本發(fā)明屬于重力場(chǎng)勘測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種陣列式原子干涉重力梯度張量全分量的測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

重力場(chǎng)的精密測(cè)量既能用于引力相關(guān)的基礎(chǔ)物理研究，又能用于重力匹配導(dǎo)航、地下資源勘探等實(shí)用領(lǐng)域。重力場(chǎng)是個(gè)矢量場(chǎng)，它對(duì)空間位置的一階微商就是重力梯度。重力梯度是一個(gè)二階張量，有9個(gè)分量，可以表示為：這是一個(gè)3×3的矩陣。由于測(cè)量傳感器所處的空間沒有源吸引質(zhì)量，所以有且因?yàn)橐?chǎng)是保守場(chǎng)，要求Γ_ij＝Γ_ji。所以重力梯度張量只有五個(gè)獨(dú)立分量。

重力梯度張量分量的測(cè)量可以通過(guò)不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如低溫超導(dǎo)重力梯度儀、旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀、靜電懸浮重力梯度儀、以及FG-5絕對(duì)重力儀構(gòu)成的梯度儀、原子干涉重力梯度儀等。原子干涉重力梯度儀具有潛在靈敏度高、無(wú)零點(diǎn)漂移等優(yōu)點(diǎn)。

冷原子干涉技術(shù)最初在1991年由美國(guó)斯坦福的朱隸文教授小組實(shí)現(xiàn)。由于微觀粒子具有波動(dòng)性，因此微觀粒子的波包在不同路徑演化之后重合可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。利用激光操縱原子，使原子的波包發(fā)生分束、反射、合束，可以實(shí)現(xiàn)原子的干涉。原子具有靜止質(zhì)量，其波包在重力場(chǎng)中演化受重力勢(shì)能影響，原子干涉的干涉相位包含重力項(xiàng)。因此，原子干涉儀可以用來(lái)進(jìn)行高精度重力測(cè)量。

利用原子干涉法進(jìn)行重力梯度測(cè)量要求在一個(gè)方向上構(gòu)造兩個(gè)原子干涉儀，測(cè)得兩個(gè)重力加速度。將兩個(gè)重力加速度差分再除以兩個(gè)干涉儀之間的距離，就得到一個(gè)重力梯度張量分量的值。

目前，對(duì)重力梯度張量的測(cè)量主要是對(duì)單一分量的測(cè)量。第一種是對(duì)的測(cè)量，其配置為利用豎直方向的激光束同時(shí)操縱豎直方向的兩團(tuán)原子進(jìn)行干涉。(Physics Review A 65，033608，2002)。第二種是對(duì)(或)的測(cè)量，其配置為利用水平方向的激光束同時(shí)操縱水平方向的兩團(tuán)原子進(jìn)行干涉。(X.Wu，PhD thesis，Stanford University，2009)。以上兩種重力測(cè)量裝置都只能測(cè)量重力梯度張量的某一個(gè)分量，所以不能夠給出重力梯度張量的全部信息，其應(yīng)用范圍受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種陣列式原子干涉重力梯度張量全分量的測(cè)量系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的原子干涉重力梯度儀只能進(jìn)行單個(gè)重力梯度張量分量測(cè)量的不足的問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種陣列式原子干涉重力梯度張量全分量的測(cè)量系統(tǒng)，包括：n個(gè)陣列式排布的冷原子干涉單元，冷原子干涉單元包括：真空腔體；真空腔體包括上干涉區(qū)，下干涉區(qū)，探測(cè)區(qū)和原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)，上干涉區(qū)為一根細(xì)長(zhǎng)型管道，且在所述上干涉區(qū)安裝有用于引入豎直激光L1的玻璃窗口；下干涉區(qū)為多窗口的腔體，且安裝有玻璃窗口以引入水平激光L2；探測(cè)區(qū)為多窗口的腔體，且安裝有用于為探測(cè)激光L4和所要收集的熒光提供通道的窗口；原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)為多面體結(jié)構(gòu)且安裝有用于為冷卻激光L5、L6和豎直激光L1提供通道以及為監(jiān)測(cè)制備時(shí)的冷原子團(tuán)a0提供通道的窗口，其中，n為大于等于2的整數(shù)。

更進(jìn)一步地，所述冷原子干涉單元還包括：豎直激光束發(fā)射器、水平激光束發(fā)射器、光電探測(cè)器、真空泵、堿金屬樣品容器、激光反射鏡和反亥母霍茲線圈；所述豎直激光束發(fā)射器為圓柱形激光束擴(kuò)束裝置，垂直正對(duì)于上干涉區(qū)的頂端窗口，用于將激光從光纖中引出并出射；所述水平激光束發(fā)射器為圓柱形激光束擴(kuò)束裝置，垂直正對(duì)于下干涉區(qū)的側(cè)面窗口，用于將激光從光纖中引出并出射；光電探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)所述探測(cè)區(qū)的窗口安裝，用于收集原子發(fā)射的熒光并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；所述真空泵與所述原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)連通，用于維持所述真空腔體的真空度在10^-8Pa～10^-7Pa；所述堿金屬樣品容器與所述原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)連通，內(nèi)部盛有堿金屬原子樣品，用于彌散出原子氣體并提供工作物質(zhì)；所述激光反射鏡垂直于豎直激光L1放置，用于將豎直激光L1原路反射形成對(duì)射的激光從而對(duì)原子進(jìn)行操作；所述反亥母霍茲線圈安裝在所述原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)上并使其軸線平行于冷卻激光L5中的一束，用以在其中心處產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度零點(diǎn)和磁場(chǎng)梯度，從而與冷卻激光L5、L6配合，在磁場(chǎng)零點(diǎn)處囚禁原子。

更進(jìn)一步地，所述下干涉區(qū)與探測(cè)區(qū)之間、所述探測(cè)區(qū)與所述原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)之間通過(guò)鈦合金管道連接。

更進(jìn)一步地，水平激光束發(fā)射器包括：四個(gè)相同的光纖擴(kuò)束器，用于出射水平激光L2。

更進(jìn)一步地，光電探測(cè)器為光電管或者光電倍增管。

更進(jìn)一步地，反亥母霍茲線圈為兩個(gè)通入反向電流的線圈。

更進(jìn)一步地，n為3時(shí)，三個(gè)冷原子干涉單元在同一個(gè)平面內(nèi)成直角排列。

更進(jìn)一步地，三個(gè)冷原子干涉單元中，第一冷原子干涉單元A和第三冷原子干涉單元C的連線沿x軸方向，第一冷原子干涉單元A和第二冷原子干涉單元B的連線沿y軸方向；在豎直方向上，三束豎直激光L1操縱第一冷原子團(tuán)A-a1、第二冷原子團(tuán)A-a2、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)干涉，實(shí)現(xiàn)重力梯度張量中的分量的同時(shí)測(cè)量；第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2之間的干涉結(jié)果的差分給出的測(cè)量結(jié)果；第一冷原子團(tuán)A-a1和第三冷原子團(tuán)B-a1之間的差分給出第一冷原子團(tuán)A-a1和第四冷原子團(tuán)C-a1之間的差分給出在水平方向上，三組水平激光L2操縱同一水平面上的第一冷原子團(tuán)A-a1、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)干涉，實(shí)現(xiàn)重力梯度張量中的分量的同時(shí)測(cè)量；第一冷原子團(tuán)A-a1和第三冷原子團(tuán)B-a1干涉結(jié)果的差分給出第一冷原子團(tuán)A-a1和第四冷原子團(tuán)C-a1干涉結(jié)果的差分給出其中，x-y-z構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，z軸沿豎直方向，x或y沿東西或者南北方向。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

(1)本發(fā)明利用多個(gè)冷原子干涉單元共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉，利用兩個(gè)原子團(tuán)干涉結(jié)果的差分可以測(cè)量重力梯度張量的非對(duì)角分量目前尚無(wú)基于原子干涉法的重力梯度張量非對(duì)角分量測(cè)量裝置及方案，本發(fā)明所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了零的突破。

(2)本發(fā)明利用多個(gè)冷原子干涉單元共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉。在一次測(cè)量中，本發(fā)明所述系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)重力梯度張量豎直方向三個(gè)分量的同時(shí)測(cè)量或者水平方向兩個(gè)分量的同時(shí)測(cè)量。相比單一張量分量原子干涉重力梯度儀，本系統(tǒng)具有更高的測(cè)量速度。

(3)本發(fā)明利用多個(gè)冷原子干涉單元共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉。交替進(jìn)行豎直和水平方向的測(cè)量可以得出重力梯度張量的全部五個(gè)獨(dú)立分量，即本發(fā)明可以測(cè)量出重力梯度張量的全部信息。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；

圖2為單元裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為操縱原子的水平方向激光配置示意圖；

圖4為三維磁光阱結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，A為第一冷原子干涉單元，B為第二冷原子干涉單元，C為第三冷原子干涉單元，a0為制備時(shí)的冷原子團(tuán)，A-a1為第一冷原子團(tuán)、A-a2為第二冷原子團(tuán)、B-a1為第三冷原子團(tuán)、C-a1為第四冷原子團(tuán)，L1為豎直激光，L2為水平激光，L21為第一水平激光，L22為第二水平激光，L3為水平選態(tài)激光，L4為探測(cè)激光，L5為向下冷卻激光，L6為向上冷卻激光，101為上干涉區(qū)，102為下干涉區(qū)，103為探測(cè)區(qū)，104為原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)，201為豎直激光束發(fā)射器，202為水平激光束發(fā)射器，203為光電探測(cè)器，204為真空泵，205為堿金屬樣品容器，206為激光反射鏡，207為反亥母霍茲線圈。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

針對(duì)以前的原子干涉重力梯度儀只能進(jìn)行單個(gè)重力梯度張量分量測(cè)量的不足，本發(fā)明提供了一種基于原子干涉方法的重力梯度張量全分量測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

本發(fā)明提供的陣列式原子干涉重力梯度張量全分量的測(cè)量系統(tǒng)包括：n個(gè)陣列式排布的冷原子干涉單元，n為大于等于2的整數(shù)。

在本發(fā)明中，為敘述方便，定義右手直角坐標(biāo)系x-y-z。其中z軸沿豎直方向，x(或y)沿東西或者南北方向。

為了便于描述，以n等于3為例，三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C在水平面上成直角排列，其中第一冷原子干涉單元A和第三冷原子干涉單元C的連線沿x軸方向，第一冷原子干涉單元A和第二冷原子干涉單元B的連線沿y軸方向；在豎直方向上，三束豎直激光L1操縱第一冷原子團(tuán)A-a1、第二冷原子團(tuán)A-a2、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)干涉，實(shí)現(xiàn)重力梯度張量中的分量的同時(shí)測(cè)量。其中，第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2之間的干涉結(jié)果的差分給出的測(cè)量結(jié)果；第一冷原子團(tuán)A-a1和第三冷原子團(tuán)B-a1之間的差分給出第一冷原子團(tuán)A-a1和第四冷原子團(tuán)C-a1之間的差分給出在水平方向上，三組水平激光L2操縱同一水平面上的第一冷原子團(tuán)A-a1、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)干涉，實(shí)現(xiàn)重力梯度張量中的分量的同時(shí)測(cè)量。其中，第一冷原子團(tuán)A-a1和第三冷原子團(tuán)B-a1干涉結(jié)果的差分給出第一冷原子團(tuán)A-a1和第四冷原子團(tuán)C-a1干涉結(jié)果的差分給出

將水平方向和豎直方向的測(cè)量交替進(jìn)行，可以得出重力梯度張量所有五個(gè)獨(dú)立分量的值。五個(gè)獨(dú)立分量包含了重力梯度張量的全部信息，所以本發(fā)明所述系統(tǒng)可以進(jìn)行重力梯度張量全分量測(cè)量。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于原子干涉的重力梯度張量全分量測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為了便于說(shuō)明，僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分，且以n等于3為例，詳述如下：

本梯度張量全分量測(cè)量系統(tǒng)包含三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的冷原子干涉單元A、B和C，三個(gè)單元在水平面上成直角放置，其中第一冷原子干涉單元A和第三冷原子干涉單元C的連線沿x軸方向，第一冷原子干涉單元A和第二冷原子干涉單元B的連線沿y軸方向。每個(gè)單元裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷原子干涉單元A、B、C的結(jié)構(gòu)相同，現(xiàn)以冷原子干涉單元A為例詳述如下：

主要由構(gòu)成真空容器的超高真空度腔體101-104以及附屬結(jié)構(gòu)201-207構(gòu)成；激光L1-L6和冷原子團(tuán)a0、a1、a2為本系統(tǒng)的工作物質(zhì)。

超高真空度腔體101-104部分為本裝置的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要作用是為原子蒸汽提供一個(gè)密封容器和為冷原子的制備和操縱提供一個(gè)超高真空度環(huán)境，所要求的真空度一般為10^-8-10^-7Pa水平。真空腔體所選材料一般有鈦合金或者微晶玻璃?，F(xiàn)以鈦合金為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明：腔體與腔體之間同樣使用鈦合金管道進(jìn)行連接；激光束通過(guò)的地方使用玻璃窗口；各分離部件之間的連接使用法蘭壓緊無(wú)氧銅墊片進(jìn)行密封。

超高真空度腔體包括：上干涉區(qū)101，下干涉區(qū)102，探測(cè)區(qū)103，原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104。其中，上干涉區(qū)101一般可以為一根細(xì)長(zhǎng)型管道，主要作用是為第二冷原子團(tuán)A-a2干涉提供空間；其上端安裝有玻璃窗口以引入豎直激光L1。下干涉區(qū)102一般為多窗口的腔體，主要作用是為第一冷原子團(tuán)A-a1干涉提供空間；其垂直于y軸的面上安裝有玻璃窗口以引入水平激光L2。探測(cè)區(qū)103一般為多窗口的腔體，其為原子的探測(cè)過(guò)程提供空間，所安裝的窗口為探測(cè)激光L4和光電探測(cè)器203所要收集的熒光提供通道。原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104，一般為多面體結(jié)構(gòu)，有很多窗口；其能為冷卻囚禁原子提供空間，窗口能為冷卻激光L5、L6和豎直激光L1提供通道，同時(shí)也為監(jiān)測(cè)制備時(shí)的冷原子團(tuán)a0提供通道。下干涉區(qū)102與探測(cè)區(qū)103之間、探測(cè)區(qū)103與原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104之間通過(guò)鈦合金管道連接。

附屬結(jié)構(gòu)201-207為附屬在主腔體101-104之上或者與主腔體101-104配合的一些小配件。它們與主腔體101-104共同構(gòu)成本示例單元的整體。其中，豎直激光束發(fā)射器201和水平激光束發(fā)射器202一般為圓柱形激光束擴(kuò)束裝置，用以將激光從光纖中引出并出射；它們分別垂直正對(duì)于上干涉區(qū)101的頂端窗口和下干涉區(qū)102的側(cè)面窗口。如圖3所示，水平激光束發(fā)射器202由四個(gè)相同的光纖擴(kuò)束器組成，用以出射水平激光L2的兩個(gè)成分第一水平激光L21、第二水平激光L22。光電探測(cè)器203一般可以為光電管或者光電倍增管，其對(duì)準(zhǔn)探測(cè)區(qū)103的窗口安裝，作用是收集原子發(fā)射的熒光，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，方便后續(xù)處理以及記錄。真空泵204一般包括離子泵和吸氣劑泵，與原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104連通，用以維持超高真空度腔體101-104中的真空度。堿金屬樣品容器205與原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104連通，內(nèi)部盛有堿金屬原子樣品，用以彌散出原子氣體，為本裝置提供工作物質(zhì)。激光反射鏡206垂直于豎直激光L1放置，用以將豎直激光L1原路反射形成對(duì)射的激光，對(duì)原子進(jìn)行操作。反亥母霍茲線圈207為兩個(gè)通入反向電流的線圈，安裝在原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104上并使其軸線平行于冷卻激光L5中的一束，用以在其中心處產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度零點(diǎn)和磁場(chǎng)梯度，從而與冷卻激光L5、L6配合，在磁場(chǎng)零點(diǎn)處囚禁原子。

激光束L1-L6用來(lái)制備和操縱冷原子團(tuán)。其中豎直激光L1和水平激光L2一般為Raman光束或者Bragg光束，其作用是照射原子，使原子發(fā)生受激Raman躍遷或者Bragg衍射，實(shí)現(xiàn)原子波包的分束、反射與合束，即操縱原子進(jìn)行干涉；一般豎直激光和水平激光L1、L2中還可以耦合進(jìn)清除光，用來(lái)清除特定能態(tài)的原子。清除光的原理是使原子獲得光子動(dòng)量加速，從而被“吹走”。如圖3所示，水平激光L2有兩個(gè)成分第一水平激光L21、第二水平激光L22。這兩個(gè)成分相互平行，每一個(gè)成分由兩束激光對(duì)射形成，且對(duì)射的兩束激光相位差鎖定并可以調(diào)節(jié)。第一水平激光L21完成第一冷原子團(tuán)A-a1波包的反射操作；第二水平激光L22完成第一冷原子A-a1波包的分束、合束操作。水平選態(tài)光L3的作用是對(duì)水平方向的干涉進(jìn)行選態(tài)；探測(cè)光L4的作用是照射原子，使原子受激躍遷，然后自發(fā)輻射出熒光。通過(guò)探測(cè)熒光強(qiáng)度，可以探測(cè)出處于不同態(tài)原子的數(shù)目，得出干涉相位信息，從而推導(dǎo)出重力加速度信息。冷卻激光L5、L6是利用紅失諧的激光對(duì)射對(duì)制備時(shí)的冷原子a0進(jìn)行多普勒冷卻，同時(shí)與外加磁場(chǎng)相配合還能實(shí)現(xiàn)制備時(shí)的冷原子團(tuán)a0的囚禁；一般其中還耦合有回泵光成分，是因?yàn)樵釉诙嗥绽绽鋮s過(guò)程中會(huì)自發(fā)輻射到不能夠繼續(xù)冷卻過(guò)程的其他原子基態(tài)，叫做暗態(tài)，回泵光能夠?qū)祽B(tài)原子回泵到能夠繼續(xù)多普勒冷卻的原子基態(tài)。圖4為示例三維磁光阱結(jié)構(gòu)，冷卻激光L5、L6分別包含三束激光，形成三對(duì)對(duì)射的激光，且三對(duì)對(duì)射的激光兩兩垂直。在上拋過(guò)程，要改變向下冷卻激光L5的激光頻率，因此向下冷卻激光L5的頻率要能夠獨(dú)立于向上冷卻激光L6控制。

冷原子團(tuán)a0、A-a1、A-a2為本系統(tǒng)的工作物質(zhì)。其中制備時(shí)的冷原子團(tuán)a0為制備過(guò)程形成的冷原子團(tuán)，第一冷原子團(tuán)為A-a1為上拋到下干涉區(qū)102的原子團(tuán)，第二冷原子團(tuán)A-a2為上拋到上干涉區(qū)101的冷原子團(tuán)。

本裝置的示例運(yùn)行原理和操作過(guò)程如下：堿金屬?gòu)膲A金屬樣品容器205中揮發(fā)到原子團(tuán)制備結(jié)構(gòu)104中。利用如圖4所示的三維磁光阱結(jié)構(gòu)能夠?qū)υ舆M(jìn)行冷卻囚禁。三維磁光阱由三對(duì)對(duì)打的冷卻激光L5、L6和反亥母霍茲線圈207組成。三對(duì)激光互相垂直，在三個(gè)方向上使原子減速；反亥母霍茲線圈207和冷卻激光L5、L6配合將原子囚禁在中心，形成制備時(shí)的冷原子團(tuán)a0。

利用三維磁光阱冷卻囚禁到足夠的原子后降低向下冷卻激光L5的頻率將原子上拋。對(duì)于第一冷原子干涉單元A，控制原子的上拋初始速度可以將第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2上拋到預(yù)定的高度；控制上拋間隔可以使第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2在上拋飛行過(guò)程中相對(duì)靜止。這樣第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2相對(duì)于豎直激光L1的多普勒失諧相同，就可以用同一束豎直激光L1同時(shí)操縱第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2。對(duì)于第二和第三冷原子干涉單元B、C，僅需要上拋一團(tuán)第三冷原子團(tuán)B-a1或者第四冷原子團(tuán)C-a1。第一冷原子干涉單元A上拋的第一冷原子團(tuán)A-a1、第二冷原子干涉單元B上拋的第三冷原子團(tuán)B-a1、第三冷原子干涉單元C上拋的第四冷原子團(tuán)C-a1的高度要保持一致。

對(duì)于豎直方向的干涉，需要在豎直方向上進(jìn)行“選態(tài)”。在第一冷原子團(tuán)A-a1進(jìn)入下方干涉區(qū)102之后，可以利用豎直激光L1同時(shí)對(duì)原子進(jìn)行能級(jí)選擇和速度的選擇，稱為“選態(tài)”。能級(jí)選擇包括原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)和磁子能級(jí)的選擇。調(diào)節(jié)激光頻率與豎直方向磁量子數(shù)等于零的磁量子能級(jí)共振，將它們選擇出來(lái)并且將其他原子“吹走”；豎直方向磁量子數(shù)為零的原子對(duì)磁場(chǎng)不敏感，可以減小磁場(chǎng)的影響。速度選擇就是利用不同速度的原子相對(duì)原子操縱激光L1的多普勒失諧量不同，調(diào)節(jié)原子操縱激光L1的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，選擇出特定速度分布的原子。速度選擇之后原子在豎直方向上的速度分布可以更窄，有利于提高信噪比。

對(duì)于水平方向的干涉，需要在水平方向上進(jìn)行“選態(tài)”。水平方向上的“選態(tài)”與豎直方向的“選態(tài)”功能相同，方法類似。不同點(diǎn)僅在于水平方向的“選態(tài)”要利用水平方向的激光進(jìn)行。在本示例系統(tǒng)中利用水平選態(tài)激光L3進(jìn)行“選態(tài)”。

選態(tài)之后就是干涉過(guò)程。干涉過(guò)程一般為典型的三脈沖物質(zhì)波干涉過(guò)程。原子團(tuán)中的原子是一種物質(zhì)波，利用等時(shí)間間隔的三束豎直激光L1或者三組水平激光L2脈沖使物質(zhì)波的波包分束、反射然后合束就可以發(fā)生干涉現(xiàn)象。對(duì)于豎直方向的干涉，在豎直方向的選態(tài)完成之后，利用三束豎直激光L1操縱第一冷原子團(tuán)A-a1、第二冷原子團(tuán)A-a2、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)完成干涉過(guò)程。豎直方向的干涉過(guò)程得到的干涉相位中，包含有重力加速度豎直分量的信息，可以表示為g_z。對(duì)于水平方向的干涉，在水平方向的選態(tài)完成之后，利用三組水平激光L2操縱同一水平面上的第一冷原子團(tuán)A-a1、第三冷原子團(tuán)B-a1、第四冷原子團(tuán)C-a1同時(shí)完成干涉過(guò)程。水平方向的干涉過(guò)程得到的干涉相位中，包含有重力加速度水平分量的信息，可以表示為g_y。

干涉過(guò)程完成后，原子自由下落到探測(cè)區(qū)103，這時(shí)可以利用探測(cè)激光L4照射原子，并利用光電探測(cè)器203探測(cè)原子熒光強(qiáng)度從而給出干涉結(jié)果，得出四個(gè)重力加速度豎直分量g_z或者三個(gè)重力加速度水平分量g_y。利用合適的方法可以直接提取出任意兩個(gè)重力加速度分量之差。重力梯度張量的所有五個(gè)獨(dú)立分量可以由這些加速度分量之差得到。重力梯度張量分量的表達(dá)式依次為：

其中x_AC表示第一冷原子團(tuán)A-a1與第四冷原子團(tuán)C-a1沿x軸方向的距離；y_AB表示第一冷原子團(tuán)A-a1與第三冷原子團(tuán)B-a1沿y軸方向的距離；z_AA表示第一冷原子團(tuán)A-a1和第二冷原子團(tuán)A-a2沿z軸方向的距離。表示第一冷原子團(tuán)A-a1測(cè)到的重力加速度水平分量g_y；表示第三冷原子團(tuán)B-a1測(cè)到的重力加速度水平分量g_y；表示第四冷原子團(tuán)C-a1測(cè)到的重力加速度水平分量g_y；表示第一冷原子團(tuán)A-a1測(cè)到的重力加速度豎直分量g_z；表示第二冷原子團(tuán)A-a2測(cè)到的重力加速度豎直分量g_z；表示第三冷原子團(tuán)B-a1測(cè)到的重力加速度豎直分量g_z；表示第四冷原子團(tuán)C-a1測(cè)到的重力加速度豎直分量g_z。

由于原子干涉重力梯度測(cè)量是由兩個(gè)加速度分量的差測(cè)得，一般要求對(duì)震動(dòng)噪聲和激光相位噪聲具有共模抑制作用。本系統(tǒng)可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)共模抑制。對(duì)于激光相位噪聲，三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C的豎直激光L1由同一激光經(jīng)過(guò)分束后由光纖分別引入三個(gè)單元；同理，三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C的水平激光L2也來(lái)源于同一光源。對(duì)于震動(dòng)噪聲，豎直方向，三個(gè)豎直激光束發(fā)射器201固定在同一剛性結(jié)構(gòu)上，三個(gè)激光反射鏡206固定在同一剛性結(jié)構(gòu)上；水平方向，三組共十二個(gè)水平激光束發(fā)射器202固定在同一剛性結(jié)構(gòu)上。共模抑制的原理是，同一光源的相位噪聲相同，固定在同一剛性結(jié)構(gòu)上的激光束發(fā)射器震動(dòng)情況相同，所以在差分測(cè)量中它們可以被差分掉。

本發(fā)明利用三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉，利用兩個(gè)原子團(tuán)干涉結(jié)果的差分可以測(cè)量重力梯度張量的非對(duì)角分量目前尚無(wú)基于原子干涉法的重力梯度張量非對(duì)角分量測(cè)量裝置及方案，本發(fā)明所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了零的突破。本發(fā)明利用三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉。在一次測(cè)量中，本發(fā)明所述系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)重力梯度張量豎直方向三個(gè)分量的同時(shí)測(cè)量或者水平方向兩個(gè)分量的同時(shí)測(cè)量。相比單一張量分量原子干涉重力梯度儀，本系統(tǒng)具有更高的測(cè)量速度。本發(fā)明利用三個(gè)冷原子干涉單元A、B、C共同工作，利用激光操縱多個(gè)原子團(tuán)同時(shí)完成干涉。交替進(jìn)行豎直和水平方向的測(cè)量可以得出重力梯度張量的全部五個(gè)獨(dú)立分量，即本發(fā)明可以測(cè)量出重力梯度張量的全部信息。

綜上所述，本原子干涉重力梯度張量全分量測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量重力梯度張量的全部五個(gè)獨(dú)立分量，能夠提供更多的重力場(chǎng)信息，對(duì)重力場(chǎng)勘測(cè)相關(guān)的領(lǐng)域都具有重要意義。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。