基于原子重力儀的車載靜態絕對重力測量*

吳彬 周寅 程冰 朱棟 王凱楠 朱欣欣 陳佩軍翁堪興 楊秋海 林佳宏 張凱軍 王河林 林強

(浙江工業大學理學院, 光學研究所, 杭州310023)

(2019 年 11 月 20日收到; 2019 年 12 月 18日收到修改稿)

1 引言

原子干涉儀目前已經發展成為精密測量領域的一個重要工具. 利用它可以精確測量超精細結構常數[1,2]、萬有引力常數[3]、旋轉角速度[4,5]、重力場梯度[6,7]及重力加速度[8?10]. 然而, 大多數原子干涉儀的實驗裝置結構復雜、體積大、重量重、功耗大、環境適應性差, 只能在實驗室環境下工作. 近年來, 隨著真空、激光、電子控制等技術的快速發展, 基于原子干涉儀原理的小型化原子重力儀進展較快[11?14]; 它們逐漸參與到國際頂尖的絕對重力比對活動中來[15?18], 且其性能可與現有最好的光學干涉式絕對重力儀相媲美; 原子重力儀的商用產品也開始出現[19], 相關的野外應用研究正在逐漸開展[20?22]. 鑒于原子重力儀的測量速度更快、壽命更長、靈敏度更高, 且內部無移動的機械部件, 它比現有最好的光學干涉式絕對重力儀更適合在野外使用. 這種儀器在重力基準維護、重力測繪、資源勘探、地震火山監測、重力匹配導航等領域都有著廣泛的應用前景.

然而, 基于原子重力儀的野外應用研究才剛剛起步, 儀器真正從實驗室原理樣機轉變為野外工程樣機仍需要較長時間. 早期階段, 人們在慢速卡車[23]、0-g飛機[24,25]、超音速火箭[26]以及空間站[27]上基于原子干涉裝置進行了初步的野外實驗. 隨后, 法國的Bidel等[20]利用電梯測量了不同樓層高度的絕對重力值, 并初步評估了重力場垂直梯度. 此外,船載絕對重力測量也取得了初步結果, 評估的重力測量精度達到了1 mGal. 美國的Wu等[22]基于原子重力儀進行了野外絕對重力勘測, 實現的測量精度約為 40 μGal.

本文將報道我們團隊在原子重力儀車載集成與測試方面的最新進展. 我們研制的一套小型化原子重力儀樣機通過了中國計量科學研究院的校準測試, 實驗室靜態測量精度為 10 μGal. 基于該樣機, 我們在普通箱式貨車上集成了一套車載絕對重力測量系統, 并利用該統進行了野外測試, 對車載測量過程、系統溫度適應性、數據分析方法及初步測量結果進行了詳細分析. 結果發現, 在野外40 ℃高溫、8°大傾角普通路面環境下, 該系統仍能夠正常工作. 經過多次定點測試, 最終評估的測量精度約為30 μGal. 本文結果為原子重力儀的野外使用提供了思路和參考數據.

2 小型化原子重力儀介紹

本文實驗使用的小型化原子重力儀為新研制的一套儀器, 其原理與先前文章中描述的儀器相似[28,29], 區別是集成度更高、體積更小、環境適應性更強. 原子重力儀的原理很多文章中都有詳細描述[8,30], 這里只做簡要介紹. 實驗中采用的自由落體是一團經激光冷卻后的銣87原子, 它首先在二維磁光阱被制備, 然后輸送至三維磁光阱進行裝載. 300 ms內, 制備的原子數目達到 108個, 這些原子經過偏振梯度冷卻過程后, 原子團溫度降至5 μK. 隨后關斷各個激光束讓原子團在重力場中自由下落, 并通過微波和拉曼選態π脈沖將原子制備到對磁場不敏感且溫度更低的|F=1,mF=0?純態上. 為了測量自由落體原子團的加速度, 用三束多普勒敏感的 π /2-π-π/2 拉曼激光脈沖序列, 分別實現原子物質波的分束、偏轉以及合束, 最終形成一個典型的馬赫-曾德爾型原子干涉儀. 拉曼π脈沖的時間是10 μs, 拉曼脈沖之間的時間間隔T是 60 ms, 一個測量周期耗時 500 ms. 最后, 在原子干涉儀的輸出端, 利用歸一化探測方法收集原子的熒光信號, 得到原子在兩個態上的布居數P=Pm±C/2cos?, 其中Pm,C,?分別是原子干涉條紋的直流量、對比度和相位. 干涉條紋相位?=(keff·g?α)T2,keff?4π/λ是拉曼光束的有效波矢,l是激光波長, 約為 780 nm;g是重力加速度;a是用于補償重力誘導的多普勒頻移的拉曼光掃頻啁啾率;T是兩束拉曼脈沖之間的時間間隔.實驗中, 通過掃描a得到原子干涉條紋, 通過余弦函數擬合得到干涉條紋相位, 從而精確提取重力加速度.

本文所用的原子重力儀實驗裝置與先前文章介紹的裝置[29]相似, 是一個改進版本, 其實物照片如圖1所示. 下面將著重介紹兩者的區別, 并在此基礎上描述新實驗裝置的特點. 新一版的小型化原子重力儀裝置也包括超高真空系統、激光光路系統和電子控制系統三部分. 新版超高真空系統集成度更高, 它的體積和重量都有所改善, 直徑 52 cm, 高度 55 cm, 重量 70 kg. 我們優化了內部器件分布,更換了小型離子泵, 改善了支撐腳. 在激光光路系統方面, 優化了系統結構設計, 加裝了激光器鎖頻模塊及光路模塊的控溫功能, 縮小光路光高至20 mm. 因此整個光路更加穩定, 溫度適應性更強,抗震性也得到提高. 電子控制系統的改進是最大的, 通過整合各個自制電路模塊, 利用同一塊背板進行供電和通信, 使得各模塊之間的連接線大大減少. 因此整個電子控制系統的模塊化程度變高, 運行效率得到提升, 功耗約為250 W.

圖1 原子重力儀實驗裝置的照片Fig. 1. Photo of experimental apparatus of atomic gravimeter.

在進行車載測試之前, 我們對實驗用小型化原子重力儀的性能進行了評估, 主要包括靈敏度和精度兩方面. 為了評估儀器的狀態, 在普通實驗室地面上測量了潮汐引起的重力變化數據, 減去潮汐理論數據, 計算的艾倫偏差曲線如圖2所示. 評估的重力測量靈敏度約為 270 μGal/Hz–1/2, 該靈敏度主要受限于地面振動噪聲, 實驗中沒有加振動隔離的措施. 由測量曲線知, 20 min 測量積分時間, 重力測量分辨率可達8 μGal.

圖2 重力測量靈敏度評估Fig. 2. Evaluation of the sensitivity for gravity measurement.

在重力測量絕對精度方面, 分析了各個系統誤差項, 并進行了內符合測試, 在同一個測量點進行了多次絕對重力測量, 評估的內符合精度約10 μGal.為了評估儀器的外符合精度, 需要跟其他高精度絕對重力儀進行比對. 因此, 將該設備從杭州運輸至北京, 在中國計量科學研究院進行了長期測試及精度評估. 一方面北京的測量環境較好, 儀器的穩定性和靈敏度得以提高; 另一方面, 北京的測點上已經有相對準確的絕對重力值, 可以進行外符合精度評估. 經過兩周的測試評估, 該原子重力儀的外符合精度約為10 μGal, 中國計量科學研究院針對該儀器也出具了官方的校準證書. 此外, 參加了在武漢舉辦的“陸態網絡絕對重力比對活動”, 評估的精度也是 10 μGal. 因此, 可以基本確定該設備的測量精度為 10 μGal.

3 基于原子重力儀的車載絕對重力測量系統

3.1 車載絕對重力測量系統構成

在上述小型化原子重力儀的基礎上, 在一個普通箱式貨車上集成了一套車載絕對重力測量系統,系統構成示意圖如圖3所示. 該系統主要由原子重力儀測量系統、被動平臺隔震系統、位姿平臺調平系統、差分GPS測高系統、不間斷電源供電系統(UPS)及車載空調溫控系統組成.

圖3 基于原子重力儀的車載絕對重力測量系統示意圖Fig. 3. Schematic diagram of the system of absolute gra vity measurement on a truck based on atomic gravimeter.

原子重力儀測量系統包括超高真空系統、激光光路系統和電子控制系統三部分, 其中激光光路系統和電子控制系統分別平行地固定在車廂底板上;超高真空系統放置在被動平臺隔振系統上, 該隔振系統用于隔離車上及地面的高頻振動噪聲, 自然共振頻率 0.5 Hz, 它對 10 Hz以上的高頻振動噪聲抑制效果較好; 被動平臺隔振系統下方是位姿平臺調平系統, 該系統的功能是調水平, 它的下表面安裝有一個大量程傾斜計, 用于粗調平; 超高真空系統內部集成了一個小量程高精度傾斜計, 該傾斜計可以指示水平位置, 利用電腦控制程序可實現一鍵調平, 調平精度一般在 μrad 量級; 差分 GPS 測高系統裝在車廂頂部, 用于記錄測量點的經緯度以及海拔信息, 海拔測量精度可達到cm量級, 后期數據處理時將把海拔信息轉化為超高真空系統的高度信息. 不間斷電源供電系統放置在車廂底部, 為用電設備提供電源支撐. 車載空調溫控系統為測試車輛自帶系統, 包括控溫和保溫兩個功能, 通常控溫精度在1—2 ℃, 車廂內部及外部還配有多個溫濕度監控設備, 可實時顯示溫濕度信息. 此外, 考慮到測試車輛輪胎會引入隨機振動, 我們還配有專用的車輛底盤支撐架, 可將測試車輛架空, 直接固定在地面上. 最后, 為了減少人員的干擾, 設計了遠程操作系統來控制整個測量系統.

3.2 車載絕對重力測量實驗步驟

在車載絕對重力測量系統搭建完成后, 進行了初步測試和聯調. 基于位姿平臺調平系統, 利用大量程傾斜計進行粗調平; 調整被動隔振平臺, 使原子重力儀的超高真空系統懸浮, 且處于隔振的最佳狀態; 基于超高真空系統內部集成的小量程高精度傾斜計, 利用位姿平臺進行精調平, 整個調整過程耗時約20 min; 關閉車門、測試車輛發動機及空調, 檢查實驗參數并進入測量狀態, 主控電腦開始采集干涉條紋數據, 測量時間設定為20 min. 重力數據測量期間, 利用另外一臺輔助電腦同步采集環境參數信息, 包括車廂內外的溫度、濕度、氣壓, 測量點的經緯度、海拔高度及航向角; 車內位姿平臺的傾斜角度等, 這些數據將用于后期修正及結果分析. 因有效測量時間為 20 min, 根據艾倫偏差曲線, 重力測量分辨率可小于 10 μGal.

4 野外絕對重力測量及結果分析

4.1 野外車載環境適應性測試及結果

為了檢驗已集成的車載絕對重力測量系統, 首先測試了其野外環境適應能力, 測試現場照片如圖4所示. 測試內容主要包括運輸安全性、空調控溫能力、位姿平臺傾斜角度穩定性等. 在運輸安全性方面, 先后將各個部件放置在車內, 進行跑車實驗, 單獨檢驗部件的抗振、抗沖擊能力. 經過多次測試, 可保證各個部件在運輸過程中不會出現安全性問題. 隨后, 對集成后的車載測量系統進行跑車實驗, 驗證整個系統的可靠性, 實驗發現該測量系統能夠承受車載運輸中的振動及沖擊.

圖4 野外車載絕對重力測量現場照片Fig. 4. Photos of field measurement of absolute gravity on a truck.

因測試是在暑假期間開展, 室外溫度較高, 我們評估了車載空調的控溫能力, 測試數據如圖5所示. 由圖5可知, 在外界溫度超過 40 ℃ 情況下, 車輛內部溫度可維持在 (24 ± 3) ℃. 實驗發現, 原子重力儀樣機在空調控溫狀態下能夠正常工作, 重力測量的靈敏度無明顯變化.

圖5 車廂內外部測量的溫度變化曲線Fig. 5. Curves of temperature changes measured inside and outside of the truck.

在位姿平臺傾斜穩定性方面, 利用高精度傾斜計進行了長期監控, 并與實驗室內的數據進行了比較, 結果如圖6所示. 實驗發現, 車載情況下傾斜的高頻噪聲明顯變大, 幅度可達 50 μrad, 這些高頻噪聲主要來源于人員上下車、風、周邊車輛引起的車箱隨機搖擺. 但傾斜角度的漂移不大, 因此對測量影響不大.

圖6 位姿平臺傾斜角度的穩定性測試Fig. 6. Stability test of tilt angles of the posture platform.

4.2 野外測試路線規劃

在完成野外車載適應性測試后, 對野外測試路線進行了規劃. 測試路線包括平坦路面和大傾角路面. 平坦路面的測量環境稍好, 可初步驗證整個系統的測量性能. 大傾角路面的測試可進一步評估位姿平臺的調節能力, 且測試點有一定高度差, 通過測量可以得到測試區域的重力梯度值.

我們選擇的平坦路面的跑車路線如圖7(a)所示, 基本在浙江工業大學的校園內;S點是出發點位置 (實驗室門口),A,B,C三點是測量位置, 測試路面較為平坦, 海拔高度基本在 19.25 m, 車頭統一朝向235.0°, 紅色路線一圈的路程約為2 km.

圖7 野外測量路線規劃(a)平坦路面; (b)大傾角路面Fig. 7. Route planning of field gravity measurement: (a) Flat road; (b) slope road.

大傾角路面的跑車路線如圖7(b)所示, 主要在一個比較陡的山坡上進行測試. 測試地點離出發點S的車程約為2.5 km. 我們選取了三個測量點(D,E,F)進行絕對重力定點測量, 其中D點和F點的海拔高度差為12.77 m, 路面的傾斜角度約為 8.6°. 此外,D,E,F三個測量點的車頭朝向角分別為 146.94°, 115.43°, 120.52°, 該朝向角用于修正科里奧利效應引起的絕對重力值. 該跑車路線需要經過一段顛簸路面, 路況較差. 在正式測量前, 測試車輛圍繞該路線進行了多次跑車實驗, 以檢驗UPS的供電能力、差分GPS的覆蓋范圍以及各部件的抗沖擊能力. 為了評估儀器的內符合精度, 我們選擇相對重力測量領域常用的往返測量方案, 按順序保證每個測量點都有兩個測量數據, 比如測點規劃可以是D→E→F→E→D→F.

4.3 系統效應修正及數據處理方法

測量到的原始重力數據需要修正儀器的系統效應, 以及由環境因素引起的重力值變化, 以便最終得到每個測點的絕對重力值. 系統效應修正方面, 根據樣機的校準測試結果, 對自引力效應、頻率基準、激光絕對頻率、拉曼光重合度、測量高度修正、雙光子光移、科里奧利效應等系統誤差進行了修正. 然而, 因科里奧利效應跟原子的平均水平速度相關, 所以原子重力儀測量到的重力值跟儀器朝向有關系, 詳細的理論分析和實驗結果可參考文獻[28].

在實際測量中, 車頭的朝向會引起重力值變化, 且呈現正弦變化關系, 野外實驗前在實驗室測量了儀器朝向對重力測量值的影響, 如圖8紅點所示(紅線是正弦擬合曲線). 理論上, 利用擬合的正弦曲線以及測量的車頭朝向角, 可以進行相應的科里奧利效應修正. 為了確認擬合的正弦曲線在車載情況下是否一樣, 我們在車載環境下重復了科里奧利效應實驗. 在車載絕對重力測量系統集成后, 我們在實驗室外的空場地畫了一個大圓, 并每隔60°做一個標記. 通過整體移動車輛到標記位置, 每隔60°測量一個重力值, 可以得到車頭朝向角與重力值的關系, 測量數據如圖8黑點所示. 實驗發現實驗室和野外車載的科里奧利效應在橫向上有一個較大的移動, 主要原因是原子在東西方向上的平均水平速度發生了變化. 原子重力儀在裝車、安裝及調試的過程中, 振動、沖擊及溫度變化會影響真空系統和激光系統. 真空系統內的反射鏡角度、磁場線圈位置、磁屏蔽位置、耦合頭位置等會發生變化, 從而導致三維磁光阱中磁場中心與光場中心會發生相對偏離. 激光系統內的激光器性能、光路方向、光纖耦合效率等會發生變化, 從而導致光功率會抖動. 這些因素都會引起原子在東西方向上的水平速度發生變化, 從而引起科里奧利效應在橫向上有一個移動. 此外, 野外測量時車輛的朝向角與車內真空探頭的朝向角有可能不相同, 實驗室測量是以真空探頭上的朝向角為基準的, 因此實驗室和野外測量時朝向角(圖8的橫軸)可能存在一定差異,這也會導致科里奧利效應在橫向上有一個移動. 根據野外車載數據擬合正弦曲線, 在野外的每個測點只要記錄車頭朝向角, 就可以對科里奧利效應引起的重力值變化進行修正.

圖8 科里奧利效應的修正 (紅點, 實驗室內的測量數據;紅線, 正弦擬合; 黑點, 車載情況下的測量數據; 黑線, 正弦擬合)Fig. 8. Correction of Coriolis effect. Red and black dots represent the experimental data measured in the laboratory and the truck. Red and black lines are the corresponding sinusoidal fitted curves.

除此之外, 每個測點還要修正環境引起的絕對重力值變化, 主要包括潮汐、氣壓以及極地運動.潮汐引起的重力值修正可以通過理論模型進行計算, 氣壓引起的重力值變化可以利用高精度氣壓計采集到的數據進行修正, 極地運動修正可以通過輸入極地參數進行計算.

4.4 測量結果

在平坦路面情況下, 最終處理后的絕對重力測量數據如圖9所示, 兩次重復測量的內符合精度較好, 基本在儀器的測量不確定度以內; 通過比較兩次測量的殘差數據, 可以評估出儀器的內符合精度, 約為 30 μGal.A點和C點之間的重力值相差約 290 μGal.

圖9 平坦路面情況下的絕對重力測量結果Fig. 9. Measured resultes of absolute gravity in the case of flat road.

在大傾角路面情況下, 最終的實驗結果如圖10所示, 儀器的內符合精度也在 30 μGal左右, 兩次測量數據的重復性較好. 因為三個測量點的垂直高度差較大,D和F點的重力值相差約 3080 μGal. 通過線性擬合三測點的海拔高度和絕對重力值, 可得到測點區域的垂直重力梯度, 約為–231(36) μGal/m, 該值比自由空間的垂直重力梯度(一般在–300 μGal/m)小, 主要原因是山體質量的影響, 利用該值可以評估測量區域山體巖石的平均質量密度.

圖10 傾斜路面情況下的絕對重力測量結果Fig. 10. Measured resultes of absolute gravity in the case of slope road.

5 結語

本文基于小型化原子重力儀樣機搭建了一套車載絕對重力測量系統, 并開展了野外絕對重力測量實驗. 系統所用的原子重力儀體積小、重量輕、功耗低, 實驗室環境下的絕對重力測量精度達到10 μGal. 該樣機通過了中國計量科學研究院的校準, 參與了多次絕對重力比對活動. 結合被動平臺隔震系統、位姿平臺調平系統、差分GPS測高系統、不間斷電源供電系統及車載空調溫控系統, 我們在一個小型箱式貨車上集成了一套車載絕對重力測量系統. 隨后, 對該系統的車載環境適應性進行了測試, 評估了系統的運輸安全性、空調的控溫能力、位姿平臺的傾斜角度穩定性, 實驗發現在野外40℃高溫、8°大傾角路面的環境下, 該系統仍然能夠正常工作. 此外, 本文對車載絕對重力測量數據的處理方法進行了分析, 尤其是對科里奧利效應引起的重力值變化做了野外實驗測量.

基于該車載絕對重力測量系統, 首先在平坦路面上進行了野外測量實驗, 評估了儀器的內符合精度, 約為 30 μGal. 其次, 在大傾斜的山坡上開展了重復測點工作, 得到的重力值差值為3080 μGal;通過線性擬合測量到的重力值與海拔高度數據, 得到測量區域的垂直重力梯度值, 約 –231(36) μGal/m,該梯度值可以用于評估山體巖石的平均質量密度.目前, 該測量系統的性能有待進一步改善, 重力測量靈敏度主要受限于振動噪聲, 測量精度受限于系統效應的穩定性, 測量的自動化和效率有待提高.該系統可以為流動重力測繪、地質體解釋、地球物理研究提供技術支撐.