镜（26）和第2光电检测部件（27）。

5.按权利要求1所述的激光三干涉测量系统，其特征在于：

所述的第3干涉组件（30）包括依次连通的第3反射镜（31）、第3合束镜（32）和第3光电检测部件（33）。