CN103542850A - 多轴原子惯性传感器系统 - Google Patents

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CN103542850A CN201310290333.8A CN201310290333A CN103542850A CN 103542850 A CN103542850 A CN 103542850A CN 201310290333 A CN201310290333 A CN 201310290333A CN 103542850 A CN103542850 A CN 103542850A
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B.摩尔
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Abstract

一种惯性传感系统包括第一多轴原子惯性传感器、第二多轴原子惯性传感器以及被光学地耦合到第一和第二多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光。多个微机电系统（MEMS）惯性传感器与所述第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。

Description

多轴原子惯性传感器系统
本申请要求2012年7月12日提交的美国临时申请号的优先权，其公开内容被通过引用结合到本文中。
背景技术
冷原子干涉仪是用于新种类的惯性传感器的基础。类似于光纤或环状激光陀螺仪的功能，惯性力诱发原子的量子机械波函数中的相移，其横穿冷原子干涉仪中的环路。
对于某些工作参数而言，冷原子惯性传感器可以提供比期望的低的更新速率。在这种情况下，可以使用微机电系统（MEMS）惯性传感器作为一种飞轮以提供原子传感器读数之间的连续输出。在这种情况下，可以使用原子惯性传感器来修正MEMS惯性传感器中的偏置和标度因数漂移。
为了使尺寸、重量和功率最小化，期望的是使得原子惯性传感器尽可能小。遗憾的是，灵敏度不利地随着减小的传刚起尺寸而缩放。需要约6cm3的最小原子惯性传感器体积以满足某些性能度量。然而，对于小于20cm3的某些应用而言需要用于六自由度原子惯性测量单元（IMU）的总体积度量。
发明内容
惯性传感系统包括第一多轴原子惯性传感器、第二多轴原子惯性传感器以及被光学地耦合到第一和第二多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光。多个MEMS惯性传感器与第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。
附图说明
理解了附图仅描绘示例性实施例且因此并不被认为在范围方面是限制性的，将通过使用附图来以附加的特殊性和细节来描述示例性实施例，在所述附图中：
图1是根据一个实施例的采用多轴原子惯性传感器的惯性传感系统的方框图；
图2是根据一个实施例的多轴原子惯性传感器设备的方框图；
图3A是示出了根据一个实施例的多轴原子惯性传感器中的示例性干涉仪轨迹的示意图；以及
图3B是列出了激光取向的可能组合的表格，具有相应的灵敏度轴。
具体实施方式
在以下详细描述中，对构成其一部分的附图进行参考，并且在附图中以图示的方式示出了特定说明性实施例。应理解的是可以利用其他实施例，并且可以进行逻辑、机械以及电气修改。因此不应以限制性意义来理解以下详细描述。
提供了能够在惯性传感系统中实现的多轴原子惯性传感器和帮助常规惯性传感器的误差修正的方法。该多轴原子惯性传感器被配置成使得能够使用开关光学装置来反复地改变其传感轴以顺序地修正常规惯性传感器中的误差。
在一个实施例中，可以用诸如IMU的六自由度惯性传感系统来实现多轴原子惯性传感器，其测量三个轴上的加速度和旋转。来自IMU中的常规惯性传感器的输出被针对原子惯性传感器进行训练，使得从常规惯性传感器去除大部分的偏置和标度因数误差。
虽然在如下的各种实施例中描述了MEMS惯性传感器的使用，但可以以类似方式将其他常规惯性传感器与多轴原子惯性传感器融合。
在一个实施例中，惯性传感系统包括一对多轴原子惯性传感器以及被操作耦合到多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器包括被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光的多个光学开关。诸如六个MEMS惯性传感器（例如，三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计）的多个MEMS惯性传感器与多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。
在一个示例中，用于每个原子传感器的循环时间为约20ms。需要约10ms以准备冷原子的样本，并需要另外的约10ms以询问原子以提取惯性信息。应注意的是这些时间是可以根据诸如带宽对比灵敏度的性能权衡而改变的参数。
在每次测量中都涉及加速度和旋转，因此需要往复原子传感器的同时测量以将加速度与旋转分离。因此需要最少两个原子传感器主体。在每次测量之后，将由该对原子传感器获得的旋转和加速度的真实测量结果与适当MEMS传感器组的输出相比较，并进行校准修正。由原子传感器对进行的下一测量可以是沿着同一个轴，或者根据用于MEMS传感器修正的优先级而沿着不同的轴。如果期望不同的传感轴，则切换激光光学装置以便沿着不同的中询问原子。在本示例中，复用导致原子传感器占空因数的约三倍的减小，从约20%（没有复用的情况下六个原子传感器）至约6.7%（有复用的情况下两个原子传感器）。在其他实施方式中，根据期望的性能，可以有更快的循环时间。
在另一方法中，可以持续地将激光的轴混合以创建光学万向接头传感器。原则上，可以持续地旋转用于原子传感器的传感轴以保持沿着例如主旋转轴的取向或净加速度矢量或任何其他期望的取向。
光学万向接头功能提供了持续地旋转陀螺仪的输入轴以保持与任意轴的对准的能力。原子传感器灵敏度随动态范围相反地缩放，并且可以实时地调整此权衡。对传感轴取向的调整可以通过智能地选择如何使旋转在陀螺仪三元组传感轴之间分裂来利用此能力。这可以用来例如使三元组的一个陀螺仪轴与主旋转轴对准。这使该陀螺仪上的信号最大化，并且使与旋转轴正交的陀螺仪上的信号最小化。此类策略允许具有最多信号的陀螺仪具有高动态范围（以较低灵敏度为代价），同时在其他轴上保持较低动态范围（具有增加的灵敏度）。在另一方法中，可以将传感轴布置成使得旋转信号被均匀地在传感轴之间分裂，确保单个轴将不要求过大的动态范围（以及相应的减小的灵敏度）。
除基于灵敏度/动态范围权衡的方法之外，另一技术是简单地将传感轴保持在局部水平取向。在“捷联”惯性传感器的出现之前，所有惯性测量单元都以这种方式操作。然而，常规万向接头传感器中的活动部分经受磨损，限制了可靠性。光学万向接头传感器相反地不具有活动部分，使得能够在不牺牲可靠性的情况下实现万向接头操作。具有万向接头传感器的导航相比于捷联导航而言提供几个性能优点。由于稳定的传感器平台仅经历非常小的旋转，而不是捷联导航所经历的整个交通工具体部旋转，所以它们对陀螺仪标度因数误差不那么敏感。另外，可以在地面对准程序期间或在飞行中（独立于交通工具）旋转万向接头导航系统以降低传感器偏置误差的影响，在捷联系统的情况下是不可用的选择。
本方法通过从一对原子惯性传感器提取六个惯性自由度而实现了低尺寸、重量和功率。这是通过使用光学复用器实现的，该光学复用器在选择特定轴时驱动光学开关，当在原子传感器对中操纵原子时将沿着该特定轴施加激光。开关函数确定传感器封装内的激光的取向。改变激光的取向改变用于原子传感器的传感轴。
图1是根据一个实施例的诸如IMU的惯性传感系统100的方框图，其采用多轴原子惯性传感器。传感系统100包括一对多轴原子惯性传感器，包括第一原子惯性传感器102和第二原子惯性传感器104以及多个MEMS惯性传感器，诸如至少一个MEMS陀螺仪106和至少一个MEMS加速度计108。
在一个实施方式中，由于在原子惯性传感器102和104中涉及到加速度和旋转，每个传感器都能够在检测加速度和旋转时充当加速度计和陀螺仪两者。需要两个原子惯性传感器以辨别多少相移是由于加速度而引起的和多少是由于旋转而引起的。这些传感器以往复方式操作，导致用于旋转而不是用于加速度的符号改变。这允许原子惯性传感器辨别多少相移是由于加速度而引起的和多少是由于旋转而引起的。在替换实施方式中，原子惯性传感器中的一个对加速度和旋转两者敏感，而另一传感器仅对加速度敏感。
在一个实施例中，原子惯性传感器和MEMS惯性传感器通过闭环反馈单元110相互操作通信。在题为“CLOSED LOOP ATOMIC INERTIAL SENSOR”的2012年6月27日提交的美国临时申请序号61/665,061 （代理人档案号H0034858）中描述了MEMS/原子闭合反馈环路的更多细节，其公开内容被通过引用结合到本文中。
惯性传感系统100还包括与原子惯性传感器102和104操作通信的光学复用器114。下面相对于图2更详细地描述光学复用器。
来自原子惯性传感器102的输出信号被发送到原子惯性传感器补偿单元118，并且来自原子惯性传感器104的输出信号被发送到原子惯性传感器补偿单元120。补偿单元118和120基于工厂校准而提供传感器修正。
来自MEMS陀螺仪106的输出信号被发送到MEMS陀螺仪补偿单元122，并且来自MEMS加速度计108的输出信号被发送到MEMS加速度计补偿单元124。补偿单元122和124提供MEMS惯性传感器的误差修正。
诸如粒子滤波器的线性或非线性融合算法或滤波器128从原子惯性传感器补偿单元118、120和MEMS补偿单元122、124接收输出信号。融合算法128向MEMS补偿单元122和124输出反馈信号以提供误差修正。通过在特定时间比较MEMS测量结果和原子测量结果，能够使用融合算法128来估计和修正MEMS惯性传感器输出中的误差。
另外，可选地，可将来自MEMS陀螺仪补偿单元122的输出信号发送到成锥模块132和荡桨（sculling）模块134以便向MEMS陀螺仪106的输出信号施加高速修正。在这种情况下，从成锥模块132向加法器136发送已修正信号，加法器136还从补偿单元122接收原始信号并输出Δtheta（θ）信号。另外，从荡桨模块134向加法器138发送已修正信号，加法器138还从补偿单元124接收原始信号并输出Δ速度（v）信号。
另外，可以可选地将来自MEMS加速度计补偿单元124的输出信号发送到荡桨模块134以便向MEMS加速度计108的输出信号施加高速修正。在这种情况下，从荡桨模块134向加法器138发送已修正信号，加法器138还从补偿单元124接收原始信号并输出Δ速度（v）信号。
图2是根据一个实施例的多轴惯性传感器设备200的方框图。传感器设备200包括多个激光设备，诸如第一激光设备202，其可以是分布式布拉格反射器（DBR），以及第二激光设备204，其也可以是DBR。在另一实施例中，激光设备中的一者或两者可以是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。
可以通过饱和吸收光谱205或标准具206将激光设备202和204锁频至原子传感器的蒸汽室。激光设备202和204通过各种光学部件与光学复用器210进行光学通信，诸如一个或多个透镜207、光学隔离器208、射束分离器209等。
饱和吸收可以用来将激光设备202锁定至原子跃迁。在饱和吸收中，激光透过蒸汽室池，并且被后反射回到同一射束路径上。这种技术仅选择零速度原子以用于与光的交互。因此消除了原子跃迁的多普勒增宽，导致由光检测器211检测到的非常窄的吸收线。该窄吸收线允许有激光频率的精确且稳定的锁定。
对于二色性跃迁而言，期望的是将激光设备202和204锁相，使得其向蒸汽室中的原子提供相干电磁场。用于将激光设备202和204锁相的一个技术是使其两个激光束都照耀到公共光检测器213上，在那里，射束彼此相干涉。激光设备202和204在频率方面可以相差几GHz。频率差在几GHz下对激光干涉进行调制，导致几GHz的来自光检测器213的射频（RF）输出信号。此RF信号然后与稳定的RF基准信号相比较。光检测器信号与基准信号之间的差导致被反馈以修正激光设备中的一个的相位或频率的误差信号，使得两个激光设备的相对频率和相位是稳定的。在本示例中，一个激光设备是主设备且另一激光设备是从设备。在另一示例中，可以将两个从激光器锁定至单个主激光器，这在两个从激光器都能够被锁定的范围内供给了更大的灵活性。
复用器210包括多个光学部件，诸如多个射束分离器212和反射器214，其被配置成将来自激光设备202的具有第一频率（f1）的光束和来自激光设备204的具有第二频率（f2）的光束指引到被耦合到一对原子惯性传感器230和232的各种光学开关。在一个示例中，拉曼频率（f1-f2）约为几GHz，对应于诸如铷（6.8 GHz）或铯（9.2 GHz）的碱原子的超精细分裂。在另一示例中，布拉格/布洛赫频率（f1-f2）约为10 kHz且可以匀变（ramp）以引发光子动量的多个量子的吸收，以增强传感器标度因数。
在示例性实施例中，复用器210中的第一组光学开关222-1、222-2和222-3被配置成沿着不同的取向轴A-1、A-2和A-3（例如，x、y、z轴）将光束顺序地指引至原子传感器230。第二组光学开关224-1、224-2以及224-3被配置成沿着不同的取向轴B-1、B-2和B-3（例如，x、y、z轴）将激光顺序地指引至原子传感器232。
在一个实施例中，可以将光纤240耦合到每个光学开关的输出端以将激光指引至原子传感器230和232的各输入端。光学开关接通不同的轴或轴的组合以使得原子传感器对沿着不同轴的加速度或旋转敏感。
原子传感器230和232通过选择与全部的三个坐标轴正交（旋转）和平行（加速度）取向的光束对而顺序地测量相对于那些轴的运动。在一个实施例中，原子传感器230和232每个包括磁光阱（MOT）242以及传感器头244，该传感器头244包括光检测器（PD）、反射镜以及波板，其与输入到原子传感器中的射束对准。在MOT操作期间，所有开关都接通，使得沿着所有的轴发生激光冷却。在激光冷却之后，某些开关被关断，以便沿着所选轴执行干涉测量。
图3A示出了根据一个实施例的多轴原子惯性传感器中的示例性干涉仪轨迹，其利用移动布拉格晶格以进行反馈。原子惯性传感器中的干涉仪是由两对相反传播射束310a、310b和320a、320b产生的，其与传感器中的原子交叉。射束的波矢量（k）确定原子的轨迹，并且因此确定用于加速度（a）和旋转（Ω）的灵敏度的轴。
在图3B的表格中示出了具有相应灵敏度轴的激光取向的可能组合。一般地，沿着两个波矢量施加激光。表3B中的表格将三个可能的成对波矢量以及相应的旋转和加速度轴制表。具有Ω＝k和a＝j的表格中的第一行等价于在图3A中所示的示例。
在干涉测量循环期间，射束对将每个激光冷却原子的量子机械波函数划分，使得存在在分离轴以上或以下找到原子的50%概率。激光频率和振幅的调制沿着图3A中所示的轨迹引导波函数的每一半。在各半个波函数重组成整个原子时，原子的量子机械相位已获取与旋转和加速度成比例的相移。此相移能够通过云位置的后续成像和/或内部状态检测而被读出。
示例性实施例
示例1包括惯性传感系统，其包括第一多轴原子惯性传感器、第二多轴原子惯性传感器以及被光学地耦合到第一和第二多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光。多个MEMS惯性传感器与第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。
示例2包括示例1的系统，其中，第一多轴原子惯性传感器被配置成检测加速度和旋转。
示例3包括示例2的系统，其中，第二多轴原子惯性传感器被配置成检测加速度和旋转。
示例4包括示例2的系统，其中，第二多轴原子惯性传感器被配置成仅检测加速度。
示例5包括示例1-4中的任一项的系统，其中，MEMS惯性传感器包括至少一个MEMS陀螺仪和至少一个MEMS加速度计。
示例6包括示例1-5中的任一项的系统，其中，MEMS惯性传感器通过闭环反馈与第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信。
示例7包括示例1-6中的任一项的系统，还包括从第一多轴原子惯性传感器接收输出信号的第一原子惯性传感器补偿单元，其中，第一原子惯性传感器补偿单元基于工厂校准来提供传感器修正。
图8包括示例1-7中的任一项的系统，还包括从第二多轴原子惯性传感器接收输出信号的第二原子惯性传感器补偿单元，其中，第二原子惯性传感器补偿单元基于工厂校准来提供传感器修正。
示例9包括示例5-8中的任一项的系统，还包括从MEMS陀螺仪接收输出信号的MEMS陀螺仪补偿单元，其中，MEMS陀螺仪补偿单元帮助修正由MEMS陀螺仪产生的误差。
示例10包括示例5-9中的任一项的系统，还包括从MEMS加速度计接收输出信号的MEMS加速度计补偿单元，其中，MEMS陀螺仪补偿单元帮助修正由MEMS加速度计产生的误差。
示例11包括示例7-10中的任一项的系统，还包括从第一原子惯性传感器补偿单元、第二原子惯性传感器补偿单元、MEMS陀螺仪补偿单元以及MEMS加速度计补偿单元中的每一个接收输出信号的融合滤波器，其中，该融合滤波器向MEMS陀螺仪补偿单元和MEMS加速度计补偿单元输出反馈信号以帮助MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的误差修正。
示例12包括示例1-11中的任一项的系统，其中，该系统是惯性测量单元的一部分。
示例13包括多轴原子惯性传感器设备，其包括输出具有第一频率的光束的第一激光设备、输出具有第二频率的光束的第二激光设备以及与第一和第二激光设备进行光学通信的光学复用器，该光学复用器包括多个光学开关。第一多轴原子惯性传感器与光学复用器进行光学通信，并且第二多轴原子惯性传感器与光学复用器进行光学通信。该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引来自第一和第二激光设备的光束。
示例14包括示例13的设备，其中，第一多轴原子惯性传感器被配置成检测加速度和旋转。
示例15包括示例14的设备，其中，第二多轴原子惯性传感器被配置成检测加速度和旋转。
示例16包括示例14的设备，其中，第二多轴原子惯性传感器被配置成仅检测加速度。
示例17包括示例13-16中的任一项的设备，其中，光学开关包括被配置成沿着第一多轴原子惯性传感器的三个不同取向轴顺序地指引光束的第一组三个光学开关以及被配置成沿着第二多轴原子惯性传感器的三个不同取向轴顺序地指引光束的第二组三个光学开关。
示例18包括示例13-17中的任一项的设备，还包括与第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信的多个MEMS惯性传感器，其中，所述MEMS惯性传感器包括至少一个MEMS陀螺仪和至少一个MEMS加速度计。
示例19包括示例18的设备，其中，该设备被配置为光学万向接头传感器。
示例20包括用于惯性感测的方法，其中，该方法包括提供第一多轴原子惯性传感器和第二多轴原子惯性传感器；通过光学复用器发射一对激光束，该光学复用器沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引激光束；以及从第一和第二多轴原子惯性传感器输出信号以通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号而帮助修正由一个或多个MEMS惯性传感器产生的误差。
虽然在本文中已图示出并描述了特定实施例，但本领域的技术人员将认识到的是预计实现相同目的的任何布置可以代替所示的特定实施例。因此，很明显意图在于本发明仅仅受到权利要求及其等价物的限制。

Claims (3)

1. 一种惯性传感系统，包括：
第一多轴原子惯性传感器；
第二多轴原子惯性传感器；
光学复用器，被光学地耦合到第一和第二多轴原子惯性传感器，该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光；以及
多个微机电系统（MEMS）惯性传感器，与所述第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信；
其中，通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。
2. 权利要求1的系统，其中，所述MEMS惯性传感器包括至少一个MEMS陀螺仪和至少一个MEMS加速度计，该系统还包括：
第一原子惯性传感器补偿单元，从第一多轴原子惯性传感器接收输出信号，其中，第一原子惯性传感器补偿单元基于工厂校准提供传感器修正；
第二原子惯性传感器补偿单元，从第二多轴原子惯性传感器接收输出信号，其中，第二原子惯性传感器补偿单元基于工厂校准提供传感器修正；
MEMSM陀螺仪补偿单元，从MEMS陀螺仪接收输出信号，其中，所述MEMS陀螺仪补偿单元帮助修正由MEMS陀螺仪产生的误差；
MEMS加速度计补偿单元，从MEMS加速度计接收输出信号，其中，MEMS加速度计补偿单元帮助修正由MEMS加速度计产生的误差；以及
融合滤波器，从第一原子惯性传感器补偿单元、第二原子惯性传感器补偿单元、MEMS陀螺仪补偿单元以及MEMS加速度计补偿单元中的每一个接收输出信号，其中，该融合滤波器向MEMS陀螺仪补偿单元和MEMS加速度计补偿单元输出反馈信号以帮助MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的误差修正；
其中，所述光学复用器与输出具有第一频率的光束的第一激光设备以及输出具有第二频率的第二激光设备进行光学通信。
3. 权利要求1的系统，其中，所述系统被配置为光学万向接头传感系统。
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