CN107462234A - 一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，包含水平仪、原子干涉仪物理系统和水平转动平台，原子干涉仪物理系统包含真空腔、原子干涉腔、原子探测腔、原子初态制备腔、第一原子冷却腔和第二原子冷却腔，原子初态制备腔侧部设置有微波发射器，三对对射拉曼激光贯穿原子干涉腔，原子探测腔设置有第一光电探测器和第二光电探测器，还包括x方向磁场偏置线圈和y方向磁场偏置线圈。本发明还公开了一种基于冷原子干涉技术的寻北测量方法。本发明利用采用对抛的双环路原子干涉仪可以降低环境振动噪声对测量的影响，提高寻北设备的环境适应能力，提高转动测量精度。

Description

一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备及测量方法

技术领域

本发明涉及原子惯性测量技术领域，更具体的涉及一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，还涉及一种基于冷原子干涉技术的寻北测量方法。

背景技术

惯性技术寻北，不受磁场和外部其他环境因素的影响，是一种自主的寻北方式，可以应用于雷达、天线和军用车辆的初始对准和方向控制。

惯性寻北的原理是利用陀螺仪测量不同水平方向的地球转速来获得北向信息，通过比对陀螺指向与地球转速测量值的关系，获得坐标北向，利用加速度计测量陀螺载体相对被测点的倾斜角度，对陀螺仪的输出数据进行补偿，经过解算得到参考轴与真北方向的夹角。寻北仪通常采用陀螺仪测量转动实现指北。

传统的寻北技术主要通过光学陀螺或者机械陀螺进行地球转动测量，实现地理北向的标定。光学陀螺中又分为光纤陀螺寻北和激光陀螺寻北，光纤陀螺容易受到温度等因素的影响产生漂移，激光陀螺则在转速较小时容易产生闭锁影响转动测量，机械陀螺仪则由于干摩擦的影响会产生转动测量漂移。冷原子干涉仪利用原子的物质波特性能够实现对转动的高灵敏度测量，由于冷原子体系中原子的物理特性更加稳定，同时原子所处的真空环境能够隔离外部因素对转动测量的影响，因此，转动测量的稳定性更高，能够实现更准确的寻北。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，还提供一种基于冷原子干涉技术的寻北测量方法，利用分离拉曼激光技术增大标度因子，通过激光分束减小激光传播相位噪声，利用双环路原子干涉抑制振动噪声，实现高精度地球转速测量，同时利用闭环锁定的方法提取转动测量信号，有效提高标度因子稳定性，通过地球转速与北向的对应关系，结算出地理北向。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，包含原子干涉仪物理系统,水平转动平台和水平仪；

原子干涉仪物理系统包含真空腔、以及设置在真空腔内的原子干涉腔、原子探测腔、原子初态制备腔、第一原子冷却腔和第二原子冷却腔；

原子干涉腔底部与原子探测腔顶部连通，原子探测腔的底部与原子初态制备腔顶部连通，原子初态制备腔底部一侧通过第一真空管与第一原子冷却腔连通，原子初态制备腔底部另一侧通过第二真空管与第二原子冷却腔连通；

第一反向赫姆霍兹线圈在第一原子冷却腔内形成第一磁光阱，第二反向赫姆霍兹线圈在第二原子冷却腔内形成第二磁光阱；第一磁光阱冷却激光发射器在第一磁光阱内形成第一冷却区域，第二磁光阱冷却激光发射器在第二磁光阱内形成第二冷却区域，真空腔内设置有碱金属源；

第一冷却区域内的第一碱金属原子团和第二冷却区域内的第二碱金属原子团的抛射起始点以抛物线轨迹的对称轴对称分布，抛物线轨迹的对称轴垂直于水平面，抛物线轨迹顶点位于原子干涉腔内，抛物线轨迹的其中一臂依次贯穿原子干涉腔、原子探测腔、原子初态制备腔、第一真空管和第一原子冷却腔，抛物线轨迹的另一臂依次贯穿原子干涉腔、原子探测腔、原子初态制备腔、第二真空管和第二原子冷却腔；

原子初态制备腔侧部设置有微波发射器；

三对对射拉曼激光贯穿原子干涉腔，对射拉曼激光的波矢方向沿着竖直方向向上；

原子探测腔设置有第一光电探测器和第二光电探测器；

还包括在原子干涉腔内产生补偿地磁场的x方向磁场偏置线圈；

还包括在原子干涉腔内产生梯度磁场的y方向磁场偏置线圈。

一种寻北测量方法，包括以下步骤：

步骤1、加热碱金属源使碱金属原子扩散到第一原子冷却腔和第二原子冷却腔中；

步骤2、利用水平仪将水平转动平台调至水平，使得抛物线轨迹的对称轴垂直于水平面，记录水平转动平台的初始方位角度为θ₀；

步骤3、利用第一反向赫姆霍兹线圈在第一原子冷却腔内形成第一磁光阱，利用第二反向赫姆霍兹线圈在第二原子冷却腔内形成第二磁光阱；利用第一磁光阱冷却激光发射器在第一磁光阱内形成第一冷却区域并对第一冷却区域内的第一碱金属原子团进行冷却，利用第二磁光阱冷却激光发射器在第二磁光阱内形成第二冷却区域并对第二冷却区域内的第二碱金属原子团进行冷却；

步骤4、设置y方向磁场偏置线圈中的电流为初始电流，设置用于合束的对射拉曼激光的相位差为初始相位差；

步骤5、通过改变第一磁光阱冷却激光发射器和第二磁光阱冷却激光发射器的频率，将第一碱金属原子团和第二碱金属原子团沿抛物线轨迹以相反方向抛射；

步骤6、微波发射器发射微波同时与第一碱金属原子团和第二碱金属原子团相作用，使磁不敏感态的碱金属原子发生内态改变，发生内态改变后的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团分别沿抛物线轨迹进入原子干涉腔，

第一碱金属原子团在原子干涉腔内经过第一对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第三对射拉曼激光进行合束完成原子干涉，完成原子干涉后的第一碱金属原子团沿抛物线轨迹回落进入原子探测腔，

第二碱金属原子团在原子干涉腔内经过第三对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第一对射拉曼激光进行合束完成原子干涉，完成原子干涉后的第二碱金属原子团沿抛物线轨迹回落进入原子探测腔，

相反方向抛射的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团会在y方向磁场偏置线圈产生的y方向的梯度磁场的作用下产生差分相位变化，

在用于合束的对射拉曼激光的相位差的作用下，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团产生共模相位变化；

步骤7、回落进入原子探测腔的第一碱金属原子团和回落进入原子探测腔的第二碱金属原子团在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，第一光电探测器探测回落进入原子探测腔的第一碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强，第二光电探测器探测回落进入原子探测腔的第二碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强；

步骤8、扫描用于合束的对射拉曼激光的相位差并重复步骤4-7获得原子干涉条纹，改变y方向的梯度磁场强度获得差分相位随y方向的梯度磁场强度的变化斜率K_B；

步骤9、通过改变y方向的梯度磁场的强度和用于合束的对射拉曼激光的相位差并重复步骤4-7使得第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的相位锁定在原子干涉条纹的零点的设定范围内后进入步骤10；

步骤10、记录第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₁；

步骤11、将用于合束的对射拉曼激光的相位差改变π，重复步骤4-7，获得第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₂；

步骤12、通过以下公式获得转动相位：

其中，K₁为第一碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，K₂为第二碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，φ_rotθ中θ为水平转动平台的当前方位角度；

步骤13、水平转动平台旋转设定方位角度，设定方位角度的范围为0-360度，重复步骤3-12，获得水平转动平台在不同的方位角度时的转动相位，将水平转动平台在不同的方位角度时的转动相位进行正弦拟合获得拟合正弦曲线，选取拟合正弦曲线最大值对应的水平转动平台的方位角度即为北向。

如上所述的寻北测量方法，所述的

第一碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行分束的时刻与第二碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行分束的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻与第二碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行合束的时刻与第二碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行合束的时刻相同。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明采用竖直构型的分离拉曼激光操控原子进行转动测量，通过旋转原子干涉仪物理系统，调制转动测量方向的地球转动速度分量，实现对地理北向的寻找。利用分离拉曼激光，能够有效地提高原子干涉环路面积，减小激光光斑不均匀产生的测量误差，三束对射探测激光光束通过拉曼激光偏振分光棱镜分束的方法获得，能够共模抑制部分拉曼激光相噪，采用对抛的双环路原子干涉仪可以降低环境振动噪声对测量的影响，提高寻北设备的环境适应能力。采用闭环锁定的方法提取转动测量信号，能够扩大转动测量的动态范围，同时保持原子布局数测量结果与相位的线性一致性，提高转动测量精度。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图；

图2为闭环测量差分相位原理示意图；

图3为转动调制测量地球北向示意图；(a)水平转动平台旋转不同角度测量地球转速示意图；(b)不同角度对应转动测量相移示意图。

图中：a-原子干涉仪物理系统；b-水平转动平台；c-水平仪；a1-原子干涉腔；a2-原子探测腔；a3-原子初态制备腔；a4-第一原子冷却腔；a5-第二原子冷却腔；1-拉曼激光反射镜；2-四分之一波片；3-对射拉曼激光；4-探测光束发射系统；5-四分之一波片；6-偏振分光棱镜；7-微波发射器；801-第一光电探测器；802-第二光电探测器；9-拉曼激光偏振分光棱镜；1001-第一磁光阱冷却激光发射器；1002-第二磁光阱冷却激光发射器；1101-第一反向赫姆霍兹线圈；1102-第二反向赫姆霍兹线圈；12-抛物线轨迹；13-碱金属源；14-拉曼激光分束的二分之一波片；15-拉曼激光发射器；16-对射探测激光光束；17-探测光反射镜；18-x方向磁场偏置线圈；19-真空泵；20-y方向磁场偏置线圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1：

如图1，一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，包含有原子干涉仪物理系统a,水平转动平台b和水平仪c；

所述的原子干涉仪物理系统a和水平仪c固定在水平转动平台b上，水平仪c与水平转动平台b刚性连接，在转动测量之前，通过水平仪c调节水平转动平台b的旋转平面至水平状态；

原子干涉仪物理系统a包含真空腔，以及设置在真空腔内的原子干涉腔a1，原子探测腔a2，原子初态制备腔a3，第一原子冷却腔a4和第二原子冷却腔a5。

原子干涉腔a1底部与原子探测腔a2顶部连通，原子探测腔a2的底部与原子初态制备腔a3顶部连通，原子初态制备腔a3底部一侧通过第一真空管与第一原子冷却腔a4连通，原子初态制备腔a3底部另一侧通过第二真空管与第二原子冷却腔a5连通。

通过第一反向赫姆霍兹线圈1101在第一原子冷却腔a4内形成第一磁光阱，通过第二反向赫姆霍兹线圈1102在第二原子冷却腔a5内形成第二磁光阱；通过第一磁光阱冷却激光发射器1001出射的三对正交的冷却激光在第一磁光阱内形成第一冷却区域，通过第二磁光阱冷却激光发射器1002出射的三对正交的冷却激光在第二磁光阱内形成第二冷却区域。碱金属源13放置在原子干涉仪物理系统a中，原子干涉仪物理系统a与真空泵19相联通，以维持原子干涉所需要的真空状态，通过加热碱金属源13使碱金属原子扩散到第一磁光阱和第二磁光阱，并在第一冷却区域和第二冷却区域进行激光冷却。

通过改变第一磁光阱冷却激光发射器1001和第二磁光阱冷却激光发射器1002出射的冷却激光光束的频率，利用移动光学黏胶的方法将第一冷却区域内的第一碱金属原子团和第二冷却区域内的第二碱金属原子团沿抛物线轨迹12以相反方向抛射。第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的抛射起始点以抛物线轨迹12的对称轴对称分布，且抛射速度相同。抛物线轨迹12的对称轴垂直于水平面。抛物线轨迹12顶点位于原子干涉腔a1内，抛物线轨迹12的其中一臂依次贯穿原子干涉腔a1、原子探测腔a2、原子初态制备腔a3、第一真空管、第一原子冷却腔a4，抛物线轨迹12的另一臂依次贯穿原子干涉腔a1、原子探测腔a2、原子初态制备腔a3、第二真空管、第二原子冷却腔a5。

原子初态制备腔a3设置有一个微波发射器7，固定在原子初态制备腔a3一侧，当第一碱金属原子团和第二碱金属原子团沿抛物线轨迹12抛射到原子初态制备腔a3时，打开微波发射器7，对原子初态进行制备。

拉曼激光发射器15经过偏振分束棱镜9和二分之一波片14分成三束光强比例可调的入射拉曼激光，入射拉曼激光沿竖直方向贯穿原子干涉腔a1后，经过四分之一波片2和拉曼激光反射器1之后形成偏振垂直的三束反射拉曼激光沿对应的入射拉曼激光反向方向入射原子干涉腔a1，每束入射拉曼激光和对应的反射拉曼激光构成一束对射拉曼激光3，对射拉曼激光3的波矢方向沿着竖直方向向上，当第一碱金属原子团和第二碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1的位置时，在对射拉曼激光3的作用下，依次实现抛射到原子干涉腔a1的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的分束、反射和合束，对射拉曼激光3在与碱金属原子作用时，通过调节对射拉曼激光3的入射拉曼激光和反射拉曼激光的频率线性改变，完成原子干涉。

完成原子干涉后的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团进入原子探测腔a2，探测光束发射系统4发射探测激光，探测激光经过两个偏振分束棱镜6分束为两束探测激光后利用四分之一波片5调节两束探测激光的偏振后入射原子探测腔a2，并利用探测光反射镜17产生对射探测激光光束16，两束对射探测激光光束16照射完成原子干涉后的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团后产生荧光信号，利用第一光电探测器801探测第一碱金属原子受激辐射的荧光信号，利用第二光电探测器802探测第二碱金属原子受激辐射的荧光信号，通过荧光信号获得转动相位，进而获取北向。

定义三束对射拉曼激光3为顺序排列的第一对射拉曼激光、第二对射拉曼激光、第三对射拉曼激光，第一碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第一对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第三对射拉曼激光进行合束；第二碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第三对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第一对射拉曼激光进行合束，在原子与三束对射拉曼激光3作用过程中，拉曼激光的频率差线性改变，完成原子干涉。

第一碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第一对射拉曼激光进行分束的时刻与第二碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第三对射拉曼激光进行分束的时刻相同。

第一碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第二对射拉曼激光进行干涉的时刻与第二碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第二对射拉曼激光进行干涉的时刻相同；

第一碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第三对射拉曼激光进行合束的时刻与第二碱金属原子团抛射到原子干涉腔a1中后经过第一对射拉曼激光进行合束的时刻相同。

如图2，在测量转动相位时，通过控制原子干涉腔a1内的y方向磁场偏置线圈20电流的大小，产生沿y方向的梯度磁场，y方向平行于抛物线轨迹12所在的平面且与抛物线轨迹12的中心轴线垂直，调制进入原子干涉腔a1中的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的相位，由于第一碱金属原子团和第二碱金属原子团通过同一抛物线轨迹的两个相反方向进入原子干涉腔a1，因此相反方向抛射的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团会在梯度磁场的作用下产生差分相位。同时通过控制用于合束的对射拉曼激光3的相位差变化，使得第一碱金属原子团和第二碱金属原子团产生共模相位变化，通过改变y方向的梯度磁场的强度和用于合束的对射拉曼激光3的相位差，使得第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的相位锁定在原子干涉条纹的零点的设定范围内，最后综合梯度磁场，用于合束的对射拉曼激光3的相位差和不同能级布局数，获得转动相位。

如图3，原子干涉仪物理系统a放置在水平转动平台b上面，测北过程中，水平转动平台b分别转动到一系列不同的方向c-1、c-2、c-3、c-4、c-5等，在每次测量之前，利用水平仪c将原子干涉仪物理系统a实现水平调节，通过测量不同方向的转动速度，最后通过拟合获得地理北向。

1)水平转动平台b

如图1，水平转动平台b是一种可以旋转的固定平台，在平台上面放置原子干涉仪物理系统a和水平仪c，同时能够实时读取相对于初始时刻的转动角度数值。

2)水平仪c

水平仪c是一种可以测量所在平面水平度的传感器，实验系统中水平仪c与原子干涉仪物理系统a刚性连接，用以标定原子干涉仪物理系统a的水平度。

3)原子干涉仪物理系统a

原子干涉仪物理系统a是整体封闭的，利用真空泵19维持原子干涉所需要的超高真空。

4)探测光束发射系统4、第一磁光阱冷却激光发射器1001、第二磁光阱冷却激光发射器1002、拉曼激光发射器15

探测光束发射系统4、第一磁光阱冷却激光发射器1001、第二磁光阱冷却激光发射器1002、拉曼激光发射器15均为多频激光发射装置，可以产生用于原子探测、原子冷却、原子干涉等所需的激光光束，利用半导体激光器产生激光光源，然后利用光学移频器将激光频率移动到所需的频率位置，然后将激光耦合到光纤中，通过光学准直器传播到原子干涉仪物理系统a中。

5)第一反向赫姆霍兹线圈1101、第二反向赫姆霍兹线圈1102、x方向磁场偏置线圈18、y方向磁场偏置线圈20

第一反向赫姆霍兹线圈1101、第二反向赫姆霍兹线圈1102、x方向磁场偏置线圈18、y方向磁场偏置线圈20均利用金属导线绕成，通过改变通电电流产生不同分布的磁场，其中x方向磁场偏置线圈18用于产生补偿地磁场，y方向磁场偏置线圈20用于产生梯度磁场。

y方向为平行于抛物线轨迹所在平面且平行于水平面的方向，x方向为垂直于抛物线轨迹所在平面且平行于水平面的方向。

6)第一光电探测器801和第二光电探测器802

第一光电探测器801和第二光电探测器802是一种通用的荧光探测仪器，包括了荧光收集系统,光电传感器及其电路驱动。

7)真空泵19

真空泵19是一种通用的真空维持设备，可以是离子泵，升华泵，吸气泵或者其任意组合的复合泵，包括真空抽取设备及其电源驱动。

8)微波发射器7

微波发射器7是一种通用的微波放大设备，用于对微波信号的准直和放大，包括微波源，传输线和微波发射器。

一种基于冷原子干涉技术的寻北测量方法，包括以下步骤：

步骤1、打开探测光束发射系统4、磁光阱冷却激光发射器10、拉曼激光发射器15和反向赫姆霍兹线圈11预热至少半个小时。加热碱金属源13使碱金属原子扩散到第一原子冷却腔a4和第二原子冷却腔a5中；

步骤2、首先利用水平仪c将水平转动平台b调至水平，使得抛物线轨迹12的对称轴垂直于水平面，记录水平转动平台b的初始方位角度为θ₀；

步骤3、利用第一反向赫姆霍兹线圈1101在第一原子冷却腔a4内形成第一磁光阱，利用第二反向赫姆霍兹线圈1102在第二原子冷却腔a5内形成第二磁光阱；利用第一磁光阱冷却激光发射器1001在第一磁光阱内形成第一冷却区域对第一冷却区域内的第一碱金属原子团进行冷却，利用第二磁光阱冷却激光发射器1002在第二磁光阱内形成第二冷却区域对第二冷却区域内的第二碱金属原子团进行冷却；

步骤4、设置y方向磁场偏置线圈20中的电流为初始电流，设置用于合束的对射拉曼激光3的相位差为初始相位差；

步骤5、通过改变第一磁光阱冷却激光发射器1001和第二磁光阱冷却激光发射器1002的频率，将第一碱金属原子团和第二碱金属原子团沿抛物线轨迹12以相反方向抛射；

步骤6、微波发射器7发射微波同时与第一碱金属原子团和第二碱金属原子团相作用，使磁不敏感态的碱金属原子发生内态改变，发生内态改变后的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团分别沿抛物线轨迹12进入原子干涉腔a1，

第一碱金属原子团在原子干涉腔a1内经过第一对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第三对射拉曼激光进行合束完成原子干涉。完成原子干涉后的第一碱金属原子团沿抛物线轨迹12回落进入原子探测腔a2，

第二碱金属原子团在原子干涉腔a1内经过第三对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第一对射拉曼激光进行合束完成原子干涉。完成原子干涉后的第二碱金属原子团沿抛物线轨迹12回落进入原子探测腔a2，

第一碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行分束的时刻与第二碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行分束的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻与第二碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行合束的时刻与第二碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行合束的时刻相同，

相反方向抛射的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团会在y方向的梯度磁场的作用下产生差分相位变化，

在用于合束的对射拉曼激光3的相位差的作用下，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团产生共模相位变化；

步骤7、探测光束发射系统4发射探测激光，利用两个偏振分束棱镜6将探测激光分束为两个探测激光后利用四分之一波片5调节两束探测激光的偏振后入射原子探测腔a2。回落进入原子探测腔a2的第一碱金属原子团和回落进入原子探测腔a2的第二碱金属原子团在两束探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，第一光电探测器801探测回落进入原子探测腔a2的第一碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强，第二光电探测器802探测回落进入原子探测腔a2的第二碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强；

步骤8、扫描用于合束的对射拉曼激光3的相位差并重复步骤4-7获得原子干涉条纹，改变y方向的梯度磁场强度获得差分相位随y方向的梯度磁场强度的变化斜率K_B；

步骤9、通过改变y方向的梯度磁场的强度和用于合束的对射拉曼激光3的相位差并重复步骤4-7使得第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的相位锁定在原子干涉条纹的零点的设定范围内后进入步骤10；

步骤10、记录第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₁；

步骤11、将用于合束的对射拉曼激光3的相位差改变π，重复步骤4-7，获得第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₂；

步骤12、通过以下公式获得转动相位：

其中，K₁为第一碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，K₂为第二碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，φ_rotθ中θ为水平转动平台b的当前方位角度，水平转动平台b的当前方位角度为初始方位角度θ₀时，φ_rotθ为

步骤13、水平转动平台b旋转设定方位角度，设定方位角度的范围为0-360度，重复步骤3-12，获得水平转动平台b在不同的方位角度时的转动相位，将水平转动平台b在不同的方位角度时的转动相位进行正弦拟合获得正弦曲线，选取拟合正弦曲线最大值对应的水平转动平台b的角度即为北向。

在本发明中，以相反方向抛射进入原子干涉腔a1碱金属原子团沿着相同抛物线轨迹12相反方向运动，能够极大地消除由于振动，磁场等非转动因素引起的测量相移，提高转动测量的精度，拉曼激光利用一束激光分束产生三对空间分离的对射拉曼激光，能够有效地增加原子干涉环路面积，提高转动测量灵敏度，分束的拉曼激光可以降低独立激光的相位噪声，减小测量不确定度。通过引入原子干涉腔a1的拉曼区域的梯度磁场改变第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的差分相位，通过改变用于合束的入射拉曼激光和对应的反射拉曼激光的相位差改变共模相位，实现双环路闭环锁定，通过闭环的方法提取转动相位。对射拉曼激光沿竖直方向传播，当水平转动平台b带动原子干涉仪物理系统a转动时，能够测量不同水平方向的地球转动速度，通过比较不同方向的转动速度变化，实现对地理北向的获得。通过双环路闭环锁定的方法提取转动相位，能够增加转动测量的动态范围，提高转动测量精度。通过水平转动平台b，调制地球转速在干涉转动测量方向的投影，能够减小系统误差对北向测量结果的影响，提高指北的精确度。

水平转动平台b能够旋转到360度以内的任意角度，并将相对于初始角度的旋转角度数值输出。水平转动平台b转动能够改变原子干涉仪转动测量的方向，比较不同方向的地球转速能够推算出地理的北向指向，同时水平仪c能够保证原子干涉仪的测量方向指向水平方向，消除竖直方向地球转速对北向测量的影响。

空间分离的三束对射拉曼激光能够扩大原子干涉环路面积，提高转动测量的精确度，对射拉曼激光沿竖直方向传播，使原子干涉的环路面积方向指向水平方向，可以用于测量不同水平方向地球转速。原子与对射拉曼激光3作用过程中，对射拉曼激光3频率差以线性的斜率改变可以补偿由于重力引起的多普勒频移。

第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的分束、反射和合束的时刻相同，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团加速度和相移完全相同，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的运动速度相反，转动相移符号相反，这样可以除掉加速度相移，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的分束、反射和合束的时刻相同，使激光波前，激光频移等因素引起的相移相同，同样在转动测量中可以消除。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于冷原子干涉技术的寻北测量设备，包含原子干涉仪物理系统(a),水平转动平台(b)和水平仪(c)；

原子干涉仪物理系统(a)包含真空腔、以及设置在真空腔内的原子干涉腔(a1)、原子探测腔(a2)、原子初态制备腔(a3)、第一原子冷却腔(a4)和第二原子冷却腔(a5)；

原子干涉腔(a1)底部与原子探测腔(a2)顶部连通，原子探测腔(a2)的底部与原子初态制备腔(a3)顶部连通，原子初态制备腔(a3)底部一侧通过第一真空管与第一原子冷却腔(a4)连通，原子初态制备腔(a3)底部另一侧通过第二真空管与第二原子冷却腔(a5)连通；

第一反向赫姆霍兹线圈(1101)在第一原子冷却腔(a4)内形成第一磁光阱，第二反向赫姆霍兹线圈(1102)在第二原子冷却腔(a5)内形成第二磁光阱；第一磁光阱冷却激光发射器(1001)在第一磁光阱内形成第一冷却区域，第二磁光阱冷却激光发射器(1002)在第二磁光阱内形成第二冷却区域，真空腔内设置有碱金属源(13)；

第一冷却区域内的第一碱金属原子团和第二冷却区域内的第二碱金属原子团的抛射起始点以抛物线轨迹(12)的对称轴对称分布，抛物线轨迹(12)的对称轴垂直于水平面，抛物线轨迹(12)顶点位于原子干涉腔(a1)内，抛物线轨迹(12)的其中一臂依次贯穿原子干涉腔(a1)、原子探测腔(a2)、原子初态制备腔(a3)、第一真空管和第一原子冷却腔(a4)，抛物线轨迹(12)的另一臂依次贯穿原子干涉腔(a1)、原子探测腔(a2)、原子初态制备腔(a3)、第二真空管和第二原子冷却腔(a5)；

原子初态制备腔(a3)侧部设置有微波发射器(7)；

三对对射拉曼激光(3)贯穿原子干涉腔(a1)，对射拉曼激光(3)的波矢方向沿着竖直方向向上；

原子探测腔(a2)设置有第一光电探测器(801)和第二光电探测器(802)；

还包括在原子干涉腔(a1)内产生补偿地磁场的x方向磁场偏置线圈(18)；

还包括在原子干涉腔(a1)内产生梯度磁场的y方向磁场偏置线圈(20)。

2.利用权利要求1所述的设备进行寻北测量方法，包括以下步骤：

步骤1、加热碱金属源(13)使碱金属原子扩散到第一原子冷却腔(a4)和第二原子冷却腔(a5)中；

步骤2、利用水平仪(c)将水平转动平台(b)调至水平，使得抛物线轨迹(12)的对称轴垂直于水平面，记录水平转动平台(b)的初始方位角度为θ₀；

步骤3、利用第一反向赫姆霍兹线圈(1101)在第一原子冷却腔(a4)内形成第一磁光阱，利用第二反向赫姆霍兹线圈(1102)在第二原子冷却腔(a5)内形成第二磁光阱；利用第一磁光阱冷却激光发射器(1001)在第一磁光阱内形成第一冷却区域并对第一冷却区域内的第一碱金属原子团进行冷却，利用第二磁光阱冷却激光发射器(1002)在第二磁光阱内形成第二冷却区域并对第二冷却区域内的第二碱金属原子团进行冷却；

步骤4、设置y方向磁场偏置线圈(20)中的电流为初始电流，设置用于合束的对射拉曼激光(3)的相位差为初始相位差；

步骤5、通过改变第一磁光阱冷却激光发射器(1001)和第二磁光阱冷却激光发射器(1002)的频率，将第一碱金属原子团和第二碱金属原子团沿抛物线轨迹(12)以相反方向抛射；

步骤6、微波发射器(7)发射微波同时与第一碱金属原子团和第二碱金属原子团相作用，使磁不敏感态的碱金属原子发生内态改变，发生内态改变后的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团分别沿抛物线轨迹(12)进入原子干涉腔(a1)，

第一碱金属原子团在原子干涉腔(a1)内经过第一对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第三对射拉曼激光进行合束完成原子干涉，完成原子干涉后的第一碱金属原子团沿抛物线轨迹(12)回落进入原子探测腔(a2)，

第二碱金属原子团在原子干涉腔(a1)内经过第三对射拉曼激光进行分束，再经过第二对射拉曼激光进行反射，最后经过第一对射拉曼激光进行合束完成原子干涉，完成原子干涉后的第二碱金属原子团沿抛物线轨迹(12)回落进入原子探测腔(a2)，

相反方向抛射的第一碱金属原子团和第二碱金属原子团会在y方向磁场偏置线圈(20)产生的y方向的梯度磁场的作用下产生差分相位变化，

在用于合束的对射拉曼激光(3)的相位差的作用下，第一碱金属原子团和第二碱金属原子团产生共模相位变化；

步骤7、回落进入原子探测腔(a2)的第一碱金属原子团和回落进入原子探测腔(a2)的第二碱金属原子团在探测激光的作用下受激辐射产生荧光信号，第一光电探测器(801)探测回落进入原子探测腔(a2)的第一碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强，第二光电探测器(802)探测回落进入原子探测腔(a2)的第二碱金属原子团受激辐射产生荧光信号的光强；

步骤8、扫描用于合束的对射拉曼激光(3)的相位差并重复步骤4-7获得原子干涉条纹，改变y方向的梯度磁场强度获得差分相位随y方向的梯度磁场强度的变化斜率K_B；

步骤9、通过改变y方向的梯度磁场的强度和用于合束的对射拉曼激光(3)的相位差并重复步骤4-7使得第一碱金属原子团和第二碱金属原子团的相位锁定在原子干涉条纹的零点的设定范围内后进入步骤10；

步骤10、记录第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₁₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₁；

步骤11、将用于合束的对射拉曼激光(3)的相位差改变π，重复步骤4-7，获得第一碱金属原子团的荧光信号的光强和第二碱金属原子团的荧光信号的光强，进而获得第一碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₁和第二碱金属原子团的原子干涉后的布局数P₂₂，同时记录用于反馈的y方向的梯度磁场强度α₂；

步骤12、通过以下公式获得转动相位：

<mrow> <msub> <mi>&amp;phi;</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>o</mi> <mi>t</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mn>11</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>21</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>p</mi> <mn>22</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>K</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，K₁为第一碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，K₂为第二碱金属原子团的布局数转换为原子相位的比例因子，φ_rotθ中θ为水平转动平台(b)的当前方位角度；

步骤13、水平转动平台(b)旋转设定方位角度，设定方位角度的范围为0-360度，重复步骤3-12，获得水平转动平台(b)在不同的方位角度时的转动相位，将水平转动平台(b)在不同的方位角度时的转动相位进行正弦拟合获得拟合正弦曲线，选取拟合正弦曲线最大值对应的水平转动平台(b)的方位角度即为北向。

3.根据权利要求2所述的寻北测量方法，其特征在于，所述的

第一碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行分束的时刻与第二碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行分束的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻与第二碱金属原子团经过第二对射拉曼激光进行反射的时刻相同，

第一碱金属原子团经过第三对射拉曼激光进行合束的时刻与第二碱金属原子团经过第一对射拉曼激光进行合束的时刻相同。