冷原子干涉重力仪及克服科里奥利力效应的方法与流程

本发明涉及精密重力测量领域，特别涉及一种冷原子干涉重力仪及克服科里奥利力效应的方法。

背景技术：

精密重力测量是对地球重力场进行高精度、高分辨率的测量，是获取地球重力场基础数据的重要手段，在国防军事、资源勘探、地震预报等领域中有重要应用。冷原子干涉重力仪是一种可实现重力加速度绝对测量的装置，相比光学干涉重力仪，具有更高的测量灵敏度和长期稳定性，是精密重力测量领域重点发展方向。

地球自转引起的科里奥利力效应对冷原子干涉重力仪有重要影响，由于原子重力仪采用冷原子团作为下落物体，科里奥利力效应作用到在东西方向上扩散的冷原子，导致重力加速度的测量值偏离真实值，降低了冷原子干涉重力仪的准确度，限制了冷原子干涉重力仪的应用和发展。

冷原子干涉重力仪系统主要包括冷原子物理系统和拉曼激光系统。目前，已有文献报道克服冷原子干涉重力仪中科里奥利力效应的方法，主要分为两种：第一种是法国巴黎天文台的科学家桑托斯(F.Santos)提出的转动冷原子干涉重力仪整体系统的方法，这种方法在系统转动过程中会引起重力仪的拉曼光路的变化，影响重力仪系统的稳定性；第二种方法是美国加州大学伯克利分校的穆勒(H.Müller)教授提出的转动拉曼激光反射镜的方法，通过电机主动控制拉曼光路以补偿地球自转的影响，这种方法需要对反射镜进行高精度控制，以避免光路变化导致的重力测量准确度下降。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种冷原子干涉重力仪及克服科里奥利力效应的方法。通过将冷原子干涉重力仪的冷原子物理系统部分置于水平转盘上，利用此水平转盘精密地、稳定地旋转冷原子物理系统，而在冷原子物理系统旋转过程中拉曼激光光路保持不变，从而可有效克服科里奥利力效应的影响。

根据本发明的一个方面，提供一种用于克服科里奥利力效应的方法，包括：

将冷原子物理系统放在水平设置的转盘上，以便冷原子物体系统能够在水平面上自由旋转；

将拉曼激光反射镜放置在拉曼激光光路上，以便冷原子物理系统旋转时拉曼激光光路保持不变；

旋转冷原子物理系统，以便使冷原子物理系统处于第一状态；

利用冷原子物理系统进行测量，以得到第一重力加速度值；

将冷原子物理系统由第一状态旋转至第二状态，其中第一冷却激光器和第二冷却激光器对称设置在冷原子物理系统的两侧，在第一状态和第二状态下第一冷却激光器和第二冷却激光器位于东西方向上，第二状态相比于第一状态，第一冷却激光器和第二冷却激光器的位置互换；

利用冷原子物理系统进行测量，以得到第二重力加速度值；

若第一重力加速度值和第二重力加速度值的和值与差值相等，则表明根据第一冷却激光器和第二冷却激光器当前的功率设置能够克服科里奥利力效应的影响。

在一个实施例中，若第一重力加速度和第二重力加速度的和值与差值不相等，则调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率，然后重复执行旋转冷原子物理系统的步骤。

在一个实施例中，调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率的步骤包括：

通过调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率，以调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率比值。

在一个实施例中，将冷原子物理系统由第一状态旋转至第二状态的步骤包括：

将冷原子物理系统由第一状态旋转180度，以到达第二状态。

在一个实施例中，拉曼激光反射镜与冷原子物理系统互相分离。

在一个实施例中，将拉曼激光反射镜放置在拉曼激光光路上的步骤包括：

在冷原子物理系统下方设置隔震平台；

将拉曼激光反射镜固定在隔震平台上，以便使拉曼激光反射镜处于拉曼激光光路上。

根据本发明的另一方面，提供一种冷原子干涉重力仪，包括冷原子物理系统、拉曼激光反射镜、水平设置的转盘，其中：

冷原子物理系统放在转盘上，以便冷原子物体系统能够在水平面上自由旋转；拉曼激光反射镜放置在拉曼激光光路上，以便冷原子物理系统旋转时拉曼激光光路保持不变；冷原子物理系统中的第一冷却激光器和第二冷却激光器对称设置在冷原子物理系统的两侧；

其中冷原子物理系统在第一状态下所测量的第一重力加速度值和在第二状态下所测量的第二重力加速度值的和值与差值相等的情况下，表明根据第一冷却激光器和第二冷却激光器当前的功率设置能够克服科里奥利力效应的影响，其中在第一状态和第二状态下第一冷却激光器和第二冷却激光器位于东西方向上，第二状态相比于第一状态，第一冷却激光器和第二冷却激光器的位置互换。

在一个实施例中，冷原子物理系统由第一状态旋转180度，以到达第二状态。

在一个实施例中，拉曼激光反射镜与冷原子物理系统互相分离。

在一个实施例中，冷原子干涉重力仪还包括设置在冷原子物理系统下方的隔震平台，其中：

拉曼激光反射镜固定在隔震平台上。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于克服科里奥利力效应的方法一个实施例的示意图。

图2为本发明用于克服科里奥利力效应的方法另一实施例的示意图。

图3为本发明冷原子干涉重力仪一个实施例的示意图。

图4为本发明冷原子干涉重力仪另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明用于克服科里奥利力效应的方法一个实施例的示意图。其中，本实施例的方法步骤包括：

步骤101，将冷原子物理系统放在水平设置的转盘上，以便冷原子物体系统能够在水平面上自由旋转。

可选地，转盘可以为水平设置的轴承转盘。

步骤102，将拉曼激光反射镜放置在拉曼激光光路上，以便冷原子物理系统旋转时拉曼激光光路保持不变。

可选地，拉曼激光反射镜与冷原子物理系统互相分离，即拉曼激光反射镜是固定设置的，并不随冷原子物理系统旋转。

例如，可在冷原子物理系统下方设置隔震平台，将拉曼激光反射镜固定在隔震平台上，并使拉曼激光反射镜处于拉曼激光光路上。

步骤103，旋转冷原子物理系统，以便使冷原子物理系统处于第一状态。

其中第一冷却激光器和第二冷却激光器对称设置在冷原子物理系统的两侧，在第一状态下第一冷却激光器和第二冷却激光器位于东西方向上。其中第一冷却激光器和第二冷却激光器用于改变冷原子物理系统中冷原子团的分布。

由于冷原子干涉重力仪中的冷原子物理系统、以及设置在冷原子物理系统上的冷却激光器的功能及作用是本领域技术人员所了解的，因此这里不展开描述。

步骤104，利用冷原子物理系统进行测量，以得到第一重力加速度值。

步骤105，将冷原子物理系统由第一状态旋转至第二状态。

其中在第二状态下第一冷却激光器和第二冷却激光器位于东西方向上，第二状态相比于第一状态，第一冷却激光器和第二冷却激光器的位置互换。

可选地，可将冷原子物理系统由第一状态旋转180度，以到达第二状态。

步骤106，利用冷原子物理系统进行测量，以得到第二重力加速度值。

步骤107，若第一重力加速度值和第二重力加速度值的和值与差值相等，则表明根据第一冷却激光器和第二冷却激光器当前的功率设置能够克服科里奥利力效应的影响。

基于本发明上述实施例提供的用于克服科里奥利力效应的方法，通过将冷原子干涉重力仪的冷原子物理系统部分置于水平转盘上，利用此水平转盘精密地、稳定地旋转冷原子物理系统，而在冷原子物理系统旋转过程中拉曼激光光路保持不变，从而可有效克服科里奥利力效应的影响。

图2为本发明用于克服科里奥利力效应的方法另一实施例的示意图。其中，本实施例的方法步骤201-206与上述步骤101-106相同。

步骤201，将冷原子物理系统放在水平设置的转盘上，以便冷原子物体系统能够在水平面上自由旋转。

步骤202，将拉曼激光反射镜放置在拉曼激光光路上，以便冷原子物理系统旋转时拉曼激光光路保持不变。

步骤203，旋转冷原子物理系统，以便使冷原子物理系统处于第一状态。

步骤204，利用冷原子物理系统进行测量，以得到第一重力加速度值。

步骤205，将冷原子物理系统由第一状态旋转至第二状态。

步骤206，利用冷原子物理系统进行测量，以得到第二重力加速度值。

步骤207，判断第一重力加速度值和第二重力加速度值的和值与差值是否相等。若第一重力加速度值和第二重力加速度值的和值与差值相等，则执行步骤208；若第一重力加速度和第二重力加速度的和值与差值不相等，则执行步骤209。

步骤208，由于上述条件满足，由此可确定根据第一冷却激光器和第二冷却激光器当前的功率设置能够克服科里奥利力效应的影响。之后不再执行本实施例的其它步骤。

步骤209，调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率，然后重复执行上述步骤203。

其中若第一重力加速度和第二重力加速度的和值与差值不相等，则表明还需要进一步对科里奥利力效应进行修正。

例如，可通过调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率，以调整第一冷却激光器和第二冷却激光器的功率比值，从而克服科里奥利力效应的影响。

图3为本发明冷原子干涉重力仪一个实施例的示意图。如图3所示，冷原子干涉重力仪可包括冷原子物理系统31、拉曼激光反射镜32、水平设置的转盘33，其中：

冷原子物理系统31放在转盘33上，以便冷原子物体系统31能够在水平面上自由旋转。拉曼激光反射镜32放置在拉曼激光光路上，以便冷原子物理系统31旋转时拉曼激光光路保持不变。冷原子物理系统31中的第一冷却激光器341和第二冷却激光器342对称设置在冷原子物理系统31的两侧。

其中，拉曼激光反射镜与冷原子物理系统互相分离。

其中冷原子物理系统31在第一状态下所测量的第一重力加速度值和在第二状态下所测量的第二重力加速度值的和值与差值相等的情况下，表明根据第一冷却激光器341和第二冷却激光器342当前的功率设置能够克服科里奥利力效应的影响，其中在第一状态和第二状态下第一冷却激光器341和第二冷却激光器342位于东西方向上，第二状态相比于第一状态，第一冷却激光器341和第二冷却激光器342的位置互换。

可选地，冷原子物理系统31由第一状态旋转180度，以到达第二状态。

图4为本发明冷原子干涉重力仪另一实施例的示意图。如图4所示，该冷原子干涉重力仪包括：冷原子物理系统41、拉曼激光反射镜42、转盘43、冷原子物理系统41上设有第一冷却激光器441和第二冷却激光器442，此外还包括支撑台45，隔震平台46。第一冷却激光器441和第二冷却激光器442用于改变冷原子物理系统41中的冷原子团的分布，转盘43固定在支撑台45上，冷原子物理系统41放置在转盘43上，从而可相对支撑台45精确地、稳定地旋转，并保证旋转平面平行于地面47。在支撑台45下方的地面上放置一个隔震平台46，在隔震平台46上装有拉曼激光反射镜42，从而实现拉曼激光反射镜42与冷原子物理系统41的分离，保证冷原子物理系统41旋转时不会改变拉曼激光光路。

利用该冷原子干涉重力仪在初始状态下测量重力加速度g，例如第一冷却激光器441为东方向，第二冷却激光器442为西方向。然后，利用转盘43将冷原子物理系统41转动180°，则第一冷却激光器441变为西方向，第二冷却激光器442变为东方向，再次测量重力加速度gˊ。利用激光功率计测量第一冷却激光器441、第二冷却激光器442的功率，并记录两者的比值。改变第一冷却激光器441、第二冷却激光器442的功率，再次重复以上过程，即初始状态第一冷却激光器441为东方向，第二冷却激光器442为西方向，测量重力加速度g，将冷原子物理系统41转动180°变为第一冷却激光器441为西方向，第二冷却激光器442为东方向，测量重力加速度gˊ。当两种状态下的重力测量值的和(g+gˊ)与差(g-gˊ)相等时，即得到两束冷却光功率的合适值，可以克服科里奥利力效应对冷原子干涉重力仪的影响。

通过实施本发明，能够得到以下有益效果：

本发明通过转动冷原子物理系统而保持拉曼激光反射镜不动，可以精确地控制旋转的角度，提高修正科里奥利力效应的精度；同时，可以在转动物理系统的过程中保持冷原子干涉重力仪系统的稳定，具有重要的应用价值。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。