CN103134949A - 星载冷原子囚禁式加速度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法，将碱金属原子装入三维磁光阱内，三维磁光阱向空间发射一束碱金属原子，碱金属原子被迎面而来的激光束阻止，并被引入到激光束和磁场的中心点，激光束的中心点和磁场的中心点以及卫星质心位置相重合，控制激光束以及磁场的强度将冷原子的位置保持在卫星质心位置；卫星运行过程中，当卫星与冷原子受到的作用力不同时，冷原子偏离卫星质心，激光和磁场的控制力随之变化，施加相应的激光和磁场控制力，将冷原子控回质心处；测量步骤三中卫星运行过程中激光及磁场的控制力变化，解算出冷原子相对卫星质心存在的加速度，即卫星所受到的非惯性力加速度。本发明具有测量精度高、工程可行性高且操作简单的优点。

Description

星载冷原子囚禁式加速度测量方法

技术领域

本发明涉及卫星重力场测量领域，具体地，涉及一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法。 

背景技术

开展卫星重力场测量可直接获得空间250~500Km高度的地球重力加速度详细数据，其成果几乎可应用至所有地学领域。利用卫星重力测量精确测定中长波地球重力场对地学领域的科学研究和工程应用都将发挥巨大的作用，因此具有重要的科学意义。 

发射专用的重力测量卫星进行全球重力场测量是大地重力学进入21世纪的一个标志。重力测量卫星在轨道上的摄动除了地球重力和太阳、月亮引力的影响外，还包含大气阻力、太阳辐射和地面反射等非惯性力的影响。为了从卫星的摄动数据中得到地球重力场，这些非惯性力的影响必须消除。最终获得的重力场空间分辨率和测量精度取决于重力场卫星在轨位置和速度的测量精度以及非惯性力修正的精度。 

非惯性力需要依靠放置在卫星质心处的加速度计测量。为了获取更加精确的非惯性力，则需要提高加速度计的测量精度。本发明之前，最先进的星载地球重力加速度计为静电悬浮加速度计。静电重力加速度计的动态范围小，易饱和，且对电容扳、质量块的加工精度要求高，测量精度的提高难度大。因此需要研究新的加速度计以满足更高测量精度的需求。 

近20年发展起来的原子干涉测量技术给我们带来了新的启示，这种技术通过原子干涉的光学现象可感应外界力场的变化，通过感应加速度可形成加速度计，目前该加速度计在地面的应用已经得到验证。 

实现原子干涉的方法很多，以下以基于原子喷泉的冷原子干涉加速度计的地面测量原理为例进行介绍，请参阅图1，其为冷原子干涉加速度计地面测量原理示意图。 

如图1所示，磁光阱（MOT）隔一定时间向上抛射一次原子。每一个原子的脉冲的产生步骤为：首先把原子装入磁光阱中，然后利用激光和磁场对原子进行冷却，最后将 冷却了的原子垂直向上发射。用平行于原子运动方向的π/2-π-π/2脉冲照射原子，其中第一个π/2脉冲将原子束分割为两个不同路径的原子束，两个原子束在π脉冲处反转，在第二个π/2脉冲处重叠进而产生干涉，通过探测装置就可以确定干涉形成的相位差Φ，进而求解得到重力加速度g。 

相位差与重力加速度的关系式如下： 

Φ=2k_effgT²

其中，K_eff为拉曼激光对的有效波矢，T为施加3个激光的总时间。 

为了设计适用于卫星上使用的冷原子加速度计，需要对冷原子的空间的受力特性进行分析。 

首先，定义冷原子位置与重力梯度测量卫星质心、地心之间的关系，如图2所示。图中，O_i为地心，O_b为重力梯度测量卫星质心，假设冷原子从O_b点抛出，在测量时间段t内，正好飞行到O_p点，r为地心至卫星质心的地心距，L为冷原子与卫星质心间的偏差量；ρ为冷原子与地心间的距离。需要说明的是，参数r，L，ρ均为J2000.0地心惯性坐标系下的，如图2所示，其为地心惯性坐标系下冷原子的几何关系示意图。 

由牛顿动力学定律以及质点在惯性系和牵引系的相对关系等可以得到，冷原子与卫星间的相对运动加速度有如下关系式： 

$\frac{d^{2}L}{{\mathrm{dt}}^2}=-(2\mathrm{\ω}\×\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\×L+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×L)+f_{\mathrm{ng}}^b+(g_0^b-g_{\mathrm{\ρ}}^b)+(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b))$

其中，2ω×dL/dt表示冷原子在重力梯度测量卫星本体坐标系下的科力奥加速度；dω/dt×L表示冷原子在重力梯度测量卫星本体坐标系下的切向加速度；ω×(ω×L)表示冷原子在重力梯度测量卫星本体坐标系下的离心加速度；ω为重力梯度测量卫星的角速度；

表示卫星本体坐标系下各种非惯性力引起的加速度；

分别表示卫星质心以及冷原子受到的地球引力场强度；

表示太阳和月球等天体在卫星质心及冷原子上的潮汐加速度。 

目前基于冷原子干涉技术的在轨加速度测量方法主要是充分继承地面的思路，通过在空间抛射冷原子，然后在对应方向施加πτ/2-π-πτ/2脉冲，形成拉曼激光干涉，根据干涉对相位的影响来可以获取冷原子与卫星间的相对加速度，如下式所示： 

${\mathrm{\Δ\Φ}}_{\mathrm{acc}}=-k_{\mathrm{eff}}(2\mathrm{\ω}\×\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\×L+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×L)+f_{\mathrm{ng}}^b+(g_0^b-g_{\mathrm{\ρ}}^b)+(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b))T^2$

从上式可以看出，基于冷原子抛射的空间测量方案中，其测量的信息中除了需要的非引力加速度外，重力梯度测量卫星姿态变化引起的离心加速度、切向加速度、科力奥力加速度、地球重力梯度力、太阳和月球等星体引起的潮汐等加速度都会夹杂在其中。 

综上所述，为了得到需要的非引力加速度，需要扣除上述加速度的影响。然而在空间中，冷原子的运行轨迹并非直线，这便又衍生出了冷原子的三维空间轨迹测量问题。显然，该问题能否解决已直接关系到该方案能否顺利实现工程应用。目前欧空局的HYPER卫星计划就由于该问题未能解决而被推迟。 

综上背景技术所述，现在已经得到成功在轨验证的加速度测量方案——静电悬浮加速度计，由于质量块、电容板的加工难度等导致加速度测量精度提高难度大。基于冷原子干涉技术的加速度测量方法虽然在地面得到了技术验证，精度较高，但是由于地面与空间中冷原子的受力特性不同，限制了冷原子抛射方法的工程可行性。 

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法，本发明能够有效提高星载加速度计的测量精度，促进冷原子测量技术在重力场测量中的应用。 

根据本发明的一个方面，提供一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法，包括以下步骤： 

步骤一：将碱金属原子装入三维磁光阱内，将三维磁光阱安装在卫星质心处，通过支架与卫星主体相连。 

步骤二：三维磁光阱向空间发射一束碱金属原子，空间中的碱金属原子被迎面而来的激光束阻止，并被引入到激光束和磁场的中心点，激光束的中心点和磁场的中心点以及卫星质心位置相重合，控制激光束以及磁场的强度将冷原子的位置保持在卫星质心位置。 

步骤三：卫星运行过程中，当卫星与冷原子受到的作用力不同时，冷原子偏离卫星质心，激光和磁场的控制力随之变化，施加相应的激光和磁场控制力，将冷原子控回质心处。 

步骤四：测量步骤三中卫星运行过程中激光及磁场的控制力变化，解算出冷原子相对卫星质心存在的加速度，即卫星所受到的非惯性力加速度。 

优选地，该三维磁光阱由三对两两相互垂直、具有特定圆偏振态并且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和一对反向亥姆霍兹线圈产生的梯度磁场构成。 

优选地，该碱金属原子采用⁸⁷Rb原子。 

碱金属原子外层只有一个价电子，能级结构比较简单，在激光冷却与陷俘的试验中经常使用，可供借鉴的经验丰富，因此本发明中选用的碱金属原子⁸⁷Rb原子来制备冷原子。并且，本发明基于目前已非常成熟的冷原子囚禁技术，采用三维磁光阱（MOT）实现冷原子囚禁，操作简单。 

本发明基于目前已非常成熟的冷原子囚禁技术，提出了一种全新的卫星重力场测量方法，本发明方法中冷原子空间受力特性分析如下： 

本发明中提出：在测量位置L通过激光器和磁场施加控制力F_con使冷原子悬浮在测量位置L处，根据前述介绍的背景技术可知，存在如下的测量关系式： 

$a_{\mathrm{con}}=\frac{F_{\mathrm{con}}}{m_m}=\frac{d^{2}L}{{\mathrm{dt}}^2}+2\mathrm{\ω}\×\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\×L+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×L)+f_{\mathrm{ng}}^b+(g_0^b-g_{\mathrm{\ρ}}^b)+(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b)$

此时，施加的控制力除以冷原子的质量便是测量位置L处冷原子与卫星间的相对加速度a_con，该加速度可以根据测量得到。 

由于冷原子被囚禁起来，且囚禁位置与卫星的质心重合，即： 

$L\→0,\frac{d^{2}L}{d{t}^2}\→0,\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}\→0,g_0^b\→g_{\mathrm{\ρ}}^b,\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b\→\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b$

此时，存在： 

$a_{\mathrm{con}}\→f_{\mathrm{ng}}^b.$

由此可见，相比于冷原子抛射空间测量方案，该方案更能真实地测量出作用在卫星上的非惯性力。 

综上所述，与现有技术相比，本发明大大提高星载加速度计的测量精度，促进冷原子测量技术在重力场测量中的应用。与现有技术相比，本发明具有测量精度高、工程可行性高且操作简单的有益效果。 

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： 

图1为冷原子干涉加速度计地面测量原理示意图； 

图2为地心惯性坐标系下冷原子的几何关系示意图； 

图3为本发明实施例的三维磁光阱结构示意图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 

一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法，包括以下步骤： 

步骤一：将碱金属原子装入三维磁光阱内，将三维磁光阱安装在卫星质心处，通过支架与卫星主体相连。 

考虑到碱金属原子外层只有一个价电子，能级结构比较简单，在激光冷却与陷俘的试验中经常使用，可供借鉴的经验丰富，因此本发明中选用的碱金属原子来制备冷原子。优选地，碱金属原子的类型采用现在地面常用的原子类型为⁸⁷Rb原子，具有较好的技术积累。 

冷原子的囚禁通过三维磁光阱实现。对于原子的制备、三维磁光阱的具体硬件实现均可以按照地面常规方案进行设计，具体包括激光器类型、激光器介质选择、磁场部署等。分析系统的组成，分解关键技术，细化技术要求和指标，进行可行性分析论证，包括计算机仿真验证等，该些设计均为现有技术，在此不予赘述。本发明能够满足在轨加速度高精度、宽动态范围测量的技术要求。 

如图3所示，三维磁光阱由三对两两相互垂直、具有特定圆偏振态并且负失谐的对射激光束（σ^-、σ⁺）形成的三维空间驻波场和一对反向亥姆霍兹线圈I产生的梯度磁场构成。磁场的零点与光场的中心重合，负失谐的激光对迎面的原子产生阻尼力，梯度磁场与激光的偏振相结合产生了对原子的回复力，这样就在空间中形成了一个避免了光学Earnshaw定理，并对原子的有阻尼作用的简谐势阱。本磁场可以提供与速度、位置有关的力，从而实现对原子的冷却和陷俘。 

步骤二：三维磁光阱向空间发射一束碱金属原子，真空中的碱金属原子被迎面而来的激光束阻止，并被引入到激光束和磁场的中心点，激光束的中心点和磁场的中心点以及卫星质心位置相重合，控制激光束以及磁场的强度将冷原子的位置保持在卫星质心位置。 

真空中的一束碱金属原子先是被迎面而来的激光束阻止，然后把原子引入6束激光 和磁场的中心点，通过控制6束激光以及磁场的强度可以将冷原子的位置保持在卫星质心位置。具体地：通过频率与原子振频一致的激光对碱金属原子减速，然后把原子引进6束激光的交汇处，其效果就是不管原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到6束激光交汇的区域；为了长期囚禁原子，在激光作用的前提下，增加一对反向亥姆霍兹线圈，两个线圈产生磁场梯度，其最小值处于激光束相交的区域。磁场对原子的塞曼效应产生一个比重力大的力，把原子拉回到磁光阱中心，即卫星质心处，并在激光和磁场的作用下，长期处在该位置处。 

步骤三：卫星运行过程中，当卫星与冷原子受到的作用力不同时，冷原子偏离卫星质心，激光和磁场的控制力随之变化，施加相应的激光和磁场控制力，将冷原子控回质心处。 

当卫星与冷原子受到的作用力不同时，冷原子偏离卫星质心，导致激光和磁场的控制力随之变化，具体体现为对应输出电流/电压的变化，测量电流/电压的变化量。本发明采用闭环控制的方式施加相应的激光和磁场控制力，对应改变输入电流/电压的大小，从而改变激光和磁场控制力，将冷原子控回质心处，从而确保冷原子与卫星质心位置重合。 

步骤四：测量步骤三中卫星运行过程中激光及磁场的控制力变化，解算出冷原子相对卫星质心存在的加速度，即卫星所受到的非惯性力加速度。 

具体地，测量步骤三中卫星运行过程中输出电流/电压的变化量，可以计算得到激光及磁场的控制力变化，从而解算出冷原子相对卫星质心存在的加速度，得到卫星所受到的非惯性力加速度。 

本发明基于目前已非常成熟的冷原子囚禁技术，采用三维磁光阱（MOT）实现冷原子囚禁，操作简单。 

本发明基于目前已非常成熟的冷原子囚禁技术，提出了一种全新的卫星重力场测量方法，本发明方法中冷原子空间受力特性分析如下： 

本发明中提出：在测量位置L通过激光器和磁场施加控制力F_con使冷原子悬浮在测量位置L处，根据前述介绍的背景技术可知，存在如下的测量关系式： 

$a_{\mathrm{con}}=\frac{F_{\mathrm{con}}}{m_m}=\frac{d^{2}L}{{\mathrm{dt}}^2}+2\mathrm{\ω}\×\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}+\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\×L+\mathrm{\ω}\×(\mathrm{\ω}\×L)+f_{\mathrm{ng}}^b+(g_0^b-g_{\mathrm{\ρ}}^b)+(\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b)$

此时，施加的控制力除以冷原子的质量便是测量位置L处冷原子与卫星间的相对加速度a_con，该加速度可以根据测量得到。 

由于冷原子被囚禁起来，且囚禁位置与卫星的质心重合，即： 

$L\→0,\frac{d^{2}L}{d{t}^2}\→0,\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}\→0,g_0^b\→g_{\mathrm{\ρ}}^b,\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{0k}^b\→\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{g}_{\mathrm{\ρk}}^b$

此时，存在： 

$a_{\mathrm{con}}\→f_{\mathrm{ng}}^b.$

由此可见，相比于冷原子抛射空间测量方案，该方案更能真实地测量出作用在卫星上的非惯性力。 

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。 

Claims (3)

1.一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将碱金属原子装入三维磁光阱内，将三维磁光阱安装在卫星质心处，通过支架与卫星主体相连；

步骤二：三维磁光阱向空间发射一束碱金属原子，空间中的碱金属原子被迎面而来的激光束阻止，并被引入到激光束和磁场的中心点，激光束的中心点和磁场的中心点以及卫星质心位置相重合，控制激光束以及磁场的强度将冷原子的位置保持在卫星质心位置；

步骤三：卫星运行过程中，当卫星与冷原子受到的作用力不同时，冷原子偏离卫星质心，激光和磁场的控制力随之变化，施加相应的激光和磁场控制力，将冷原子控回质心处；

步骤四：测量步骤三中卫星运行过程中激光及磁场的控制力变化，解算出冷原子相对卫星质心存在的加速度，即卫星所受到的非惯性力加速度。

2.根据权利要求1所述的星载冷原子囚禁式加速度测量方法，其特征在于，所述三维磁光阱由三对两两相互垂直、具有特定圆偏振态并且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和一对反向亥姆霍兹线圈产生的梯度磁场构成。

3.根据权利要求1所述的星载冷原子囚禁式加速度测量方法，其特征在于，所述碱金属原子采用⁸⁷Rb原子。

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