一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法与流程

1.本发明属于冷原子干涉精密测量领域，尤其涉及一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法。


背景技术：

2.重力场是地球的固有物理特性，可反映地球表层及内部的物质分布和运动规律，高精度重力场信息是研究地质构造、矿产资源分布规律等不可或缺的基础资料，为快速准确勘探石油、矿石等国家战略资源提供强力技术支撑，还可用于基础科学研究及地质灾害预报。重力场信息包含重力梯度与重力加速度。重力梯度反映重力场的细节信息，空间分辨率高。因此重力梯度仪常用于大比例尺度的重力场测量，能够给出优良的重力场高频信息。重力仪则用于小比例尺度的重力场测量，提供重力场低频信息。将二者结合则能够得到精准的广谱重力场描述。
3.近年来随着冷原子干涉技术的发展，量子重力梯度仪因其理论精度高、低漂移、自校准、无机械磨损等优势，受到了广泛的关注。量子重力梯度仪的基本工作原理为：两团冷原子团在同一拉曼激光脉冲序列的作用下发生干涉，在不考虑环境振动的条件下，两团原子的干涉条纹相移分别反应了其所处位置的重力加速度值，利用重力加速度值对位置的差分运算即可得到该方向上的重力梯度值。目前的绝大多数量子重力梯度仪仅可用于输出重力梯度值，并且传统的基于振动相位解算的重力加速度提取方法测量灵敏度受限与加速度计自身本底噪声。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法，用于解决现有重力加速度解算方案中重力测量灵敏度受限于加速度计本底噪声的问题，并且还可使得量子重力梯度仪在输出重力梯度的同时输出重力加速度。
5.在本发明实施例的第一方面，提供了一种用于量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法，包括：
6.采集上、下两个原子干涉仪输出的干涉信号，利用椭圆拟合方法拟合两个原子干涉信号，解算竖直方向上重力梯度给两个干涉仪干涉条纹带来的相位差；
7.根据拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间、上下两个干涉仪的竖直距离和两干涉条纹间的相位差，计算竖直方向重力梯度；
8.采集拉曼光反射镜的振动信号，并计算振动相移所历经的2π周期数，再结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移；
9.根据振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移、拉曼激光有效波矢和相邻两拉曼脉冲的间隔时间，解算重力加速度测量值。
10.本发明实施例中，根据上、下两个干涉仪输出的原子干涉信号以及拉曼光反射镜的振动信号，可以同步解算得到重力梯度和重力加速度，避免了重力加速度测量灵敏度受
限于加速度计本底噪声的问题，能保障重力加速度和重力梯度解算的准确性、可靠性，并对干涉条纹幅度、偏置噪声不敏感。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
12.图1为本发明一个实施例提供的一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法的流程示意图；
13.图2为本发明一个实施例提供的一种重力梯度仪的结构示意图；
14.图3为本发明的一个实施例提供的拉曼光反射镜振动探测与采集单元的结构示意图。
具体实施方式
15.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
16.应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
17.请参阅图1，本发明实施例提供的一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法的流程示意图，包括：
18.s101、采集上、下两个原子干涉仪输出的干涉信号，利用椭圆拟合方法拟合两个原子干涉信号，解算竖直方向上重力梯度给两个干涉仪带来的相位差；
19.在量子重力梯度仪中包含有上、下两个冷原子干涉仪。原子干涉信号一般是通过荧光收集镜头收集后，进行光电转换，再经过高速adc（模拟数字信号转换）转换后，得到对应的数字信号。
20.具体的，将两个干涉仪采集的原子干涉信号p
i1
、p
i2
分别作为横纵坐标，其满足椭圆参数方程：
21.；（1）
22.式中，p
i1
、p
i2
表示第i次两个干涉仪测量的原子干涉信号，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，φi表示第i次测量中振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移，a
i1
、a
i2
、b
i1
、b
i2
为椭圆方程参数；
23.将冷原子干涉仪一定次数测量的数据进行椭圆拟合，求解竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，并且通过拟合同时也可得到参数a
i1
、a
i2
、b
i1
、b
i2
的值。
24.s102、根据拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间、上下两个干涉仪的竖直距离和两干涉条纹间的相位差，计算竖直方向重力梯度；
25.拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间以及上下两个干涉仪的竖直距离均为已知量，可以通过实际测量得到或者作为标定量。
26.具体的，根据公式（2）计算竖直方向重力梯度：
27.；（2）
28.式中，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，k
eff
为拉曼激光有效波矢，t为相邻两拉曼脉冲的间隔时间，l为上下两干涉仪的竖直距离。
29.s103、采集拉曼光反射镜的振动信号，并计算振动相移所历经的2π周期数，再结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移；
30.基于两个原子干涉信号p
i1
、p
i2
，求解方程组公式（1），即椭圆参数方程。
31.当环境振动噪声较大时，振动所带来的干涉条纹相移可能会超过2π范围，因此，可以将干涉条纹相移φi表示为：
32.;
33.其中,，ni为振动相移所历经的2π周期数，其可以基于拉曼光反射镜采集的振动信号计算得出。
34.进一步的，根据公式（3）计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移：
35.；（3）
36.式中，φi表示第i次测量中振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移，p
i1
、p
i2
表示第i次两个干涉仪测量的原子干涉信号，a
i1
、a
i2
、b
i1
、b
i2
为椭圆拟合所得到的椭圆方程参数，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，ni为振动相移所历经的2π周期数。
37.s104、根据振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移、拉曼激光有效波矢和相邻两拉曼脉冲的间隔时间，解算重力加速度测量值。
38.由于振动相移的随机性，其平均值为0，因此，重力加速度对下干涉仪产生的相移表示为。
39.具体的，根据公式（4）计算重力加速度测量值：
40.；（4）
41.式中，g表示重力加速度，k
eff
为拉曼激光有效波矢，t为相邻两拉曼脉冲的间隔时
间。
42.在本实施例中，测量拉曼光反射镜振动情况的加速度计仅用于统计振动相移历经的2π周期数，因此对加速度计的本底噪声要求不高，可选用本底噪声稍差但测量带宽更高的加速度计，这也有利于动态环境中的高频振动相移信息解算。相较于传统静态冷原子重力仪中常用的振动补偿方案，本实施例的重力测量灵敏度不受限于加速度计的本底噪声；相较于动态冷原子重力仪中计算振动相位历经周期的振动补偿方案，本实施例对干涉条纹幅度、偏置噪声不敏感。由此，不仅解决了传统重力加速度解算方案中重力测量灵敏度受限于加速度计本底噪声的问题，而且能够同步解算输出重力加速度和重力梯度。
43.应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
44.在本发明另一实施例提供的一种重力梯度仪的结构示意图，该重力梯度仪包括：
45.上、下两原子干涉仪；
46.上干涉仪原子干涉信号探测与采集单元210，用于采集上冷原子干涉信号；
47.下干涉仪原子干涉信号探测与采集单元220，用于采集下冷原子干涉信号；
48.拉曼光反射镜振动探测与采集单元230，用于采集原子干涉过程中拉曼光反射镜的振动信号；
49.重力加速度与重力梯度同步解算单元240，用于根据上、下两个干涉仪采集原子干涉信号，以及拉曼光反射镜的振动信号，同步解算重力加速度和重力梯度；
50.其中，根据两个原子干涉信号通过椭圆拟合解算竖直方向上重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，根据拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间、上下两个干涉仪的竖直距离和两干涉条纹间的相位差，计算竖直方向重力梯度；
51.通过采集拉曼光反射镜的振动信号，计算振动相移所历经的2π周期数，再结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移，根据振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移、拉曼激光有效波矢和相邻两拉曼脉冲的间隔时间，解算重力加速度测量值。
52.其中，所述上干涉仪原子干涉信号探测与采集单元210包括上干涉仪荧光收集镜头、上干涉仪光电探测器和上干涉仪高速adc，所述下干涉仪原子干涉信号探测与采集单元220包括下干涉仪荧光收集镜头、下干涉仪光电探测器和下干涉仪高速adc（即模数转换器），所述拉曼光反射镜振动探测与采集单元230包括加速度计和高速adc。
53.上干涉仪荧光收集镜头用于收集原子发出荧光，上干涉仪光电探测器用于将原子荧光转换为模拟电信号，上干涉仪高速adc用于将模拟电信号转换为数字信号；同样的，下干涉仪荧光收集镜头用于收集原子发出荧光，下干涉仪光电探测器用于将原子荧光转换为模拟电信号，下干涉仪高速adc用于将模拟电信号转换为数字信号。
54.在一个实施例中，如图3所示，所述拉曼光反射镜振动探测与采集单元230由与拉曼光反射镜固连的加速度计2301以及振动采集高速adc 2302组成。加速度计用于测量拉曼光反射镜的振动信号，振动采集高速adc用于将加速度计输出的模拟信号转换为数字信号。
55.上、下干涉仪原子干涉信号探测与采集单元分别将上、下两团冷原子的干涉信号采集后输入重力加速度与重力梯度同步解算单元240，拉曼光反射镜振动探测与采集单元230将原子干涉过程中拉曼光反射镜的振动信号采集后也输入至重力加速度与重力梯度同
步解算单元240，由重力加速度与重力梯度同步解算单元240进行解算输出。
56.本实施例中所提的重力梯度仪具体为一种量子重力梯度仪，其基于重力加速度与重力梯度同步解算单元可以在量子重力梯度仪上同时输出重力梯度值和重力加速度值，并有效避免传统重力加速度解算方案中重力测量灵敏度受限于加速度计本底噪声的问题，并对干涉条纹幅度、偏置噪声不敏感。
57.所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程可以参考前述方法实施例中对应的过程，在此不再赘述。
58.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
59.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法，其特征在于，包括：采集上、下两个原子干涉仪输出的干涉信号，利用椭圆拟合方法拟合两个原子干涉信号，解算竖直方向上重力梯度给两个干涉仪带来的相位差；根据拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间、上下两个干涉仪的竖直距离和两干涉条纹间的相位差，计算竖直方向重力梯度；采集拉曼光反射镜的振动信号，并计算振动相移所历经的2π周期数，再结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移；根据振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移、拉曼激光有效波矢和相邻两拉曼脉冲的间隔时间，解算重力加速度测量值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用椭圆拟合方法拟合两个原子干涉信号，解算竖直方向上重力梯度给两个干涉仪带来的相位差具体为：将两个干涉仪采集的原子干涉信号p
i1
、p
i2
分别作为横纵坐标，p
i1
、p
i2
满足椭圆参数方程：；（1）式中，p
i1
、p
i2
表示第i次两个干涉仪测量的原子干涉信号，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，φ
i
表示第i次测量中振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移，a
i1
、a
i2
、b
i1
、b
i2
为椭圆方程参数；将冷原子干涉仪一定次数测量的数据进行椭圆拟合，求解竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据拉曼光有效波矢、两个拉曼脉冲的间隔时间、上下两个干涉仪的竖直距离和两干涉条纹间的相位差，计算竖直方向重力梯度具体为：根据公式（2）计算竖直方向重力梯度：；（2）式中，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，k
eff
为拉曼激光有效波矢，t为相邻两拉曼脉冲的间隔时间，l为上下两干涉仪的竖直距离。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移具体为：根据公式（3）计算振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移：；（3）式中，φ
i
表示第i次测量中振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移，p
i1
、p
i2
表示第i
次两个干涉仪测量的原子干涉信号，a
i1
、a
i2
、b
i1
、b
i2
表示椭圆拟合所得到的椭圆方程参数，表示竖直方向重力梯度给两个干涉仪带来的相位差，n
i
为振动相移所历经的2π周期数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据振动和重力加速度所带来的干涉条纹相移、拉曼激光有效波矢和相邻两拉曼脉冲的间隔时间，解算重力加速度测量值具体为：重力加速度对下干涉仪产生的相移表示为；根据公式（4）计算重力加速度测量值：；（4）式中，g表示重力加速度，k
eff
为拉曼激光有效波矢，t为相邻两拉曼脉冲的间隔时间。

技术总结
本发明提供一种量子重力梯度仪的重力加速度重力梯度同步解算方法，该方法包括：采集上、下两个干涉仪输出的原子干涉信号，利用椭圆拟合得出两干涉信号相位差；根据两干涉信号相位差，计算竖直方向重力梯度；采集拉曼光反射镜的振动信号，并计算振动相移历经的2π周期数，再结合两个原子干涉信号求解椭圆参数方程，计算干涉条纹相移；根据干涉条纹相移解算重力加速度测量值。通过该方案可以同步解算输出重力加速度和重力梯度，并避免了重力测量灵敏度受限于加速度计本底噪声的问题，保障重力加速度和重力梯度测量的准确性、可靠性。可靠性。可靠性。


技术研发人员：沈楚洋 宋宏伟 李德文 王栋添
受保护的技术使用者：华中光电技术研究所（中国船舶集团有限公司第七一七研究所）
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/8/16