技术摘要：
本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，该方法包括：在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择，利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像并获取冷原子团分布参数，提取包含波前相移的原子干涉相位；所述非破坏性成像方法中，  全部
背景技术：
地球重力场是地球质量分布、大气洋流、地球内部结构、极地运动、潮汐等等诸多 重要信息的综合反映，精确测量重力加速度在地球物理、灾害预警、资源勘探、现代导航等 多个领域具有广泛的应用需求。随着近30年来的发展，原子干涉技术以其高灵敏度、高精 度、无长时漂移的优势在重力测量上体现出巨大的应用前景，已经具备超越经典重力仪的 性能水平，并逐渐从实验室样机走向典型环境应用。 波前相移是目前制约原子干涉重力仪精度提升的主要因素之一，拉曼光经过透 镜、真空玻窗和反射镜等一系列介质作用后，受到光学介质面形、折射率等因素的影响，其 波前会发生畸变，在与原子相互作用时将相位传递给原子，造成原子干涉条纹相移和重力 测量误差。利用激光干涉仪、波前传感器等设备能够余弦测量拉曼光波前和光学元件面形， 但元件安装后的应力残余以及真空烘烤等过程可能造成元件表面进一步变形，无法在线测 量，使直接评估波前相移误差存在困难。 目前，原子干涉重力仪波前相移评估手段包括扫描拉曼光直径、探测光直径、冷原 子团温度、插入参考玻璃窗、使用可变形反射镜等。由于波前相移受冷原子团分布参数影 响，这些方法都建立在对冷原子团精确认知基础上。现有原子干涉重力仪通过在干涉重力 测量周期开始之前，利用吸收成像、荧光成像等方法，事先对冷原子团分布参数进行测量， 然后将测得的冷原子团分布参数带入到后续原子干涉测量结果中，以评估波前相移误差。 由于吸收成像、荧光成像等常规方法对原子团造成的加热效应，属于破坏性成像，完成冷原 子团分布参数测量的冷原子团不能再用于后续干涉过程，只能开始新的测量周期，重新制 备冷原子团进行干涉重力测量，并以事先测量得到的原子团分布参数结果，作为该周期新 制备冷原子团的分布参数，进行拉曼光波前相移评估。 在理想情况下，认为冷原子制备实验参数和外部环境不发生变化，此时，不同周期 制备的冷原子团分布参数一致，则上述常规方法并无问题；而实际情况下，由于冷原子制备 实验参数控制精度和外部环境的动态变化，不同测量周期实际制备的冷原子团，其分布参 数会出现波动，即事先测量得到的冷原子团分布参数与后续干涉测量周期中所制备冷原子 团分布参数并不完全一致，基于该分布参数进行波前相移评估，将直接影响评估结果： 一方面，波前相移评估所需要的冷原子团分布参数应为实际参与干涉的冷原子团 分布参数，而事先测定的冷原子团分布参数与实际参与干涉的冷原子团分布参数的差异， 将作为对冷原子团分布参数认知的误差，引入到原子干涉重力仪波前相移评估结果中，增 加了波前相移评估的不确定度； 另一方面，为了抑制不同周期中冷原子团分布参数波动的影响，在正常参数扫描 周期的基础上，往往还需要在相同参数配置下进行额外多次测量结果的平均，进而降低了 4 CN 111610572 A 说　明　书 2/12 页 波前相移的收敛速度。
技术实现要素：
为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速 评估方法及系统。 第一方面，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，包括： 在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择后释放冷原子团；利用非破坏性成像方 法对自由下落的冷原子团进行成像，通过多次不同高度的冷原子团成像，拟合得到本次测 量周期中的冷原子团分布参数；所述非破坏性成像方法中，成像光的频率和冷原子团跃迁 频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；成像后的冷原 子团经过与拉曼光作用形成干涉序列，并通过冷原子团末态探测，提取包含波前相移的原 子干涉相位；调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而重复执行由上 述各个步骤形成的测量周期；在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布 参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。 进一步地，所述非破坏性成像方法采用基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成 像、离焦成像、空间外差干涉法成像中的任意一种实现。 进一步地，所述根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原 子干涉相位实现波前相移评估，包括：采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟 合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据 波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶 Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评 估。 进一步地，所述采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述 冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公 式，构造超定方程组，具体包括：通过Zernike多项式拟合待评估激光波前，以所述各阶 Zernike多项式系数组成待估计的参数向量A，利用各周期拟合得到的所述冷原子团分布参 数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵M，利用各周期测量得到的包含波 前相移的原子干涉相位组成观测向量B，构造超定方程组M·A＝B。 进一步地，所述求解所述超定方程组的方法包括最优估计方法，所述最优估计方 法包括最小二乘法。 第二方面，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，包括 原子干涉重力仪和用于实现所述非破坏性成像方法的非破坏性成像单元，所述非破坏性成 像单元设置于原子干涉重力仪的磁光阱单元下方，用于对经过原子干涉重力仪干涉腔的冷 原子团进行非破坏性成像，从而获取衍射图像；所述非破坏性成像单元的成像光的频率和 冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值； 所述原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据每个测量周期得到的所述衍射图像获取 所述冷原子团分布参数，调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而触 发各个测量周期的顺次执行；并在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分 布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。 5 CN 111610572 A 说　明　书 3/12 页 进一步地，所述计算机处理单元在用于根据所述冷原子团分布参数及提取得到的 所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估时，具体用于：采用Zernike多项式分 解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的包含波前相 移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于 重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光 波前，实现波前相移评估。 进一步地，所述非破坏性成像单元包括光路上依次布置的光纤耦合头、准直透镜、 成像透镜和CMOS探测器；其中，所述光纤耦合头和所述准直透镜用于产生与冷原子团作用 的成像光，所述成像透镜和CMOS探测器用于接收成像光与冷原子团作用后的衍射图像。 进一步地，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元成套布置，成 套的两个所述非破坏性成像单元水平设置，并且位于同一水平高度，分别用于在x轴和y轴 上对冷原子团进行成像。 进一步地，通过所述成像透镜的放大倍数和所述CMOS探测器的靶面的选择，利用 同一成像光路实现不同位置冷原子团的分时成像；和/或，所述非破坏性成像单元在不同高 度重复布置，构成非破坏性成像单元阵列，实现不同位置冷原子团的成像；其中，所述成像 透镜采用单成像透镜结构或多透镜组合结构。。 进一步地，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元竖直设置，成 像光与拉曼光共用z轴竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换 所需激光。 本发明实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，通过对冷原 子团进行非破坏性成像，实现冷原子团分布参数的获取和干涉重力测量过程在同一周期进 行，并且能够精确测定每个周期中的冷原子团分布参数，并以其进行波前相移评估，不再需 要多个周期的平均，可以解决现有原子干涉重力仪在波前相移的评估确定度和收敛速度上 的不足，有利于提升原子干涉重力仪测量精度和误差评估效率。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。 图1是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图； 图2是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图； 图3是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意 图； 图4是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示 意图。