CN109799364A - 一种加速度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种加速度测量系统及方法，所述系统包括真空腔体、多个激光发生器和荧光探测器，且多个所述激光发生器产生传播路径相互正交的不同频率的激光，所述真空腔体内包含多种组份的原子团，所述不同频率的激光照射到所述真空腔体上，与腔体内的不同组份的原子团发生作用，形成不同轴向上的干涉环路，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的；所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。不同轴向上的干涉环路同时形成，且互不干扰，实现了在单次测量周期内三轴加速度的同时测量，提升了测量采样率。

Description

一种加速度测量系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及原子干涉技术领域，尤其涉及一种加速度测量系统及方法。

背景技术

近30年来，原子干涉技术在高精度惯性测量领域体现出了其巨大的优势，基于该技术研制的重力/重力梯度仪、陀螺仪已经具备了超越相应经典器件的性能水平。

目前，基于原子干涉的加速度测量以竖直方向的重力加速度测量为主，现有的原子干涉多轴加速度测量的技术方案可以分为3类：

1、多个单轴系统叠加

在实现单轴加速度测量的基础上，最直接的扩展到三轴加速度测量的技术方案是利用三个独立的单轴加速度计，通过轴线的正交放置，组合实现三轴加速度测量。但是，由于原子干涉系统尺寸相对较大，直接叠加的最主要问题是许多功能模块的冗余，造成整体系统尺寸的增加，不利于系统的集成化，对应用平台提出了更高的载荷需求，应用场合受到限制。

2、单轴系统分次测量

为了减小常规多个单轴系统组件的大量冗余，可以利用同一套单轴系统，通过多次改变实验参数(如激光方向、系统朝向等)，实现各个轴向上正交惯性分量的分次测量。但是分次测量会引入不同正交分量的测量同步性差以及三轴测量采样率低的问题，难以适用于高动态应用环境。

3、部分多轴分时测量

部分多轴分时测量方案是对上述单轴系统分次测量技术方案的改进，即在单套系统上通过特殊的原子轨迹和干涉脉冲序列设计，实现多轴惯性量测量，其方案虽然可以在单次测量中实现部分多轴测量，但是仍需要通过改变实验参数(如激光方向、脉冲序列结构等)，分时地提取不同分量组合，最终得到完整的正交三轴分量。

在同一套系统中，不能同时进行更多惯性量测量的主要限制可以概括为：为了完成多轴惯性量测量，实现原子相干操控的激光需要具备不同的作用方向，在共用系统的情况下，当不同方向激光同时作用时，原子往往会同时感受到各方向激光的作用，造成不同轴向上的干涉过程的互相干扰，无法实现三轴分量的独立测量。

现有技术方案在系统体积和测量采样率上存在矛盾，使其不具备移动载体上的使用能力，限制了其在现代导航等移动环境下的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种加速度测量系统及方法。

第一方面，本发明实施例提供一种加速度测量系统，至少包括：真空腔体、多个激光发生器和荧光探测器，且多个所述激光发生器产生传播路径相互正交的不同频率的激光，所述真空腔体内包含多种组份的原子团，所述不同频率的激光照射到所述真空腔体上，与腔体内的不同组份的原子团发生作用，形成不同轴向上的干涉环路，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。

第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面的系统的加速度测量方法，包括：

通过冷却与囚禁，制备多组份原子团；

对不同组份的原子团在不同轴向上进行速度选择与初态制备；

在不同频率的激光脉冲作用下，不同组份的原子团在不同的轴方向上形成“分束-反射-合束”的干涉序列，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

获取经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。

本发明实施例提供的加速度测量系统及方法，在同一套装置中的同一位置，同时制备三团不同元素/同位素的原子，利用三组份原子在冷却、干涉、探测时对激光频率需求的互异性，用不同频率的激光分别与不同组份原子相互作用，在三个正交方向上形成互不干扰的干涉环路，完成对三轴加速度分量的同时测量，在单次测量周期内即可完成三轴加速度信息的获取，大大提升了测量采样率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的加速度测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的真空腔体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三组份原子干涉原子轨迹示意图；

图4a为本发明实施例提供的三轴加速度测量装置的左视图；

图4b为本发明实施例提供的三轴加速度测量装置的等轴侧视图；

图5为本发明实施例提供的三轴加速度测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的加速度测量系统的结构示意图，如图1所示，所述系统至少包括：真空腔体、多个激光发生器和荧光探测器，且多个所述激光发生器产生传播路径相互正交的不同频率的激光，所述真空腔体内包含多种组份的原子团，所述不同频率的激光照射到所述真空腔体上，与腔体内的不同组份的原子团发生作用，形成不同轴向上的干涉环路，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。

可选地，所述真空腔体为十八面体。

可选地，所述多组份的原子团在所述真空腔体内同一位置。

可选地，所述真空腔体内的多组份原子团的制备采用磁光阱结构。

可选地，所述磁光阱结构为一对反亥姆霍兹线圈和一组原子囚禁光组成，所述原子囚禁光含有满足多组份的原子团制备所需的冷却光和回泵光。

本发明实施例提供的三轴加速度测量系统的测量过程在高真空环境内完成，真空腔内采用如图2所示的18面体形状。通过加热释放的方式，在真空腔内生成多种不同元素/同位素的原子蒸气背景。本发明实施例中以三种不同元素/同位素为例，例如⁸⁵Rb、⁸⁷Rb、¹³³Cs的原子团。

通过磁光阱结构在真空腔中心捕获并囚禁三团不同元素/同位素的原子，形成在空间位置上重合的三组份原子团，即原子团(1-3)。磁光阱由一对反亥姆霍兹线圈和6束原子囚禁光组成，每束囚禁光中含有满足三种原子团制备所需的冷却光和回泵光，共6种激光频率成分，分别从真空腔面(1-6)入射，在真空腔中心交汇。通过关断反亥姆霍兹线圈电流和囚禁光，将三组份原子团从磁光阱中同时释放。

可选地，所述反亥姆霍兹线圈采用嵌入腔体式结构。

反亥姆霍兹线圈采用嵌入腔体式设计，在真空腔表面向内加工一对环形凹槽，通过在凹槽内绕制漆包铜线，形成一对反亥姆霍兹线圈。

多个激光发生器产生多种频率的激光，且所产生的激光传播路径相互正交，并照射在真空腔体内的3组份原子团上，本发明实施例中以3种不同频率的激光为例。

下面以3种不同组份的原子团和3种不同频率的激光为例做介绍，其中，不同组份原子团和不同频率的激光一一对应，3种不同组份的原子团具体为原子团(1)、原子团(2)和原子团(3)，3种不同频率的激光具体为拉曼光(1)、拉曼光(2)和拉曼光(3)，且为沿三个正交方向(分别定义为x、y、z轴)传播的三对相位锁定的拉曼光。

3对相互正交的拉曼光即上述激光发生器产生的激光，从真空腔面(7-12)入射，照射到原子团(1-3)，在各自拉曼光波矢方向上形成干涉环路。

具体地，不同频率的激光和原子团的作用过程如下所述：

线偏振的拉曼光(1)含有仅与原子团(1)发生作用的激光频率成分，通过四分之一波片(1)和反射镜(1)形成偏振垂直的对射拉曼光，使原子团(1)在其作用下发生双光子拉曼跃迁，通过“π/2-π-π/2”脉冲序列，形成x轴向上的干涉环路；

线偏振的拉曼光(2)含有仅与原子团(2)发生作用的激光频率成分，通过四分之一波片(2)和反射镜(2)形成偏振垂直的对射拉曼光，使原子团(2)在其作用下发生双光子拉曼跃迁，通过“π/2-π-π/2”脉冲序列，形成y轴向上的干涉环路；

线偏振的拉曼光(3)含有仅与原子团(3)发生作用的激光频率成分，通过四分之一波片(3)和反射镜(3)形成偏振垂直的对射拉曼光，使原子团(3)在其作用下发生双光子拉曼跃迁，通过“π/2-π-π/2”脉冲序列，形成z轴向上的干涉环路。

其中，干涉过程是用拉曼光通过双光子拉曼跃迁的方式进行，但不仅限于双光子拉曼跃迁机制，还可采用双衍射、布拉格衍射等同理性的干涉机制。

通过激光脉冲的时序控制，使三个方向上的干涉过程同时进行，干涉相位对各自轴向上的加速度敏感，最终反映到干涉后的三组份原子团的布居数变化上。

探测光从真空腔面(13)入射，通过反射镜(4)在腔内形成对射的原子荧光激发光束，激发荧光的同时，通过对射的方式避免原子被探测光吹走。探测光含有三组份原子跃迁所对应的共振频率，在干涉结束后，利用时序控制在三种频率之间切换，并形成三束探测脉冲，利用荧光探测器接收三束脉冲所激发的原子荧光，通光光电转换测量三组份原子团布居数，进而通过布居数计算三轴加速度。

可选地，所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收干涉过程后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴的加速度值。其中，荧光探测器可以是光电探测器、CCD相机等。

探测完成后，单次测量周期完成。考虑加速度测量对测量带宽的较高要求，选择较短的“π/2-π-π/2”脉冲间隔，干涉后的原子团基本保持原位，快速打开囚禁光，将三组份原子团重新捕获，有利于缩短不同测量周期之间的原子装载时间，进一步提升测量采样率和测量灵敏度。

三组份原子干涉原子轨迹如图3所示。原子团(1-3)分别与沿x、y、z轴方向的“π/2-π-π/2”拉曼光脉冲序列作用，在x、y、z轴方向形成干涉环路，原子轨迹受各自轴向上的加速度分量的调制，使干涉相位中携带三轴加速度信息。

本发明实施例提出的基于三组份原子干涉的三轴加速度测量系统，利用不同元素/同位素原子在冷却、干涉、探测时对激光频率需求的互异性，即不同组份原子在与激光作用的共振频率上具有较大的差异，用不同频率的激光分别和不同同位素/元素原子组成的多组份原子团相互作用，即使不同组份原子团在空间上重合，共同经历了多束激光的照射，单一组份原子只会和其对应的激光发生作用，对其他激光免疫，从而避免了相互之间的耦合干扰，实现共用系统与多轴同时测量的融合。

本发明实施例提供的三轴加速度测量系统采用18面体单腔结构、嵌入式的亥姆霍兹线圈以及原子重捕获技术，系统集成度高，测量方案快速高效、易于实施。

可选地，所述真空腔采用全钛金属材料。

可选地，所述真空腔采用玻璃压窗形成通光面和通光孔，且玻璃压窗为宽带增透镀膜，以保证多组份原子跃迁频率点处的激光透过率。在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的三轴加速度测量装置的左视图和等轴侧视图如图4a和4b所示。主要框架为18面体单腔结构，真空腔采用全钛金属材料制作，采用玻璃压窗形成通光面和通光孔，玻璃窗采用宽带增透镀膜，保证在三组份原子跃迁频率点处的激光透过率>99.9％。真空腔上连接机械角阀和复合泵，抽真空时，利用机械角阀连接机械泵和分子泵，配合复合泵获得超高真空，之后关闭机械角阀，利用复合泵维持超高真空。三种元素/同位素的原子释放剂通过馈通结构连接在真空腔上，通过在电极上加电流释放三组份原子蒸气。实验时用激光通过光纤引入，通过激光扩束筒获得大尺寸光斑，固定至真空腔不同窗口处，形成囚禁光(1-6)、拉曼光(1-3)、探测光。线偏振的拉曼光(1-3)通过四分之一波片(1-3)和反射镜(1-3)形成偏振垂直的对射拉曼光，探测光通过反射镜(4)形成对射探测光。荧光探测器置于真空腔顶部，用于收集三组份原子荧光。

图5为本发明实施例提供的三轴加速度测量方法的流程示意图，如图5所示，所述方法包括：

通过冷却与囚禁，制备多组份原子团；

对不同组份的原子团在不同轴向上进行速度选择与初态制备；

在不同频率的激光脉冲作用下，不同组份的原子团在不同的轴方向上形成“分束-反射-合束”的干涉序列，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

获取经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。

在上述实施例的基础上，具体地，基于上述结构的三轴加速度测量过程可描述为：

第一步，三组份冷原子团的制备。真空腔体上安装三种元素/同位素原子释放剂，通过施加电流在腔内产生背景原子蒸汽；基于反亥姆霍兹线圈和囚禁光实现磁光阱、偏振梯度冷却，从背景中捕获和囚禁原子，得到空间位置重合的三组份原子团。

第二步，初态制备。同时释放三组份原子团，利用不同轴线上的拉曼光脉冲对三组份原子进行不同方向的速度选择，并制备到对磁场不敏感的基态能级上。

第三步，原子干涉，即不同频率的激光照射到所述真空腔体上，与腔体内的不同组份的原子团发生作用，形成不同轴向上的干涉环路。具体地，通过拉曼光(1)对原子团(1)施加π/2、π和π/2光脉冲序列，实现原子团的分束、反射与合束，构建x方向上干涉环路；通过拉曼光(2)对原子团(2)施加π/2、π和π/2光脉冲序列，实现原子团的分束、反射与合束，构建y方向上干涉环路；通过拉曼光(3)对原子团(3)施加π/2、π和π/2光脉冲序列，实现原子团的分束、反射与合束，构建z方向上干涉环路。三个轴向上的干涉干涉过程同时进行。

第四步，三组份原子内态探测。在干涉完成后，通过探测光分时激发不同组份原子团荧光，荧光探测器依次接收每次激发的原子荧光，计算得到各组份原子经过干涉后的布居数，最终换算得到各轴向上的加速度值。

第五步，三组份原子重捕获。探测完成后，通过快速打开囚禁光，将仍在真空腔中心范围内的原子快速捕获，进入下一个测量周期(跳转第二步)。

本发明实施例提出的基于三组份原子干涉的三轴加速度测量方法，该方法的优势在于：

1.测量速度快。在同一套装置中的同一位置，同时制备三团不同元素/同位素的原子，利用三组份原子在冷却、干涉、探测时对激光频率需求的互异性，用不同频率的激光分别与不同组份原子相互作用，在三个正交方向上形成互不干扰的干涉环路，完成对三轴加速度分量的同时测量，在单次测量周期内即可完成三轴加速度信息的获取，提升了测量采样率。不需要分分时或分次测量，克服了单轴系统分次测量和部分多轴分时测量等现有技术方案测量同步性差和测量采样率低的缺点，对于高灵敏度原子干涉加速度计发展意义重大。

2.系统体积小。在本发明实施例中，三组份原子团在同一位置制备，通过各自对激光频率要起去的互异性实现三轴测量的区分，不需要多个独立单轴加速度测量单元的叠加，克服了多个单轴系统叠加的现有技术方案系统体积庞大的缺点，有效缩小了系统体积，在系统集成化上具有明显的优势。

3.空间分辨率高。本专利中，测量周期内，三组份原子团的空间位置基本重合，因此三组份原子的测量结果基本上可认为是同一点加速度的三分量，其测量的空间分辨率在原子团尺度范围，相比于多个单轴系统叠加的技术方案(其空间分辨率是各单元内原子团空间位置所围成的几何空间体积)得到了极大的提升，在高空间分辨精密测量领域的应用优势明显。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种加速度测量系统，其特征在于，至少包括：真空腔体、多个激光发生器和荧光探测器，且多个所述激光发生器产生传播路径相互正交的不同频率的激光，所述真空腔体内包含多种组份的原子团，所述不同频率的激光照射到所述真空腔体上，与腔体内的不同组份的原子团发生作用，形成不同轴向上的干涉环路，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空腔体为十八面体。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空腔体内的多组份原子团的制备采用磁光阱结构。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述磁光阱结构为一对反亥姆霍兹线圈和一组原子囚禁光组成，所述原子囚禁光含有满足多组份的原子团制备所需的冷却光和回泵光。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述荧光探测器位于所述真空腔体的外部，用于接收干涉过程后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴的加速度值，具体为：

在干涉完成后，分时激发不同组份原子团荧光，所述荧光探测器依次接收每次激发的原子荧光，计算得到各组份原子团经过干涉后的布居数，经过换算得到各轴向上的加速度值。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多组份的原子团在所述真空腔体内同一位置。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用全钛金属材料。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述真空腔采用玻璃压窗形成通光面和通光孔，且玻璃压窗为带宽增透镀膜，以保证多组份原子跃迁频率点处的激光透过率。

9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述反亥姆霍兹线圈采用嵌入腔体式结构。

10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述系统的加速度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

通过冷却与囚禁，制备多组份原子团；

对不同组份的原子团在不同轴向上进行速度选择与初态制备；

在不同频率的激光脉冲作用下，不同组份的原子团在不同的轴向上形成“分束-反射-合束”的干涉序列，其中，原子团的组份和不同频率的激光是一一对应的，且不同轴向上的所述干涉环路同时形成，且互不干扰；

获取经过干涉后不同组份原子团激发的原子荧光，计算不同轴向上的加速度值。