船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量

重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数,动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用.目前动态重力测量均基于相对测量原理,动态相对重力仪存在零点漂移问题,影响其测量性能.动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准,解决其长漂问题,因此备受关注.本文基于原子重力仪和惯性稳定平台,搭建了一套船载绝对重力动态测量系统,并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验.经评估,船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz^-1/2,1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.通过两周的绝对重力测量,评估了系统的稳定性.为了评估绝对重力的动态测量精度,将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较,两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072±0.134)mGal.本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.     

基于扩展卡尔曼滤波算法的船载绝对重力测量数据处理

基于冷原子干涉仪的高精度绝对重力动态测量为海洋重力测量提供新的手段,因而备受关注.利用自己搭建的船载冷原子干涉式绝对重力测量系统,在中国南海某海域开展了一系列测量实验.在动态条件下,测量噪声的抑制对测量性能的提升至关重要.本文根据船载绝对重力动态测量系统的物理模型,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的动态绝对重力数据处理方法,对观测的原子干涉条纹数据进行了时域滤波处理,获得了绝对重力值的最优估计.基于该处理方法将航速小于2.1 km/h条件下的绝对重力测量灵敏度从300.2 mGal/Hz^1/2提升至136.8 mGal/Hz^1/2(T=4 ms).此外,将处理后的数据与利用地球重力模型(XGM2019)计算的数据进行了比对,发现两者符合度较好.这些结果证实了本文提出的数据处理方法的有效性,并为船载冷原子干涉式绝对重力测量系统的测量噪声的抑制提供了一种新的处理方法.     

拉曼激光边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响

电光调制技术是产生拉曼光的几种方法之一,其优点是系统简单、易搭建且环境适应性强.然而,这种调制技术会产生额外的边带光,并影响冷原子干涉绝对重力仪的测量精度.本文利用自行研制的可移动冷原子重力仪,研究了边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响.详细分析了拉曼反射镜的位置、拉曼脉冲的作用时刻及其间隔、拉曼光的失谐等一系列参数与边带效应之间的关系,实验发现这些参数对冷原子重力仪的精度评估有比较大的影响;此外,我们还发现在有边带效应的情况下,原本不影响重力测量精度的实验参数也会影响最终的重力测量结果.最后,通过研究拉曼边带效应与拉曼光失谐之间的关系,本文提出一种评估拉曼边带效应影响重力仪精度的方法.本文结果为减小拉曼边带效应对冷原子重力仪测量精度的影响提供了依据.     

大倾斜角度下基于冷原子重力仪的绝对重力测量

冷原子重力仪的倾斜角会对绝对重力测量产生显著的影响.高精度的绝对重力测量需要对重力仪的倾斜角进行精确的测量、控制及校正.本文从理论上分析了四种不同情况下倾斜对绝对重力测量的影响规律,并在实验上对得到的理论进行了实验验证.基于此,设计了一种基于双倾斜计的绝对重力测量方案,主要是为了解决恶劣测量环境下的冷原子重力仪倾斜漂移问题.此方案利用高精度倾斜计记录放置在被动隔振平台上的拉曼反射镜的倾斜角度,并使用另外一个倾斜计监控真空系统的倾斜,以实现振动噪声的抑制和倾斜的高精度测量.基于自研的小型化冷原子重力仪,对该方案进行了实验验证,并最终实现了车间复杂环境下的高精度绝对重力测量.由于倾斜得到精确测量和补偿,冷原子重力仪的测量精度达到了12.3μGal.本文为复杂环境下的高精度绝对重力测量提供了一种可行的方案,为冷原子重力仪的实用化提供了参考数据.     

基于滑模鲁棒算法的超低频主动隔振系统

振动噪声的有效隔离是冷原子重力仪的关键技术之一.为了减小冷原子重力仪中拉曼反射镜的振动噪声,研制了一套紧凑型低频主动隔振系统.其原理是利用滑模鲁棒控制系统处理和反馈由地震仪采集到的振动信号,利用音圈电机控制和消除被动隔振平台的运动.在0.1—10 Hz频域范围内,滑模鲁棒控制系统的残余振动噪声功率谱密度比被动隔振平台最大降低了99.9%,比超前滞后补偿控制方法最大降低了83.3%.滑模鲁棒控制算法还具有整定参数少、抗干扰能力强等特点.     

Pressure dependent modulation instability in photonic crystal fiber filled with argon gas

By using the designed photonic crystal fiber filled with argon gas, the effect of gas pressure on modulation instability(MI) gain is analyzed in detail. The MI gain bandwidth increases gradually as the argon gas pressure rises from 1 P_0 to 400 P_0(P_0 is one standard atmosphere), while its gain amplitude slightly decreases. Moreover, the increase of the incident light power also results in the increase of MI gain bandwidth in the Stokes or anti-Stokes region when the incident power increases from 1 W to 200 W. Making use of the optimal parameters including the higher argon gas pressure(400 P_0) and the incident light power(200 W), we finally obtain a 100 nm broadband MI gain. These results indicate that controlling the MI gain characteristic by changing the argon gas pressure in PCF is an effective way when the incident light source is not easy to satisfy the requirement of practical application. This method of controlling MI gain can be used in optical communication and laser shaping.     

基于冷原子重力仪的绝对重力动态移动测量实验

动态重力测量可以提高重力场的勘测效率,对基础地质调查、资源勘探、地球物理研究等具有十分重要意义.本文基于冷原子重力仪、惯性稳定平台和牵引动力装置搭建了一套绝对重力动态移动测量系统,并开展了绝对重力动态测量实验.首先测量了不同牵引速度下的垂向振动噪声功率谱,理论分析了其对动态重力测量的影响;其次评估了不同牵引速度对原子干...     

使用位置敏感探测器的精密倾斜平台及倾斜角度控制方法

设计了一种压电陶瓷驱动的精密倾斜平台及其倾斜角度控制方法,实现了高精度倾斜控制。该控制系统主要由主控制器、位移探测模块、数模转换模块、高压驱动模块4部分组成,可实现快速精确的倾斜控制。运用了球透镜与位置敏感传感器相结合的方法测量和控制精密倾斜控制平台的倾斜角度。实验结果表明,该平台控制精度优于0.5μrad,且结构简单、易于装设,特别适用于要求倾斜角度精密控制且低成本的工程应用环境。     

基于车载原子重力仪的外场绝对重力快速测绘研究

地球重力场信息是大地测量学、地球物理学、地球动力学等学科所必需的重要基础信息,重力场测绘是获取地球重力场信息的有效手段.相比于卫星、海洋、航空重力场测绘,车载重力场测绘具有灵活性强、空间分辨率高、精度高等优点.基于相对重力仪和高精度绝对重力基准点可以实现陆域小范围重力场测绘,但相对重力仪存在零点漂移,不适用于长基线、大范围的陆域测绘.本文基于小型化原子重力仪搭建了一套车载绝对重力快速测绘系统,在郊区安静外场环境,由12个测点约3 km的测绘结果评估仪器的内符合精度为0.123 mGal (1 Gal=10^–2 m/s~2),外符合精度为0.112 mGal,并在闹市复杂外场环境下实现了单点调节时间小于2 min,有效测量时间5 min的快速绝对重力测量,通过19个测点跨区约24 km的重力场快速测绘,评估仪器的内符合精度为0.162 mGal,外符合精度为0.169 mGal.最后将原子重力仪的外场重力场测绘数据与卫星重力模型计算的数据进行了比较,发现两者的自由空间重力异常数据的整体变化趋势相吻合.本文为外场绝对重力场快速测绘提供了一种新的方案.     

Ultra-broadband modulation instability gain characteristics in As_2S_3 and As_2Se_3 chalcogenide glass photonic crystal fiber

Based on the designed As_2Se_3 and As_2S_3 chalcogenide glass photonic crystal fiber(PCF) and the scalar nonlinear Schrdinger equation,the effects of pump power and wavelength on modulation instability(MI) gain are comprehensively studied in the abnormal dispersion regime of chalcogenide glass PCF.Owing to high Raman effect and high nonlinearity,ultra-broadband MI gain is obtained in chalcogenide glass PCF.By choosing the appropriate pump parameter,the MI gain bandwidth reaches 2738 nm for the As_2Se_3 glass PCF in the abnormal-dispersion region,while it is 1961 nm for the As_2S_3 glass PCF.