重力测量方法、装置及原子重力仪与流程

本技术涉及量子测量，尤其涉及一种重力测量方法、装置及原子重力仪。

背景技术：

1、原子重力仪是一种高精度的重力测量设备，广泛应用于地质勘探、资源探测和惯性导航等领域。其基本原理是让原子团在真空腔体中自由下落，通过激光与原子相互作用来精确测量重力加速度。

2、目前，传统实验室用的原子重力仪体积庞大，真空腔长度通常超过1米，原子团下落距离长、测量时间充足，因此测量精度非常高。但这类设备重量大、无法移动，只能在实验室内使用。

3、为方便室外测量需求，近年来出现了便携式小型化原子重力仪，将真空腔长度缩短至20至40厘米。在这类设备中，原子团依次经历三个功能阶段：冷却阶段（将原子俘获、冷却）、选态阶段（从多个磁子能级中筛选出单一能级的原子以备测量）以及干涉阶段（让原子在偏置磁场中自由下落并与激光相互作用以提取重力信息）。三个阶段的磁场分别由磁光阱线圈、选态线圈和偏置磁场线圈各自独立提供，一个阶段完成后上一个阶段的线圈即断电关闭，下一个阶段的线圈再通电开启。在此种工作模式下，选态线圈仅在选态阶段发挥作用，选态阶段完成后即断电关闭，干涉阶段由偏置磁场线圈单独提供磁场。由于原子团必须先完成选态才能进入干涉阶段，选态区域的设置占用了有限的真空腔轴向空间，使得原子团在干涉阶段的自由下落距离被压缩，自由演化时间缩短，导致重力测量精度下降。同时，紧凑结构下偏置磁场线圈单独工作时端部效应明显，磁场均匀区范围有限，外部环境干扰也更容易影响测量结果，进一步降低了测量准确度。

4、因此，如何在不改变设备体积的情况下增加原子在干涉阶段的运动时间，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种重力测量方法、装置及原子重力仪，旨在解决如何在不改变设备体积的情况下增加原子在干涉阶段的运动距离的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提出一种重力测量方法，所述方法应用于原子重力仪，所述原子重力仪沿真空腔的轴向依次设置有磁光阱线圈、选态线圈和偏置磁场线圈，所述磁光阱线圈用于冷却原子团；所述选态线圈包括上选态线圈和下选态线圈，用于产生选态磁场以形成选态区域，所述选态区域用于对所述原子团进行选态；所述偏置磁场线圈用于产生均匀的偏置磁场，以形成偏置磁场区域，选态后的所述原子团在所述偏置磁场区域进行干涉；干涉后的所述原子团进入所述探测区域进行探测，获得重力测量结果；

3、其中，所述方法包括：

4、在干涉阶段，对所述上选态线圈施加第一驱动电流，对所述下选态线圈施加第二驱动电流，所述第一驱动电流与所述第二驱动电流之间存在第一预设比例关系，以使所述上选态线圈和所述下选态线圈共同产生第一选态磁场以形成第一选态区域，并对所述偏置磁场线圈施加第三驱动电流，以使所述偏置磁场线圈生成偏置磁场以形成偏置磁场区域，为干涉中的所述原子团维持量子化轴方向；

5、其中，所述第一选态区域与所述偏置磁场区域至少一部分重叠，形成重叠区域，所述重叠区域作为所述偏置磁场区域的轴向均匀延伸，用于延长所述偏置磁场区域，选态后的所述原子团在所述延长后的偏置磁场区域中完成干涉。

6、在一实施例中，所述在干涉阶段之前的步骤，还包括：

7、在选态阶段，对所述上选态线圈施加第四驱动电流，对所述下选态线圈施加第五驱动电流，以使所述上选态线圈和所述下选态线圈共同产生第二选态磁场以形成第二选态区域。

8、在一实施例中，在选态阶段，对所述偏置磁场线圈施加第六驱动电流，以使所述偏置磁场线圈生成偏置磁场，为选态中的所述原子团提供偏置稳定量子化轴。

9、在一实施例中，所述第四驱动电流与所述第五驱动电流之间存在第二预设比例关系。

10、在一实施例中，所述在选态阶段之前的步骤，还包括：

11、在冷却阶段，对所述磁光阱线圈施加第七驱动电流，以使所述磁光阱线圈产生冷却磁场以形成冷却区域，对所述原子团进行冷却与俘获。

12、在一实施例中，所述为选态中的所述原子团提供偏置稳定量子化轴的步骤之后，还包括：

13、在探测阶段，停止向所述上选态线圈施加所述第一驱动电流以及停止向所述下选态线圈施加所述第二驱动电流，并根据预设探测模式保持或断开所述偏置磁场线圈的所述第三驱动电流；

14、获取所述探测阶段内所述原子团的干涉条纹信息，并根据所述干涉条纹信息获得重力测量结果。

15、在一实施例中，所述获取所述探测阶段内所述原子团的干涉条纹信息，并根据所述干涉条纹信息获得重力测量结果的步骤之后，还包括：

16、获取所述原子团在干涉过程中的自由演化时间；

17、根据所述自由演化时间和所述原子团在延长后的偏置磁场区域内的磁场分布数据，获得所述原子团在干涉阶段中由二阶塞曼效应引入的相移量；其中，所述延长后的偏置磁场区域包括所述偏置磁场区域和所述重叠区域；

18、根据所述相移量对所述重力测量结果进行修正。

19、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种重力测量装置，所述装置包括：

20、电流控制模块，在干涉阶段，对所述上选态线圈施加第一驱动电流，对所述下选态线圈施加第二驱动电流，所述第一驱动电流与所述第二驱动电流之间存在第一预设比例关系，以使所述上选态线圈和所述下选态线圈共同产生第一选态磁场以形成第一选态区域，并对所述偏置磁场线圈施加第三驱动电流，以使所述偏置磁场线圈生成偏置磁场以形成偏置磁场区域，为干涉中的所述原子团维持量子化轴方向；

21、其中，所述第一选态区域与所述偏置磁场区域至少一部分重叠，形成重叠区域，所述重叠区域作为所述偏置磁场区域的轴向均匀延伸，用于延长所述偏置磁场区域，选态后的所述原子团在所述延长后的偏置磁场区域中完成干涉。

22、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种原子重力仪，所述原子重力仪包括：沿真空腔的轴向依次设置有磁光阱线圈、选态线圈和偏置磁场线圈，所述磁光阱线圈用于冷却原子团；所述选态线圈包括上选态线圈和下选态线圈，用于产生选态磁场以形成选态区域，所述选态区域用于对所述原子团进行选态；所述偏置磁场线圈用于产生均匀的偏置磁场，以形成偏置磁场区域，选态后的所述原子团在所述偏置磁场区域进行干涉；干涉后的所述原子团进入所述探测区域进行探测，获得重力测量结果；

23、所述原子重力仪还包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序配置为实现如上文所述的重力测量方法的步骤。

24、在一实施例中，所述原子重力仪还包括：内层磁屏蔽和外层磁屏蔽，所述内层磁屏蔽设置于所述偏置磁场线圈的外部，所述外层磁屏蔽设置于所述真空腔的外部，通过所述内层磁屏蔽约束所述偏置磁场线圈的边缘磁场，以增加所述偏置磁场线圈的均匀磁场范围；通过所述外层磁屏蔽衰减所述真空腔外部的环境磁场。

25、本技术提出的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

26、本技术通过在干涉阶段，对上选态线圈施加第一驱动电流，对下选态线圈施加第二驱动电流，第一驱动电流与第二驱动电流之间存在第一预设比例关系，以使上选态线圈和下选态线圈共同产生第一选态磁场以形成第一选态区域，并对偏置磁场线圈施加第三驱动电流，以使偏置磁场线圈生成偏置磁场以形成偏置磁场区域，为干涉中的原子团维持量子化轴方向；其中，第一选态区域与偏置磁场区域至少一部分重叠，形成重叠区域，重叠区域作为偏置磁场区域的轴向均匀延伸，用于延长偏置磁场区域，选态后的原子团在延长后的偏置磁场区域中完成干涉。相比现有的，本技术通过使选态线圈在选态阶段完成后继续保持通电，在干涉阶段与偏置磁场线圈共同作用，将选态磁场叠加于偏置磁场之上，在保持原子重力仪物理尺寸不变的情况下，延长了原子团在均匀磁场区域中的有效运动距离，从而提高了重力测量的精度。