CN103837904B - 基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法，涉及原子干涉测量惯性技术领域。本传感器包括结构相同的第1、第2惯性量敏感型冷原子干涉仪和真空连通腔；真空连通腔在水平方向连通第1、第2惯性量敏感型冷原子干涉仪的两个原子干涉区。本测量方法是利用多频激光在同一物理单元中同时独立操纵两种碱金属原子，对一种原子采用三脉冲π/2-π-π/2拉曼激光序列来测量加速度和重力梯度；对另一种原子采用四脉冲π/2-π-π-π/2拉曼光激光序列来测量转动速率。本发明利用单一物理装置同时实现多个惯性量的同步测量，可在惯性导航、资源勘探、地震监测和地球物理研究等多个领域发挥重要作用。

Description

基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及原子干涉测量惯性技术领域，尤其涉及一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法。

背景技术

重力加速度、重力梯度和转动速率是三个常见的惯性物理量，对它们进行高精度测量在计量、测绘、地质、地震、国防和资源勘探等领域有重要的应用。例如由重力加速度和重力梯度可以反演得到地表以下的质量和密度的分布特征，因此重力勘测方法在资源勘探、地质结构分析和地球物理研究等领域发挥着非常重要的作用。在地球物理研究中，地球自转率的起伏能够提供有关地球的内部构造和动力学的有价值的信息，非常灵敏的陀螺仪能够用于测量由于地震发生、板块的移动和潮汐效应导致的局部旋转效应，而对地震旋转效应的理解有助于设计特殊的建筑结构来降低建筑物对地震的脆弱性。转动速率的高精度测量也可以应用于导航和广义相对论的测试等重要领域。

目前，测量绝对重力加速度的最具代表性技术方案有两种：宏观自由落体方案和冷原子干涉方案。其中宏观自由落体方案已经完全实现商品化，如美国Micro-gLacoste公司所生产的FG5型绝对重力仪；而冷原子干涉方案则具有更高的测量精度（可达10^-12g）。对于重力梯度的测量方法，在国际上也有低温超导、旋转加速度计、静电悬浮以及原子干涉等多种成熟的技术方案，并且已经开始商品化运作。测量转动速率的成熟技术方案有机械陀螺仪、激光干涉陀螺仪和光纤陀螺仪，基于原子干涉效应的陀螺仪目前还处在实验室样机研制阶段，但其极高的测量精度使它们成为了下一代陀螺仪最具竞争力的技术方案。

冷原子干涉方案是最具潜力的惯性量精密测量方案。该技术方案使用真空中的无束缚冷原子团作为测量介质，与传统的利用宏观物体作为测量介质的方案相比，该方案可将由测量介质本身以及外部环境作用于测量介质所引入的系统偏差和噪声水平降到最低，由此使得测量精度普遍高于现有技术。1991年朱棣文小组首次用激光冷却的钠原子实现了重力测量，经过了数次方案的优化到2013年其分辨率已经达到6.7×10^-12g。1998年，美国斯坦福大学的Kasevich小组首次用原子干涉效应实现了垂向重力梯度的测量，并于1998年达到了4E/Hz^1/2的测量灵敏度（1E=10^-10g/m）。1997年Gustavson等人首次实现了基于原子干涉效应的陀螺仪，并于2000年达到了6×10^-10rad/s的转动测量精度。

在传统的惯性测量方案中，大多是一个方案只能测量其中一个惯性物理量。但由于原子干涉仪能够同时感受到加速度、重力梯度和转动，因此只要选择合适的测量方案就可以利用单一物理装置实现多个惯性量的测量。例如法国巴黎天文台的B.canel等人在2006年实现基于原子干涉效应的六轴惯性量传感器，使用不同的拉曼光构型可以实现加速度和转动速率的同时测量（B.caneletal.,PRL97,010402(2006)）；美国斯坦福大学的SusannahM.Dickerson等人采用CCD拍照的新方法，能同时测量出两个方向的转动和重力（SusannahM.Dickersonetal.,PRL111,083001(2013)）。2008年，Kasevich小组实现小型化的基于原子干涉效应的陀螺仪的样机，测量地球转动的角速度为Ω/Ω_E=1.0007±0.0005，也用它测量了水平方向的重力（1.6×10^-7g/Hz^1/2）和重力梯度值（270E/m）（KenTakase,Precisionrotationratemeasurementswithamobileatominterferometer,PHDThesis,StanfordUniversity(2008)）。

重力梯度与其它惯性物理量的协同测量在惯性导航领域具有非常重要的意义,由于惯性导航器件无法将重力的变化和加速度的变化区分开来,所以重力变化的累加会给定位带来偏差,而通过对重力梯度的积分可以得到重力的变化并扣除相应的定位偏差,从而大幅度提高定位的精度。在上述各种方案中，仅有Kasevich小组实现了基于同一套测量装置的转动和重力梯度测量，但由于测量方案的相互干扰，使得该方案无法实现多种物理量的同时测量。而分时测量的方案，一方面将延长测量的时间，使得采样率大大降低；另一方面，将无法实时的剔除各个物理量之间的相互影响，使得测量的精度无法进一步提高。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法，即解决现有技术无法解决的包含重力梯度在内的多个惯性量同时测量的问题，在提高测量精度的同时降低测量系统的成本、复杂性以及空间占用，达到物理系统的小型集成化和工程化。

本发明的目的是这样实现的：

为了对重力加速度、重力梯度和转动进行同步实时测量，主要基于双组份原子同步操作技术和前文所述的基于原子干涉仪的惯性测量技术【法国A.Bonnin等人曾利用双组份原子同步操作技术在同一个原子干涉仪中同时操纵双原子组份（Rb-85和Rb-87）达到共模抑制振动噪声的目的（Phys.Rev.A88,043615,2013），但他们并未将该技术应用于多个惯性物理量的同步测量领域】。

具体地说：

一、基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器（简称传感器）

本传感器包括结构相同的第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪和真空连通腔；

所述的第1惯性量敏感型冷原子干涉仪包括真空容器、三维磁光阱反向磁场线圈对、偏置磁场线圈对、碱金属样品和光电探测器以及第1、3、4激光光束发射器；

其位置和连接关系是：

真空容器是一种全封闭容器，包括三维磁光阱真空腔和原子干涉区真空腔；

碱金属样品设置在真空容器中；

以三维磁光阱真空腔的中心点为中心，沿空间对称的六个方向分别设置有三对发射方向均指向该中心的第1激光光束发射器，同时以竖直方向的一对第1激光光束发射器为轴，对称地设置有三维磁光阱反向磁场线圈对，构成三维磁光阱；

在三维磁光阱的上方，以原子干涉区真空腔为轴，设置有偏置磁场线圈对，光电探测器设置于原子干涉区真空腔的底端，构成原子干涉区；

其特征在于：

真空连通腔在水平方向连通第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪的两个原子干涉区，并在两个原子干涉区水平方向两端分别设置有两对对射的第3、4激光光束发射器；

碱金属样品中包含有2～4种碱金属原子或同位素；

第1、3、4激光光束发射器均为一种多频激光发射终端，可发射分别针对上述碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束。

二、基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器的测量方法（简称测量方法）

本测量方法利用多频激光在同一物理单元中同时独立操纵两种碱金属原子，对一种原子采用三脉冲π/2-π-π/2拉曼激光序列来测量加速度和重力梯度；对另一种原子采用四脉冲π/2-π-π-π/2拉曼光激光序列来测量转动速率;

包括有数据采集和数据处理两个过程：

第一、数据采集：

①第1、2惯性量敏感的冷原子干涉仪沿竖直方向以不同的组份速度发射两个含有两个组份的冷原子团，调整不同原子组份的初速度，使得不同组份原子团在空间分离形成4个单组份的第1、2、3、4冷原子团,且使得传感重力的原子组份两同步的第2、4原子团上升的最高点刚好被第2拉曼激光光束覆盖，而另一原子组份两同步原子团最高点高于第2拉曼激光光束，用来传感转动速率；

②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干布居数转移法将各原子团中的原子转移或筛选到某一个基态能级的磁量子数mF=0的磁子能级上；

③用第1、2拉曼激光光束对第2、4冷原子团进行三脉冲π/2-π-π/2拉曼光序列相干操作，而对第1、3原子团进行四脉冲π/2-π-π-π/2拉曼光序列相干操作；

④依次探测并记录4个第1、2、3、4冷原子团中原子在各基态的分布几率，获得相应的4个原始数据点：p1，p2，p3，p4；

⑤n次改变（扫描）拉曼激光的相位并重复步骤①～④，获得4组原始数据点(每组n个点)，即{p11，p12，p13，……p1n}，{p21，p22，p23，……p2n}，{p31，p32，p33，……p3n}，{p41，p42，p43，…p4n}；

第二、数据处理：

①将n次原始数据点转换为4个含有n个元素的1维数组，即：P1={p11，p12，p13，……p1n}，P2={p21，p22,p23，……p2n},P3={p21，p22，p23，……p2n}，P4={p41，p42，p43，……p4n}；数组P2、P4中分别存储了n次测量中记录两同步的第2、4冷原子团中原子在基态上能态或下能态的概率；P1、P3中分别存储了n次测量中记录两同步的第1、3冷原子团中原子在基态上能态或下能态的概率；

②数据拟合处理。

对数组P1和P3分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与转动速率的关系得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪测量的两个转动速率的值，将两个转动速率取平均以抵消部分系统误差得到最终的转动速率测量值；

对数组P2和P4分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与加速度a的关系，可以得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪测量的两个加速度的值，将两个加速度值取平均以抵消部分系统误差得到最终的加速度测量值；

对数组P2和P4直接采用椭圆拟合得到重力梯度值，椭圆拟合可以很好的共模抑制相位噪声，提高重力梯度测量的灵敏度。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用单一物理装置同时实现多个惯性量（加速度、重力梯度和转动）的同步测量，既可以实现一机多用，提高惯性传感器的集成度，又可以实现各惯性量之间的同步相互校正（如通过重力梯度的时间积分从加速度的测量值中将重力的变化剔除），提高测量的准确度，对于惯性导航领域具有非常重要的意义。

②重力加速度和重力梯度的异常分别对应于深层和浅表的地质结构的变化，因此该传感器可兼顾对深层和浅表地质结构勘测的灵敏度，所以除了可应用于惯性导航领域之外，在资源勘探、地震监测、地球物理研究等多个领域均可发挥重要作用。

③由于原子干涉仪对多个物理量均有响应，因此本传感器和测量方法还可以经过简单改造实现更加丰富多样的功能，例如保留其中一个冷原子干涉仪进行加速度和转动测量，再利用另外一个冷原子干涉仪来测量环境的磁场，以增加地磁匹配导航的功能。

附图说明

图1是基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器的结构示意图；

图2是真空容器的结构示意图；

图3是三能级原子受激拉曼跃迁示意图；

图4是π/2-π-π/2脉冲序列作用下原子波包运动示意图（无重力场情况）

图5是π/2-π-π/2脉冲序列作用下原子波包运动示意图（有重力场情况）；

图6是π/2-π-π-π/2脉冲序列作用下原子波包运动示意图（有重力场情况）。

图中：

A—第1惯性量敏感型冷原子干涉仪；

B—第2惯性量敏感型冷原子干涉仪；

C—真空连接腔；

1—二维磁光阱；

2—三维磁光阱；

3—原子干涉区；

11—真空容器，

111—二维磁光阱真空腔，

112—三维磁光阱真空腔，

113—原子干涉区真空腔；

21—三维磁光阱反向磁场线圈对；

22—二维磁光阱反向磁场线圈对；

30—偏置磁场线圈对；

40—碱金属样品；

50—光电探测器；

61—第1激光光束发射器；

62—第2激光光束发射器；

63—第3激光光束发射器；

64—第4激光光束发射器；

a1—三维磁光阱囚禁激光束；

a2—二维磁光阱囚禁激光束；

a3—第1拉曼激光光束；

a4—第2拉曼激光光束；

b—二维冷原子束；

c—冷原子团；

c1—第1冷原子团；

c2—第2冷原子团；

c3—第3冷原子团；

c4—第4冷原子团；

i—原子激发态能级；

e—原子基态上能级；

f—原子基态下能级；

h—一对拉曼激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器（简称传感器）

1、总体

如图1，本传感器包括结构相同的第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪A、B和真空连通腔C；

所述的第1惯性量敏感型冷原子干涉仪A包括真空容器11、三维磁光阱反向磁场线圈对21、偏置磁场线圈对30、碱金属样品40和光电探测器50以及第1、3、4激光光束发射器61、63、64；

如图2，真空容器11是一种全封闭容器，包括三维磁光阱真空腔112和原子干涉区真空腔113；

其位置和连接关系是：

碱金属样品40设置在真空容器11中；

以三维磁光阱真空腔112的中心点为中心，沿空间对称的六个方向分别设置有三对发射方向均指向该中心的第1激光光束发射器61，同时以竖直方向的一对第1激光光束发射器61为轴，对称地设置有三维磁光阱反向磁场线圈对21，构成三维磁光阱2；

在三维磁光阱2的上方，以原子干涉区真空腔113为轴，设置有偏置磁场线圈对30，光电探测器50设置于原子干涉区真空腔113的底端，构成原子干涉区3；

其特征在于：

真空连通腔C在水平方向连通第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪A、B的两个原子干涉区3，并在两个原子干涉区3水平方向两端分别设置有两对对射的第3、4激光光束发射器63、64；

碱金属样品40中包含有2～4种碱金属原子或同位素；

第1、3、4激光光束发射器61、63、64均为一种多频激光发射终端，可发射分别针对上述碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束。

所述的真空容器是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的钛金属材料制成的全封闭容器。

在三维磁光阱真空腔112的一侧，设置有二维磁光阱真空腔111，在垂直于二维磁光阱真空腔111的方向上设置两对对射且相互垂直的第2激光光束发射器62，以其中一对的第2激光光束发射器62为轴，对称地设置有二维磁光阱反相磁场线圈对22，构成二维磁光阱1。

第1、2、3、4激光光束发射器61、62、63、64或是配对使用且每一对都是对射结构，或一对中的另一个由1/4波片和反射镜的组合来代替。

2、功能部件

1）真空容器11

前述，如图2，真空容器11是一种全封闭容器，包括二维磁光阱真空腔111、三维磁光阱真空腔112和原子干涉区真空腔113；

真空容器11和真空泵连接，确保真空度优于10^-6Pa。

真空容器采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的钛金属材料制成。

2）三维磁光阱反向磁场线圈对21、二维磁光阱反向磁场线圈对22是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成。

3）偏置磁场线圈对30

偏置磁场线圈对30是一种通用的线圈，由金属导线绕制而成。

4）第1、2、3、4激光光束发射器61、62、63、64

第1、2、3、4激光光束发射器61、62、63、64是一种多频激光发射终端，可发射分别针对碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束，由激光器（例如半导体激光器）、光学调整系统（例如透镜、棱镜、声光、电光调制器等）、传播器件（例如光纤等）构成的，末端是光纤准直透镜组或反射镜系统。

5）碱金属样品40

碱金属样品40是锂、钠、钾、铷和铯等碱金属元素中或同位素中的任意2～4种。

6)光电探测器50

光电探测器50是一种通用的荧光信号的测量仪器，包括半导体光电二极管或光电倍增管及其辅助光、电路。

本传感器的特征及其效果：

①本传感器由第1、第2惯性量敏感型冷原子干涉仪A、B和真空连通腔C组成，在水平方向由真空连通腔C将两个原子干涉区3的真空连通为一体；碱金属样品40中包含有2～4种碱金属原子或同位素，同时第1、2、3、4激光光束发射器61、62、63、64均为一种多频激光发射终端，可发射分别针对碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束。

其效果是：

使得两个原子干涉环路可以由同一组拉曼激光脉冲同步操作，并且第1、2拉曼激光光束a3、a4可以无阻碍地依次作用于两个同步单组份第1、3冷原子团c1、c3或第2、4冷原子团c2、c4，避免了玻璃窗片的结构偏差及空气扰动造成与四团冷原子相作用的拉曼激光参数的不一致，这就使得来自外部环境的噪声和传感器内部的噪声（主要是来自拉曼激光参数的噪声）对两组干涉条纹的影响是同步的，并可以完全共模消除。

②在三维磁光阱2的一侧设置有二维磁光阱1

二维磁光阱1可以产生中心轴通过三维磁光阱2中心的二维冷原子束b，大大提高三维磁光阱2抓捕原子的速度；可使得一个三维磁光阱2能够在很短的时间内制备（抓捕）足够原子数目的多组份原子团，可以提高测量的数据速率。

③真空容器11由钛金属材料制成或采用全玻璃结构

其效果是：

使得整个传感器的无磁特性大幅度优于传统不锈钢材料，可避免整个容器携带非均匀磁场使得原子能级的塞曼劈裂发生起伏，从而导致激光相位偏差的累加；同时使得整个传感器的采样率指标优于传统铝合金材料，由于钛材料的电阻远大于铝材料，故可以减少磁场开关过程中所产生的感应涡流存在的时间，提高测量的速度。

④第1、2、3、4激光光束发射器61、62、63、64都是配对使用且每一对都是对射结构，所以一对中的一个可使用反射镜和1/4波片的组合来代替。

其效果是：

使得部分激光光束可以通过直接反射与其相向传播的激光光束来得到，一方面可以使得整个传感器的光学系统变得简洁；另一方面对于第1、2拉曼激光光束a3、a4，使用反射镜作为其中一个第3、4激光光束发射器63、64的核心部件可以使得两对拉曼激光光束在绝大部分传播路径当中是重合的，这样可以极大程度地共模抑制掉由传播路径所引入拉曼激光中的噪声。

二、本发明实施例

以下按照冷原子团的制备、冷原子团的发射、原子相干操作及数据采集和处理四个过程阐述本传感器的工作原理及其测量方法。

碱金属原子源含有两种原子组份（如Rb-87和Rb-85），为同时操作两种原子组份，相应的第1、2、3、4激光光束发射器同时或分时输出两种原子组份所需的多种频率成份。由于两种原子所需的激光频率差别很大，所以每种原子组份仅与自己对应的频率的激光作用，而不受另一组份的频率激光的影响，可视为两个使用单一原子组份的独立原子干涉仪理解。

冷原子团c的制备是在三维磁光阱真空腔112的中心。沿该中心对称设置有三对两两对射且相互垂直的第1激光光束发射器61，所发射的六束三维磁光阱囚禁激光束a1相交于该中心，再加上反相磁场线圈对21产生的磁场，构成冷却和囚禁碱金属原子的三维磁光阱2。三维磁光阱冷却和囚禁原子的工作原理如图1所示，具体如下：

以速度为v沿1对对射激光场中运动原子，在激光频率ω相对于原子的共振跃迁频率ω₀红失谐（即ω<ω₀）的条件下，由于多普勒效应，逆激光传播方向运动原子感受到的激光频率比沿激光传播方向运动原子感受到的激光频率更接近原子共振频率ω₀。当激光频率越接近原子的共振吸收频率时，原子吸收光子的概率就越大。因此，运动的原子在逆向激光场中吸收的光子比在同向激光场中吸收的多，从而获得一个与原子初速度方向相反的作用力实现原子减速。利用图1所示的三对两两对射且相互垂直的三维磁光阱囚禁激光光束a1能够实现原子的三维减速。三维磁光阱2中的反向磁场线圈对21的中心与六束三维磁光阱囚禁激光光束a1的交点重合，其作用是产生一个中心为0且沿三维方向强度增加的梯度磁场。由于塞曼效应会使得能级随着磁场强度的变化而发生移动，因此可以通过选择适当的跃迁磁子能级使得偏离中心的原子以更大的几率吸收指向中心的光子从而获得具有囚禁作用的回复力，使得原子被冷却和囚禁在磁光阱的中心区域，获得原子数密度足够高的冷原子团c。

为了提高三维磁光阱2中囚禁原子的数目和装载速度，在三维磁光阱2的一侧设置有能产生二维冷原子束b的二维磁光阱1。与三维磁光阱2的不同点在于，二维磁光阱1仅使用两对垂直于二维磁光阱真空腔111的轴线的二维磁光阱囚禁激光束a2对原子在两个维度上（如图1中的上下和前后方向，垂直纸面的前后方未画出）进行冷却和囚禁，在第三个维度上令其自由扩散或另加一束推载激光来使其定向运动，扩散或运动的方向指向三维磁光阱2的中心，这样便可以大大增加三维磁光阱2中的囚禁原子数和装载的效率。所使用的二维磁光阱囚禁激光束a2为长条型，可使用一个椭圆形光束或多个圆形光束构成阵列，所使用的二维磁光阱反向磁场线圈对22可以是沿某一个囚禁维度的一对线圈或者是沿两个囚禁维度分别设置的两对线圈。

冷原子团c制备完成之后，接下来就是通过光学粘胶技术向上加速原子团如图1所示。首先关闭由反向磁场线圈对21所产生的磁场，然后将垂直向下的第1激光光束发射器61发射的激光光束频率调低Δf，将垂直向上的第1激光光束发射器61发射的激光光束的频率调高Δf，由于多普勒效应原子吸收具有向上方向分量的光子的几率增加，将获得值为λΔf的向上初速度分量；同时将水平两对第1激光光束发射器61中在原子团c右侧(如图1所示)的激光发射器激光频率调低Δf′，而左侧的两个频率调高Δf′，原子将获得水平方向且向右的值为2^1/2λΔf′水平方向的初速度，实现原子的向上发射，其中λ为激光的波长。通常水平初速度的值Δf′2^1/2λ选取很小，在水平方的位移为mm量级。这种上抛式方案可以在相同的装置高度下，使原子获得加倍的浮空时间以及拉曼脉冲间隔，而拉曼脉冲之间的时间间隔直接关系到测量的灵敏度，因此该结构可以获得更高的测量精度。

冷原子团c发射之后,首先要对原子的初态进行制备。由于原子的能级在磁场中会按照磁量子数m_F发生分裂，m_F≠0的磁子能级会随磁场强度变化发生移动，从而造成等效拉曼激光相位的混乱，而m_F=0的磁子能级在磁场中几乎不发生任何移动，因此要将原子全部制备或筛选到某一个下能级的磁场不敏感的m_F=0磁子能级上。可以采用激光或微波泵浦的方法（两个m_F=0能级之间不能直接发生跃迁，因此可以使用令磁子能级不发生改变的π光/微波，另原子聚集在m_F=0磁子能级上）或者筛选法（先用共振激光将一个下能级上的原子推走，再用拉曼激光脉冲将另一个能级的m_F=0磁子能级上的原子通过虚上能级转移到该能级的m_F=0磁子能级上来，最后再将另一个能级上的剩余原子清空），实现原子在m_F=0磁子能级上的布居。

冷原子团在选态之后，进行拉曼激光相干操作。原子在第1惯性量敏感装置和第2惯性量敏感装置竖直方向中心轴确定的平面内做抛物线运动如图1所示。在浮空过程中，下落到光电探测器50的探测区域之前，利用第3和第4激光光束发射器63和64发出的拉曼光对一种原子组份的同步第2、4冷原子团c2、c4先后发射π/2-π-π/2三对拉曼激光脉冲对a3、a4、a3，三对拉曼激光脉冲对之间的时间间隔均为T。利用这种π/2-π-π/2脉冲构型，可以实现两个冷原子干涉回路测量本地重力加速度和梯度，其中第2冷原子团c2（或第4冷原子团c4）在π/2-π-π/2拉曼光脉冲作用下的运动轨迹和内态改变如图5所示；对另外一种原子组份的第1、3冷原子团c1、c3进行π/2-π-π-π/2四脉冲拉曼激光脉冲对a3、a4、a4、a3，实现另外两个原子干涉回路测量转动速率，四对拉曼脉冲激光对之间的时间间隔分别为T、2T、T，其中第1冷原子团c1（或第3冷原子团c3）在π/2-π-π-π/2拉曼光脉冲作用下的运动轨迹和内态改变如图6所示。具体工作原理如下：

虽然用于传感惯性量的原子组份有两种，但拉曼激光脉冲的作用机制是相同的，都可以图2所示的三能级原子与光场相互作用模型来简单描述拉曼激光脉冲对h与碱金属原子的相互作用，其中f、e为原子两个基态子能级，i为原子激发态。拉曼激光脉冲对由频率为ω₁、ω₂的两束激光构成，该脉冲对与原子相互作用时，通过选择合适的ω₁、ω₂，使ω₁、ω₂相对于原子能级之间跃迁频率的失谐Δ>>Γ(Γ为原子激发态能级宽度)，可以有效抑制原子的自发辐射。因此原子只能通过对激光光子的受激吸收或受激辐射来改变其内部状态，从而构成双光子受激拉曼跃迁，并且在吸收和释放光子的过程中，原子的动量也发生变化，使得原子外部运动状态与内部能态相关联。

在Δ>>Γ且Δ>>Ω₁、Ω₂（Ω₁、Ω₂分别为构成拉曼激光脉冲对h的两束激光的拉比频率）的大失谐条件下，原子激发态i可以被绝热消除，该三能级原子等效为只有原子基态下能级f和原子基态上能级e的二能级原子，初态处于基态下能级f的原子与拉曼激光脉冲对h发生双光子受激拉曼跃迁作用后，原子处在基态下能级f和基态上能级e的概率分别为P_f=(1+cosΩ_efft)/2和P_e=(1-cosΩ_efft)/2，其中t是拉曼激光脉冲对h的作用时间，Ω_eff是拉曼激光脉冲对h的有效拉比频率。以上式子表明原子最终处于f态或e态的概率随拉曼激光脉冲对h作用时间t的变化曲线是以Ω_eff为周期的正弦曲线，作用时间为t=π/2Ω_eff的脉冲称为π/2拉曼激光脉冲对h，t=π/2Ω_eff的脉冲称为π拉曼激光脉冲对h。

用π/2-π-π/2构型的拉曼激光脉冲对h依次作用于初态为原子基态下能级f的原子，在不考虑地球重力场影响的条件下，原子在三对拉曼激光脉冲对h作用下的运动轨迹如图4所示。第一个π/2拉曼激光脉冲对h使原子处于基态下能级f和基态上能级e的叠加态，并且在空间上将处于基态下能级f和基态上能级e的原子分开，相当于光学干涉仪中的分束镜；π拉曼激光脉冲对h使处于基态下能级f的原子变为原子基态上能级e的原子，处于基态下能级f的原子变为基态上能级e的原子，相当于光学干涉仪中的反射镜；第二个π/2拉曼激光脉冲对h使两个不同路径的原子产生干涉效应，相当于光学干涉仪中的合束，这样就构成一个冷原子干涉仪。设三对拉曼激光脉冲对h的初始相位分别为 原子与三对拉曼激光脉冲对h作用后处于原子基态下能级f和原子基态上能级e的概率分别为和 由上述式子可以得到，原子最终处于原子基态下能级f或原子基态上能级e的概率随三对拉曼激光脉冲对h的位相变化做正弦振荡，这个正弦条纹为干涉条纹，为干涉条纹的相位差。

如果考虑地球重力场的影响，原子在地球重力场中的运动如图5所示，并且三对拉曼激光脉冲对h的初始相位在空间稳定分布，脉冲之间时间间隔T相等，则干涉条纹末态相位的改变量为其中为拉曼激光脉冲对h的有效波矢，此式表明干涉仪的末态相位只和拉曼激光脉冲对h的有效波矢本地重力加速度以及脉冲之间的时间间隔T有关。因此通过测量末态原子在原子基态下能级f和原子基态上能级e的布居数就能得到本地重力加速度

在π/2-π-π/2构型的原子干涉仪中，将第三个拉曼激光脉冲对h的相位变化δφ，则末态原子处于原子基态上能级e的概率为通过在每次干涉过程中改变不同的δφ，可以得到一个P_e关于δφ的正弦曲线，拟合该正弦曲线的相位，就能够计算出重力加速度的大小和不确定度。对于两个原子干涉仪组成的重力梯度仪，我们也可以将两个干涉条纹分别拟合计算出重力值，然后相减可以得到重力梯度值，但是这样做得到的重力梯度的方差是两个单独重力仪方差的和，无法达到共模抑制条纹相位噪声的目的。为了更好的抑制两个干涉仪的共模噪声，采用椭圆拟合的方法处理数据。椭圆拟合的原理如下：

设两个干涉仪的干涉条纹分别为 其中为两个干涉仪的相位差。将上述两个方程消去δφ，可以得到P_a1和P_a2的关系为：

在（或π）时上述方程是一个椭圆方程，以目标函数Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F=0对数据进行拟合，则两个干涉仪的相位差满足运用最小二乘拟合法得到参数A、B、C、D、E、F的值，从而得到的值，并由获取重力梯度的值。

上述椭圆拟合的方程中没有出现两个干涉条纹的相位和而只出现了条纹的相位差由此，环境中各种对两个干涉仪末态相位起相同作用的噪声可以被有效消除。因此用椭圆拟合的方法能有效抑制两个干涉仪的共模相位噪声，提高测量的精度和灵敏度。

考虑重力场的情况下，π/2-π-π-π/2构型的四脉冲拉曼激序列作用下原子的运动轨迹如图6所示。在最高点两个路径相互重合，效果相当与一个π脉冲作用，所以π/2-π-π-π/2构型的四脉冲拉曼激序列可以等效为两个连续的π/2-π-π/2构型的三脉冲拉曼激光序列的叠加，写成更直观的形式为π/2-π-π-π/2等效为π/2-π-π/2+π/2-π-π/2。所以四脉冲构型的原子干涉仪中原子波包沿两干涉臂演化的相位差为两个三脉冲构型的原子干涉仪的两臂相位差叠加，即

其中m为原子质量，为普朗克常数除以2π，Ω为原子感受到转动速率，A为干涉回路包围面积，拉曼激光的有效波矢，T为没冲间隔时间，Δφ₀初始相位，局部重力加速度。相位差Δφ中没有出现重力效应原因是在前后两个三脉冲拉曼序列中重力效应相符号刚好相反抵消掉，只保留了旋转效应有关相。末态中原子处于原子基态上能级e的概率为

与三脉冲拉曼激光序列中获得重力值的方法类似，通过在每次干涉过程中改变不同的δφ，可以得到一个P_e关于δφ的正弦曲线，拟合该正弦曲线的相位就能够计算出转动的角速度的一个分量的大小和不确定度。

综上所述，该方案在单一物理装置上操纵多个原子组份实现多个惯性参数（加速度、重力梯度和转动速率）的同时确定，利用惯性参数之间的相关性，在提高测量精度的同时降低测量系统的成本、复杂性以及空间占用，达到物理系统的小型集成化、工程化目的。

Claims (1)

1.一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器的测量方法，

组合惯性传感器包括结构相同的第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)和真空连通腔(C)；

所述的第1惯性量敏感型冷原子干涉仪(A)包括真空容器(11)、三维磁光阱反向磁场线圈对(21)、偏置磁场线圈对(30)、碱金属样品(40)和光电探测器(50)以及第1、3、4激光光束发射器(61、63、64)；

其位置和连接关系是：

真空容器(11)是一种全封闭容器，包括三维磁光阱真空腔(112)和原子干涉区真空腔(113)；

碱金属样品(40)设置在真空容器(11)中；

以三维磁光阱真空腔(112)的中心点为中心，沿空间对称的六个方向分别设置有三对发射方向均指向该中心的第1激光光束发射器(61)，同时以竖直方向的一对第1激光光束发射器(61)为轴，对称地设置有三维磁光阱反向磁场线圈对(21)，构成三维磁光阱(2)；

在三维磁光阱(2)的上方，以原子干涉区真空腔(113)为轴，设置有偏置磁场线圈对(30)，光电探测器(50)设置于原子干涉区真空腔(113)的底端，构成原子干涉区(3)；

真空连通腔(C)在水平方向连通第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)的两个原子干涉区(3)，并在两个原子干涉区(3)水平方向两端分别设置有两对对射的第3、4激光光束发射器(63、64)；

碱金属样品(40)中包含有2～4种碱金属原子或同位素；

第1、3、4激光光束发射器(61、63、64)均为一种多频激光发射终端，可发射分别针对上述碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束；

所述的真空容器是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的钛金属材料制成的全封闭容器；

在三维磁光阱真空腔(112)的一侧，设置有二维磁光阱真空腔(111)，在垂直于二维磁光阱真空腔(111)的方向上设置两对对射且相互垂直的第2激光光束发射器(62)，以其中一对的第2激光光束发射器(62)为轴，对称地设置有二维磁光阱反相磁场线圈对(22)，构成二维磁光阱(1)；

第1、2、3、4激光光束发射器(61、62、63、64)或是配对使用且每一对都是对射结构，或一对中的另一个由1/4波片和反射镜的组合来代替；

其特征在于测量方法是：

第一、数据采集：

①第1、2惯性量敏感的冷原子干涉仪沿竖直方向以不同的组份速度发射两个含有两个组份的冷原子团(c),调整不同原子组份的初速度，使得不同组份原子团在空间分离形成4个单组份的第1、2、3、4冷原子团(c1、c2、c3、c4),且使得传感重力的原子组份两同步的第2、4冷原子团(c2、c4)上升的最高点刚好被第2拉曼激光光束(a4)覆盖，而另一原子组份两同步第1、3原子团(c1、c3)最高点高于第2拉曼激光光束(a4)，用来传感转动速率；

②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干布居数转移法将各原子团中的原子转移或筛选到某一个基态能级的磁量子数mF＝0的磁子能级上；

③用第1、2拉曼激光光束(a3、a4)对第2、4冷原子团(c2、c4)进行三脉冲π/2-π-π/2拉曼光序列相干操作，而对第1、3冷原子团(c1、c3)进行四脉冲π/2-π-π-π/2拉曼光序列相干操作；

④依次探测并记录4个第1、2、3、4冷原子团(c1、c2、c4、c3)中原子在各基态的分布几率，获得相应的4个原始数据点：p1，p2，p3，p4；

⑤n次改变拉曼激光的相位并重复步骤①～④，获得4组原始数据点，每组n个点，即{p11，p12，p13，……p1n}，{p21，p22，p23，……p2n}，{p31，p32，p33，……p3n}，{p41，p42，p43，…p4n}；

第二、数据处理：

①将n次原始数据点转换为4个含有n个元素的1维数组，即：P1＝{p11，p12，p13，……p1n}，P2＝{p21，p22,p23，……p2n},P3＝{p21，p22，p23，……p2n}，P4＝{p41，p42，p43，……p4n}；数组P2、P4中分别存储了n次测量中记录两同步的第2、4冷原子团(c2、c4)中原子在基态上能态或下能态的概率；P1、P3中分别存储了n次测量中记录两同步的第1、3冷原子团(c1、c3)中原子在基态上能态或下能态的概率；

②数据拟合处理

对数组P1和P3分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与转动速率的关系得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)测量的两个转动速率的值，将两个转动速率取平均以抵消部分系统误差得到最终的转动速率测量值；

对数组P2和P4分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与加速度a的关系，可以得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)测量的两个加速度的值，将两个加速度值取平均以抵消部分系统误差得到最终的加速度测量值；

对数组P2和P4直接采用椭圆拟合得到重力梯度值。