专利名称：利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种重力加速度 测量技术领域，特别是一种利用光纤技术实时、连续长时间对重力加速度进行测量的系统及方法。
背景技术：
随着基础研究和空间技术的发展，对地球动力学和地球内部精细结构的研究越来越多，利用重力场数据研究相关问题显得尤为重要。其中，地球表面重力加速度是最重要、最常见的物理量。几百年来，已有许多科学家分别在理论和实验上做出努力试图不断提高其测量精度。地球表面的重力加速度是一个随地域而改变的物理常数，因受天体物理多项因素的影响，即便在一个固定地方，它也随时间发生变化。1590年，伽利略发现物体因受地球重力场作用可做自由落体运动，并用比萨斜塔实验验证了物体自由下落的速度与其质量无关，自此，精确测定地球表面的重力加速度值成为许多物理学家关注的课题。从1898年到二十世纪六十年代末，科学家在波茨坦利用可倒摆测量的绝对重力值精度从I X 10_5ms_2提高到2X 10_8ms_2。20世纪70年代中期，国际上首次提出了激光冷却原子的设想，朱棣文教授利用激光冷却囚禁原子的方法测量了单个原子的重力加速度，测量精度可达3X 10-9ms-2。与此同时，一种便携式小型绝对重力仪得到试用，另一种原子喷泉式(原子干涉)绝对重力仪在实验室试验成功。毫无疑问，这将进一步促进地球物理学、大地测量学及计量学的发展。普通物理实验中，测量重力加速度的常用方法是用闪频灯对自由落体过程进行成像或利用复摆、单摆法间接测量。而精确测量重力加速度的常用方法是，采用物体自由下落单程观测，利用稳定的激光波长作为迈克尔逊干涉测量的光学尺，采用高分辨率时间间隔测量仪测量微小时间段，并由微机控制测量及数据采集过程。但这些方法的局限在于无法实时得到重力加速度的长期变化情况，测量结果比较粗糙，且系统的测量精度及稳定性也有待提闻。

发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统及方法，使其能够便捷准确的实时、连续长时间测量重力加速度随时间的变化情况。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，该系统包括光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统，其中利用该光纤光源系统中光纤激光器的激光波长作为该迈克尔逊干涉系统的光学尺，在该真空系统中让该迈克尔逊干涉系统中的运动直角棱镜做上抛、下落两种行程的自由落体运动，由迈克尔逊干涉条纹间接测量该运动直角棱镜的空间运动距离；
采用该法布里-珀罗干涉系统实时监测该光纤激光器的输出波长；采用该数据采集处理系统中的高精准时间频率标准仪计时系统记录该运动直角棱镜的运动时间；采用数据采集处理系统中的多通道高速数据采集卡实时采集运动棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，最后，根据运动学公式、利用数据采集处理系统中的计算机处理程序计算得到重力加速度在时间尺度上的变化关系。上述方案中，所述光纤光源系统包括光纤激光器、光纤隔离器、光纤耦合器及单模光纤，其中光纤激光器用于提供单模激光，光纤隔离器用于实现激光的单向传输，光纤耦合器用于将光纤激光器输出的激光分为两束，其中一束耦合到迈克尔逊干涉系统，另一束耦合到法布里-珀罗干涉系统；单模光纤用于连接上述的各光学器件以保证单模激光的正常传输。上述方案中，所述迈克尔逊干涉系统包括运动直角棱镜、探测器、凸透镜、单模光纤及两个光纤耦合器，其中一个光纤耦合器用来耦合接收光纤光源系统输出的激光光束并将其分为两路传输；另一光纤耦合器用来耦合迈克尔逊干涉光路的两束激光并将其传输到探测器；运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差；凸透镜用于聚焦激光光束；探测器用于探测迈克尔逊干涉光束的光强，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。上述方案中，所述法布里-珀罗干涉系统包括单模光纤、凸透镜、法布里-珀罗干涉仪及光谱仪，其中法布里-珀罗干涉仪用于将入射激光进行干涉得到干涉光束，凸透镜用于将干涉光束聚焦到光谱仪中，光谱仪用于得到法布里-珀罗干涉圆环，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。上述方案中，所述真空系统包括运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，其中运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差，棱镜抛射器用于触发直角棱镜的上抛运动，顶部具有透光装置的真空室用于提供直角棱镜运动的真空环境以减小测量误差，并提供迈克尔逊干涉光束的传输环境。上述方案中，所述数据采集处理系统包括高精准时间频率标准仪计时系统、多通道高速数据采集卡及计算重力加速度值的数据采集处理程序，其中高精准时间频率标准仪计时系统用于记录直角棱镜的运动时间，多通道高速数据采集卡用于实时采集运动直角棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，计算重力加速度值的数据采集处理程序用于实时处理采集到的数据以得到重力加速度随时间的变化关系。一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的方法，基于上述利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，包括步骤I :加工具有运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，使直角棱镜能够在棱镜抛射器的作用下稳定地进行上抛、下落两种行程的自由落体运动；步骤2 :搭建并调试光纤光源系统，实现激光输出；步骤3 :搭建并调试迈克尔逊干涉系统，使光纤激光器输出的一束入射激光能够通过真空室运动直角棱镜的运动而与另一参考光束进行干涉，使探测器能够探测到干涉数据；
步骤4 :搭建并调试光纤法布里-珀罗干涉系统，使光谱仪能够探测分辨出干涉圆环；步骤5 :启动光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统，实时采集处理运动直角棱镜的运动位置、时间及光纤激光器的波长信息实现对重力加速度的测量。(三)有益效果本发明提供的这种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统及方法，具有简单、方便、稳定性高及易操作的优点，能够实时测量重力加速度随时间的变化情况，具有以下优点一是光纤系统的稳定性更高，可以更大限度的减小环境干扰带来的测量噪音；二是可以实时监测激光器的输出波长以减小波长漂移带来的测量误差，从而提高测量精度；三是可以实时、连续长时间的测量重力加速度随时间的变化情况。总之，本发明提供的这种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统及方法，有利于得到更精准的重力加速度值随时间的变化情况。


图I是依照本发明实施例的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统的结构示意图；图2是基于图I测量得到的迈克尔逊干涉数据的示意图，其中，图2(a)为干涉光强随时间的变化，其右下插图为法布里-珀罗干涉圆环示意图；图2(13)是图2(a)中一组数据的放大图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图I所示，图I是依照本发明实施例的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统的结构示意图，该系统包括五部分1光纤光源系统、II迈克尔逊干涉系统、III法布里-珀罗干涉系统、IV真空系统及V数据采集处理系统；其中，图中各光纤器件由单模光纤连接。其中，利用该光纤光源系统中光纤激光器的激光波长作为该迈克尔逊干涉系统的光学尺，在该真空系统中让该迈克尔逊干涉系统中的运动直角棱镜做上抛、下落两种行程的自由落体运动，由迈克尔逊干涉条纹间接测量该运动直角棱镜的空间运动距离；采用该法布里-珀罗干涉系统实时监测该光纤激光器的输出波长；采用该数据采集处理系统中的高精准时间频率标准仪计时系统记录该运动直角棱镜的运动时间；采用数据采集处理系统中的多通道高速数据采集卡实时采集运动棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，最后，根据运动学公式、利用数据采集处理系统中的计算机处理程序计算得到重力加速度在时间尺度上的变化关系。光纤光源系统包括光纤激光器、光纤隔离器、光纤耦合器及单模光纤，其中光纤激光器用于提供单模激光，光纤隔离器用于实现激光的单向传输，光纤耦合器用于将光纤激光器输出的激光分为两束，其中一束耦合到迈克尔逊干涉系统，另一束耦合到法布里-珀罗干涉系统；单模光纤用于连接上述的各光学器件以保证单模激光的正常传输。迈克尔逊干涉系统包括两个光纤耦合器、运动直角棱镜、探测器、凸透镜及单模光纤，其中一个光纤耦合器用来耦合接收光纤光源系统输出的激光光束并将其分为两路传输；另一光纤耦合器用来耦合迈克尔逊干涉光路的两束激光并将其传输到探测器。运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差。凸透镜用于聚焦激光光束。探测器用于探测迈克尔逊干涉光束的光强，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。法布里-珀罗干涉系统包括单模光纤、凸透镜、法布里-珀罗干涉仪及光谱仪，其中法布里-珀罗干涉仪用于将 入射激光进行干涉得到干涉光束，凸透镜用于将干涉光束聚焦到光谱仪中，光谱仪用于得到法布里-珀罗干涉圆环，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。真空系统包括运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，其中运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差，棱镜抛射器用于触发直角棱镜的上抛运动，顶部具有透光装置的真空室用于提供直角棱镜运动的真空环境以减小测量误差，并提供迈克尔逊干涉光束的传输环境。数据采集处理系统包括高精准时间频率标准仪计时系统、多通道高速数据采集卡及计算重力加速度值的数据采集处理程序，其中高精准时间频率标准仪计时系统用于记录直角棱镜的运动时间，多通道高速数据采集卡用于实时采集运动直角棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，计算重力加速度值的数据采集处理程序用于实时处理采集到的数据以得到重力加速度随时间的变化关系。基于图I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，本发明还提供了一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的方法，该方法包括以下步骤步骤I :加工具有运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，使直角棱镜能够在棱镜抛射器的作用下稳定地进行上抛、下落两种行程的自由落体运动；步骤2 :搭建并调试光纤光源系统，实现激光输出；步骤3 :搭建并调试迈克尔逊干涉系统，使光纤激光器输出的一束入射激光能够通过真空室运动直角棱镜的运动而与另一参考光束进行干涉，使探测器能够探测到干涉数据；步骤4 :搭建并调试光纤法布里-珀罗干涉系统，使光谱仪能够探测分辨出干涉圆环；步骤5 :启动光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统，实时采集处理运动直角棱镜的运动位置、时间及光纤激光器的波长信息实现对重力加速度的测量。图2是基于图I测量得到的迈克尔逊干涉数据的示意图，其中，图2(a)为干涉光强随时间的变化，其右下插图为法布里-珀罗干涉圆环示意图；图2(13)是图2(a)中一组数据的放大图。由所得干涉数据图确定重力加速度的方法为首先，由法布里-珀罗干涉圆环图确定光纤激光器的实时波长，即测量圆环序数P和相应的圆环直径Dp，将圆环直径的平方值对圆环序数P进行线性拟合，当已知干涉仪折射率n、反射面间距d和空气折射率n。
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时，光纤激光器的实时波长就可以由公式尸+幻推得。其次，由迈克尔逊干涉数n0a
据确定棱镜的运动位置与时间的关系。假设棱镜从最低点到最高点为一个运动周期T，由图2(a)确定Li时刻运动棱镜处于第N个运动周期，如图2(b)所示，此时棱镜相对最低点的
位移量为=-I)、■，相对运动时间为选取微小时间段拟合棱
Zm，i m，i V),
镜位置与时间的关系L =gt2m, + Am得到相应时刻的重力加速度。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，该系统包括光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统，其中 利用该光纤光源系统中光纤激光器的激光波长作为该迈克尔逊干涉系统的光学尺，在该真空系统中让该迈克尔逊干涉系统中的运动直角棱镜做上抛、下落两种行程的自由落体运动，由迈克尔逊干涉条纹间接测量该运动直角棱镜的空间运动距离； 采用该法布里-珀罗干涉系统实时监测该光纤激光器的输出波长；采用该数据采集处理系统中的高精准时间频率标准仪计时系统记录该运动直角棱镜的运动时间； 采用数据采集处理系统中的多通道高速数据采集卡实时采集运动棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，最后，根据运动学公式、利用数据采集处理系统中的计算机处理程序计算得到重力加速度在时间尺度上的变化关系。
2.根据权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，所述光纤光源系统包括光纤激光器、光纤隔离器、光纤耦合器及单模光纤，其中光纤激光器用于提供单模激光，光纤隔离器用于实现激光的单向传输，光纤耦合器用于将光纤激光器输出的激光分为两束，其中一束耦合到迈克尔逊干涉系统，另一束耦合到法布里-珀罗干涉系统；单模光纤用于连接上述的各光学器件以保证单模激光的正常传输。
3.根据权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，所述迈克尔逊干涉系统包括运动直角棱镜、探测器、凸透镜、单模光纤及两个光纤耦合器，其中一个光纤耦合器用来耦合接收光纤光源系统输出的激光光束并将其分为两路传输；另一光纤耦合器用来耦合迈克尔逊干涉光路的两束激光并将其传输到探测器；运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差；凸透镜用于聚焦激光光束；探测器用于探测迈克尔逊干涉光束的光强，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。
4.根据权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉系统包括单模光纤、凸透镜、法布里-珀罗干涉仪及光谱仪，其中法布里-珀罗干涉仪用于将入射激光进行干涉得到干涉光束，凸透镜用于将干涉光束聚焦到光谱仪中，光谱仪用于得到法布里-珀罗干涉圆环，单模光纤用于连接上述各光学器件以实现激光的正常传输。
5.根据权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，所述真空系统包括运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，其中运动直角棱镜用于在真空系统中做上抛、下落两种行程的自由落体运动来改变迈克尔逊干涉光束间的光程差，棱镜抛射器用于触发直角棱镜的上抛运动，顶部具有透光装置的真空室用于提供直角棱镜运动的真空环境以减小测量误差，并提供迈克尔逊干涉光束的传输环境。
6.根据权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，所述数据采集处理系统包括高精准时间频率标准仪计时系统、多通道高速数据采集卡及计算重力加速度值的数据采集处理程序，其中高精准时间频率标准仪计时系统用于记录直角棱镜的运动时间，多通道高速数据采集卡用于实时采集运动直角棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，计算重力加速度值的数据采集处理程序用于实时处理采集到的数据以得到重力加速度随时间的变化关系。
7.一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的方法，基于权利要求I所述的利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统，其特征在于，包括 步骤I:加工具有运动直角棱镜、棱镜抛射器及顶部具有透光装置的真空室，使直角棱镜能够在棱镜抛射器的作用下稳定地进行上抛、下落两种行程的自由落体运动； 步骤2 :搭建并调试光纤光源系统，实现激光输出；步骤3 :搭建并调试迈克尔逊干涉系统，使光纤激光器输出的一束入射激光能够通过真空室运动直角棱镜的运动而与另一参考光束进行干涉，使探测器能够探测到干涉数据；步骤4 :搭建并调试光纤法布里-珀罗干涉系统，使光谱仪能够探测分辨出干涉圆环；步骤5 :启动光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统，实时采集处理运动直角棱镜的运动位置、时间及光纤激光器的波长信息实现对重力加速度的测量。
全文摘要
本发明公开了一种利用光纤技术对重力加速度进行测量的系统及方法，该系统包括光纤光源系统、迈克尔逊干涉系统、法布里-珀罗干涉系统、真空系统及数据采集处理系统。由迈克尔逊干涉系统测量真空系统中运动直角棱镜的运动距离；由法布里-珀罗干涉系统实时监测该光纤激光器的输出波长；由数据采集处理系统中的高精准时间频率标准仪计时系统记录该运动直角棱镜的运动时间，并由其多通道高速数据采集卡实时采集运动棱镜的位置、时间及光纤激光器的波长信息，最后通过计算程序得到重力加速度随时间的变化关系。本发明具有简单、方便、易操作、稳定性高的优点，可实时、连续长时间监测特定位置处重力加速度随时间的变化关系。
文档编号G01V7/14GK102621590SQ201210110550
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者丛侃侃, 姬扬 申请人:中国科学院半导体研究所