(高清版)GBT 43740-2024 原子重力仪性能要求和测试方法

原子重力仪性能要求和测试方法2024-03-15发布2024-10-01实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4原子重力仪的组成与分类 5性能要求 6测试方法 附录A(资料性)原子重力仪测量不确定度评定方法 附录B(资料性)原子重力仪动态测量改正方法 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归口。本文件起草单位：中国计量科学研究院、浙江工业大学、华中科技大学、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、中国空间技术研究院、科大国盾量子技术股份有限公司。1原子重力仪性能要求和测试方法本文件规定了原子重力仪性能指标要求，描述了原子重力仪性能指标的测试方法。本文件适用于不同原子重力仪的性能评价和测试。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T23717.2—2009机械振动与冲击装有敏感设备建筑物内的振动与冲击第2部分：分级3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。基于原子的物质波干涉原理实现重力加速度绝对值测量的仪器。表征原子重力仪测量重力加速度准确性的非负参数。注：单位为米每二次方秒(m/s²)。表征原子重力仪对重力加速度变化响应能力的参数。注：用于衡量原子重力仪短时间(如100s以下)测量噪声，单位为米每二次方秒赫兹平方根[m/(s²·√Hz)]。表征原子重力仪保持其计量特性随时间恒定能力的参数。注：用于衡量原子重力仪长时间(如100s以上)变化，与测量时间有关，单位为米每二次方秒(m/s²)。测量重复性measurementrepeatability表征原子重力仪对某点位重力加速度进行开关机多次测量，所得测量结果的一致性。注：单位为米每二次方秒(m/s²)。分辨力resolution表征原子重力仪能测量的重力加速度的最小变化。2注：单位为米每二次方秒(m/s²)。测量范围measuringrange表征原子重力仪能测量的重力加速度的量值范围。注：原子重力仪的测量范围涵盖地球表面的重力加速度变化，即9.77m/s²~9.83m/s²,单位为米每二次方秒重复频率repetitionrate表征原子重力仪测量重力加速度快慢的参数。以估计的最似然估值为比对基准，主要反映观测值之间的离散度，是表征原子重力仪精密度的非负注：一般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m/s²)。交叉点偏差crossingpointdeviation重力测量工区内，同一测线与其他所有相交测线交点位置的绝对重力值，经各项改正后绝对重力值的整体偏差。注：一般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m/s²)。动态工作范围dynamicworkingrange原子重力仪能正常工作时，其载体运动加速度的变化范围。注：一般适用于动态测量条件，单位为米每二次方秒(m/s²)。4原子重力仪的组成与分类原子重力仪是一种基于原子干涉测量原理的重力测量仪器，它利用自由下落的微观原子对重力场的敏感性，结合原子干涉法来进行重力测量。两个不同相位的原子波包会形成干涉、呈现干涉条纹。通过对干涉条纹相位的提取，能够得出原子感受到的重力场信息。如果原子不受任何外力、不考虑重力场的作用时，马赫-增德尔型原子重力仪的干涉环路如图1中的平行四边形实线所示，原子依次与π/2-π-π/2三个操控激光脉冲作用，形成干涉环路，两路原子没有路径差，干涉条纹的相位差为零。考虑重力的影响后，原子将沿图1中所示的抛物虚线运动，两路原子将会有一定的路径差，干涉条纹相位将发生一定的移动。3图1原子重力仪测量原理通过路径积分可求解出重力场中原子干涉条纹的最终相位，按照公式(1)计算原子干涉条纹的相△φ——原子干涉条纹的相位，单位为弧度(rad);ken——操控激光的等效波矢，单位为弧度每米(rad/m);g——重力加速度，单位为米每二次方秒(m/s²);T——两个操纵激光脉冲之间的间隔，单位为秒(s)。原子重力仪主要包括真空物理单元，光学单元、电路控制单元、振动处理单元以及数据输入输出及显示单元等组成部分，其中真空物理单元包括冷原子制备单元、原子干涉与信号探测单元两部分，如图2所示。振动处理单元振动处理单元电路控制单元原子干涉与信号探测单元冷原子制备单元真空物理单元数据输入输山及晁示单元光学单元图2原子重力仪的构成4.3原子重力仪的分类原子重力仪按照工作原理和应用场景可分为不同的种类。a)按照原子干涉路径的操纵方式，可分为：●拉曼跃迁型原子重力仪，这种比较常见，是基于原子的受激拉曼跃迁原理实现物质波分4●布拉格衍射型原子重力仪，基于原子的布拉格衍射原理实现原子干涉操作，由于多光子能量转移而具有更大的干涉相移；●布洛赫振荡型原子重力仪，基于囚禁光晶格内原子的布洛赫振荡原理实现原子干涉过程，具有体积更小的潜在优势。b)按照使用场地和环境条件，可分为如下两类。●静态型原子重力仪，是指原子干涉仪在静置不动的状态下工作。静态型原子重力仪又可分为台站式原子重力仪、流动式原子重力仪两小类。台站式原子重力仪长期在一处固定的台站工作，工作环境良好，应具备优异的性能。流动式原子重力仪可在不同的测量地点工作，具有较好的环境适应性。●动态型原子重力仪，是指原子干涉仪在连续移动的状态下工作。动态型原子重力仪的载体可为陆地车辆、水面或水下航行器、航空器等。动态型原子重力仪应具备极好的环境适应性和较快的重复频率。5性能要求典型原子重力仪应满足表1规定的性能要求。表1典型原子重力仪性能指标要求序号性能指标要求测试方法静态型动态型台站式流动式1测量不确定度见6.2.12短期灵敏度见6.2.23长期稳定度见6.2.34测量重复性见6.2.45分辨力—见6.2.56重复频率——见6.2.67内符合精度——见6.2.78交叉点偏差——见6.2.89动态工作范围—见6.2.9与时间有关，本数据对应时间为1000s以上。载体移动速度大于0.1m/s。6测试方法6.1测试条件6.1.1静态型测试环境条件台站式测试环境条件：5——振动噪声达到或者优于GB/T23717.2—2009中VC-C的要求；——温度范围20℃~30℃,波动小于±2℃;——相对湿度范围40%～70%;——环境不应有影响测试工作的电磁场干扰源。流动式测试环境条件：——振动噪声达到或者优于GB/T23717.2—2009中VC-A的要求；——温度范围-18℃~38℃;——相对湿度范围10%～80%;——环境不应有影响测试工作的电磁场干扰源。6.1.2动态型测试条件船载动态测试条件：——海况等级不大于4级海况；——船只航行速度不大于12kn[1kn=(1852/3600)m/s]。机载动态测试条件： 高度控制偏差小于10m。车载动态测试条件：——路面极限最小平面曲线半径大于125m;——最大纵坡小于6%;——转弯角度小于15°(测试路面转弯时，转弯前后道路夹角)。6.2测试方法6.2.1测量不确定度测量不确定度的评定包括A类评定和B类评定，两者之和为合成不确定度。A类评定表示用统计分析的方法进行的不确定度分量的评定。B类评定表示针对原子重力仪系统内各种物理因素以及外界环境因素对重力测量的影响进行分析、实验得到的不确定度分量的评定，将各不确定度分量合成为总的B类不确定度。A类不确定度与B类不确定度合成为测量不确定度。原子重力仪应给出测量不确定度评定报告，方法见附录A。测量不确定度可以用示值误差进行验证。在规定条件下，利用重力加速度标准装置或标准点位，得到原子重力仪测量结果与相应参考值之差，即为示值误差。示值误差的绝对值应不大于测试合成标准不确定度的2倍。根据实验设备条件，选择重力加速度标准装置或重力加速度标准点位测试示值误差。6.2.1.2重力加速度标准装置测试示值误差利用重力加速度标准装置进行示值误差测试示意图见图3。6GB/T43740—2024被测原子重力仪测量点位重力加速度标准装置计算机为L.标引序号说明：gx——重力测量值；图3重力加速度标准装置测试示值误差测试步骤：a)将被测原子重力仪和重力加速度标准装置分别安放在指定测量点位上，安装调试，充分预热；b)同一时段，原子重力仪和重力加速度标准装置开始启动重力加速度测量，分别得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位绝对重力测量值gx和参考值g.;c)进行3次以上重复测量，每次测量需更换测量点位后重新装调，得到多个测量结果g、和g(j=1,2,3…);d)用N次测量结果差值的算术平均值，按照公式(2)计算示值误差δg: ,N…(2)式中：ôg——示值误差，单位为米每二次方秒(m/s²);N——测量次数；g、——第j次的测量重力值，单位为米每二次方秒(m/s²);g!——第j次的参考重力值，单位为米每二次方秒(m/s²)。示值误差测试不确定度u(δg)由原子重力仪测量不确定度u(gx)和重力加速度标准装置测量不确定度u(gr)合成，按照公式(3)计算示值误差测试不确定度u(ôg):u(ôg)=√u²(gx)+u²(gr)(k=1)……………(3)式中：u(òg)——示值误差测试不确定度，单位为米每二次方秒(m/s²);u(gx)——原子重力仪测量不确定度，单位为米每二次方秒(m/s²);u(g,)——重力加速度标准装置测量不确定度，单位为米每二次方秒(m/s²)。其中k=1表示标准不确定度。示值误差测试结果δg应小于扩展不确定度u(δg)(k=2),对应置信概率95.45%,即2u(ôg)(k=1),用以验证原子重力仪测量不确定度评定的合理性。6.2.1.3重力加速度标准点位测试示值误差利用重力加速度标准点位进行示值误差测试示意图见图4。7标引序号说明：gx——重力测量值：g,——重力参考值图4重力加速度标准点位测试示值误差测试步骤：a)将原子重力仪安放在重力加速度标准点位上，安装调试，充分预热；b)原子重力仪开始启动重力加速度测量，得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到标准点位绝对重力值gx,标准点位需要修正测量时间内重力加速度随时间的变化量，得到绝对重力参考值g;c)进行3次以上重复测量，每次测量需更换标准点位后重新装调，得到多个测量结果g和gd)测量结果计算示值误差同公式(2)。测试合成标准不确定度同公式(3)。示值误差测试结果应小于扩展不确定度。6.2.2短期灵敏度利用原子重力仪标准装置进行短期灵敏度测试示意图见图5。被测原子重力仪测量点位X图5短期灵敏度测试示意图测试步骤：a)将原子重力仪安放在指定测量点位上，安装调试，充分预热；b)原子重力仪开始启动重力加速度测量，连续测量(超过1500s),得到测量结果，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位的多个绝对重力值gx;c)按照公式(4)计算测量结果差值的阿伦标准差σg(r):式中：σ(r)——连续测得绝对重力值g、的阿伦标准差，单位为米每二次方秒(m/s²);8t——取样时间，单位为秒(s);N——测量结果的总个数；gx(r)——r时间内的测量结果差值的平均值，单位为米每二次方秒(m/s²)。对阿伦标准偏差数据进行线性拟合，得到拟合斜率x,即为原子重力仪短期灵敏度，单位为米每二次方秒赫兹平方根[m/(s²·√Hz)]。6.2.3长期稳定度利用原子重力仪测量重力加速度，计算测量结果的阿伦标准偏差，评估特定测量时间对应的阿伦标准偏差值，即为稳定度，稳定度需要标注对应的测量时间。测试步骤同6.2.2,示意图同图5。阿伦标准偏差计算同公式(4)。计算测量结果差值的阿伦标准偏差，取样时间和取样组数宜符合表2的规定。表2取样时间和取样组数取样时间取样组数6.2.4测量重复性原子重力仪多次开关机测量点位重力加速度，进行固体潮、重力梯度等修正后，得到测量点位多个绝对重力值g(j=1,2,3…),按照公式(5)计算测量值的标准差，即为测量重复性：R——测量重复性，单位为米每二次方秒(m/s²);N——测量次数；gk——第j次测量得到的绝对重力值，单位为米每二次方秒(m/s²)。6.2.5分辨力分辨力测试方法包括但不限于引力源标定法、重力梯度法和潮汐跟随法等，针对不同的应用场景，可选择不同的方法进行测试。6.2.5.2引力源标定法针对超高分辨力测试需求，可采用基于万有引力定律的直接引力源标定法检验重力仪分辨力。测试步骤如下。a)原子重力仪放置在吸引质量附近进行连续重力观测，观测时间取决于原子重力仪性能，一般应长于达到其分辨力极限所需测量时间。测量数据进行潮汐、气压、极移等环境因素修正后进行统计，计算平均值g,和对应标准差σ₁。b)改变吸引质量位置，重复步骤a),获得第二组测量值g2、σ₂。9GB/T43740—2024d)根据万有引力定律计算由于吸引质量位置改变在重力仪中应引入的加速度观测值改变e)比较△gm和△g。,两者应在误差范围内吻合，用此方法可直接测试原子重力仪分辨力。f)调制步骤b)中吸引质量位置改变量，重复步骤a)～d),当△gm=σ₁+σ₂时，对应的△g。为被测重力仪的分辨力极限。针对室内台站环境，可利用垂直重力梯度引起的不同高度重力值差异进行评估。测试步骤：a)原子重力仪放置在重力标准点位进行连续重力观测4h～6h,测量数据进行潮汐、气压、极移等环境因素修正后，每半小时观测数据归为一组，其平均值记为x;,i=1,2,3,…所有组的平均值记为x,按照公式(6)计算组间标准差σ:式中：σ——组间标准差，单位为米每二次方秒(m/s²);x;——第i组观测数据平均值，单位为米每二次方秒(m/s²);xa——所有组的平均值，单位为米每二次方秒(m/s²);n——观测总组数。b)标准点位的重力梯度值记为γ,将原子重力仪抬高h(单位为厘米)后，重复上述观测，得到对应的y;、y₄、σy,测量结果需要满足|x。-y。|>Max(o₂,σ),用以测试原子重力仪的分辨力。针对室内台站或野外测量场景，可利用原子重力仪追随潮汐改变的能力来表征分辨力。测试步骤：a)在大潮期间固体潮变化速率快的时段，原子重力仪每十分钟的平均重力观测数据记为1组，为R;,i=1,2,3,…,n-1(不少于6个);b)对应每组重力观测值R;同一时刻的固体潮理论值，记为T;,i=1,2,3,…,n-1。观测值应随固体潮理论值同步递增或者递减。定义比例系数：K;=(R+₁-R;)/(T;+₁-T;),需要满足0.5≤K;≤1.5,用以测试原子重力仪的分辨力。6.2.6重复频率测量被测原子重力仪得到单次测量结果所需时间，其倒数即为重复频率，按照公式(7)计算重复频率f.:f.=1/T。………………(7)式中：f.——重复频率，单位为赫兹(Hz);T.——单个测量值所需时间，单位为秒(s)。6.2.7内符合精度针对动态绝对重力测量场景，通过内符合精度指标评估原子重力仪数据离散程度，表征仪器的精GB/T43740—2024测试步骤：a)使用原子重力仪进行动态重复测线重力测试并计算每次重复测线的重力测量结果，测量结果需要进行动态改正，包括仪器B类评定项、动态环境评定，方法见附录B;b)记录重复测线公共段数据点的测量结果F;;,计算该测量结果与平均值F;的差值δ;;的标准差，即为内符合精度，按照公式(8)计算内符合精度ε: 式中：e——内符合精度，单位为米每二次方秒(m/s²);δ;;——第j条重复测线公共段各点测量值F,与该点各重复测线观测的平均值F;之差，单位为米每二次方秒(m/s²);m——重复测线的数目；n——重复测线公共段数据点数。6.2.8交叉点偏差交叉点偏差使用动态重力测网的方法进行测试评估。测试步骤：a)使用原子重力仪进行动态交叉网格测试，并计算交叉网格的测线重力值；b)计算交叉网格中每一个测线交叉点的测线重力值的差值δ;,其标准差即为交叉点偏差，按照公式(9)计算交叉点偏差ε:式中：ec—-交叉点偏差，单位为米每二次方秒(m/s²);δ;——交叉点处测线重力测量结果差值，单位为米每二次方秒(m/s²);n——交叉点数。6.2.9动态工作范围动态工作范围是原子重力仪能够正常工作时，其载体运动加速度的变化范围。改变载体运动加速度，原子重力仪进行动态测量，载体运动加速度的最大值与最小值的差值，即为动态范围，按照公式(10)计算动态范围△a:式中：△a——动态范围，单位为米每二次方秒(m/s²);ay——载体运动加速度最大值，单位为米每二次方秒(m/s²);am——载体运动加速度最小值，单位为米每二次方秒(m/s²)。GB/T43740—2024(资料性)原子重力仪测量不确定度评定方法A.1测量不确定度的A类评定分别按照公式(A.1)和公式(A.2)计算测量值x的平均值x。以及原子重力仪A类不确定度u:式中：x。——测量值x的测量平均值；x;——测量值x的第i次测量值；n——测量次数。…………(A.2)式中：uA——原子重力仪A类不确定度。A.2测量不确定度的B类评定原子重力仪测量不确定度的B类评定来源，需要考虑系统内各种物理因素以及外界环境因素对重力测量的影响。当各项因素互不相关时，按照公式(A.3)计算合成B类不确定度ug:…………(A.3)式中：ug——原子重力仪B类不确定度；u₁——由激光波长偏移引起的重力仪测量结果误差，简称激光波长；u₂——由测量操控激光频率差偏移引起的重力仪测量结果误差，简称激光频率差；u₃——由激光方向偏离竖直方向引起的重力仪测量结果误差，简称激光方向；u₄——由激光电场引起原子能级移动导致放的重力仪测量结果误差，简称单光子频移；us由非共振激光引起原子能级移动导致的重力仪测量结果误差，简称双光子频移；us——由光学元件面形影响激光的空间相位分布导致的重力仪测量结果误差，简称波前畸变效应；u₇——由空间重力梯度和仪器等效高度测量误差导致的重力仪测量结果误差，简称重力梯度效应；ug——由环境磁场引起原子能级移动导致的重力仪测量结果误差，简称塞曼效应；ug——由激光有限传播速度导致的重力仪测量结果误差，简称有限光速效应；uiw——由科里奥利力导致的重力仪测量结果偏移，简称科里奥利力效应；uu——由仪器框架的万有引力导致的重力仪测量结果误差，简称仪器自引力效应；u₂——由气压导致的测量点重力值变化，简称大气压修正；uia——由重力固体潮导致的测量点重力值变化，简称重力固体潮汐修正；GB/T43740—2024u₄——由极移导致的测量点重力值变化，简称极移修正；uis——由其他效应导致的重力值变化。A.3合成测量不确定度A.3.1合成测量不确定度按照公式(A.4)计算合成测量不确定度ue:式中：uc——原子重力仪合成测量不确定度；uA——原子重力仪A类不确定度；ug——原子重力仪B类不确定度；k——包含因子。…………A.3.2相对合成测量不确定度按照公式(A.5)计算相对合成不确定度ucr:式中：ucr——原子重力仪相对合成测量不确定度；uc——原子重力仪合成测量不确定度；x。——测量平均值；k——包含因子。A.3.3扩展不确定度通常取包含因子k=2,对应置信概率95.45%,按照公式(A.6)计算扩展不确定度U:式中：U——原子重力