基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器的製造方法
2023-10-10 16:08:19 1
基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，屬於重力勘測【技術領域】。由兩個結構相同的且在水平方向並行排列的第1重力敏感型冷原子幹涉單元和第2重力敏感型冷原子幹涉單元組成；或由兩個結構相同的第1重力敏感型冷原子幹涉單元和第2重力敏感型冷原子幹涉單元通過真空管道連通組成；第1重力敏感型冷原子幹涉單元由自下而上依次連接的第1冷原子束產生部分、第1冷原子束偏轉部分和第1原子幹涉及探測部分組成。解決了冷原子束產生裝置中出射原子被推載雷射照射的問題；大幅提高了原子幹涉重力梯度儀的測量帶寬；通過真空管道在拉曼雷射光束傳播路徑上連通的結構可避免由空氣間隙及窗片結構偏差所引入的系統誤差和噪聲。
【專利說明】基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於重力勘測【技術領域】，特別涉及一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器。
【背景技術】
[0002]地質結構中質量和密度分布的不均勻會導致地表重力及重力梯度場的異常。而作為重力位的更高階微商，重力梯度場具有比重力場更高的空間解析度和靈敏度。因此，重力梯度測量在資源勘察、環境監測和國防建設等領域具有非常廣泛的應用和重要意義。
[0003]目前較成熟的重力梯度儀方案主要包括:美國Bell Aerospace公司和澳大利亞BHP Billiton 公司所採用的「旋轉加速度計方案」(J.B.Lee,FALCON gravity gradiometertechnology, BHP Billiton Discovery Technologies, I ~4，1992)、英國 ARKeX 公司所米用的「超導方案」(M.V.Moody, H.J.Paik, and E.R.Canavanc, Three-axissuperconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments, Rev.Sc1.1nstrum.73, 3957，2002)、法國航空航天中心(ONERA)所採用的「靜電加速度計方案」(PTouboul, B Foulon, M Rodrigues, J.P Marque, In orbit nano-g measurements, lessonsfor future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431, 2004),以及本發明所涉及的「原子幹涉儀方案」 (M.J.Snadden, J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al,Measurement of the earth』 s gravity gradient with an atom interferometer-basedgravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971,1998)。
與旋轉加速度計和靜電加速度計方案相比，原子幹涉儀方案具有更高的理論精度(目前已經實現了 ICT121^?的單個重力儀(S.M.Dickerson, J.M.Hogan, A.Sugarbaker, et al,Multiaxis inertial sensing with long-time point source atom interferometry, Phys.Rev.Lett.111，083001，2013))，與精度相當的超導方案相比，由於不需要極端的超導條件，因此更具有體積、功耗和成本等方案的工程化優勢。此外，其他各方案均以相對加速度計(重力儀)為構成單元，無法給出絕對的重力值，而且不同加速度之間的系統誤差之差也會引入重力梯度測量的結果，而原子幹涉重力梯度儀由兩個絕對重力梯度儀組成，不僅可以進行絕對的重力梯度測量，也可以一併給出絕對重力值。
[0004]早在1991年，美國史丹福大學的Kasevich就在其導師朱棣文的帶領下實現了國際上第一個原子幹涉儀並用於重力測量(M.Kasevich and S.Chu, Atomic interferometryusing stimulated Raman transitions, Phys.Rev.Lett.67, 181, 1991);隨後 Kasevich在耶魯大學成立研究小組並於1998年將兩個原子幹涉重力儀垂向層疊並進行共模差分測量實現了第一個用於測量豎直重力梯度的原子幹涉豎直重力梯度儀(M.J.Snadden,J.M.McGuirk, P.Bouyer, et al, Measurement of the Earth』 s gravity gradient withan atom interferometer-based gravity gradiometer, Phys.Rev.Lett.81,971，1998)；2006年，Kasevich返回史丹福大學並於2009年成功研製了一臺用於測量水平重力梯度的車載水平重力梯度儀，在經過180秒的積分時間以後，其測量精度可以達到7萬(X.A.Wu,Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, StanfordUniversity, 2009)) (IE ^ W10g/m)o義大利佛羅倫斯大學的Tino小組採用了與史丹福大學雙重力儀方案不同的單重力儀雙噴泉方案，經過了 8000秒的積分時間，實現了精度為 0.5萬的垂向重力梯度測量(F.Sorrentino, Q.Bodart, L.Cacciapuoti, et al,Sensitivity limits of a Raman atom interferometer as a gravity gradiometer, Phys.Rev.A.89, 023607, 2014)。
[0005]重力梯度儀搭乘航空、航天飛行器可以突破山地、海洋等地理條件的限制，大幅提高勘測的效率，星載重力梯度儀甚至可以對全球的重力梯度進行測量，因此高解析度航空、航天測量是重力梯度儀的重要發展方向，這就對其測量帶寬做出了很高的要求，而這恰恰是原子幹涉重力梯度儀的短板所在。目前國際上所有的原子幹涉重力及重力梯度測量方案全部基於脈衝發射的冷原子團，每發射一團原子只能獲得一個數據點，採樣完成後才能進行下一次發射，其中單次數據採集過程包括冷原子團的製備、上拋、態製備、拉曼雷射脈衝相干操作和末態探測幾個步驟，其中單個冷原子團的製備通常要耗時0.3~I秒，使得單點採樣速率僅能達到0.5~2.5 Hz，而要獲得一個重力梯度的測量值往往需要多個不同相位的數據點進行擬合處理，這就使得實際的重力梯度測量帶寬普遍處於I Hz以下，要獲得高精度的測量值更是需要成千上萬秒的積分平均。目前，美國Bell Aerospace與加拿大McPHAR公司生產的基於GT-1A加速度計的航空重力梯度儀的測量帶寬可以達到100 Hz，搭乘Piper Navajo型飛機(140海裡/小時)可實現I?的勘測線解析度。而原子幹涉重力梯度儀要滿足高解析度航空、航天測量的需求，其測量帶寬是一個迫切需要解決的問題。
[0006]利用原子束代替原子團可以顯著提高原子幹涉儀的採樣速率。美國的Kasevich小組曾經使用連續的熱原子束幹涉儀進行轉動測量，得到了時間連續的測量數據點，但由於熱原子束中的原子飛 行速度過快(在千米/秒量級)，要獲得高精度數據所需的拉曼雷射相干操作時間，就必須要建造很大尺寸的測量裝置，無法滿足工程化的需求。美國國家標準局的盧徵天等人曾在1996年演示了一種能產生冷原子束的方法並得到了束流5X IO9/ s，平均速度14 ，分布2.7 m/s的銣冷原子束。但是該方法所獲得的原子束始終在推射冷卻光的照射之下，無法對其內態進行相干操作。清華大學的馮焱穎小組在橫向冷原子束產生裝置中曾利用重力讓原子下落從而避開冷卻光的照射。但是在重力梯度測量過程中，需要對原子進行豎直發射，而利用重力改變原子飛行軌跡的方法則需要很大尺寸的實驗裝置，因此並不適用。
【發明內容】
[0007]本發明的目的就在於克服現有技術存在的缺點和不足，尤其是克服冷原子幹涉重力梯度儀測量帶寬過低的問題，提供一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器。
[0008]所需解決的問題是:
1、如【背景技術】中所介紹，目前國際上所有的原子幹涉重力梯度測量方案全部採用基於脈衝發射的冷原子團，每發射一團原子只能獲得一個數據點，而獲得一個梯度值往往需要多個不同相位的數據點進行擬合處理，這就使得重力梯度測量帶寬普遍處於IHZ以下，無法滿足高解析度航空、航天測量的需求。[0009]2、為了提高原子幹涉重力梯度儀的採樣速率，在理論上可以採用冷原子束替代冷原子團的實驗方案，但現有的冷原子束產生技術所獲得的原子束長時間處於推射冷卻光的照射之下，無法對其內態進行相干操作，也就無法實現原子幹涉。如果利用重力讓原子自由下落從而避開冷卻光的照射，則需要大尺寸的實驗裝置，無疑會大大增加實驗裝置系統的成本、複雜性和空間佔用，更不利於工程化和移動測量。
[0010]本發明的目的是這樣實現的:
第一，在現有冷原子束技術基礎上，通過二維橫向移動光學黏膠來解決推載冷卻光與原子軌跡重疊的問題；
第二，利用空間分立的連續拉曼雷射方案代替傳統的時間分立的脈衝拉曼雷射方案，對冷原子束進行不間斷的相干操作和連續採樣，從而實現對水平重力梯度的準連續測量，滿足高空間解析度、高精度航空、航天測量的國家需求。
[0011]具體地說，本傳感器由兩個結構相同的且在水平方向並行排列的第I重力敏感型冷原子幹涉單元和第2重力敏感型冷原子幹涉單元組成；
或由兩個結構相同的第I重力敏感型冷原子幹涉單元和第2重力敏感型冷原子幹涉單元通過真空管道連通組成；
第I重力敏感型冷原子幹涉單元由自下而上依次連接的第I冷原子束產生部分、第I冷原子束偏轉部分和第I原子幹涉及探測部分組成。
[0012]本發明具有下列優點和積極效果:
①解決了冷原子束產生裝置中出射原子被推載雷射照射的問題，使冷原子束中的原子的內態可以被自由地操作和演化；
②大幅提高了原子幹涉重力梯度儀的測量帶寬，實現對水平重力梯度的準連續測量，滿足高解析度航空、航天測量的需求；
③第I重力敏感型冷原子幹涉單元和第2重力敏感型冷原子幹涉單元通過真空管道在拉曼雷射光束傳播路徑上連通的結構可避免由空氣間隙及窗片結構偏差所引入的系統誤差和噪聲。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本傳感器的結構示意圖；
圖2為雙光子躍遷的能級不意圖；
圖3為原子幹涉不意圖。
[0014]圖中:
100—H I重力敏感型冷原子幹涉單元；
110—H I冷原子束產生部分；
111一第I囚禁雷射光束髮射器；112—第I囚禁雷射光束；
113—H 2囚禁雷射光束髮射器；114一第2囚禁雷射光束；
115—HI三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
116—第I鹼金屬源；
117—HI包含1/4波片的反射鏡組；
118—HI三維冷原子束； 120—H I冷原子束偏轉部分；
—第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器；
122—HI移動二維光學黏膠雷射光束；
123—HI 二維冷原子束；
130—第I原子幹涉及探測部分；
131—HI拉曼雷射光束髮射器；132—第I拉曼雷射光束；
133—H 2拉曼雷射光束髮射器；134—第2拉曼雷射光束；
135—H 3拉曼雷射光束髮射器；136—第3拉曼雷射光束；
137—H I光電探測器； 138—第I偏置磁場線圈；
200—H 2重力敏感型冷原子幹涉單元；
210—H2冷原子束產生部分；
211—H3囚禁雷射光束髮射器；212—第3囚禁雷射光束；
213—H 4囚禁雷射光束髮射器；214—第4囚禁雷射光束；
215—第2三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈；
216—第2鹼金屬源；
217—第2包含1/4波片的反射鏡組；
218—H2三維冷原子束；
220—H2冷原子束偏轉部分；
221—H2移動二維光學黏膠雷射光束髮射器；
222—H2移動二維光學黏膠雷射光束；
222—H 2 二維冷原子束；
230—第2原子幹涉及探測部分；
231—H4拉曼雷射光束髮射器；232—第4拉曼雷射光束；
233—H 5拉曼雷射光束髮射器；234—第5拉曼雷射光束；
235—H 6拉曼雷射光束髮射器；236—第6拉曼雷射光束；
237—H 2光電探測器； 238—第2偏置磁場線圈；
300—真空管道；
1>一原子基態下能級；
2>—原子基態上能級；
3>一虛能級；
4>一原子激發態能級；
Δ一能級失諧量。
[0015]【具體實施方式】:
下面結合附圖和實例詳細說明:
一、總體
如圖1，本傳感器由兩個結構相同的且在水平方向並行排列的第I重力敏感型冷原子幹涉單元100和第2重力敏感型冷原子幹涉單元200組成；
或由兩個結構相同的第I重力敏感型冷原子幹涉單元100和第2重力敏感型冷原子幹涉單元200通過真空管道300連通組成； 第I重力敏感型冷原子幹涉單元100由自下而上依次連接的第I冷原子束產生部分110、第I冷原子束偏轉部分120和第I原子幹涉及探測部分130組成。
[0016]二、功能部件
1、第I冷原子束產生部分110第I原子幹涉及探測部分110包括第I囚禁雷射光束髮射器111、第2囚禁雷射光束髮射器113、第I三維磁光講反向亥姆赫茲線圈115、第I鹼金屬源116和第I包含1/4波片的反射鏡組117 ;
以第I三維冷原子束118製備區為中心，豎直方向設置有I個發射方向指向該中心的第I囚禁雷射光束髮射器111，水平方向空間對稱地設置有2對發射方向指向該中心的第2囚禁雷射光束髮射器113，另有第I包含1/4波片的反射鏡組117置於該中心的正上方，同時以第I囚禁雷射光束112的傳播方向為軸，空間對稱地設置有一對第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115。
[0017]2、第I冷原子束偏轉部分120
第I冷原子束偏轉部分120包括第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器121 ；
以第I 二維冷原子束123為中心，水平方向空間對稱地設置有2對發射方向指向該中心的第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器121。
[0018]3、第I原子幹涉及探測部分130
第I原子幹涉及探測部分130包括第I拉曼雷射光束髮射器131、第2拉曼雷射光束髮射器133、第3拉曼雷射光束髮射器135、第I光電探測器137和第I偏置磁場線圈138 ；在傳感器外部，沿與真空管道300垂直的方向自下而上依次設置有第I拉曼雷射光束髮射器131、第2拉曼雷射光束髮射器133、第3拉曼雷射光束髮射器135 ;沿真空管道300的方向空間對稱地設置有一對第I偏置磁場線圈138，另有第I光電探測器137設置於原子束運動路徑的末端。
[0019]*第1、2囚禁雷射光束髮射器111、113，第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器121和第1、2、3拉曼雷射光束髮射器131、133、135均是一種由例如半導體雷射器的通用雷射器和例如透鏡、稜鏡、聲光、電光調製器等通用光學元件構成的調整系統以及例如光纖等通用傳播器件相連接構成的發射終端，末端可以是光纖準直透鏡或反射鏡系統。
[0020]*第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115是一種通用的線圈，由金屬導線繞制而成。
[0021]*第I偏置磁場線圈138是一種通用的線圈，由金屬導線繞制而成。
[0022]*第I鹼金屬源116可以是鋰、鈉、鉀、銣、銫等鹼金屬元素的一種或幾種。
[0023]*第I包含1/4波片的反射鏡組117由一個中心帶小孔的1/4波片和一個中心也帶小孔的反射鏡平行擱置組成。
[0024]*第I重力敏感型冷原子幹涉單元100和第2重力敏感型冷原子幹涉單元200共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼雷射光束 132、134、136、232、234、236。
[0025]由以上說明可看出，本傳感器具有下列特點:
第I重力敏感型冷原子幹涉單元100由自下而上依次連接的第I冷原子束產生部分110、第I冷原子束偏轉部分120和第I原子幹涉及探測部分130組成；其中第I冷原子束偏轉部分120由兩對第I移動二維光學黏膠雷射光束122組成；第I重力敏感型冷原子幹涉單元100和第2重力敏感型冷原子幹涉單元200在拉曼雷射光束傳播路徑上可以用真空管道300連通；第I重力敏感型冷原子幹涉單元100和第2重力敏感型冷原子幹涉單元200共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼雷射光束 132、134、136、232、234、236。
[0026]三、工作原理
本發明的工作原理可以分解為以下幾個過程進行簡述:冷原子束的囚禁、發射、冷原子束的偏轉、態製備、原子幹涉、以及數據處理過程。
[0027]I)冷原子束的囚禁、發射過程
如圖1所示，由豎直一對第I囚禁雷射光束112、水平兩對第2囚禁雷射光束114和第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈115組成一個三維磁光阱，可以完成對鹼金屬原子的囚禁，同時實現發射。其具體工作原理如下囚禁過程:
假設頻率為ω的雷射(雷射的波矢為Α)與一團速度為r的原子發生相互作用，在紅失諧的情況下(雷射的頻率要小於原子在基態和激發態能級之間的共振躍遷頻率《O，即?〈《O)，由於都卜勒效應，當原子的運動方向與雷射的傳播方向相同時，原子感受到的雷射頻率可以表示為(ω-左.v),當原子的運動方向與雷射的傳播反向相反時,原子感受到的雷射頻率就表示為(ω +A.K)。一般情況下,原子感受到的頻率越接近共振頻率，原子對光子的吸收概率就越大。因此，在紅失諧《〈《ο的情況下，一個具有一定初速度r的原子與一對頻率、強度相同，傳播方向相反的雷射作用時，原子會更多的吸收傳播方向與原子速度方向相反的雷射，從而獲得一個與原子初速度方向相反的作用力，達到對原子進行減速的目的。如果原子受到三對對射並且兩兩垂直的囚禁雷射時，就能實現對原子的三維減速。三維磁光阱反向亥姆赫茲 線圈的中心與六束囚禁雷射光束的交點重合，其效果就是會產生一個中心為O、沿三維方向強度增加的梯度磁場。在有磁場的環境下，原子的能級會發生塞曼分裂，原子的能級會隨著磁場強度的變化而發生變化，因此可以選擇適當的躍遷磁子能級使得偏離中心的原子以更大的機率吸收指向中心的光子從而獲得具有囚禁作用的恢復力，這樣，在磁場和光的共同作用下，就可以冷卻和囚禁高密度的冷原子團。
[0028]發射過程:
如上所述，一般的磁光阱的三對冷卻雷射的強度都一樣，這樣只能把原子冷卻和囚禁在中心區域，但是該發明中的特別之處是:第一冷原子束產生部分100的內部中心上方安裝一個第I包含1/4波片的反射鏡組117，而上方的囚禁雷射光束是由來自下方的囚禁雷射光束經過第I包含1/4波片的反射鏡組117反射產生，小孔的存在使得上方的囚禁雷射光束為空心結構，這樣上述囚禁過程中囚禁的冷原子團將會受到下方囚禁冷卻雷射光束的輻射壓力並在其作用下向上經由小孔噴射而出，從而形成冷原子束。
[0029]2)冷原子束的偏轉過程
冷原子束從小孔噴出之後，在小孔的上方有兩對第I移動二維光學黏膠雷射光束122，通過調節這兩對光的頻率，原子可以獲得一個水平速度從而偏離從小孔一併出射的下方囚禁雷射光束的照射區域(恆定的水平速度不會對梯度測量的結果產生影響，速度大小可以通過調節兩對第I移動二維光學黏膠雷射光束122的頻率來控制)，該過程一併實現對原子束的橫向冷卻，提高其準直性。
[0030]3)態製備過程通過雷射或雷射-微波組合將原子製備到原子基態下能級11>或原子基態上能級I 2>的磁量子數為O的磁子能級上，然後將處於其它能級以及磁子能級的原子清除。
[0031]4)原子幹涉過程
拉曼雷射與鹼金屬原子作用可以用圖2中所示的三能級原子與光場相互作用模型進行描述。其中11>為原子基態下能級、I 2>為原子基態上能級，I 3>是原子虛能級，|4>為原子激發態能級，△為能級失諧量。拉曼雷射的由一對頻率分別為《P 的兩束對射雷射構成，當拉曼雷射與原子相互作用時，通過選擇合適的《P ?2，使ωι、相對於原子能級之間躍遷頻率的失諧量Λ? (其中 表示為原子激發態能級的自然線寬)，當Λ? 時，可以有效的抑制原子的自發輻射過程，原子此時只能通過受激吸收或受激輻射來改變內態，從而構成雙光子的受激拉曼躍遷。原子在吸收和釋放光子的過程中，原子的動量也會發生改變。在Λ? 且ΛΑΩρ Ω2 (Ωρ Ω2分別為構成拉曼雷射對的兩束雷射的有效拉比頻率)的大失諧條件下，該三能級原子等效為只有原子的基態下能級I 1>和原子的基態上能級I 2>的二能級原子體系，初態處於原子的基態下能級I 1>的原子與拉曼雷射光束髮生雙光子受激拉曼躍遷之後
處於原子基態下能級|1>上的概率可以表示為Λ=α+οο8(Ω@.?))/2 處於原子基態下能級|2>上的概率可以表示為A= (l-cos(Q eff.?))/2 其中t為拉曼雷射束與原子作用的時間，Qrff是拉曼雷射光束的有效拉比頻率(
與Ω2有關)。
[0032]在傳統的冷原子幹涉方案中，拉曼雷射都是脈衝工作的，假設原子最開始全部處於原子基態下能級 11>，當原子與拉曼雷射脈衝的作用時間?滿足i= ^/(2 Qeff)時，Λ=1/2，Λ=1/2，滿足這樣的拉曼雷射脈衝稱為π /2脈衝；當作用時間t滿足t 二 π / {Q eff)時，Λ=ο，Λ=ι，滿足這樣的拉曼雷射脈衝稱為冗脈衝。
[0033]本發明的特點在於:實驗技術方案中保持三對拉曼雷射(第I拉曼雷射光束132與第4拉曼雷射光束232構成第I對拉曼雷射；第2拉曼雷射光束134與第5拉曼雷射光束234構成第2對拉曼雷射；第3拉曼雷射光束136與第6拉曼雷射光束236構成第3對拉曼雷射)連續常開，因原子與拉曼雷射光束作用的時間t由拉曼雷射光束的光斑直徑和原子的運動速度共同決定，因此不能像傳統的實驗方案一樣通過掃描時間來觀察作用效果，可以預先分別單獨利用三對拉曼雷射光束與原子束進行掃描光強的拉比震蕩實驗，通過觀察原子在兩能級之間的布局數反轉效果來確定各自的光強大小。假設第I對拉曼雷射、第2對拉曼雷射、第3對拉曼雷射的初始相位分別為『 Φ2, 03，並假設原子最開始全部處於原子基態下能級|1>上。
[0034]在不考慮地球重力場影響的作用下，原子在與三對拉曼雷射光束作用完之後，原子處於原子基態下能級11>和原子基態上能級I 2>上的概率可以分別表示:
P1= (I+cos (Φ「2 多 2+ 多 3)) /2
P2- (l—cos (Φ「2 多 2+ 多 3)) /2
其中0 = 6-2^+^為幹涉條紋的相位。
[0035]如果考慮地球重力場的影響，假設第I對拉曼雷射、第2對拉曼雷射、第3對拉曼雷射之間的時間間隔均為r，則幹涉條紋末態相位的改變量可以表示為λ 0=tff wf，其中左eff表示拉曼雷射光束對原子作用時的有效波矢。如果在將拉曼雷射光束的相位改變s φ,則原子最終處於原子基態下能級11>和原子基態上能級I 2>上的概率分別表示為:
/^^(l+cos (0 + δ φ jTkeff.gf)) /2
/^2=(1-008 (0 + δ φ jTkeff.gf)) / 2
5)數據處理過程
對於由兩個原子幹涉儀組成的重力梯度儀，假設第一重力敏感型冷原子幹涉單元100和第二重力敏感型冷原子幹涉單元200得到的幹涉條紋(對於同一個內態(原子的基態下能級11>或原子的基態上能級I 2>)對應的表達式分別為:
Pk= A1 sin (0 !+ δ φ) + B1
P^= C1 sin(02+ δ φ) + D1
其中4，4，C1, D1為未知的常數，對應著幹涉條紋的幅度和偏移，Λ 0 = 為兩個幹涉儀的相位差。
[0036]利用三角函數擬合計算得到的重力梯度值的方差是兩個單獨幹涉儀的方差之和，無法達到共模抑制條紋相位的噪聲。為了更好的抑制兩個幹涉儀的共模噪聲，可以採用橢圓擬合的方法處理數據，具體方法如下:
將上面的兩個方程聯合起來消去δ 0，可以得到 C12 Oda) '+A12 (Pb) 2^1C1PaPbCOS A Φ -1ClPk (B1C1-A1D1COS A Φ)- A-^iCos Δ 0) + A12D1^B,2C12^1B,ClDlCos Δ φ ~Α Ο (1-COS2 Δ 0)=0
對於典型的梯度測量實驗數據，上式對應的是一個橢圓方程。若以目標函數^r2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0對數據進行擬合，則相位差滿足:cos Δ φ --B/2
繼而得到 Δ 0 = arcos {-B/2)
運用最小二乘擬合法得到參數次B，C，D, E的值，從而得到Λ φ的值。在左eff、7已知並準確知道兩個幹涉單元之間的基線長度的情況下，根據的值就可以獲取水平重力梯度的值。通過連續調製第2對拉曼雷射的相位，從而獲得時間上準連續的水平重力梯度值。用橢圓擬合的方法可以有效的抑制兩個幹涉的相位噪聲，提高測量的精度和靈敏度。
【權利要求】
1.一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特徵在於: 由兩個結構相同的且在水平方向並行排列的第I重力敏感型冷原子幹涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子幹涉單元(200)組成； 或由兩個結構相同的第I重力敏感型冷原子幹涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子幹涉單元(200)通過真空管道(300)連通組成； 第I重力敏感型冷原子幹涉單元(100)由自下而上依次連接的第I冷原子束產生部分(110)、第I冷原子束偏轉部分(120)和第I原子幹涉及探測部分(130)組成。
2.按權利要求1所述的一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特徵在於: 所述的第I冷原子束產生部分(110)包括第I囚禁雷射光束髮射器(111)、第2囚禁雷射光束髮射器(113)、第I三維磁光講反向亥姆赫茲線圈(115)、第I鹼金屬源(116)和第I包含1/4波片的反射鏡組(I 17)； 以第I三維冷原子束(118)製備區為中心，豎直方向設置有I個發射方向指向該中心的第I囚禁雷射光束髮射器(111)，水平方向空間對稱地設置有2對發射方向指向該中心的第2囚禁雷射光束髮射器(113)，另有第I包含1/4波片的反射鏡組(117)置於該中心的正上方，同時以第I囚禁雷射光束(112)的傳播方向為軸，空間對稱地設置有一對第I三維磁光阱反向亥姆赫茲線圈(115)。
3.按權利要求1所述的一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特徵在於: 所述的第I冷原子束偏轉部分(120)包括第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器(121)； 以第I 二維冷原子束(123)為中心，水平方向空間對稱地設置有2對發射方向指向該中心的第I移動二維光學黏膠雷射光束髮射器(121)。
4.按權利要求1所述的一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特徵在於: 所述的第I原子幹涉及探測部分(130)包括第I拉曼雷射光束髮射器(131)、第2拉曼雷射光束髮射器(133)、第3拉曼雷射光束髮射器(135)、第I光電探測器(137)和第I偏置磁場線圈(138)； 在傳感器外部，沿與真空管道(300)垂直的方向自下而上依次設置有第I拉曼雷射光束髮射器(131)、第2拉曼雷射光束髮射器(133)、第3拉曼雷射光束髮射器(135);沿真空管道(300)的方向空間對稱地設置有一對第I偏置磁場線圈(138)，另有第I光電探測器(137)設置於原子束運動路徑的末端。
5.所述的權利要求1所述的一種基於冷原子束幹涉儀的水平重力梯度測量傳感器，其特徵在於: 第I重力敏感型冷原子幹涉單元(100)和第2重力敏感型冷原子幹涉單元(200)共用第 1、2、3、4、5、6 拉曼雷射光束(132、134、136、232、234、236)。
【文檔編號】G01V7/00GK104007480SQ201410261863
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】朱磊, 仲嘉琪, 陳曦, 熊宗元, 宋宏偉, 王玉平, 李大偉, 王謹, 詹明生 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所