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原子干涉型重力仪的共模噪声抑制研究

许翱鹏  
【摘要】:自发明至今,原子干涉仪的历史已有二十余年。作为一种精密测量的手段,如今原子干涉仪在科研和工程领域都有广泛的应用,发展迅猛。原子干涉型重力仪是基于原子干涉仪发展起来的重力测量仪器,可应用于地理测绘、地质勘探、导航以及基础物理研究等领域。比起单套的重力仪,多套重力仪的同步测量有更广泛的应用,可以研究重力梯度变化,以及进行一些基础物理研究如测量万有引力常数等。本实验小组自2005年开始研制原子干涉型重力仪,目前已研制出多套重力仪,并且实现了两套重力仪的协同工作。本文的主要工作是研究多套原子干涉型重力仪协同工作时的共模噪声抑制,包括同步工作的实现,噪声来源研究,以及共模噪声抑制的手段。第一章是绪论部分,包括精密重力测量的应用前景,国内外研究现状,冷原子干涉型重力仪的发展。另外,简单罗列了本文的主要工作。第二章介绍了冷原子干涉型重力仪的理论及实验。理论部分主要是原子干涉部分的理论,包括原子在光场中的演化,以及最终测量重力的相关理论;实验部分介绍了本实验组的两套冷原子干涉型重力仪的实验装置,以及相关的实验结果。第三章阐述了冷原子干涉型重力仪的控制系统,包括控制时序,控制硬件和控制软件,还介绍了主控程序的其他拓展功能,以及未来待完善的功能。第四章是噪声模型的归类,以及对共模噪声的相关分析,其中包括相位噪声对干涉仪相位的影响和主要共模噪声来源的分析,此外还简单介绍了实验中主要的非共模噪声的来源。第五章是针对最主要的共模噪声源之一振动噪声的抑制研究。该章介绍了两种常规的振动抑制方案:被动隔振法和主动隔振法。此外,着重介绍了单纯用振动补偿法进行振动抑制的技术,包括基于控制平台的数据振动采集补偿方案和实验结果。第六章介绍了在两台重力仪同步工作的时候,对共模噪声免疫的算法研究,其核心是椭圆拟合的方法得出两台重力仪测量到的重力值之差。针对原子干涉型重力仪的应用,本文提出了差模噪声最小来作为椭圆拟合的依据。最后展示了在不同噪声环境下的仿真和实验结果,以及和传统的条纹拟合方法的对照。第七章是总结以及对未来工作的展望。本文的主要研究内容是基于两套同步性卓越的冷原子干涉型重力仪的共模噪声抑制。目前本实验组的两套重力仪单点测量时间为450ms,重复率达到2.2Hz,在基于被动隔振的条件下,灵敏度分别达到1.9×10-g/√HZ和2.1×10-7/√HZ。我们如果单纯运用振动补偿法,可以让单台重力仪获得与被动隔振的条件下接近的灵敏度,并且在振动环境恶劣的情形下仍然能获得较好的结果。进一步,我们运用椭圆拟合法,获得了对共模噪声免疫的重力差分信号结果,并在振动环境恶劣的情形下仍然测量到重力差分结果,其灵敏度优于两套重力仪相位直接相减。


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