CN105066991A - 基于冷原子干涉原理的惯性测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，所述惯性测量设备包括3个惯性测量单元、拉曼激光器、可调节分光比的分光设备，每个所述惯性测量单元包括：单模窄线宽激光器、干涉腔、光纤分束器、四个声光调制器AOM和一个电光调制器EOM，所述干涉腔中填充有铷原子蒸汽，所述拉曼激光器发出的拉曼激光通过可调节分光比的分光设备分成3束拉曼激光，输出给三个惯性测量单元，三束拉曼激光的入射方向彼此正交。本发明设计了一种合理的结构方案，将三个原子干涉仪组成金字塔形式安装,使三个原子干涉仪敏感的加速度方向正交，敏感的角速度方向也是正交的。三个原子干涉仪共用一套激光系统，从而实现原子干涉过程的同步，如此基于原子干涉仪的惯性测量单元能够同时敏感六自由度的惯性参量。

Description

基于冷原子干涉原理的惯性测量设备

技术领域

本发明涉及原子惯性测量技术领域，特别涉及一种高精度惯性测量设备，适用于隐蔽性高、导航系统重调周期长的平台。

背景技术

惯导系统的定位误差会随时间发散，导致定位误差越来越大。要制造高精度的惯导系统，必须要求惯性器件有高精度。到目前为止，陀螺仪经历了传统的液浮陀螺，静电陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺等里程碑式的发展阶段。随着原子光学的兴起和激光技术的发展，基于物质波干涉的原子陀螺仪和原子加速度计成为目前国内外研究的热点，被认为是下一代高精度惯性导航技术发展的主要方向。

理论计算表明，同样环路面积的原子陀螺仪比光学陀螺仪灵敏度高出10¹⁰倍。考虑到原子陀螺仪干涉回路面积和冷原子数量等制约因素，原子陀螺比光学陀螺仍然有三个数量级的优势。目前实验室已实现的原子陀螺零偏稳定性为7×10^-5°/h，原子加速度计实现的加速度测量分辨率为10^-11g。因此，未来在不使用GPS或其它外部辅助技术的情况下，原子惯导系统可实现精度为5m/h的导航能力。

要实现高精度的原子惯性测量单元，除了需要高精度的角速度和线加速度测量信息，还需要保证三个正交方向上惯性量同时输出。在传统的原子干涉惯性测量方案中，大多是只能测量一个方向的角速率信息和加速度信息，这并不能作为惯性测量单元使用。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Raman光构型可以实现三个正交方向上加速度和转动速率的分时测量，由于这六个惯性参量不能同时输出，因此也不满足惯性测量设备的要求。

发明内容

本发明的目的是为了充分利用原子干涉仪测量的高精度惯性参量，提供一种六自由度的惯性参量测量单元，采用该方案能够实现三维角速度和三维线加速度的同步测量，实现高精度的惯性导航。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于：

所述惯性测量设备包括3个惯性测量单元、拉曼激光器、可调节分光比的分光设备，每个所述惯性测量单元包括：单模窄线宽激光器、干涉腔、光纤分束器、四个声光调制器AOM和一个电光调制器EOM，所述干涉腔中填充有铷原子蒸汽，

所述拉曼激光器发出的拉曼激光通过可调节分光比的分光设备分成3束拉曼激光，输出给三个惯性测量单元，三束拉曼激光的入射方向彼此正交，

单模窄线宽激光器产生780nm的激光，通过光纤分束器分成5束光：第一光束、第二光束、第三光束、第四光束、第五光束，其中，第一光束、第二光束、第三光束、第四光束分别经过AOM1、AOM2、AOM3、AOM4，第五束光经过EOM，

其中第一光束、第二光束、第三光束经过AOM1、AOM2、AOM3的调节后作为冷却光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝2共振跃迁负失谐12MHz处，第四光束经AOM4调节后作为探测光I和态制备光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝3的共振跃迁谱线上，第五束光作为回泵光和探测光II频率在87Rb原子5²S_1/2F＝1→5²P_3/2F’＝2的共振跃迁谱线上；

分别对第一光束、第二光束、第三光束的冷却光进一步分光，每束光分成四束，形成12束冷却光，6束作为一组，每组中的6束光两两对射进入干涉腔，并且两两正交；

将作为回泵光的第五光束等分成四束，每两束加入到一组冷却光中，与冷却光中的相应光束合束，射入干涉腔中，对87Rb原子进行冷却和囚禁，在干涉腔中形成两个冷却原子团，

增加AOM1所调整出的光束的频率2.2M，同时减小AOM2所调整出的光束的频率2.2M，实现两个冷却原子团的对抛，

对AOM4出射的激光进行分光，作为两束探测光I和态制备光，将两束态制备光分别与两个冷却原子团相互作用，将两个冷却原子团中的铷原子统一制备到F＝2,m_F＝0的态上；

利用拉曼激光器产生拉曼光，分三次照射对抛原子团，第一次照射使冷原子团分束，第二次照射冷原子团偏转，第三次照射使冷原子团合束，在冷原子团合束的过程中，冷原子团将产生干涉，

利用探测光I照射并与干涉后的原子团相互作用，使冷原子团产生荧光，然后，利用探测光II进一步照射冷原子团，使荧光加强，

对于每个冷原子团，分别测量两次探测光照射后所产生的荧光光强，计算两次荧光的光强比，基于光强比计算干涉后的原子跃迁概率，基于原子跃迁概率计算冷原子团干涉的相位，基于对两个原子团测量所得到的干涉相位计算该原子干涉单元的角速率和线加速度；

通过三个原子干涉单元同步测量三个正交的角速率和线加速度。

拉曼光对冷原子团进行照射时，三次照射的脉冲时间不同。第一次照射的脉冲为π/2脉冲，第二次的脉冲为π脉冲，第三次照射的脉冲为π/2脉冲，可以实现冷原子团的分束、反射以及合束。该过程基于马赫泽德干涉仪的原理，这里不再详述。

进一步地，采用石英玻璃材料制作所述干涉腔。

进一步地，每团原子干涉的相位变化中同时包含转动和加速度引起的相位，通过测量原子干涉相位差来敏感角运动和线运动。

进一步地，所述惯性测量单元是基于Sagnac效应来敏感旋转角速率。

进一步地，所述可调分光比的分光设备包括：半波片、第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜偏振分光棱镜，所述第二棱镜为50％:50％的分光棱镜。

进一步地，所述惯性测量单元所敏感的角速度方向垂直于拉曼激光和原子抛射方向所构成的平面。

进一步地，所述惯性测量单元敏感的加速度方向与拉曼激光方向平行。

进一步地，在分束时，所述第一光束、第二光束、第三光束、第四光束、第五光束的分光比为32：32：32：2：2。

本发明的惯性测量设备由三个结构完全相同的惯性测量单元组成，每个惯性测量单元优选为双MOT对抛式原子干涉仪。每一个惯性测量单元能够同时输出一组角速度信息和加速度信息，三个惯性测量单元同时敏感六自由度的惯性参量用于导航解算。惯性测量设备中三个腔体的Raman激光正交设置，敏感的三维角速度和三维加速度信息相互正交，实现全姿态导航解算。惯性测量设备安装在稳定平台上组成惯导系统，导航计算机根据惯性测量单元输出的角运行和线运动信息解算出载体的航向、姿态、速度及位置等信息。

一个惯性测量单元中利用12束冷却光，其中的4束冷却光中和并有回泵光。并且，利用2束态制备光、1束拉曼光(3次照射)和2束探测光，其中态制备光和探测光共用光路，因此每个惯性测量单元利用17束激光。

拉曼激光三次照射的时序间隔设置为4ms，这样做的目的是减小原子干涉的基线长度。较小的基线长度有利于提升原子干涉仪的动态范围，当原子干涉仪倾斜放置时，原子轨迹的变化量可以忽略不计。

每一个惯性测量单元通过拉曼激光与两团对抛的原子团作用，产生的干涉相位中同时包含了转动和加速度引起的相位变化，因此每一个惯性测量单元能同时测量一维角速度和一维线加速度，其中敏感角速度方向垂直于原子抛射和拉曼激光所组成的平面，敏感加速度方向平行于拉曼激光。

目前常规的惯性测量组件由三个陀螺和三个加速度计组成，陀螺和加速度计安装在相互正交的三维坐标轴上，敏感惯性空间所有的运动信息。基于冷原子的惯性测量单元中由于对抛的两团原子都受重力的作用，为了保证三个惯性测量单元工作状态具有一致性，只能采取平抛的方式用于测量转动和线运动，不能简单的将三个原子干涉仪正交安装用于惯性测量。

三组惯性测量组件的干涉腔体平行水平面成正三角形放置，干涉腔体内的原子团平行水平面对抛；设置每个原子干涉腔内的拉曼激光方向垂直于原子团抛射方向，并且三个干涉腔体内的拉曼激光互相垂直，静态时三个腔体的拉曼激光与水平面夹角同为54.7°，此设计保证三个原子干涉仪组成的惯性测量单元能够敏感三个正交方向的线加速度信息和三个正交方向的角速度信息，三组原子干涉仪共用一组激光光源，控制不同腔体内的激光时序同步，实现六自由度惯性参量的同步测量，将原子惯性测量单元安装在稳定平台上确保三组原子干涉仪有相同的工作状态，导航计算机根据测量的惯性参量解算出载体的航向、姿态、速度及位置等信息。

本发明设计了一种合理的结构方案，将三个原子干涉仪组成金字塔形式安装,使三个原子干涉仪敏感的加速度方向正交，敏感的角速度方向也是正交的。三个原子干涉仪共用一套激光系统，从而实现原子干涉过程的同步，如此基于原子干涉仪的惯性测量单元能够同时敏感六自由度的惯性参量。

说明书附图

图1为本发明的基于冷原子干涉原理的惯性测量设备的干涉腔的结构示意图

图2为原子惯性测量单元的各束光的频谱关系示意图；

图3为对于每个惯性测量单元的激光时序图；

图4为可调分光比的分光设备的结构示意图；

图5为差分型双喷泉原子干涉陀螺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于冷原子的惯性测量设备的具体实施方法加以说明。

在实施例中，惯性测量设备包括3个惯性测量单元、拉曼激光器、可调节分光比的分光设备，每个所述惯性测量单元包括：单模窄线宽激光器、干涉腔、光纤分束器、四个声光调制器AOM和一个电光调制器EOM，干涉腔中填充有铷原子蒸汽

如图1所示为原子惯性测量设备的三个干涉腔的结构示意图，三组原子干涉腔体平行水平面成正三角形放置。每一个干涉腔体内通过两组冷却光形成两个冷原子团，每组冷却光包括6束，6束冷却光两两对射，6束冷却光中的两束并入有回泵光。然后，通过调节6束冷却光一束或多束的频率，实现原子团的抛出。

根据需要可以调节两组冷却光，实现两个原子团平行水平面对抛，然后，三组拉曼激光按一定的时序在不同时刻作用于原子团，第一次照射实现冷原子团的分束，第二次照射实现冷原子团的偏转，第三次照射实现冷原子团的合束(这个过程式鲜有技术中的原子干涉仪可以实现的，这里不再详述)。探测器测量原子团在激光作用下原子干涉的相位差，解算出干涉仪相对于惯性空间的角运动和线运动信息，每一个惯性测量单元敏感的加速度方向平行于拉曼激光的方向，敏感的角速度方向垂直于拉曼激光和原子抛射方向所组成的平面。

在具有角运动的平面内，同一时刻发出的两束分别沿顺时针和逆时针传播的冷原子团相遇时所走的路程不一样，两团冷原子干涉时相位大小与旋转角速度成正比，通过测量两束波的相位差来测量角速度。三组原子干涉仪共用一组激光光源，确保作用到三组原子干涉仪上的激光频率和时序相同，实现惯性测量单元所敏感的六个惯性参量同步测量。

原子惯性测量单元敏感轴，加速度敏感方向平行于拉曼激光方向，如图中a1、a2、a3所示，角速度敏感方向垂直于拉曼激光和原子干涉腔组成的平面，如图中Ω1、Ω2、Ω3所示。加速度敏感轴和角速度敏感轴成一固定的角度，在导航解算过程中，可以采用姿态变换矩阵转换到同一坐标系。

如图2所示为各束光的频谱关系，其中示出了冷却光、回泵光、态制备光、拉曼光和探测光的频率设置。探测光1和态制备光频率相同，频率设定在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝3的共振跃迁谱线上；探测光2和回泵光频率相同，频率设定在87Rb原子5²S_1/2F＝1→5²P_1/2F’＝2的共振跃迁谱线上；Raman激光包含两种频率的激光，它们的频率要求相差6.8GHz，相对于87Rb原子5²P_1/2F’＝1态远红失谐900MHz。这些不同功能的激光与原子的作用时序如图3所示。

为保证惯导系统的导航解算精度，要求三束拉曼激光构成的正交系轴系误差在角秒级。如图4所示是为拉曼激光专门设计的分束棱镜，该棱镜由三部分组成。其中，该棱镜包括第一棱镜3、第二棱镜4和第三棱镜5，三者整体为一矩形，第一棱镜3为矩形的一角，即，一三棱柱形，其截面为顶角为直角的等腰三角形，三棱柱的轴线沿竖直方向。第三棱镜5为矩形的另一角(图中右下角)，其结构也是一三棱柱形，其截面为顶角为直角的等腰三角形，三棱柱的轴线沿水平方向。矩形的剩余部位为第二棱镜4。第一棱镜3和第二棱镜4的相交面镀偏振分光膜，使得第三棱镜和第四棱镜组成一个偏振分光棱镜，第二棱镜4和第三棱镜5的相交面镀50/50分光膜，使得第五棱镜和第四棱镜组成一个分光比为50/50的分光棱镜。

棱镜前放置一个二分之一玻片2，拉曼激光1经二分之一波片2后正入射到棱镜的端面上，在第一棱镜3和第二棱镜4的胶合面上一分为二，反射光6作为拉曼光a；透射光在第二棱镜4和第三棱镜5的胶合面一分为二，透射光7作为拉曼激光b，反射光8作为拉曼激光c，调节二分之一波片，使三束拉曼激光的能量相等，同时该结构的棱镜可以保证三束拉曼激光彼此正交。

本发明中，为了实现一次干涉即可输出角速率和线加速度信息，采用双原子团对抛方案。利用两团冷原子左右对抛，在三个拉曼激光脉冲作用下形成两个干涉回路，如图5中黑色实线平行四边形和灰色虚线平行四边形所示。

图中左边干涉仪(黑色实线)所产生的干涉相位：

ΔΦ_L＝K_effa_ZT²+2K_effΩ_Xv_YT²(1)

右边干涉仪(灰色虚线)中原子运动速度与左边干涉仪中原子运动速度在Y轴上的投影大小相等符号相反，产生的干涉相位为：

ΔΦ_R＝K_effa_ZT²-2K_effΩ_Xv_YT²(2)

基于上述公式(1)和(2)，可以得到该惯性测量单元(干涉仪)的加速度和角速度为： $a_z=\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_L+{\mathrm{\Δ\Φ}}_R}{2K_{eff}{T}^2},{\mathrm{\Ω}}_X=\frac{{\mathrm{\Δ\Φ}}_L-{\mathrm{\Δ\Φ}}_R}{4K_{eff}{v}_Y{T}^2}$

本发明设计的原子惯性测量单元能够敏感到六自由度的惯性参量，能够实现全空间运动信息的敏感，由于原子干涉仪测量角度和加速度的精度都高于现有的陀螺和加速度计，采用此方案设计的惯性测量单元可以极大的提高惯性导航系统精度。

Claims (8)

1.一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于：

所述惯性测量设备包括3个惯性测量单元、拉曼激光器、可调节分光比的分光设备，每个所述惯性测量单元包括：单模窄线宽激光器、干涉腔、光纤分束器、四个声光调制器AOM和一个电光调制器EOM，所述干涉腔中填充有铷原子蒸汽。

2.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于：

所述拉曼激光器发出的拉曼激光通过可调节分光比的分光设备分成3束拉曼激光，输出给三个惯性测量单元，三束拉曼激光的入射方向彼此正交，

单模窄线宽激光器产生780nm的激光，通过光纤分束器分成5束光：第一光束、第二光束、第三光束、第四光束、第五光束，其中，第一光束、第二光束、第三光束、第四光束分别经过AOM1、AOM2、AOM3、AOM4，第五束光经过EOM，

其中第一光束、第二光束、第三光束经过AOM1、AOM2、AOM3的调节后作为冷却光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝2共振跃迁负失谐12MHz处，第四光束经AOM4调节后作为探测光I和态制备光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝3的共振跃迁谱线上，第五束光作为回泵光和探测光II频率在87Rb原子5²S_1/2F＝1→5²P_3/2F’＝2的共振跃迁谱线上；

分别对第一光束、第二光束、第三光束的冷却光进一步分光，每束光分成四束，形成12束冷却光，6束作为一组，每组中的6束光两两对射进入干涉腔，并且两两正交；

将作为回泵光的第五光束等分成四束，每两束加入到一组冷却光中，与冷却光中的相应光束合束，射入干涉腔中，对87Rb原子进行冷却和囚禁，在干涉腔中形成两个冷却原子团，

增加AOM1所调整出的光束的频率2.2M，同时减小AOM2所调整出的光束的频率2.2M，实现两个冷却原子团的对抛，

对AOM4出射的激光进行分光，作为两束探测光I和态制备光，将两束态制备光分别与两个冷却原子团相互作用，将两个冷却原子团中的铷原子统一制备到F＝2,m_F＝0的态上；

利用拉曼激光器产生拉曼光，分三次照射对抛原子团，第一次照射使冷原子团分束，第二次照射冷原子团偏转，第三次照射使冷原子团合束，在冷原子团合束的过程中，冷原子团将产生干涉，

利用探测光I照射并与干涉后的原子团相互作用，使冷原子团产生荧光，然后，利用探测光II进一步照射冷原子团，使荧光加强，

对于每个冷原子团，分别测量两次探测光照射后所产生的荧光光强，计算两次荧光的光强比，基于光强比计算干涉后的原子跃迁概率，基于原子跃迁概率计算冷原子团干涉的相位，基于对两个原子团测量所得到的干涉相位计算该原子干涉单元的角速率和线加速度；

通过三个原子干涉单元同步测量三个正交的角速率和线加速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于：

每团原子干涉的相位变化中同时包含转动和加速度引起的相位，通过测量原子干涉相位差来敏感角运动和线运动。

4.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于，所述惯性测量单元是基于Sagnac效应来敏感旋转角速率。

5.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于，所述可调分光比的分光设备包括：半波片、第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜偏振分光棱镜，所述第二棱镜为50％:50％的分光棱镜。

6.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于，

所述惯性测量单元所敏感的角速度方向垂直于拉曼激光和原子抛射方向所构成的平面。

7.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于，

所述惯性测量单元敏感的加速度方向与拉曼激光方向平行；

采用石英玻璃材料制作所述干涉腔。

8.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于，

在分束时，所述第一光束、第二光束、第三光束、第四光束、第五光束的分光比为32：32：32：2：2。