【摘 要】
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高精度绝对重力测量在地质勘探、惯性导航、地球物理等领域具有非常重要的作用。冷原子干涉重力仪是近三十年快速发展起来的新型量子测量仪器,相比于激光等其他干涉媒介,原子有着物质波波长短的优势,可以获得更高的测量精度和灵敏度,因此成为世界各国的研究热点,并逐步从实验室研究向实用化仪器发展。本文面向小型化可移动冷原子干涉重力仪的应用需求,研究了其中影响较大的关键系统误差来源,并设计了相应的抑制方案。论文完成
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高精度绝对重力测量在地质勘探、惯性导航、地球物理等领域具有非常重要的作用。冷原子干涉重力仪是近三十年快速发展起来的新型量子测量仪器,相比于激光等其他干涉媒介,原子有着物质波波长短的优势,可以获得更高的测量精度和灵敏度,因此成为世界各国的研究热点,并逐步从实验室研究向实用化仪器发展。本文面向小型化可移动冷原子干涉重力仪的应用需求,研究了其中影响较大的关键系统误差来源,并设计了相应的抑制方案。论文完成的具体工作主要体现在以下几个方面:1.研究了冷原子干涉仪测量的基本原理,分析了可移动冷原子干涉重力仪的特殊应用需求。面向可移动需求,针对限制冷原子干涉重力测量精度的三项关键系统误差(拉曼光倾斜、二阶塞曼效应、拉曼光边带效应),本文研究了其来源与评估方法。2.为抑制拉曼光倾斜在可移动冷原子干涉重力仪中引入的系统误差,设计并制作了兼具车载抗振功能的自动倾斜调整系统。一方面,该系统可在车载运输或搬运过程中保护重力仪传感头免受振动与冲击的损伤;另一方面,该系统可在测量开始前对传感头进行快速精确的自动倾斜调整,将拉曼光倾斜引入的系统误差限制在11μGal(伽,加速度单位,1Gal=1cm/s~2)以内。3.针对二阶塞曼效应引入的系统误差,通过仿真与实验分析了可移动冷原子干涉重力仪干涉区内偏置磁场的空间分布,提出了利用MOT线圈优化原子干涉区域内磁场均匀性的方法,并利用IGBT与电磁继电器设计制作了具备快速关闭磁场和改变线圈配置功能的转换电路。该方法实现了在30ms自由演化时间下将二阶塞曼效应引入的重力测量误差从1.745m Gal降低至0.418m Gal的效果,在可移动冷原子干涉重力仪中具有重要的应用价值。4.针对拉曼光边带效应对可移动冷原子干涉重力仪的影响,设计了基于IQ调制器的单边带拉曼光制备方案。该方案具有普通电光调制法尺寸小、稳定性好的优势,同时消除了拉曼光边带效应对干涉条纹对比度的影响和引入的干涉相移。本文设计了用于提高IQ调制器工作点稳定性的自动偏置控制模块,为该方案在可移动重力仪中的应用奠定了基础。
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