CN204496033U - 绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置，包括：隔振平台、支撑结构、第一激光干涉仪、第一参考棱镜、落体真空腔、对顶双棱镜形成的落体结构、第二激光干涉仪、第二参考棱镜；其中第一参考棱镜和第二参考棱镜刚性连接，即它们的运动完全一致；当对顶双棱镜形成的落体在落体真空腔中自由下落时，会在第一激光干涉仪和第二激光干涉仪中分别形成干涉信号，通过探测器分别探测两套激光干涉仪的干涉信号，由于光速有限效应在两套干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、振动噪声和其他噪声等对两套激光干涉仪的作用效果是相同的，是共模信号，因此通过数据处理实现两套激光干涉仪信号的差分测量，就可以直接测量绝对重力仪中光速有限效应的大小。
Description
技术领域
本实用新型属于绝对重力仪技术领域，更具体地，涉及一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置。
背景技术
绝对重力仪的测量不确定度由两部分误差共同决定：测量中的随机误差和仪器本身的系统误差。其中大部分的误差源都能够被很好地独立分析、计算和测量，从而获得较为准确的不确定度。但是，有一些误差源至今只能通过理论方法进行计算分析，例如光速有限效应的影响，该项误差的大小可以达到十几μGal(1μGal＝10-8m/s2)的量级，并且很多科学家都对这一项误差进行了理论分析和计算，但是至今仍无法达成共识。
光速有限效应是由于激光传播速度有限(尽管很大)，激光束到达光电管产生干涉信号的时刻总是延迟于激光束从自由落体的角锥棱镜处反射的时刻，这种情况下，从干涉信号中提取的角锥棱镜的位置并不是该时刻角锥棱镜的真实位置，从而引起了绝对重力测量的误差。
光速有限效应的修正的物理模型都是基于时间延迟和多普勒效应，可以将修正后的重力加速度g值表示为：其中k为修正系数，v0表示落体角锥棱镜的初始速度，g0表示被测量处的重力加速度，T表示落体一次所需要的总时间。理论上无论是基于时间延迟进行计算，还是基于多普勒效应进行计算，由于物理的本质都是光速有限引起的物理效应，该修正系数只可能得到唯一的数值。但是基于时间延迟的方法进行计算时，修正系数k＝3；而基于多普勒效应的方法进行计算时，修正系数k＝2。对于FG5绝对重力仪(美国Micro-g LaCoste公司生产和制造，该公司是目前唯一生产商用绝对重力仪的公司)，其落体距离约为20cm，实际用于数据拟合的落体总时间约为T＝0.17s，初速度约为v0＝0.4m/s，则当修正系数k＝3时，光速有限效应的修正约为12μGal；而当修正系数k＝2时，该修正的大小约为8μGal。修正系数的不同可以产生4μGal的系统误差，由于重力加速度g值的真值未知，修正系数的多少将直接影响重力加速度g值的测量结果。
科学家们试图利用FG5X绝对重力仪进行实验测量光速有限效应的影响，试图证明修正系数并不是过去一直认为的k＝3，而应该修正为k＝2。该实验的最大难点是仪器的各种噪声都会进入最后的数据，从实验数据中判断和扣除其他各项误差。但是科学家们对该实验的数据分析和误差扣除目前还存在一些争议，并不认为该实验确定了光速有限效应的影响多少，也就并没有彻底解决对于该修正系数的争议。
实用新型内容
针对现有测试装置和实验手段的不足和该科学问题的重要性，本实用新型提供一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置，通过该测试装置能够直接测量绝对重力仪中光速有限效应的影响，从而解决上述关于修正系数的争议。
光程差在通常落体式绝对重力仪中都随着角锥棱镜的下落而减小，这是因为落体相对于参考棱镜的距离在减小。如果将落体替换为固连的两个对顶的角锥棱镜，即落体具有平行的上、下两个反射面，并在落体的上方增加一套激光干涉仪。这样，在落体的下落过程中，上方干涉仪中的光程差将随着落体的下落而增大。在这种情况下，两套干涉仪对应的干涉信号中，光速有限效应的符号相反，而重力加速度、地面振动和仪器的其他误差等都是共模项，从而通过差分测量的方式能够对光速有限效应进行直接的实验测量。基于以上陈述，本实用新型通过搭建一套创新的双光路系统，利用对顶的角锥棱镜作为落体，在其上方和下方分别构建一套激光干涉仪，利用这种双光路系统的两个干涉仪输出信号的差分来直接测量光速有限效应的影响，解决国际上关于这一问题的争议。
本实用新型提供了一种基于双光路的绝对重力仪中光速有限效应的测试装置，包括：隔振平台、位于隔振平台上方的支撑结构、位于所述支撑结构上方的第一激光干涉仪、位于所述第一激光干涉仪的下方的第一参考棱镜、位于所述第一激光干涉仪上方的落体真空腔、位于所述落体真空腔中间的对顶双棱镜形成的落体以及相应的落体机械结构、位于所述落体真空腔上方的第二激光干涉仪、位于所述第二激光干涉仪上方的第二参考棱镜；第一参考棱镜、第一激光干涉仪和双棱镜的下反射面组成第一套完整的激光干涉光路系统；所述第二参考棱镜、第二激光干涉仪和双棱镜的上反射面组成第二套完整的激光干涉光路系统。当对顶双棱镜形成的落体在落体真空腔中自由下落时，会在第一激光干涉仪和第二激光干涉仪中分别形成干涉信号，通过探测器分别探测两套激光干涉仪的干涉信号，通过数据处理实现两套干涉仪信号的差分测量，由于光速有限效应在两套干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、振动噪声和其他噪声等对两套激光干涉仪的作用效果是相同的，是共模信号，因此通过这种差分测量就可以直接测量绝对重力仪中光速有限效应的大小。
更进一步地，所述隔振平台为超长周期的低频隔振系统，该隔振系统的谐振周期通常需要达到15s以上，由于绝对重力仪对低频敏感，而地脉动在1/6Hz附近存在一个峰，因此需要增加超长周期的低频隔振系统来隔离地脉动的影响。
更进一步地，所述的第一激光干涉仪和第二激光干涉仪的结构应该尽可能对称，从而提高共模抑制。
更进一步地，所述第一参考棱镜与第二参考棱镜应该固连，这样保证两个参考棱镜受到的地脉动和外部振动是相同的，从而进行共模抑制。
本实用新型在普通落体式绝对重力仪的基础上，将落体更改为两个对顶放置的角锥棱镜，并在该落体的上反射面的上方增加一套激光干涉仪和相应的参考棱镜，并且保证两个参考棱镜固连。当落体在真空腔中进行自由下落时，光速有限效应在两套激光干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、外部振动和其他噪声等在两套干涉仪中的作用效果相同，是共模项，因此可以通过两套干涉仪的信号的差分对绝对重力仪中光速有限效应进行直接测量，解决国际上关于这一问题的争议。
本实用新型还提供了一种基于双光路的绝对重力仪中光速有限效应的测试方法，包括下述步骤：
(1)利用两个对顶的角锥棱镜固连形成一个落体结构，并且在落体上反射面的上方增加一套激光干涉仪，并且使两套激光干涉仪的参考棱镜固连，形成双光路系统；
(2)落体在真空腔中自由下落时，两套激光干涉仪分别采集和记录干涉信号，将两套激光干涉仪的干涉信号进行相应的数据处理差分后即可得到光速有限效应影响的大小。
更进一步地，对第一激光干涉仪进行计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度为对第二激光干涉仪进行计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度为通过对比两套激光干涉仪计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度结果可以发现，光速有限效应在两套激光干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、外部振动和其他的误差对于两套干涉仪的作用效果却是相同的，所以通过两套激光干涉仪的干涉信号的差分即可实现光速有限效应的直接测量。
本实用新型提供了一种基于双光路的绝对重力仪中光速有限效应的测试装置和测试方法。由于在一般的落体型绝对重力仪中，光速有限效应是和其他各项噪声共同被采集和处理的，对其进行测试的最大难点是仪器的各种噪声都会进入最后的数据，从实验数据中判断和扣除其他各项误差。本实用新型在普通落体型绝对重力仪的基础上，利用对顶的两个角锥棱镜固连作为一个整体落体，并且在该落体上反射面的上方增加一套激光干涉仪，同时使两套激光干涉仪中的参考棱镜固连。在这种配置下，当落体自由下落的过程中，光速有限效应在两套激光干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、外部振动和其他误差等在两套干涉仪中的作用效果是共模项，因此可以通过两套激光干涉仪的干涉信号的差分直接测量光速有限效应在绝对重力仪中的影响大小。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，本实用新型通过将落体更改为两个对顶放置的角锥棱镜，并在落体上反射面的上方增加一套激光干涉仪，同时使两套激光干涉仪的参考棱镜固连，通过两套激光干涉仪的干涉信号的差分能够实现对光速有限效应在绝对重力仪中的影响大小进行直接测量。该测试装置和测试方法将外部振动和其他误差等难以扣除的误差直接转换为共模项，利用差分的手段直接扣除，使得实验数据便于分析和解释。
附图说明
图1是本实用新型的双光路系统结构原理示意图；
图2是本实用新型的双光路形成的两套激光干涉仪的光路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为超长周期低频隔振平台、2为支撑结构、3为第一激光干涉仪、4为第一参考棱镜、5为落体真空腔、6为落体结构、7为第二激光干涉仪、8为第二参考棱镜、9为加速度计、10为主动反馈控制系统、11为稳频激光器、12为第一探测器、13为第二探测器。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1示出了本实用新型实施例提供的绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置的原理结构图，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：
绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置包括：超长周期低频隔振平台1、位于隔振平台1上方的支撑结构2、位于所述支撑结构2上方的第一激光干涉仪3、位于所述第一激光干涉仪3的下方的第一参考棱镜4、位于所述第一激光干涉仪3上方的落体真空腔5、位于所述落体真空腔5中间的落体结构6、位于所述落体真空腔5上方的第二激光干涉仪7、位于所述第二激光干涉仪7上方的第二参考棱镜8；所述第一参考棱镜4、第一激光干涉仪3和落体结构6的下反射面组成第一套完整的激光干涉光路系统；所述第二参考棱镜8、第二激光干涉仪7和落体结构6的上反射面组成第二套完整的激光干涉光路系统。当落体结构6在落体真空腔5中自由下落时，会在第一激光干涉仪3和第二激光干涉仪7中分别形成干涉信号，通过第一探测器12、第二探测器13分别探测两套激光干涉仪的干涉信号，通过数据处理实现两套干涉仪信号的差分测量，由于光速有限效应在两套干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、振动噪声和其他噪声等对两套干涉仪的作用效果是相同的，是共模信号，因此通过这种差分测量就可以直接测量绝对重力仪中的光速有限效应的大小。
在本实用新型实施例中，落体结构6由两个落体棱镜固连组成，两个落体棱镜均为角锥棱镜且对顶角设置，落体结构6具有平行的上、下两个反射面，落体结构6的上反射面与第二激光干涉仪7相对，落体结构6的下反射面与第一激光干涉仪3相对。
在本实用新型实施例中，隔振平台1可以为超长周期(15s以上)的低频隔振系统，其中加速度计9探测隔振平台1上的振动加速度，主动反馈补偿系统10根据加速度计9的输出施加适当的磁反馈力补偿隔振平台的运动，从而实现隔振系统的谐振周期达到15s以上。由于绝对重力仪对低频敏感，而地脉动在1/6Hz附近存在一个峰，因此需要增加超长周期的低频隔振系统来隔离地脉动的影响。
在本实用新型实施例中，第一激光干涉仪3和第二激光干涉仪7的结构应该尽可能对称，从而提高共模抑制。
在本实用新型实施例中，第一参考棱镜4与第二参考棱镜8应该刚性连接，使得第一参考棱镜4与第二参考棱镜8的运动完全一致；这样保证两个参考棱镜受到的地脉动和外部振动是相同的，从而进行共模抑制。作为本实用新型的一个实施例，第一参考棱镜4和第二参考棱镜8可以通过支撑架实现固定刚性连接。作为本实用新型的另一个实施例，可以将第一参考棱镜4、第一激光干涉仪3、落体真空腔5、第二激光干涉仪7与第二参考棱镜8固定连接，保证第一参考棱镜4与第二参考棱镜8的运动完全一致。
在本实用新型实施例中，落体真空腔5包括真空腔和落体的辅助机械结构，由于该落体真空腔5的结构属于现有技术，在此不再赘述。
图2示出了本实用新型实施例中双光路形成的两套激光干涉仪的光路结构示意图，稳频激光器11发出的激光经过分束镜后分别入射到两套激光干涉仪中，对于第一激光干涉仪3，入射的激光经过分束镜分成两束，一束经过落体结构6的下反射面到第一参考棱镜4后，再经过反射镜与另一束激光形成干涉条纹，并被第一探测器12检测；对于第二激光干涉仪7，入射的激光经过分束镜分成两束，一束经过落体结构6的上反射面到第二参考棱镜8后，再经过反射镜与另一束激光形成干涉条纹，并被第二探测器13检测。具体的光路可以不同，图2仅给出一种可能的光路示意图。
本实用新型在普通落体式绝对重力仪的基础上，将落体更改为两个对顶放置的角锥棱镜，并在该落体的上反射面的上方增加一套激光干涉仪和相应的参考棱镜，并且保证两个参考棱镜固连。当落体在真空腔中进行自由下落时，两套干涉仪都会对该落体的运动进行测量，其中光速有限效应在两套激光干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、外部振动和其他噪声等在两套干涉仪中的作用效果相同，是共模项，因此可以通过两套干涉仪的信号的差分对绝对重力仪中光速有限效应进行直接测量，解决国际上关于这一问题的争议。
本实用新型还提供了一种基于双光路的绝对重力仪中光速有限效应的测试方法，包括下述步骤：
(1)利用两个对顶的角锥棱镜固连形成一个落体结构6，并且在落体上反射面的上方增加一套激光干涉仪7，并且使两套激光干涉仪的参考棱镜4、8固连，形成双光路系统；
(2)落体6在真空腔5中自由下落时，两套激光干涉仪3、7分别采集和记录干涉信号，将两套激光干涉仪的干涉信号进行相应的数据处理差分后即可得到光速有限效应影响的大小。
更进一步地，对第一激光干涉仪进行计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度为对第二激光干涉仪进行计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度为通过对比两套激光干涉仪计算得到的光速有限效应修正后的重力加速度结果可以发现，光速有限效应在两套激光干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、外部振动和其他的误差对于两套激光干涉仪的作用效果却是相同的，所以通过两套激光干涉仪的干涉信号的差分即可实现光速有限效应的直接测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置，其特征在于，包括：
隔振平台(1)、位于隔振平台(1)上方的支撑结构(2)、位于所述支撑结构(2)上方的第一激光干涉仪(3)、位于所述第一激光干涉仪(3)的下方的第一参考棱镜(4)、位于所述第一激光干涉仪(3)上方的落体真空腔(5)、位于所述落体真空腔(5)内的落体结构(6)、位于所述落体真空腔(5)上方的第二激光干涉仪(7)、位于所述第二激光干涉仪(7)上方的第二参考棱镜(8)；
所述落体结构(6)由两个落体棱镜固连组成，且所述落体结构(6)具有上、下反射面；
所述第一参考棱镜(4)、所述第一激光干涉仪(3)和所述落体结构(6)的下反射面构成第一激光干涉光路；所述第二参考棱镜(8)、第二激光干涉仪(7)和所述落体结构(6)的上反射面构成第二激光干涉光路；
当所述落体结构在所述落体真空腔中自由下落时，分别在所述第一激光干涉仪和第二激光干涉仪中形成干涉信号，通过第一探测器、第二探测器分别探测的干涉信号经过数据处理后实现差分测量，由于光速有限效应在两套干涉仪中的作用效果是相反的，而重力加速度、振动噪声和其他噪声对两套干涉仪的作用效果是相同的，是共模信号，因此通过这种差分测量就可以直接测量绝对重力仪中光速有限效应的大小。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述落体结构(6)中的两个落体棱镜均为角锥棱镜且对顶角设置。
3.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述隔振平台(1)为谐振周期达15s以上的低频隔振系统。
4.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述第一激光干涉仪(3)和第二激光干涉仪(7)的结构应该尽可能对称。
5.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述第一参考棱镜(4)与第二参考棱镜(8)刚性连接，且所述第一参考棱镜(4)与第二参考棱镜(8)的运动完全一致。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201520210785.5U CN204496033U (zh) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | 绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置 |
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| CN201520210785.5U CN204496033U (zh) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | 绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置 |
Publications (1)
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| CN201520210785.5U Withdrawn - After Issue CN204496033U (zh) | 2015-04-09 | 2015-04-09 | 绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置 |
Country Status (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104765075A (zh) * | 2015-04-09 | 2015-07-08 | 中国科学院测量与地球物理研究所 | 绝对重力仪中光速有限效应的双光路测试装置 |
| CN106125150A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-11-16 | 中国地震局地震研究所 | 用于绝对重力仪的激光三干涉测量系统 |
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2015
- 2015-04-09 CN CN201520210785.5U patent/CN204496033U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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Granted publication date: 20150722 Effective date of abandoning: 20170419 |
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