Определение разности гравитационных потенциалов в поле Земли на основе измерения гравитационной задержки световых волн в оптическом волокне

摘要

Предложена и исследована возможность определения разности гравитационных потенциалов и ортометрических высот в поле Земли на основе измерений разности фаз лазерного излучения в оптическом волокне, обусловленной эффектом гравитационной задержки световых волн. Предложена структурная схема измерительного комплекса, предназначенного для измерений разности фаз световых волн, обусловленной указанным эффектом. При измерениях использованы две когерентные световые волны от одного лазера, каждая из которых распространяется по отдельной волоконно-оптической линии связи. В состав каждой волоконно-оптической линии связи включены одинаковые катушки длинного оптического волокна, разнесённые по высоте. Проведён анализ факторов, влияющих на фазовые соотношения волн, распространяющихся по двум линиям связи измерительного комплекса. Определены фазовые эффекты задержки, вызванные влиянием истинного гравитационного поля Земли, а также влиянием полей сил инерции и гироскопических эффектов вследствие вращения Земли. Предложены пути подавления мешающих эффектов, оценены достижимые погрешности измерения разности гравитационных потенциалов и соответствующей разности ортометрических высот. При длине волокна в катушках 100 км и разности высот 100 м эти погрешности составляют соответственно 0,2 м~2/с~2 и 2 см. Исследуемый измерительный комплекс предложено назвать лазерным гравипотенциометром. Он является оптическим аналогом известного радиочастотного квантового нивелира, однако не требует сверхстабильных стандартов частоты и времени. Результаты исследований предложенного измерительного комплекса актуальны при разработке и совершенствовании средств измерений параметров гравитационного поля Земли, а также средств высокоточной синхронизации шкал времени удалённых эталонов.