本发明专利技术公开了一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，属于重力勘测技术领域。由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元组成；或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元和第2重力敏感型冷原子干涉单元通过真空管道连通组成；第1重力敏感型冷原子干涉单元由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部分、第1冷原子束偏转部分和第1原子干涉及探测部分组成。解决了冷原子束产生装置中出射原子被推载激光照射的问题；大幅提高了原子干涉重力梯度仪的测量带宽；通过真空管道在拉曼激光光束传播路径上连通的结构可避免由空气间隙及窗片结构偏差所引入的系统误差和噪声。
【技术实现步骤摘要】
基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器
本专利技术属于重力勘测
，特别涉及一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器。
技术介绍
地质结构中质量和密度分布的不均匀会导致地表重力及重力梯度场的异常。而作为重力位的更高阶微商，重力梯度场具有比重力场更高的空间分辨率和灵敏度。因此，重力梯度测量在资源勘察、环境监测和国防建设等领域具有非常广泛的应用和重要意义。目前较成熟的重力梯度仪方案主要包括:美国Bell Aerospace公司和澳大利亚BHP Billiton 公司所采用的“旋转加速度计方案”(J.B.Lee,FALCON gravity gradiometertechnology, BHP Billiton Discovery Technologies, I ~4，1992)、英国 ARKeX 公司所米用的“超导方案”(M.V.Moody, H.J.Paik, and E.R.Canavanc, Three-axissuperconducting gravity gradiometer for sensitive gravity Experiments, Rev.Sc1.1nstrum.73, 3957，2002)、法国航空航天中心(ONERA)所采用的“静电加速度计方案”(PTouboul, B Foulon, M Rodrigues, J.P Marque, In orbit nano-g measurements, lessonsfor future space missions, Aerospace Science and Technology, 8, 431, 2004),以及本专利技术所涉及的“原子干涉仪方案” (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)。 与旋转加速度计和静电加速度计方案相比，原子干涉仪方案具有更高的理论精度(目前已经实现了 ICT121^?的单个重力仪(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))，与精度相当的超导方案相比，由于不需要极端的超导条件，因此更具有体积、功耗和成本等方案的工程化优势。此外，其他各方案均以相对加速度计(重力仪)为构成单元，无法给出绝对的重力值，而且不同加速度之间的系统误差之差也会引入重力梯度测量的结果，而原子干涉重力梯度仪由两个绝对重力梯度仪组成，不仅可以进行绝对的重力梯度测量，也可以一并给出绝对重力值。早在1991年，美国斯坦福大学的Kasevich就在其导师朱棣文的带领下实现了国际上第一个原子干涉仪并用于重力测量(M.Kasevich and S.Chu, Atomic interferometryusing stimulated Raman transitions, Phys.Rev.Lett.67, 181, 1991);随后 Kasevich在耶鲁大学成立研究小组并于1998年将两个原子干涉重力仪垂向层叠并进行共模差分测量实现了第一个用于测量竖直重力梯度的原子干涉竖直重力梯度仪(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返回斯坦福大学并于2009年成功研制了一台用于测量水平重力梯度的车载水平重力梯度仪，在经过180秒的积分时间以后，其测量精度可以达到7万(X.A.Wu,Gravity gradient survey with a mobile atom interferometer, PhD thesis, StanfordUniversity, 2009)) (IE ^ W10g/m)o意大利佛罗伦萨大学的Tino小组采用了与斯坦福大学双重力仪方案不同的单重力仪双喷泉方案，经过了 8000秒的积分时间，实现了精度为 0.5万的垂向重力梯度测量(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)。重力梯度仪搭乘航空、航天飞行器可以突破山地、海洋等地理条件的限制，大幅提高勘测的效率，星载重力梯度仪甚至可以对全球的重力梯度进行测量，因此高分辨率航空、航天测量是重力梯度仪的重要发展方向，这就对其测量带宽做出了很高的要求，而这恰恰是原子干涉重力梯度仪的短板所在。目前国际上所有的原子干涉重力及重力梯度测量方案全部基于脉冲发射的冷原子团，每发射一团原子只能获得一个数据点，采样完成后才能进行下一次发射，其中单次数据采集过程包括冷原子团的制备、上抛、态制备、拉曼激光脉冲相干操作和末态探测几个步骤，其中单个冷原子团的制备通常要耗时0.3~I秒，使得单点采样速率仅能达到0.5~2.5 Hz，而要获得一个重力梯度的测量值往往需要多个不同相位的数据点进行拟合处理，这就使得实际的重力梯度测量带宽普遍处于I Hz以下，要获得高精度的测量值更是需要成千上万秒的积分平均。目前，美国Bell Aerospace与加拿大McPHAR公司生产的基于GT-1A加速度计的航空重力梯度仪的测量带宽可以达到100 Hz，搭乘Piper Navajo型飞机(140海里/小时)可实现I?的勘测线分辨率。而原子干涉重力梯度仪要满足高分辨率航空、航天测量的需求，其测量带宽是一个迫切需要解决的问题。利用原子束代替原子团可以显著提高原子干涉仪的采样速率。美国的Kasevich小组曾经使用连续的热原子束干涉仪进行转动测量，得到了时间连续的测量数据点，但由于热原子束中的原子飞 行速度过快(在千米/秒量级)，要获得高精度数据所需的拉曼激光相干操作时间，就必须要建造很大尺寸的测量装置，无法满足工程化的需求。美国国家标准局的卢征天等人曾在1996年演示了一种能产生冷原子束的方法并得到了束流5X IO9/ s，平均速度14 ，分布2.7 m/s的铷冷原子束。但是该方法所获得的原子束始终在推射冷却光的照射之下，无法对其内态进行相干操作。清华大学的冯焱颖小组在横向冷原子束产生装置中曾利用重力让原子下落从而避开冷却光的照射。但是在重力梯度测量过程中，需要对原子进行竖直本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征在于：由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第1重力敏感型冷原子干涉单元（100）和第2重力敏感型冷原子干涉单元（200）组成；或由两个结构相同的第1重力敏感型冷原子干涉单元（100）和第2重力敏感型冷原子干涉单元（200）通过真空管道（300）连通组成；第1重力敏感型冷原子干涉单元（100）由自下而上依次连接的第1冷原子束产生部分（110）、第1冷原子束偏转部分（120）和第1原子干涉及探测部分（130）组成。
【技术特征摘要】
1.一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征在于: 由两个结构相同的且在水平方向并行排列的第I重力敏感型冷原子干涉单元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉单元(200)组成； 或由两个结构相同的第I重力敏感型冷原子干涉单元(100)和第2重力敏感型冷原子干涉单元(200)通过真空管道(300)连通组成； 第I重力敏感型冷原子干涉单元(100)由自下而上依次连接的第I冷原子束产生部分(110)、第I冷原子束偏转部分(120)和第I原子干涉及探测部分(130)组成。2.按权利要求1所述的一种基于冷原子束干涉仪的水平重力梯度测量传感器，其特征在于: 所述的第I冷原子束产生部分(110)包括第I囚禁激光光束发射器(111)、第2囚禁激光光束发射器(113)、第I三维磁光讲反向亥姆赫兹线圈(115)、第I碱金属源(116)和第I包含1/4波片的反射镜组(I 17)； 以第I三维冷原子束(118)制备区为中心，竖直方向设置有I个发射方向指向该中心的第I囚禁激光光束发射器(111)，水平方向空间对称地设置有2对发射方向指向该中心的第2囚禁激光光束发射器(113)，另有第I包含1/4波片的反射镜组(117)置于该中心的正上方，同时以第I囚禁激光光束(112)的传播方向为轴，空间对称地设置有一对第I三维磁光阱反向亥姆赫兹线圈(115)...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱磊，仲嘉琪，陈曦，熊宗元，宋宏伟，王玉平，李大伟，王谨，詹明生，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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