(高清版)GBT 43740-2024 原子重力儀性能要求和測試方法

原子重力儀性能要求和測試方法2024-03-15發(fā)布2024-10-01實施國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會 I 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語和定義 4原子重力儀的組成與分類 5性能要求 6測試方法 附錄A(資料性)原子重力儀測量不確定度評定方法 附錄B(資料性)原子重力儀動態(tài)測量改正方法 參考文獻 I本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件由全國量子計算與測量標準化技術(shù)委員會(SAC/TC578)提出并歸口。本文件起草單位：中國計量科學研究院、浙江工業(yè)大學、華中科技大學、中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學技術(shù)大學、中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所、中國空間技術(shù)研究院、科大國盾量子技術(shù)股份有限公司。1原子重力儀性能要求和測試方法本文件規(guī)定了原子重力儀性能指標要求，描述了原子重力儀性能指標的測試方法。本文件適用于不同原子重力儀的性能評價和測試。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T23717.2—2009機械振動與沖擊裝有敏感設(shè)備建筑物內(nèi)的振動與沖擊第2部分：分級3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。基于原子的物質(zhì)波干涉原理實現(xiàn)重力加速度絕對值測量的儀器。表征原子重力儀測量重力加速度準確性的非負參數(shù)。注：單位為米每二次方秒(m/s2)。表征原子重力儀對重力加速度變化響應(yīng)能力的參數(shù)。注：用于衡量原子重力儀短時間(如100s以下)測量噪聲，單位為米每二次方秒赫茲平方根[m/(s2·√Hz)]。表征原子重力儀保持其計量特性隨時間恒定能力的參數(shù)。注：用于衡量原子重力儀長時間(如100s以上)變化，與測量時間有關(guān)，單位為米每二次方秒(m/s2)。測量重復性measurementrepeatability表征原子重力儀對某點位重力加速度進行開關(guān)機多次測量，所得測量結(jié)果的一致性。注：單位為米每二次方秒(m/s2)。分辨力resolution表征原子重力儀能測量的重力加速度的最小變化。2注：單位為米每二次方秒(m/s2)。測量范圍measuringrange表征原子重力儀能測量的重力加速度的量值范圍。注：原子重力儀的測量范圍涵蓋地球表面的重力加速度變化，即9.77m/s2~9.83m/s2,單位為米每二次方秒重復頻率repetitionrate表征原子重力儀測量重力加速度快慢的參數(shù)。以估計的最似然估值為比對基準，主要反映觀測值之間的離散度，是表征原子重力儀精密度的非負注：一般適用于動態(tài)測量條件，單位為米每二次方秒(m/s2)。交叉點偏差crossingpointdeviation重力測量工區(qū)內(nèi)，同一測線與其他所有相交測線交點位置的絕對重力值，經(jīng)各項改正后絕對重力值的整體偏差。注：一般適用于動態(tài)測量條件，單位為米每二次方秒(m/s2)。動態(tài)工作范圍dynamicworkingrange原子重力儀能正常工作時，其載體運動加速度的變化范圍。注：一般適用于動態(tài)測量條件，單位為米每二次方秒(m/s2)。4原子重力儀的組成與分類原子重力儀是一種基于原子干涉測量原理的重力測量儀器，它利用自由下落的微觀原子對重力場的敏感性，結(jié)合原子干涉法來進行重力測量。兩個不同相位的原子波包會形成干涉、呈現(xiàn)干涉條紋。通過對干涉條紋相位的提取，能夠得出原子感受到的重力場信息。如果原子不受任何外力、不考慮重力場的作用時，馬赫-增德爾型原子重力儀的干涉環(huán)路如圖1中的平行四邊形實線所示，原子依次與π/2-π-π/2三個操控激光脈沖作用，形成干涉環(huán)路，兩路原子沒有路徑差，干涉條紋的相位差為零。考慮重力的影響后，原子將沿圖1中所示的拋物虛線運動，兩路原子將會有一定的路徑差，干涉條紋相位將發(fā)生一定的移動。3圖1原子重力儀測量原理通過路徑積分可求解出重力場中原子干涉條紋的最終相位，按照公式(1)計算原子干涉條紋的相△φ——原子干涉條紋的相位，單位為弧度(rad);ken——操控激光的等效波矢，單位為弧度每米(rad/m);g——重力加速度，單位為米每二次方秒(m/s2);T——兩個操縱激光脈沖之間的間隔，單位為秒(s)。原子重力儀主要包括真空物理單元，光學單元、電路控制單元、振動處理單元以及數(shù)據(jù)輸入輸出及顯示單元等組成部分，其中真空物理單元包括冷原子制備單元、原子干涉與信號探測單元兩部分，如圖2所示。振動處理單元振動處理單元電路控制單元原子干涉與信號探測單元冷原子制備單元真空物理單元數(shù)據(jù)輸入輸山及晁示單元光學單元圖2原子重力儀的構(gòu)成4.3原子重力儀的分類原子重力儀按照工作原理和應(yīng)用場景可分為不同的種類。a)按照原子干涉路徑的操縱方式，可分為：●拉曼躍遷型原子重力儀，這種比較常見，是基于原子的受激拉曼躍遷原理實現(xiàn)物質(zhì)波分4●布拉格衍射型原子重力儀，基于原子的布拉格衍射原理實現(xiàn)原子干涉操作，由于多光子能量轉(zhuǎn)移而具有更大的干涉相移；●布洛赫振蕩型原子重力儀，基于囚禁光晶格內(nèi)原子的布洛赫振蕩原理實現(xiàn)原子干涉過程，具有體積更小的潛在優(yōu)勢。b)按照使用場地和環(huán)境條件，可分為如下兩類?！耢o態(tài)型原子重力儀，是指原子干涉儀在靜置不動的狀態(tài)下工作。靜態(tài)型原子重力儀又可分為臺站式原子重力儀、流動式原子重力儀兩小類。臺站式原子重力儀長期在一處固定的臺站工作，工作環(huán)境良好，應(yīng)具備優(yōu)異的性能。流動式原子重力儀可在不同的測量地點工作，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。●動態(tài)型原子重力儀，是指原子干涉儀在連續(xù)移動的狀態(tài)下工作。動態(tài)型原子重力儀的載體可為陸地車輛、水面或水下航行器、航空器等。動態(tài)型原子重力儀應(yīng)具備極好的環(huán)境適應(yīng)性和較快的重復頻率。5性能要求典型原子重力儀應(yīng)滿足表1規(guī)定的性能要求。表1典型原子重力儀性能指標要求序號性能指標要求測試方法靜態(tài)型動態(tài)型臺站式流動式1測量不確定度見6.2.12短期靈敏度見6.2.23長期穩(wěn)定度見6.2.34測量重復性見6.2.45分辨力—見6.2.56重復頻率——見6.2.67內(nèi)符合精度——見6.2.78交叉點偏差——見6.2.89動態(tài)工作范圍—見6.2.9與時間有關(guān)，本數(shù)據(jù)對應(yīng)時間為1000s以上。載體移動速度大于0.1m/s。6測試方法6.1測試條件6.1.1靜態(tài)型測試環(huán)境條件臺站式測試環(huán)境條件：5——振動噪聲達到或者優(yōu)于GB/T23717.2—2009中VC-C的要求；——溫度范圍20℃~30℃,波動小于±2℃;——相對濕度范圍40%～70%;——環(huán)境不應(yīng)有影響測試工作的電磁場干擾源。流動式測試環(huán)境條件：——振動噪聲達到或者優(yōu)于GB/T23717.2—2009中VC-A的要求；——溫度范圍-18℃~38℃;——相對濕度范圍10%～80%;——環(huán)境不應(yīng)有影響測試工作的電磁場干擾源。6.1.2動態(tài)型測試條件船載動態(tài)測試條件：——海況等級不大于4級海況；——船只航行速度不大于12kn[1kn=(1852/3600)m/s]。機載動態(tài)測試條件： 高度控制偏差小于10m。車載動態(tài)測試條件：——路面極限最小平面曲線半徑大于125m;——最大縱坡小于6%;——轉(zhuǎn)彎角度小于15°(測試路面轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎前后道路夾角)。6.2測試方法6.2.1測量不確定度測量不確定度的評定包括A類評定和B類評定，兩者之和為合成不確定度。A類評定表示用統(tǒng)計分析的方法進行的不確定度分量的評定。B類評定表示針對原子重力儀系統(tǒng)內(nèi)各種物理因素以及外界環(huán)境因素對重力測量的影響進行分析、實驗得到的不確定度分量的評定，將各不確定度分量合成為總的B類不確定度。A類不確定度與B類不確定度合成為測量不確定度。原子重力儀應(yīng)給出測量不確定度評定報告，方法見附錄A。測量不確定度可以用示值誤差進行驗證。在規(guī)定條件下，利用重力加速度標準裝置或標準點位，得到原子重力儀測量結(jié)果與相應(yīng)參考值之差，即為示值誤差。示值誤差的絕對值應(yīng)不大于測試合成標準不確定度的2倍。根據(jù)實驗設(shè)備條件，選擇重力加速度標準裝置或重力加速度標準點位測試示值誤差。6.2.1.2重力加速度標準裝置測試示值誤差利用重力加速度標準裝置進行示值誤差測試示意圖見圖3。6GB/T43740—2024被測原子重力儀測量點位重力加速度標準裝置計算機為L.標引序號說明：gx——重力測量值；圖3重力加速度標準裝置測試示值誤差測試步驟：a)將被測原子重力儀和重力加速度標準裝置分別安放在指定測量點位上，安裝調(diào)試，充分預熱；b)同一時段，原子重力儀和重力加速度標準裝置開始啟動重力加速度測量，分別得到測量結(jié)果，進行固體潮、重力梯度等修正后，得到測量點位絕對重力測量值gx和參考值g.;c)進行3次以上重復測量，每次測量需更換測量點位后重新裝調(diào)，得到多個測量結(jié)果g、和g(j=1,2,3…);d)用N次測量結(jié)果差值的算術(shù)平均值，按照公式(2)計算示值誤差δg: ,N…(2)式中：?g——示值誤差，單位為米每二次方秒(m/s2);N——測量次數(shù)；g、——第j次的測量重力值，單位為米每二次方秒(m/s2);g!——第j次的參考重力值，單位為米每二次方秒(m/s2)。示值誤差測試不確定度u(δg)由原子重力儀測量不確定度u(gx)和重力加速度標準裝置測量不確定度u(gr)合成，按照公式(3)計算示值誤差測試不確定度u(?g):u(?g)=√u2(gx)+u2(gr)(k=1)……………(3)式中：u(òg)——示值誤差測試不確定度，單位為米每二次方秒(m/s2);u(gx)——原子重力儀測量不確定度，單位為米每二次方秒(m/s2);u(g,)——重力加速度標準裝置測量不確定度，單位為米每二次方秒(m/s2)。其中k=1表示標準不確定度。示值誤差測試結(jié)果δg應(yīng)小于擴展不確定度u(δg)(k=2),對應(yīng)置信概率95.45%,即2u(?g)(k=1),用以驗證原子重力儀測量不確定度評定的合理性。6.2.1.3重力加速度標準點位測試示值誤差利用重力加速度標準點位進行示值誤差測試示意圖見圖4。7標引序號說明：gx——重力測量值：g,——重力參考值圖4重力加速度標準點位測試示值誤差測試步驟：a)將原子重力儀安放在重力加速度標準點位上，安裝調(diào)試，充分預熱；b)原子重力儀開始啟動重力加速度測量，得到測量結(jié)果，進行固體潮、重力梯度等修正后，得到標準點位絕對重力值gx,標準點位需要修正測量時間內(nèi)重力加速度隨時間的變化量，得到絕對重力參考值g;c)進行3次以上重復測量，每次測量需更換標準點位后重新裝調(diào)，得到多個測量結(jié)果g和gd)測量結(jié)果計算示值誤差同公式(2)。測試合成標準不確定度同公式(3)。示值誤差測試結(jié)果應(yīng)小于擴展不確定度。6.2.2短期靈敏度利用原子重力儀標準裝置進行短期靈敏度測試示意圖見圖5。被測原子重力儀測量點位X圖5短期靈敏度測試示意圖測試步驟：a)將原子重力儀安放在指定測量點位上，安裝調(diào)試，充分預熱；b)原子重力儀開始啟動重力加速度測量，連續(xù)測量(超過1500s),得到測量結(jié)果，進行固體潮、重力梯度等修正后，得到測量點位的多個絕對重力值gx;c)按照公式(4)計算測量結(jié)果差值的阿倫標準差σg(r):式中：σ(r)——連續(xù)測得絕對重力值g、的阿倫標準差，單位為米每二次方秒(m/s2);8t——取樣時間，單位為秒(s);N——測量結(jié)果的總個數(shù)；gx(r)——r時間內(nèi)的測量結(jié)果差值的平均值，單位為米每二次方秒(m/s2)。對阿倫標準偏差數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到擬合斜率x,即為原子重力儀短期靈敏度，單位為米每二次方秒赫茲平方根[m/(s2·√Hz)]。6.2.3長期穩(wěn)定度利用原子重力儀測量重力加速度，計算測量結(jié)果的阿倫標準偏差，評估特定測量時間對應(yīng)的阿倫標準偏差值，即為穩(wěn)定度，穩(wěn)定度需要標注對應(yīng)的測量時間。測試步驟同6.2.2,示意圖同圖5。阿倫標準偏差計算同公式(4)。計算測量結(jié)果差值的阿倫標準偏差，取樣時間和取樣組數(shù)宜符合表2的規(guī)定。表2取樣時間和取樣組數(shù)取樣時間取樣組數(shù)6.2.4測量重復性原子重力儀多次開關(guān)機測量點位重力加速度，進行固體潮、重力梯度等修正后，得到測量點位多個絕對重力值g(j=1,2,3…),按照公式(5)計算測量值的標準差，即為測量重復性：R——測量重復性，單位為米每二次方秒(m/s2);N——測量次數(shù)；gk——第j次測量得到的絕對重力值，單位為米每二次方秒(m/s2)。6.2.5分辨力分辨力測試方法包括但不限于引力源標定法、重力梯度法和潮汐跟隨法等，針對不同的應(yīng)用場景，可選擇不同的方法進行測試。6.2.5.2引力源標定法針對超高分辨力測試需求，可采用基于萬有引力定律的直接引力源標定法檢驗重力儀分辨力。測試步驟如下。a)原子重力儀放置在吸引質(zhì)量附近進行連續(xù)重力觀測，觀測時間取決于原子重力儀性能，一般應(yīng)長于達到其分辨力極限所需測量時間。測量數(shù)據(jù)進行潮汐、氣壓、極移等環(huán)境因素修正后進行統(tǒng)計，計算平均值g,和對應(yīng)標準差σ?。b)改變吸引質(zhì)量位置，重復步驟a),獲得第二組測量值g2、σ?。9GB/T43740—2024d)根據(jù)萬有引力定律計算由于吸引質(zhì)量位置改變在重力儀中應(yīng)引入的加速度觀測值改變e)比較△gm和△g。,兩者應(yīng)在誤差范圍內(nèi)吻合，用此方法可直接測試原子重力儀分辨力。f)調(diào)制步驟b)中吸引質(zhì)量位置改變量，重復步驟a)～d),當△gm=σ?+σ?時，對應(yīng)的△g。為被測重力儀的分辨力極限。針對室內(nèi)臺站環(huán)境，可利用垂直重力梯度引起的不同高度重力值差異進行評估。測試步驟：a)原子重力儀放置在重力標準點位進行連續(xù)重力觀測4h～6h,測量數(shù)據(jù)進行潮汐、氣壓、極移等環(huán)境因素修正后，每半小時觀測數(shù)據(jù)歸為一組，其平均值記為x;,i=1,2,3,…所有組的平均值記為x,按照公式(6)計算組間標準差σ:式中：σ——組間標準差，單位為米每二次方秒(m/s2);x;——第i組觀測數(shù)據(jù)平均值，單位為米每二次方秒(m/s2);xa——所有組的平均值，單位為米每二次方秒(m/s2);n——觀測總組數(shù)。b)標準點位的重力梯度值記為γ,將原子重力儀抬高h(單位為厘米)后，重復上述觀測，得到對應(yīng)的y;、y?、σy,測量結(jié)果需要滿足|x。-y。|>Max(o?,σ),用以測試原子重力儀的分辨力。針對室內(nèi)臺站或野外測量場景，可利用原子重力儀追隨潮汐改變的能力來表征分辨力。測試步驟：a)在大潮期間固體潮變化速率快的時段，原子重力儀每十分鐘的平均重力觀測數(shù)據(jù)記為1組，為R;,i=1,2,3,…,n-1(不少于6個);b)對應(yīng)每組重力觀測值R;同一時刻的固體潮理論值，記為T;,i=1,2,3,…,n-1。觀測值應(yīng)隨固體潮理論值同步遞增或者遞減。定義比例系數(shù)：K;=(R+?-R;)/(T;+?-T;),需要滿足0.5≤K;≤1.5,用以測試原子重力儀的分辨力。6.2.6重復頻率測量被測原子重力儀得到單次測量結(jié)果所需時間，其倒數(shù)即為重復頻率，按照公式(7)計算重復頻率f.:f.=1/T。………………(7)式中：f.——重復頻率，單位為赫茲(Hz);T.——單個測量值所需時間，單位為秒(s)。6.2.7內(nèi)符合精度針對動態(tài)絕對重力測量場景，通過內(nèi)符合精度指標評估原子重力儀數(shù)據(jù)離散程度，表征儀器的精GB/T43740—2024測試步驟：a)使用原子重力儀進行動態(tài)重復測線重力測試并計算每次重復測線的重力測量結(jié)果，測量結(jié)果需要進行動態(tài)改正，包括儀器B類評定項、動態(tài)環(huán)境評定，方法見附錄B;b)記錄重復測線公共段數(shù)據(jù)點的測量結(jié)果F;;,計算該測量結(jié)果與平均值F;的差值δ;;的標準差，即為內(nèi)符合精度，按照公式(8)計算內(nèi)符合精度ε: 式中：e——內(nèi)符合精度，單位為米每二次方秒(m/s2);δ;;——第j條重復測線公共段各點測量值F,與該點各重復測線觀測的平均值F;之差，單位為米每二次方秒(m/s2);m——重復測線的數(shù)目；n——重復測線公共段數(shù)據(jù)點數(shù)。6.2.8交叉點偏差交叉點偏差使用動態(tài)重力測網(wǎng)的方法進行測試評估。測試步驟：a)使用原子重力儀進行動態(tài)交叉網(wǎng)格測試，并計算交叉網(wǎng)格的測線重力值；b)計算交叉網(wǎng)格中每一個測線交叉點的測線重力值的差值δ;,其標準差即為交叉點偏差，按照公式(9)計算交叉點偏差ε:式中：ec—-交叉點偏差，單位為米每二次方秒(m/s2);δ;——交叉點處測線重力測量結(jié)果差值，單位為米每二次方秒(m/s2);n——交叉點數(shù)。6.2.9動態(tài)工作范圍動態(tài)工作范圍是原子重力儀能夠正常工作時，其載體運動加速度的變化范圍。改變載體運動加速度，原子重力儀進行動態(tài)測量，載體運動加速度的最大值與最小值的差值，即為動態(tài)范圍，按照公式(10)計算動態(tài)范圍△a:式中：△a——動態(tài)范圍，單位為米每二次方秒(m/s2);ay——載體運動加速度最大值，單位為米每二次方秒(m/s2);am——載體運動加速度最小值，單位為米每二次方秒(m/s2)。GB/T43740—2024(資料性)原子重力儀測量不確定度評定方法A.1測量不確定度的A類評定分別按照公式(A.1)和公式(A.2)計算測量值x的平均值x。以及原子重力儀A類不確定度u:式中：x。——測量值x的測量平均值；x;——測量值x的第i次測量值；n——測量次數(shù)。…………(A.2)式中：uA——原子重力儀A類不確定度。A.2測量不確定度的B類評定原子重力儀測量不確定度的B類評定來源，需要考慮系統(tǒng)內(nèi)各種物理因素以及外界環(huán)境因素對重力測量的影響。當各項因素互不相關(guān)時，按照公式(A.3)計算合成B類不確定度ug:…………(A.3)式中：ug——原子重力儀B類不確定度；u?——由激光波長偏移引起的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱激光波長；u?——由測量操控激光頻率差偏移引起的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱激光頻率差；u?——由激光方向偏離豎直方向引起的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱激光方向；u?——由激光電場引起原子能級移動導致放的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱單光子頻移；us由非共振激光引起原子能級移動導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱雙光子頻移；us——由光學元件面形影響激光的空間相位分布導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱波前畸變效應(yīng)；u?——由空間重力梯度和儀器等效高度測量誤差導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱重力梯度效應(yīng)；ug——由環(huán)境磁場引起原子能級移動導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱塞曼效應(yīng)；ug——由激光有限傳播速度導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱有限光速效應(yīng)；uiw——由科里奧利力導致的重力儀測量結(jié)果偏移，簡稱科里奧利力效應(yīng)；uu——由儀器框架的萬有引力導致的重力儀測量結(jié)果誤差，簡稱儀器自引力效應(yīng)；u?——由氣壓導致的測量點重力值變化，簡稱大氣壓修正；uia——由重力固體潮導致的測量點重力值變化，簡稱重力固體潮汐修正；GB/T43740—2024u?——由極移導致的測量點重力值變化，簡稱極移修正；uis——由其他效應(yīng)導致的重力值變化。A.3合成測量不確定度A.3.1合成測量不確定度按照公式(A.4)計算合成測量不確定度ue:式中：uc——原子重力儀合成測量不確定度；uA——原子重力儀A類不確定度；ug——原子重力儀B類不確定度；k——包含因子?！瑼.3.2相對合成測量不確定度按照公式(A.5)計算相對合成不確定度ucr:式中：ucr——原子重力儀相對合成測量不確定度；uc——原子重力儀合成測量不確定度；x?！獪y量平均值；k——包含因子。A.3.3擴展不確定度通常取包含因子k=2,對應(yīng)置信概率95.45%,按照公式(A.6)計算擴展不確定度U:式中：U——原子重力