用于绝对重力仪的激光干涉振动测量可行性研究

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绝对重力仪是用来测量地球基本物理场的仪器,其测量所得的重力场信息,是地球动力学等基础学科的研究和发展中一个十分重要的参考因素。目前世界上的绝对重力仪大致分为两大类,即基于空间激光干涉的绝对重力仪和基于原子干涉的绝对重力仪。在测量过程中,下落棱镜光心质心偏差和参考棱镜振动等诸多因素都会对测量结果产生一定程度的干扰,而其中由于振动带来的干扰尤为严重。对此,目前国际上通用的方法主要是通过构建隔振装置来对地面的振动进行隔离,比如美国的超长弹簧等,从而使得测量结果更加精确。为了解决振动干扰的问题,且基于测量地面振动的大小来补偿测量结果而非隔离振动的思路,本论文采用光纤传感中成熟的相位生成载波(Phase Generated Carrier,PGC)解调技术设计空间光干涉测振仪来验证振动测量的可行性。文章首先阐述了绝对重力仪的应用背景和研究现状,并总结了目前通用的减振的方法,提出基于PGC原理的空间激光干涉测量微振动的实验方案,主要内容包括理论分析、算法仿真以及实验验证三个部分。在理论分析的部分,首先介绍了重力测量以及绝对重力仪的工作原理。其次,介绍了包括振动误差、基准误差、落体误差和测量系统误差等一系列影响因素。然后分析了PGC技术的原理以及包含误差分析在内的干涉测量原理。在算法仿真部分,利用Matlab和Simulink软件,验证了算法的可行性。最后,实验验证部分,基于PGC原理和激光干涉原理,设计了一套干涉仪,且对其可行性进行了验证,具体内容包括:(1)将光路控制在水平面上搭建干涉仪,同时选购光电探测器并且利用压电陶瓷提供相位调制。在给定的20Hz、40Hz、60Hz、80Hz的初始振动频率下,检测出振动信号的幅度并进行相位补偿之后,与标定过后的PZT产生的位移、频率相比较进行验证。(2)利用Minus K隔振平台以及991B型拾振器等器材,将测量镜的反射方向由水平调整为竖直方向,同时将干涉仪的测量结果与拾振器的实时同步测量结果进行对比,从而对其可行性进行验证。实验结果表明,测振干涉仪能够在外界干扰稳定的情况下正常工作,其本身能够测量的精度范围与拾振器的精度范围相当,都在10-8m这一量级,测量的频率范围在100Hz以内精度较高,验证了振动测量思路的可行性,同时也为下一步进行测振仪的优化和更高精度的减振装置的设计与拓展,并与绝对重力仪联合测试、应用奠定了基础。
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