CN107289921A - 一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度测量方法，本发明的目的是在惯性导航系统中环境噪声对于原子干涉结果影响较大时提供准确的旋转角速度测量结果。在采用超冷原子干涉陀螺仪精确测量微小转动时，首先采用双原子云对抛式三脉冲干涉陀螺仪以获得两组同步数据，之后通过最小二乘椭圆拟合算法，进行转速提取。本发明从原子陀螺的角度，实现转速信号的精确提取，并提供了原子干涉仪输出误差的评估方法。

Description

一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度 测量方法

技术领域

本发明为一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度测量方法，属于量子物理领域与惯性测量领域的交叉应用，涉及超冷铷原子三脉冲干涉陀螺仪，采用基于双原子云的对抛构型对抛构型及最小二乘椭圆拟合算法提升惯性导航系统对转动角速率的测量精度。

背景技术

在惯性导航系统中，陀螺仪和加速度计作为测量器件直接影响系统定位和姿态输出的精度。当前，冷原子干涉陀螺仪的理论精度远远高于光学陀螺仪，但是由于其超高精度，冷原子干涉陀螺仪对于环境噪声及各种误差源更加敏感，严重影响其作为转速传感器的应用进程。本发明旨在利用对抛式原子干涉陀螺数据进行分析处理，针对性评估并抑制相关噪声，获得准确转速，实现原子干涉陀螺的实际应用。

原子干涉陀螺仪常用的构型为三脉冲原子干涉，通过典型三脉冲实现分束、反射、合束的过程，获得干涉相位结果。干涉相位主要来自重力影响、旋转影响、脉冲携带相位作用于原子云引入相位等等。

目前，原子干涉陀螺仪精度最明显局限于环境对于平台影响引起的振动噪声。此外，由于单光子失谐、双光子失谐、斯塔克效应、塞曼效应、波前畸变、拉曼光倾斜、射频误差、激光延迟等多种原因引起的误差，对于干涉结果具有极大的影响，制约了转动角速率的测量精度。

发明内容

本发明在现有标准原子干涉陀螺仪的基础上，通过采用对向抛射双原子云得到的干涉数据结果，精确得到各项噪声对于干涉结果的影响、并进行抑制，最终实现精确转速的获得。

本发明的技术方案：

1、如图1所示，现有标准原子干涉陀螺仪中，作为角速度传感器的陀螺主要包括：包含激光冷却的铷原子云的真空腔体，特定激光束以实现原子态选择，实现类似Sagnac效应的三组脉冲，以及最后用于检测干涉结果的激光。作为核心测量环节的三脉冲干涉部分实现冷原子干涉陀螺仪对角速度的测量。

选取如图2所示的对抛式冷原子干涉陀螺仪构型，两组干涉过程采用完全相同的原子制备过程且共用光学系统。当系统以角速度旋转时，通过两对抛原子云在完全一致的三对拉曼光作用下行程大小相等但是方向相反的干涉环路，测得的相移分别为ΔΦ_tot1和ΔΦ_tot2：

其中，为干涉过程中重力引起的相移，为激光等效波矢量，为重力矢量，T为两脉冲之间的时间间隔；为旋转引起的相移，m为原子质量，为约化普朗克常数，为旋转角速率，为等效的干涉环路面积矢量；重力矢量方向补偿以及三个脉冲激光携带相位信息ΔΦ⁰。由于相反传播方向的对抛冷原子云形成的干涉环路有：即最终得到：

通过上述相位差值实现旋转角速度的精确获取。

2、由于原子干涉仪灵敏度极高，容易受到多种噪声源的影响，为了实现非共模噪声的抑制和转速信息的快速、准确提取，本发明提出了椭圆拟合算法。

首先，将两原子云回路输出干涉布居结果数据截取同步长度，记作数组x、y，采用最小二乘法进行最优椭圆拟合，获得椭圆中心位置、长短轴长度、椭圆倾角等信息。在原子干涉仪中，原子布居数与干涉相位之间的关系为：

其中，Θ为干涉相位信息，P为布居数即铷原子发生态转移的比例。由于两组数据为均处于[0,1]范围内，以两组数据作为横纵坐标(x,y)可以绘制出椭圆。拟合得到的椭圆为：

其中，A、C为椭圆长轴、短轴幅值，(B,D)为椭圆中心位置，θ为二者的差分相位，直接对应着旋转信息。通过最小二乘法原理，拟合最优椭圆。

获得x、y数据的相位差值θ，进一步获得转速结果

附图说明

图1为原子干涉陀螺仪系统实现原理图。

图2为对抛式双原子云干涉过程示意图。

图3对抛式干涉陀螺仪椭圆拟合转速提取过程框图

图4为对抛式双原子云输出相位结果。

图5为拟合正圆以获得旋转共模相位信息。

图6为拟合椭圆以获得相位差信息。

具体实施方式

步骤一：

依据图1构建标准三脉冲原子干涉陀螺仪系统，在原子云制备选态之后通过荧光检测分为数量相等的两份。依据图2的对抛式冷原子干涉陀螺仪构型，给予两原子云相等的速度、以对称的角度上抛，施加对称的π/2-π-π/2三脉冲，使得原子在顶点即垂向速度为0时施加π脉冲以确保二者轨迹基本对称、等效干涉面积矢量大小相等方向相反。最后，施加探测激光获得两组干涉布居结果。

步骤二：

开启隔振平台，在系统转台以恒定角速度旋转的情况下，周期性的重复干涉过程，得到两组同步数据记作数组[x]、[y]。

步骤三：

将两组数据[x]、[y]各自拟合成正弦并计算信噪比。再将两组数据作为横纵坐标组(x_i,y_i)绘制成散点图，采用最小二乘法进行最优椭圆拟合，获得椭圆中心位置、长短轴长度、椭圆倾角等信息。

步骤四：

对椭圆拟合结果进行进一步分析，提取出准确的转速结果，参照转台转速与拟合结果进行比较。

步骤五：

关闭隔振平台，在系统转台以恒定角速度旋转的情况下，周期性的重复干涉过程，得到两组同步数据记作数组[x′]、[y′]。重复步骤2～4，提取转速结果并评价噪声抑制效果。

本发明的效果通过如下方法得到验证：

通过MATLAB进行数据仿真，在未开启隔振平台的情况下实现转速测量误差为1.108％，效果大大优于单独开启隔振平台。

Claims (2)

1.一种基于椭圆拟合的对抛式冷原子干涉陀螺仪的转动角速度测量方法，实现转速信息的快速、精确提取，其特征为：

步骤1、采用对抛式三脉冲冷原子干涉陀螺仪，将对抛的两原子云回路输出的同步干涉布居结果数据截取的同等长度，记作数组[x]、[y]，

步骤2、利用数组[x]、[y]绘图，采用最小二乘法，使得数据点与椭圆代数距离最短，得到最优椭圆，获得椭圆中心位置、长短轴长度、椭圆倾角等信息，

步骤3、认为对抛式冷原子干涉陀螺仪两回路受到相同的环境噪声影响，二组数据的区别在于旋转信息。从最优椭圆方程与最优正圆相比较，拟合出椭圆两轴数据的关系、即[x]、[y]的相位差值，亦即由旋转引起的干涉相位。从这一相位结果，获得旋转速度，实现超高精度陀螺仪的功能，

步骤4、从原始数据与拟合结果比较，并参考对抛式差值法获得的转速结果，评估干涉过程噪声影响。

2.根据权利要求1所述的对抛式冷原子干涉陀螺仪，并为其配套真空、隔震及磁屏蔽装置，其特征在于：

步骤1、冷原子干涉仪整体放置于隔振平台上，实现环境振动的低通滤波，

步骤2、冷原子陷俘、制备、冷却、干涉及探测部分需实现真空环境，以保证干涉结果的准确性，

步骤3、干涉部分采用双原子云设计，同步进行陷俘、制备、冷却并对向抛出，干涉过程中两原子云经历对称的π/2-π-π/2三脉冲，实现大小相等方向相反的等效干涉区域，

步骤4、每一个原子云在干涉过程中经历的激光有共同的基准相位，

步骤5、冷原子干涉仪输出数据需要去除无效的预热阶段数据。