一种双T复合型高动态范围原子干涉重力测量方法及装置

本发明涉及重力加速度测量，特别涉及一种双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法及装置。

背景技术：

1、原子干涉重力仪是一种利用原子的波动性质来测量重力加速度的装置。原子干涉重力仪在地震和海平面监测、大地水准面的精确测定、地壳垂直形变、国防建设、工业应用、资源开采和考古学等众多领域都具有广泛的应用前景。基于原子干涉原理的新一代量子绝对重力仪，是下一代高精度绝对重力仪的发展方向，目前其测量性能已经接近甚至超越最先进的fg5x型商品化激光干涉绝对重力仪，并且初步实现了野外重力场图测绘，地下管道探测和火山喷发预报等示范性应用。为了使原子干涉重力仪能够走向野外大规模实际应用，高动态范围和高灵敏度是必须解决的两大难题。

2、为了提高原子干涉重力仪的动态范围，全球研究者们展开了大量研究，主要技术方案包括：

3、（1）bidel研究组提出并实现了小t干涉技术，即通过将拉曼脉冲间隔时间t从200ms减小至1.5~20 ms来增大原子重力仪的动态范围。但是，由于测量灵敏度与t平方成正比，该方案以牺牲测量灵敏度为代价。

4、（2）随后bidel研究组又提出并实现了经典-量子混合技术，即通过引入分辨率较高的经典机械或力平衡加速度计初步确定重力加速度范围，再由原子干涉重力仪提供高精度重力测量结果实现了船载和机载原子干涉绝对重力测量。但是，使用经典加速度计不仅会增加系统成本，还存在安放位置偏差、测量偏置和响应频率有限等问题，因此会产生测量误差。

5、（3）bonnin研究组提出并实现了双组份原子双t干涉技术，类似于双波长激光干涉测量方案，在一个真空腔内同时操纵87rb和85rb两种原子，通过实现t87=20 ms和t85=47 ms的双t混合干涉仪，或实现t87=t85=47 ms的双组份正交相位全线性原子干涉仪，该方案需要两套频率相差ghz量级的冷却、回泵、拉曼、探测和吹散光系统，虽然能够提高动态范围和灵敏度，但是硬件复杂度高、成本高、调节难度大。

6、（4）yankelev研究组提出并实现了单组份原子双t剪切干涉技术，在单次原子上抛/下落测量中同时实现的双t横向剪切空间干涉仪，通过两个相近的标度因数产生类似摩尔条纹的联合周期将动态范围提高倍。但是，该方案需要一套高精度拉曼光反射镜压电偏转系统、高分辨ccd成像系统、高速图像传输设备及较复杂的图像处理算法，硬件复杂度高、成本高、调节难度大，软件处理数据量大、复杂性高。

7、本发明针对以上技术问题，提出一种技术难度和成本更低、实用性更强、适用范围更广的技术方法，能同时有效提高原子干涉重力仪的动态范围和灵敏度。

技术实现思路

1、针对现有技术中的技术问题，本发明的目的在于提供一种双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法及装置，能同时有效提高动态范围和灵敏度，促进原子干涉重力仪走向野外大规模实际应用。

2、为实现上述目的，本发明提供一种双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤s1.原子冷却：利用磁光阱单元通过磁光阱及偏振梯度冷却囚禁技术制备温度≤10μk的碱金属冷原子团，再使原子在真空腔内做自由落体运动；

4、步骤s2.原子初态制备：利用原子速度和态选择单元通过一组窄带拉曼π脉冲制备出单组份双动量域内的原子系综；

5、步骤s3.双t复合干涉：当原子进入干涉腔后采用的两组窄带拉曼脉冲序列分别操控两个速度域内的原子，使其相干地分束、反射、合束形成双t复合干涉仪，通过差异化比例因子构成复合摩尔条纹，将动态范围增大为单t干涉仪的倍；

6、步骤s4.四通道去耦合探测：使用速度选择性拉曼脉冲与能态选择性荧光共振脉冲组合形成复合探测序列，利用光电探测器实现四个输出通道原子态的去耦合测量；

7、步骤s5.拉曼光频率或相位扫描：扫描双t干涉仪两组拉曼光脉冲的频率或相位以形成干涉条纹；

8、步骤s6.四通道信号联合分析：对四个通道的输出信号进行联合分析，从而计算得出重力加速度值。

9、进一步，步骤s2中，所述原子速度和态选择单元利用一组窄带双域原子速度选择拉曼π脉冲，结合微波π脉冲和吹散光脉冲，达到初态制备，获得单组份磁不敏感双动量态的原子系综。

10、进一步，步骤s3中，所述两组窄带拉曼脉冲序列指作用时序分别为的两组拉曼脉冲序列，其中拉曼π脉冲的fwhm带宽在范围内，间隔时间，精确到。

11、进一步，步骤s4中，所述四通道去耦合探测通过合理切换速度选择性拉曼光脉冲及与f=2能态共振的探测光脉冲，利用光电探测器在一次下落过程中探测4个动量态的原子布居数，得到4个干涉条纹。

12、进一步，步骤s5中，在扫描双t干涉仪两组拉曼光脉冲的频率或相位时，应使拉曼光的相对频率分别与双域原子动量相匹配，并且为了形成正交探测，在最终两个π/2合束脉冲上的有效相位和相差π/2。

13、进一步，步骤s6中，所述四通道信号联合分析包括单条纹分析、联合条纹抑制共模噪声分析和双t复合摩尔条纹增大动态范围分析。

14、另一方面，本发明提供一种双t复合型高动态范围原子干涉重力测量装置，用于实施上述双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法，包括：

15、a.真空腔体：为冷原子干涉提供优于10-7pa的高真空环境；

16、b.激光系统：为冷原子干涉提供多种激光，包括冷却光、回泵光、拉曼光、探测光和/或吹散光；

17、c.控制及信号分析系统：为冷原子干涉提供电子学模块、时序控制及信号分析软硬件，以纳秒级精度按次序控制激光、磁场、微波的强度、频率和相位并对光电探测器测得的信号进行采集和分析，实现上述双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法的6个步骤，输出当地绝对重力值。

18、进一步，所述控制及信号分析系统通过控制激光系统产生窄带双域原子速度选择脉冲、间隔时间的两组拉曼脉冲序列、多通道速度-能态复合探测序列，实现单组份特定精细能态双动量态原子确制备、单组份双动量域原子系综双t并行干涉、四通道输出原子能态去耦合探测。

19、进一步，所述信号分析系统通过对光电探测器测得的四通道输出原子干涉信号进行联合分析，包括单条纹分析、联合条纹抑制共模噪声分析和双t复合摩尔条纹增大动态范围分析，从而计算得出重力加速度值。

20、本发明针对动态范围和灵敏度有限这一阻碍现有原子重力仪走向野外大规模应用的瓶颈问题，提出一种双t复合型高动态范围原子干涉重力测量方法及装置，与现有技术相比，本发明的主要特色与创新之处如下：

21、（1）本发明采用单组份双动量域原子双t干涉技术结合四通道干涉信号联合分析技术，在每次原子下落测量中产生（的双t复合干涉条纹，利用摩尔纹原理增大原子重力仪的动态范围，利用多通道干涉信号联合分析抑制共模噪声提高重力仪的测量灵敏度，实现原子重力测量方法及装置动态范围和测量灵敏度等实用指标的同步提高。

22、（2）本发明采用单组份原子制备双动量域子原子团的方式形成双t干涉仪，提升了冷原子系综作为物质波波源的利用效率，从而避免了现有双组份原子双t干涉仪额外的一整套冷却、回泵、拉曼、探测和吹散光系统需求，技术难度和成本更低、实用性更强。

23、（3）本发明采用光电探测器实现双t复合型四通道输出原子干涉信号的去耦合探测，从而避免了单组份双t剪切干涉仪额外的高精度压电偏转系统、ccd成像系统和图像处理算法需求，技术难度和成本更低、实用性更强、适用范围更广。