【CN109799542A】原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910142077.5

(22)申请日 2019.02.26

(71)申请人 中国人民解放军军事科学院国防科

技创新研究院

地址 100071 北京市丰台区东大街53号院

(72)发明人 罗玉昆　徐馥芳　颜树华　胡青青　

马明祥　李莹颖　强晓刚　杨俊　

朱凌晓　魏春华　贾爱爱　李期学　

王亚宁　

(74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限

公司 11002

代理人 王莹　李相雨

(51)Int.Cl.

G01V 7/00(2006.01)

(54)发明名称

原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法

(57)摘要

本发明实施例提供一种原子干涉重力梯度

全张量测量系统及方法，所述系统包括干涉装

置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生

器，干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体

中制备一双组份原子团，包括第一组份原子团和

第二组份原子团；第一方向激光发生器产生第一

方向激光，第二方向激光发生器产生第二方向激

光，第一方向和第二方向激光分别与第一组份原

子团和第二组份原子团发生干涉，形成干涉环

路，且所述第一方向和所述第二方向的干涉环路

同时实施，且互不干扰，可实现重力梯度全张量

的快速测量，

提升了测量速度和效率。权利要求书1页 说明书8页 附图8页CN 109799542 A 2019.05.24

C N 109799542

A

权　利　要　求　书1/1页CN 109799542 A

1.一种原子干涉重力梯度全张量测量系统，其特征在于，至少包括：干涉装置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生器，其中，所述第一方向激光发生器和第二方向激光发生器分别位于所述干涉装置的正交的方向上，所述干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体中制备一双组份原子团，所述双组份原子团包括第一组份原子团和第二组份原子团；

所述第一方向激光发生器用于产生第一方向激光，所述第一方向激光用于控制第一方向上的所述第一组份原子团的干涉过程，使所述第一组份原子团在第一方向上形成干涉环路，完成第一方向上的重力梯度张量的测量；

所述第二方向激光发生器用于产生第二方向激光，所述第二方向激光用于控制第二方向上的所述第二组份原子团的干涉过程，使所述第二组份原子团在第二方向上形成干涉环路，完成第二方向上的重力梯度张量的测量，其中，所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干涉装置包括四个真空腔体，且所述四个真空腔体分别放在三个正交的方向上构成四面体结构，其中，两个真空腔体在同一方向的不同位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个真空腔体内的双组份原子团的制备采用磁光阱结构。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述磁光阱结构为一对反亥姆霍兹线圈和一组原子囚禁光组成，所述原子囚禁光含有满足两种组份的原子团制备所需的冷却光和回泵光。

5.根据权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述磁光阱和干涉环路采用循环光路结构。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述循环光路结构具体为：

多个真空腔体内的磁光阱共用一束所述原子囚禁光；

在所述第一方向上，所述每个真空腔体内共用一束所述第一方向激光；

在所述第二方向上，所述每个真空腔体内共用一束所述第二方向激光。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干涉装置还包括：荧光探测器，位于真空腔的侧面，用于对不同位置处的原子荧光进行测量。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用全钛金属材料。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用玻璃压窗形成通光面和通光孔，且玻璃压窗为增透镀膜，以保证激光的透过率。

10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述系统的原子干涉重力梯度全张量测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过冷却与囚禁，制备双组份原子团，所述双组份原子团包括第一组份原子团和第二组份原子团；

在第一方向激光的脉冲作用下，所述第一组份原子团在第一方向上形成干涉环路，完成第一方向上的重力梯度张量的测量；

在第二方向激光的脉冲作用下，所述第二组份原子团在第二方向上形成干涉环路，完成第二方向上的重力梯度张量的测量，其中，所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰。

2

重力异常与垂线偏差资料

重力异常与垂线偏差

重力相关资料 1.相关坐标系 地球上任何一个质点都同时受到地心引力和由于地球自转产生的离心力的作用，两个力的合力称为重力。离心力与引力之比约为1：300，所以重力中起主要作用的还是地心引力。重力的作用线称为铅垂线，重力线方向就是铅垂线方向。 1.1 水准面与大地水准面 当液体处于静止状态时，其表面必处处与重力方向正交，否则液体就要流动。这个液体静止的表面就称为水准面。水准面是一个客观存在的、处处与铅垂线正交的面。通过不同高度的点，都有一个水准面，所以水准面有无穷多个。 为了使测量结果有一个共同的基准面，可以选择一个十分接近地球表面又能代表地球形状和大小的水准面作为共同标准。设想海洋处于静止平衡状态，并将它延伸到大陆内部且保持处处与铅垂线正交的水准面，来表示地球的形状是最理想的，这个面称为大地水准面。它是一个光滑的闭合曲面，又称为地球的物理表面。由它包围的形状是地球的真实形体，称为大地体。 地球自然表面的起伏不平、地壳内部物质密度分布不均，使得引力方向产生不规则的变化。因而引力方向除总的变化趋势外，还会出现局部变化，这就引起铅垂线方向发生不规则的变化。由于大地水准面处处与铅垂线正交，所以它是一个略有起伏的不规则的表面。 图1 椭球面与大地水准面 1.2 参考椭球面

从整体上看，大地体接近于一个具有微小扁率的旋转椭球，与大地体吻合的最好的旋转椭球称为总地球椭球，也叫总椭球或平均椭球。要确定总椭球，必须在整个地球表面上布设连成一体的天文大地网和进行全球性的重力测量。 为了大地测量工作的实际需要，各个国家和地区只有根据局部的天文、大地和重力测量资料，研究局部大地水准面的情况，确定一个于总椭球相近的椭球，以表示地球的大小，作为处理大地测量成果的依据。这样的椭球只能较好的接近局部地区的大地水准面，不能反映整个大地体的情况，所以叫做参考椭球面。 1.3大地坐标系与天文坐标系 表1 大地坐标系与天文坐标系的对比 由于大地水准面起伏，导致同一点的法线和垂线不一致，两者之间的微小夹角称为垂线偏差；导致天地高和海拔高(正高)不一致，两者之间的差距称为大地水准面差距。 设垂线偏差在子午面上的分量(即南北分量)以ξ来表示，在卯酉面上的分量(即东西分量)以η来表示，N表示大地水准面差距。考虑垂线偏差和大地水准面差距，大地坐标与天文坐标数学转换公式为

【CN109799542A】原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910142077.5 (22)申请日 2019.02.26 (71)申请人 中国人民解放军军事科学院国防科 技创新研究院 地址 100071 北京市丰台区东大街53号院 (72)发明人 罗玉昆　徐馥芳　颜树华　胡青青　 马明祥　李莹颖　强晓刚　杨俊　 朱凌晓　魏春华　贾爱爱　李期学　 王亚宁　 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 代理人 王莹　李相雨 (51)Int.Cl. G01V 7/00(2006.01) (54)发明名称 原子干涉重力梯度全张量测量系统及方法 (57)摘要 本发明实施例提供一种原子干涉重力梯度 全张量测量系统及方法，所述系统包括干涉装 置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生 器，干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体 中制备一双组份原子团，包括第一组份原子团和 第二组份原子团；第一方向激光发生器产生第一 方向激光，第二方向激光发生器产生第二方向激 光，第一方向和第二方向激光分别与第一组份原 子团和第二组份原子团发生干涉，形成干涉环 路，且所述第一方向和所述第二方向的干涉环路 同时实施，且互不干扰，可实现重力梯度全张量 的快速测量， 提升了测量速度和效率。权利要求书1页 说明书8页 附图8页CN 109799542 A 2019.05.24 C N 109799542 A

权　利　要　求　书1/1页CN 109799542 A 1.一种原子干涉重力梯度全张量测量系统，其特征在于，至少包括：干涉装置、第一方向激光发生器和第二方向激光发生器，其中，所述第一方向激光发生器和第二方向激光发生器分别位于所述干涉装置的正交的方向上，所述干涉装置包括多个真空腔体，每个真空腔体中制备一双组份原子团，所述双组份原子团包括第一组份原子团和第二组份原子团； 所述第一方向激光发生器用于产生第一方向激光，所述第一方向激光用于控制第一方向上的所述第一组份原子团的干涉过程，使所述第一组份原子团在第一方向上形成干涉环路，完成第一方向上的重力梯度张量的测量； 所述第二方向激光发生器用于产生第二方向激光，所述第二方向激光用于控制第二方向上的所述第二组份原子团的干涉过程，使所述第二组份原子团在第二方向上形成干涉环路，完成第二方向上的重力梯度张量的测量，其中，所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干涉装置包括四个真空腔体，且所述四个真空腔体分别放在三个正交的方向上构成四面体结构，其中，两个真空腔体在同一方向的不同位置。 3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述每个真空腔体内的双组份原子团的制备采用磁光阱结构。 4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述磁光阱结构为一对反亥姆霍兹线圈和一组原子囚禁光组成，所述原子囚禁光含有满足两种组份的原子团制备所需的冷却光和回泵光。 5.根据权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述磁光阱和干涉环路采用循环光路结构。 6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述循环光路结构具体为： 多个真空腔体内的磁光阱共用一束所述原子囚禁光； 在所述第一方向上，所述每个真空腔体内共用一束所述第一方向激光； 在所述第二方向上，所述每个真空腔体内共用一束所述第二方向激光。 7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干涉装置还包括：荧光探测器，位于真空腔的侧面，用于对不同位置处的原子荧光进行测量。 8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用全钛金属材料。 9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用玻璃压窗形成通光面和通光孔，且玻璃压窗为增透镀膜，以保证激光的透过率。 10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述系统的原子干涉重力梯度全张量测量方法，其特征在于，所述方法包括： 通过冷却与囚禁，制备双组份原子团，所述双组份原子团包括第一组份原子团和第二组份原子团； 在第一方向激光的脉冲作用下，所述第一组份原子团在第一方向上形成干涉环路，完成第一方向上的重力梯度张量的测量； 在第二方向激光的脉冲作用下，所述第二组份原子团在第二方向上形成干涉环路，完成第二方向上的重力梯度张量的测量，其中，所述第一方向和所述第二方向的干涉环路同时实施，且互不干扰。 2

重力勘探—重力异常的数据处理

第四章重力异常的数据处理 布格重力异常反映了地壳内部物质密度的不均匀性，即从地表到地下几十公里的地壳深部，只要物质密度横向发生变化，在地下不同的空间和范田内形成剩余质量，就可以引起地表的重力异常。定性解释侧重于判断引起异常的地质原因，并粗略估计产生异常的地质体的形状、产状及埋深等。 定量解释则是通过理论计算．对地质体的规模、形状、产状及埋深等作出具体解答。 重力异常的推断解释的步骤： ①阐明引起异常的地质因素具体地说，就是确定异常是浅部因素还是深部因 素引起，是矿体还是构造或其它密度不均匀体(岩性变化、侵入体等)的反映。——定性解释 ②划分和处理实测异常重力异常图往往是地表到地球深处所有密度不均匀体 产生的异常的叠加图象。为了获取探测对象产生的异常，需要将它们进行划分。不同的研究目的提取的异常信息不同，例如，矿产调查要提取队是矿体或没部构造产生的局部异常；而深部重力研究的目标正好相反，需要划分出的是反映地壳深部及上地幔的区域异常。 ③确定地质体或地质构造的赋存形态一是根据已知地质体或地质构造的 形状、产状及埋深等．研究它们引起的异常的特征，包括异常的形状、幅度、梯度及变化规律等。二是根据异常的形态及变化规律等，确定地质体或地质构造的形状、产状、埋深及规模等。前者足由源求场，称为止(演)问题；后者是由场求源，称为反(演)问题。正问题是反问题的基础，而求解反问题则是定量解择的最终目的。 §4.1 重力异常的主要地质原因 一．地壳深部因素

莫霍洛维奇面：地壳与上地馒之间存在着一个界西 地壳厚度各地不同，大陆平原地区大约20～30km，高山区为40～60km，西藏高原达60km以上，海洋区为10～20km，最薄处仅数公里。这一界面上下物质密度差达0.3g／cm3以上，界面以上的硅镁层密度为 2.8～3.0g／cm3，硅侣层为2.5～2.7g／cm3，界面以下物质密度为3.3～3.4g／cm3。 该界面的起伏引起地表重力变化的特点是导常分布植围广，幅度变化大。地形海拔越高，地壳越厚，布格重力异常就越低，而海洋地区一般显示重力异常高。 地壳厚度变化与布格力异常存在近似的线性关系。内比可见，地壳深部对重力异常的影响主要来源于莫氏界面的起伏。重力异常形态与地形起伏呈镜像关系。

重力梯度仪的现状和前景

中国惯性技术学报 JOURNAL OF CHINESE INERTIAL TECHNOLOGY 1999年第1期No.11999 重力梯度仪的现状和前景 蔡体菁，周百令 摘要：本文论述了重力梯度仪在惯性导航、地球科学、地质科学中的重要作用以及重力梯度仪的现状和前景，着重评述了旋转加速度计重力梯度仪、静电加速度计重力梯度仪和超导重力梯度仪的现状和发展，最后指出了对重力梯度仪的应用和发展需要进一步研究的问题。 关键词：重力梯度仪 中图分类号：U666.1 文献标识码：A 文章编号：10056734(1999)01003904 Status and prospects of gravity gradiometers CAI Tijing，ZHOU Bailing (Department of Instrument Science and Engineering, Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract：The paper discusses the role of gravity gradiometer in inertial navigation,earth science,geological science and status of gravity gradiometers,comments on the status and prospects of rotating accelerometer gravity gradiometer,electrostatic accelerometer gravity gradiometer and superconducting gravity gradiometer,points out some problems which need to be studied further for the application and development of gravity gradiometers. Key words:gravity gradiometer 1　引言 在惯性导航中，陀螺稳定平台上的加速度计测量的是比力，即惯性加速度与重力向量之差。为了区分载体运动的惯性加速度和重力加速度，惯性导航仪器必须有重力场的数学模型，现在通常的惯性导航系统是利用简单的参考椭球来描述重力场的。对于全球大地水准面的形状而言，参考椭球是一个好的近似，但是对于局部地区，例如，地形复杂的区域，就不能很好地描述。随着人们对惯性导航系统精度要求的不断提高，迫使我们对重力场的知识要有更深入的了解。 自50年代初惯性导航系统第一次成功地应用以来，惯性仪器得到迅猛发展，目前，高精度的惯性导航系统中最新的惯性仪表，如静电陀螺仪的精度可达10-6 °/h，

重力异常与垂线偏差

重力相关资料 1.相关坐标系 地球上任何一个质点都同时受到地心引力和由于地球自转产生的离心力的作用，两个力的合力称为重力。离心力与引力之比约为1：300，所以重力中起主要作用的还是地心引力。重力的作用线称为铅垂线，重力线方向就是铅垂线方向。 1.1 水准面与大地水准面 当液体处于静止状态时，其表面必处处与重力方向正交，否则液体就要流动。这个液体静止的表面就称为水准面。水准面是一个客观存在的、处处与铅垂线正交的面。通过不同高度的点，都有一个水准面，所以水准面有无穷多个。 为了使测量结果有一个共同的基准面，可以选择一个十分接近地球表面又能代表地球形状和大小的水准面作为共同标准。设想海洋处于静止平衡状态，并将它延伸到大陆内部且保持处处与铅垂线正交的水准面，来表示地球的形状是最理想的，这个面称为大地水准面。它是一个光滑的闭合曲面，又称为地球的物理表面。由它包围的形状是地球的真实形体，称为大地体。 地球自然表面的起伏不平、地壳内部物质密度分布不均，使得引力方向产生不规则的变化。因而引力方向除总的变化趋势外，还会出现局部变化，这就引起铅垂线方向发生不规则的变化。由于大地水准面处处与铅垂线正交，所以它是一个略有起伏的不规则的表面。 图1 椭球面与大地水准面 1.2 参考椭球面 从整体上看，大地体接近于一个具有微小扁率的旋转椭球，与大地体吻合的最好的旋转椭球称为总地球椭球，也叫总椭球或平均椭球。要确定总椭球，必须在整个地球表面上布设连成一体的天文大地网和进行全球性的重力测量。 为了大地测量工作的实际需要，各个国家和地区只有根据局部的天文、大地和重力测量资料，研究局部大地水准面的情况，确定一个于总椭球相近的椭球，以表示地球的大小，作为处理大地测量成果的依据。这样的椭球只能较好的接近局部地区的大地水准面，不能反映整个大地体的情况，所以叫做参考椭球面。