冷原子干涉绝对重力精密测量与系统误差

高精度重力加速度测量在地质勘探、惯性导航、地球物理等领域具有非常重要的作用。冷原子干涉重力仪是近二十年快速发展起来的新型量子测量仪器,因其具有较高的灵敏度和测量精度而日益得到重视,并逐步从实验室研究向实用化仪器发展。目前,实验室内的高精度冷原子干涉绝对重力仪测量精度已达10-12 g量级,性能媲美经典绝对重力仪的商用产品也已出现。介绍了基于原子干涉技术的绝对重力精密测量的基本原理和发展历程,综述国内外各研究组的研究现状,并分析了限制冷原子干涉绝对重力测量精度的几种主要系统误差,以及对这些系统误差的抑制和评估方法。

基于车载原子干涉仪的野外流动重力测量

移动重力测量在计量学、地球科学及国防军事等领域有着广泛的应用需求。原子干涉重力仪在可移动高精度重力测量上具有良好的技术潜力,但目前仍很难兼具高集成度与高灵敏度。针对此问题,本文研制了一套基于原子干涉仪的车载重力测量系统,基于小型化、高度集成的仪器设计,实现了高精度的野外重力测量,室外测量灵敏度为520μGal/Hz、测量重复性优于20μGal。在长10 km、高程变化100 m的野外测线上开展了单点调试时间小于5 min、有效测量时间小于15 min的快速重力测量,并与LG-1相对重力仪进行比对。在一般性的野外测试环境下,2种重力仪的测量残差小于100μGal,车载绝对重力仪自身测量残差小于15μGal。因此,该车载重力测量系统极大地提高了野外重力测量效率,方便运输、随停随测、测量准确,为可移动重力测量领域提供了可靠的技术解决方案。

基于冷原子重力仪的轨道移动绝对重力测量

绝对重力测量在铁路路基探测等领域发挥着重要作用,但大多数室外移动重力仪结构复杂或精度一般,可使用的范围有限。研制了一套轨道移动绝对重力测量系统,实现了高集成的系统结构设计、自动化的测试流程,开展了实验室及轨道环境下的绝对重力测量,测量结果可靠。首先,在实验室环境下重力测量灵敏度达到了440μGal⋅Hz^(-1/2),测量300 s的误差小于30μGal。其次,在炎热、嘈杂的室外轨道移动条件下,绝对重力测量不确定度优于15μGal,与相对重力仪(LG-1)的测量偏差优于40μGal。最后,轨道环境下的重力测量灵敏度达到707.9μGal⋅Hz^(-1/2)。所提出的轨道移动绝对重力测量系统可以在室外条件下进行快速重力测量,为铁路路基探测提供了新的仪器与解决方案。

冷原子干涉可编程时序控制系统设计与实现

时序控制系统是冷原子干涉实验、重力仪研制及应用测试必不可少的组成部分,负责协调、驱动和控制各子系统的运行,是冷原子干涉控制的中枢单元。针对冷原子干涉过程中高精度调节、多路同步及可灵活调控的时序控制需求,设计实现了一套基于ARM+FPGA架构的冷原子干涉可编程时序控制系统,其由时序主控模块和多个从设备模块构成,具有同步触发、模拟调制、射频驱动、信号采集和数据处理等功能。系统测试和冷原子干涉实验结果表明,该系统时序调节精度可达10 ns,控制精度和多路同步精度均优于2 ns,符合冷原子干涉时序控制应用需求,成功用于冷原子干涉重力测量。