CN111610572A - 一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，该方法包括：在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择，利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像并获取冷原子团分布参数，提取包含波前相移的原子干涉相位；所述非破坏性成像方法中，成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。本发明实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，可以解决现有原子干涉重力仪在波前相移的评估确定度和收敛速度上的不足，有利于提升原子干涉重力仪测量精度和误差评估效率。

Description

一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统

技术领域

本发明涉及原子干涉技术领域，具体涉及一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统。

背景技术

地球重力场是地球质量分布、大气洋流、地球内部结构、极地运动、潮汐等等诸多重要信息的综合反映，精确测量重力加速度在地球物理、灾害预警、资源勘探、现代导航等多个领域具有广泛的应用需求。随着近30年来的发展，原子干涉技术以其高灵敏度、高精度、无长时漂移的优势在重力测量上体现出巨大的应用前景，已经具备超越经典重力仪的性能水平，并逐渐从实验室样机走向典型环境应用。

波前相移是目前制约原子干涉重力仪精度提升的主要因素之一，拉曼光经过透镜、真空玻窗和反射镜等一系列介质作用后，受到光学介质面形、折射率等因素的影响，其波前会发生畸变，在与原子相互作用时将相位传递给原子，造成原子干涉条纹相移和重力测量误差。利用激光干涉仪、波前传感器等设备能够余弦测量拉曼光波前和光学元件面形，但元件安装后的应力残余以及真空烘烤等过程可能造成元件表面进一步变形，无法在线测量，使直接评估波前相移误差存在困难。

目前，原子干涉重力仪波前相移评估手段包括扫描拉曼光直径、探测光直径、冷原子团温度、插入参考玻璃窗、使用可变形反射镜等。由于波前相移受冷原子团分布参数影响，这些方法都建立在对冷原子团精确认知基础上。现有原子干涉重力仪通过在干涉重力测量周期开始之前，利用吸收成像、荧光成像等方法，事先对冷原子团分布参数进行测量，然后将测得的冷原子团分布参数带入到后续原子干涉测量结果中，以评估波前相移误差。由于吸收成像、荧光成像等常规方法对原子团造成的加热效应，属于破坏性成像，完成冷原子团分布参数测量的冷原子团不能再用于后续干涉过程，只能开始新的测量周期，重新制备冷原子团进行干涉重力测量，并以事先测量得到的原子团分布参数结果，作为该周期新制备冷原子团的分布参数，进行拉曼光波前相移评估。

在理想情况下，认为冷原子制备实验参数和外部环境不发生变化，此时，不同周期制备的冷原子团分布参数一致，则上述常规方法并无问题；而实际情况下，由于冷原子制备实验参数控制精度和外部环境的动态变化，不同测量周期实际制备的冷原子团，其分布参数会出现波动，即事先测量得到的冷原子团分布参数与后续干涉测量周期中所制备冷原子团分布参数并不完全一致，基于该分布参数进行波前相移评估，将直接影响评估结果：

一方面，波前相移评估所需要的冷原子团分布参数应为实际参与干涉的冷原子团分布参数，而事先测定的冷原子团分布参数与实际参与干涉的冷原子团分布参数的差异，将作为对冷原子团分布参数认知的误差，引入到原子干涉重力仪波前相移评估结果中，增加了波前相移评估的不确定度；

另一方面，为了抑制不同周期中冷原子团分布参数波动的影响，在正常参数扫描周期的基础上，往往还需要在相同参数配置下进行额外多次测量结果的平均，进而降低了波前相移的收敛速度。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，包括：在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择后释放冷原子团；利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像，通过多次不同高度的冷原子团成像，拟合得到本次测量周期中的冷原子团分布参数；所述非破坏性成像方法中，成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；成像后的冷原子团经过与拉曼光作用形成干涉序列，并通过冷原子团末态探测，提取包含波前相移的原子干涉相位；调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而重复执行由上述各个步骤形成的测量周期；在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

进一步地，所述非破坏性成像方法采用基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成像、离焦成像、空间外差干涉法成像中的任意一种实现。

进一步地，所述根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估，包括：采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

进一步地，所述采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组，具体包括：通过Zernike多项式拟合待评估激光波前，以所述各阶Zernike多项式系数组成待估计的参数向量A，利用各周期拟合得到的所述冷原子团分布参数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵M，利用各周期测量得到的包含波前相移的原子干涉相位组成观测向量B，构造超定方程组M·A＝B。

进一步地，所述求解所述超定方程组的方法包括最优估计方法，所述最优估计方法包括最小二乘法。

第二方面，本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，包括原子干涉重力仪和用于实现所述非破坏性成像方法的非破坏性成像单元，所述非破坏性成像单元设置于原子干涉重力仪的磁光阱单元下方，用于对经过原子干涉重力仪干涉腔的冷原子团进行非破坏性成像，从而获取衍射图像；所述非破坏性成像单元的成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；所述原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据每个测量周期得到的所述衍射图像获取所述冷原子团分布参数，调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而触发各个测量周期的顺次执行；并在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

进一步地，所述计算机处理单元在用于根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估时，具体用于：采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

进一步地，所述非破坏性成像单元包括光路上依次布置的光纤耦合头、准直透镜、成像透镜和CMOS探测器；其中，所述光纤耦合头和所述准直透镜用于产生与冷原子团作用的成像光，所述成像透镜和CMOS探测器用于接收成像光与冷原子团作用后的衍射图像。

进一步地，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元成套布置，成套的两个所述非破坏性成像单元水平设置，并且位于同一水平高度，分别用于在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。

进一步地，通过所述成像透镜的放大倍数和所述CMOS探测器的靶面的选择，利用同一成像光路实现不同位置冷原子团的分时成像；和/或，所述非破坏性成像单元在不同高度重复布置，构成非破坏性成像单元阵列，实现不同位置冷原子团的成像；其中，所述成像透镜采用单成像透镜结构或多透镜组合结构。。

进一步地，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元竖直设置，成像光与拉曼光共用z轴竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换所需激光。

本发明实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，通过对冷原子团进行非破坏性成像，实现冷原子团分布参数的获取和干涉重力测量过程在同一周期进行，并且能够精确测定每个周期中的冷原子团分布参数，并以其进行波前相移评估，不再需要多个周期的平均，可以解决现有原子干涉重力仪在波前相移的评估确定度和收敛速度上的不足，有利于提升原子干涉重力仪测量精度和误差评估效率。

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是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图；

图2是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图；

图3是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意图。

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、完整的描述，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是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤101、在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择后释放冷原子团；利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像，通过多次不同高度的冷原子团成像，拟合得到本次测量周期中的冷原子团分布参数；所述非破坏性成像方法中，成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；成像后的冷原子团经过与拉曼光作用形成干涉序列，并通过冷原子团末态探测，提取包含波前相移的原子干涉相位；

步骤102、调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而重复执行由上述各个步骤形成的测量周期；

步骤103、在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

在单个测量周期内，首先进行冷原子团制备与速度选择；

释放后的冷原子团分别经过多次不同高度的非破坏性成像，在不影响后续干涉过程的前提下，拟合本次测量周期中的冷原子团分布参数；所述非破坏性成像方法中，调节所述成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值，从而避免所述成像光对冷原子团的加热效应，成像光的色散效应仍然存在，从而在不破坏冷原子团的情况下，利用色散信号完成冷原子团成像测量。为了避免成像光对冷原子团的加热效应，调节其频率远失谐于冷原子团跃迁频率，并降低光强，此时，冷原子团对成像光的吸收可以忽略，但对成像光的色散效应仍然存在，从而在不破坏冷原子团的情况下，利用色散信号完成冷原子团成像测量。最优的失谐和光强参数需要根据具体原子干涉重力仪系统进行实验优化。

成像后的冷原子团接着经过与拉曼光作用形成干涉序列，并通过冷原子团末态探测，提取包含波前相移的原子干涉相位；

扫描冷原子团分布参数(调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置)，如通过改变用于原子冷却与囚禁的激光光强和失谐、梯度磁场大小、冷原子团制备时序等实现控制冷原子团制备与速度选择。然后，重复执行上述测量周期。

所述预设条件包括达到设定的测量周期执行数目。在达到预设条件时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

本发明实施例所述原子干涉重力仪波前相移快速评估方法通过引入非破坏性成像方法，替代现有破坏性成像技术，在不影响后续原子干涉重力测量过程的同时，实现冷原子团分布参数的在线监测。

一方面，由于极微弱的加热效应，完成分布参数测量的冷原子团可以继续参与后续干涉过程，实现原子团分布参数测量和干涉重力测量过程在同一周期进行，即分布参数测量和干涉都基于同一团冷原子，所测量得到的冷原子团分布参数即为实际参与干涉的冷原子团分布参数，避免了冷原子团分布参数认知误差，从而有效降低波前相移评估的不确定度；

另一方面，虽然不同周期中冷原子团分布参数波动仍然存在，但是通过所述在线监测方法，能够精确测定每个周期中的冷原子团分布参数，并以其进行波前相移评估，在正常参数扫描周期的基础上，不再需要进行额外多次测量结果的平均，从而利用更少的测量周期达到更高的波前相移评估精度，实现收敛速度优化。

本发明实施例通过对冷原子团进行非破坏性成像，实现冷原子团分布参数的获取和干涉重力测量过程在同一周期进行，并且能够精确测定每个周期中的冷原子团分布参数，并以其进行波前相移评估，不再需要多个周期的平均，可以解决现有原子干涉重力仪在波前相移的评估确定度和收敛速度上的不足，有利于提升原子干涉重力仪测量精度和误差评估效率。

进一步地，基于上述实施例，所述非破坏性成像方法采用基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成像、离焦成像、空间外差干涉法成像中的任意一种实现。

非破坏性成像可基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成像、离焦成像、空间外差干涉法成像等多种机理实现，具有较高的灵活性。

进一步地，基于上述实施例，所述根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估，包括：采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

其中，拉曼光波前是指拉曼光波前相位分布，是拉曼光相位分布特征；拉曼光波前相移是指由于拉曼光波前相位分布，引入的原子干涉重力测量结果的相移。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的冷原子团分布参数以及提取得到的包含波前相移的原子干涉相位，构造及求解超定方程组，进而实现波前相移评估，保证了波前相移评估结果的可靠快速获取。

进一步地，基于上述实施例，所述采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组，具体包括：

通过Zernike多项式拟合待评估激光波前，以所述各阶Zernike多项式系数组成待估计的参数向量A，利用各周期拟合得到的所述冷原子团分布参数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵M，利用各周期测量得到的包含波前相移的原子干涉相位组成观测向量B，构造超定方程组M·A＝B。

图2是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法流程图。如图2所示，所述方法包括：

第一步，冷原子团制备与速度选择。该步骤与典型的原子干涉重力测量步骤一致，通过磁光阱、偏振梯度冷却、选态微波、拉曼光脉冲作用，完成原子团冷却与囚禁、态制备和速度选择。

第二步，冷原子团非破坏性成像与参数拟合。利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像，由于成像过程不对冷原子团造成加热，可通过多次不同高度的冷原子团成像，拟合得到本次测量周期中的冷原子团分布参数，包括原子团密度分布和横向速度分布等。

第三步，原子干涉与原子末态探测。完成成像的冷原子团与拉曼光脉冲作用，形成“π/2-π-π/2”干涉序列，通过冷原子团末态探测，计算得到冷原子团经过干涉后的跃迁概率。

第四步，基于得到的跃迁概率进行包含波前相移的原子干涉相位提取。在该过程中，包括对双光子频移、交流斯塔克频移、二阶塞曼频移、拉曼光波矢倾斜、科里奥利力等几个主要系统误差项的分离，该部分技术方法已经被本领域人员所熟知，包括“反转波矢法”、“四配置测量”、“差分法”等等，这里不做赘述。

第五步，冷原子团参数扫描。通过改变激光光强和失谐、梯度磁场大小、冷原子团制备时序，重复步骤一至四，实现循环周期测量，并记录结果。

第六步，构造超定方程组。通过Zernike多项式拟合待评估激光波前，以各阶Zernike多项式的重构系数组成待估计的参数向量A，利用各周期拟合得到的冷原子团分布参数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵M，利用各周期测量得到的包含波前相移的原子干涉相位组成观测向量B，构造超定方程组M·A＝B。

具体地，原子干涉重力仪中，拉曼光波前分布引入的相移可写为：

其中，f_r(x,y)为冷原子团的初始密度分布，(x_i,y_i)为单个原子与第i束拉曼光作用时所处的拉曼光光斑内位置，φ_wf(x_i,y_i)则为此时原子经历的拉曼光波前，积分区间S为拉曼光的覆盖范围，t₀为从原子释放到第一束拉曼脉冲作用的等待时间，T为拉曼脉冲之间的原子自由演化时间，(x₀,y₀)为原子的初始位置，(v_x,v_y)为原子横向速度；

δφ_wf(x₀,y₀,v_x,v_y,t₀,T)为单原子以自身轨迹进行干涉后所积累的波前相移，表达式为：

δφ_wf(x₀,y₀,v_x,v_y,t₀,T)＝φ_wf(x₀+v_xt₀,y₀+v_yt₀)-2φ_wf(x₀+v_x(t₀+T),y₀+v_y(t₀+T))+φ_wf(x₀+v_x(t₀+2T),y₀+v_y(t₀+2T))

f(x₀,y₀,v_x,v_y)为初始时刻的原子团密度及横向速度分布，表达式为：

f(x₀,y₀,v_x,v_y)＝f_r(x₀,y₀)·f_v(v_x,v_y)

利用Zernike多项式分解，可将任意形状波前写为，

其中，

为j阶Zernike多项式，k为拟合波前所使用的Zernike多项式总阶数。于是，单原子累积的波前相移表达式可改写为，

进行n次不同实验参数配置下的波前总相移结果将构成n×k阶线性方程组：

其中，A＝[a₁,a₁,…,a_k]^T为拟合波前的k阶Zernike多项式系数，ΔΦ_wf,i为第i次实验测得的包含波前相移的原子干涉相位，矩阵元素

为独立考虑Zernike多项式第j项时的干涉相移，即所述“各阶Zernike多项式的归一化相移”。系数矩阵M可通过计算得到，在考虑测量噪声存在的情况下，通过选择不同的冷原子团分布参数组合，结合实测得到的观测向量B，可以构成超定方程组。

第七步，求解超定方程组。利用最优估计方法(如最小二乘方法)，对参数向量A进行估计，利用其重构得到拉曼光波前，进而实现波前相移评估。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过根据以各阶Zernike多项式系数组成待估计的参数向量，利用各周期拟合得到的所述冷原子团分布参数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵，利用各周期测量得到的包含波前相移的原子干涉相位组成观测向量，进而构造超定方程组并估计参数向量，根据参数向量的估计结果重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

本发明实施例提供一种原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，所述原子干涉重力仪波前相移快速评估系统包括原子干涉重力仪和用于实现所述非破坏性成像方法的非破坏性成像单元，所述非破坏性成像单元设置于原子干涉重力仪的磁光阱单元下方，用于对经过原子干涉重力仪干涉腔的冷原子团进行非破坏性成像，从而获取衍射图像；所述非破坏性成像单元的成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；所述原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据每个测量周期得到的所述衍射图像获取所述冷原子团分布参数，调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而触发各个测量周期的顺次执行；并在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

所述原子干涉重力仪还包括原子干涉重力仪底部的四分之一波片、反射镜及荧光探测单元，所述四分之一波片、所述反射镜和拉曼光构成典型的重力测量干涉光路，用于对成像后的冷原子团接着经过与拉曼光作用形成干涉序列，所述荧光探测单元用于实现末态探测，得到冷原子团经过干涉后的跃迁概率。

所述原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的计算机处理单元用于通过所述衍射图像拟合得到各个测量周期中的冷原子团分布参数，基于所述跃迁概率提取包含波前相移的原子干涉相位，以及，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

本发明实施例通过对冷原子团进行非破坏性成像，实现冷原子团分布参数的获取和干涉重力测量过程在同一周期进行，并且能够精确测定每个周期中的冷原子团分布参数，并以其进行波前相移评估，不再需要多个周期的平均，可以解决现有原子干涉重力仪在波前相移的评估确定度和收敛速度上的不足，有利于提升原子干涉重力仪测量精度和误差评估效率。

进一步地，基于上述实施例，所述计算机处理单元在用于根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估时，具体用于：采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的冷原子团分布参数以及提取得到的包含波前相移的原子干涉相位，构造及求解超定方程组，进而实现波前相移评估，保证了波前相移评估结果的可靠快速获取。

进一步地，基于上述实施例，所述非破坏性成像单元包括光路上依次布置的光纤耦合头、准直透镜、成像透镜和CMOS探测器；其中，所述光纤耦合头和所述准直透镜用于产生与冷原子团作用的成像光，所述成像透镜和CMOS探测器用于接收成像光与冷原子团作用后的衍射图像。

对于采用离焦成像原理的非破坏性成像单元，所述非破坏性成像单元包括光路上依次布置的光纤耦合头、准直透镜、成像透镜和CMOS探测器；所述光纤耦合头用于输出成像光，所述准直透镜用于将所述成像光准直成平行光，所述平行光经过所述干涉腔照在经过的冷原子团上，再从所述干涉腔射出。根据下落至该位置处的冷原子团大小选择准直透镜焦距，从而保证成像光光斑尺寸完全覆盖冷原子团。从所述干涉腔射出的光经过所述成像透镜后照射到所述CMOS探测器的靶面上，完成衍射图像的采集。

进一步地，基于上述实施例，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元成套布置，成套的两个所述非破坏性成像单元可以水平设置，并且位于同一水平高度，分别用于在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。

所述非破坏性成像单元可以水平布置，水平布置的非破坏性成像单元需要成套布置，成套的两个非破坏成像单元分别用于在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。x轴和y轴上的成像单元分别提供冷原子团在y方向和z方向、x方向和z方向上的分布，综合实现完整的冷原子团参数测量。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过给出了采用离焦成像原理的非破坏性成像单元的水平布置时的具体构成，光路结构简单，便于实现。

进一步地，基于上述实施例，所述方法包括：通过所述成像透镜的放大倍数和所述CMOS探测器的靶面的选择，利用同一成像光路实现不同位置冷原子团的分时成像。

对于水平布置的非破坏性成像单元，考虑冷原子下落速度的有限性，通过成像透镜放大倍数和CMOS探测器靶面的选择，完全可以实现相距较近的成像位置共用相同的成像光路，实现不同位置冷原子团的分时成像，从而节省相应成像光路所需的光学器件，并简化系统。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过成像透镜的放大倍数和CMOS探测器的靶面的选择，利用同一成像光路实现不同位置冷原子团的分时成像，节省相应成像光路所需的光学器件，简化了系统。

进一步地，基于上述实施例，所述方法还包括：所述非破坏性成像单元在不同高度重复布置，构成非破坏性成像单元阵列，实现不同位置冷原子团的成像。

对于水平布置的非破坏性成像单元，所述非破坏性成像单元可以在不同高度重复布置，构成非破坏性成像单元阵列，实现不同位置冷原子团的成像。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过在不同高度布置非破坏成像单元，从而构成非破坏性成像单元阵列，进而实现不同位置冷原子团的成像，利用得到更为精确的冷原子团分布参数，从而利于提高波前相移评估的准确性。

进一步地，基于上述实施例，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元竖直设置，成像光与拉曼光共用z轴竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换所需激光。

本发明实施例中将非破坏性成像单元放置在竖直方向上，在z轴上对冷原子团进行成像，由于波前相移主要对冷原子团横向分布参数敏感，于是该实施例仅需一个所述非破坏性成像单元即可完成所需测量。

在上述实施例的基础上，本发明实施例通过给出了采用离焦成像原理的非破坏性成像单元的垂直布置时的具体构成，光路结构简单，便于实现。

进一步地，所述成像透镜采用单成像透镜结构或多透镜组合结构。

本实施例中采用了单成像透镜的结构，但在不同测量系统中，受到干涉腔结构和尺寸的限制，以及系统紧凑化的需求考虑，可以用多透镜组组合替代单成像透镜，实现更加紧凑的离焦成像系统。

图3是本发明一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意图。图3为本发明实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意图，如图3所示，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元成套布置，成套的两个所述非破坏性成像单元水平设置，并且位于同一水平高度，分别用于在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。

在典型原子干涉重力仪系统基础上，于磁光阱单元下方增加非破坏性成像单元，分别在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。

具体地，整个原子干涉重力测量过程在干涉腔111内的高真空环境中完成。真空腔体可以是纯玻璃腔，也可以是带有必要通光窗口的金属腔。在真空腔顶部，通过磁光阱结构112制备得到冷原子团113。关断磁光阱结构中的磁场和囚禁光，释放冷原子团，使其在干涉腔内自由下落。

在干涉腔侧面增加非破坏性成像单元，当自由下落的原子到达相应位置时，对其进行非破坏性成像，从而拟合得到当次干涉过程中的冷原子团特征参数。非破坏性成像可基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成像、离焦成像、空间外差干涉法成像等多种机理实现，本发明实施例采用(但不限于)离焦成像原理构建，包括光纤耦合头(201、301)、准直透镜(202、302)、成像透镜(203、303)、CMOS探测器(204、304)等器件组成，具体来说：

在x轴上，成像光200通过光纤耦合头201输出，并经过准直透镜202准直成平行光，根据下落至该位置处的冷原子团大小选择准直透镜焦距，从而保证成像光光斑尺寸完全覆盖冷原子团。成像光200透过干涉腔111照射在冷原子团上，再从干涉腔111的另一个端面射出，经过成像透镜203后打到CMOS探测器204的靶面上，完成衍射图像的采集。

在y轴上，成像光300通过光纤耦合头301输出，并经过准直透镜302准直成平行光，根据下落至该位置处的冷原子团大小选择准直透镜焦距，从而保证成像光光斑尺寸完全覆盖冷原子团。成像光300透过干涉腔111照射在冷原子团上，再从干涉腔111的另一个端面射出，经过成像透镜303后打到CMOS探测器304的靶面上，完成衍射图像的采集。

x轴和y轴上的成像单元分别提供冷原子团在y方向和z方向、x方向和z方向上的分布，综合实现完整的冷原子团参数测量。

单次测量周期中的多次冷原子团成像通过同一套非破坏性成像单元的分时操作完成，此时需要综合考虑原子下落速度和CMOS探测器帧速等因素，设计合理的成像单元高度和放大倍数；和/或，通过在不同高度重复布置所述非破坏性成像单元，组成非破坏性成像阵列，实现不同高度的冷原子团成像。

为了避免成像光200、300对冷原子团的加热效应，调节其频率远失谐于冷原子团跃迁频率，并降低光强，此时，冷原子团对成像光的吸收可以忽略，但对成像光的色散效应仍然存在，从而在不破坏冷原子团的情况下，利用色散信号完成冷原子团成像测量。最优的失谐和光强参数需要根据具体原子干涉重力仪系统进行实验优化。

实施例中采用离焦的单一成像透镜得到衍射图像，即成像透镜203、303与冷原子团之间的距离大于其焦距，以避免残余吸收效应的影响。成像透镜于是将离焦平面上的衍射图像重新映射到CMOS靶面上。成像透镜的具体位置需要根据具体系统和衍射图像对比度进行实验优化。虽然本实施例中采用了单成像透镜的结构，但在不同测量系统中，受到干涉腔结构和尺寸的限制，以及系统紧凑化的需求考虑，可以用多透镜组组合替代成像透镜203、303，实现更加紧凑的离焦成像系统。

线偏振的竖直拉曼光401与底部四分之一波片403和反射镜404共同构成典型的重力测量干涉光路。经过非破坏性成像后的冷原子团继续按原路径自由下落，在竖直拉曼光401的作用下经历π/2-π-π/2干涉序列，最后通过底部荧光探测单元402实现末态探测。

图4是本发明另一实施例提供的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统的结构示意图。如图4所示，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元竖直设置，成像光与拉曼光共用z轴竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换所需激光。本发明实施例中将非破坏性成像单元放置在竖直方向上，在z轴上对冷原子团进行成像，由于波前相移主要对冷原子团横向分布参数敏感，于是该实施例仅需一个所述非破坏性成像单元即可完成所需测量。

具体地，成像光500与拉曼光600共用竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换所需激光。由于光路完全重合，成像光与拉曼光具有较好的空间一致性，可以有效避免冷原子团分布参数坐标变换带来的误差。

由光纤耦合头501输出的成像光500经过准直透镜502准直后，透射过偏振分光棱镜503，经过干涉腔701、底部四分之一波片603、反射镜604后，反向照射到冷原子团上，由于偏振的改变，进而在偏振分光棱镜503处被反射，经过成像透镜504，被CMOS探测器505接收，完成衍射图像采集。

需要说明，本实施例同样采用离焦成像方案实现非破坏性成像光路，由于成像光500正反两次经过了冷原子团，将分别在正向和反向与冷原子团作用，但是由于正向作用形成的衍射图像经过底部反射镜604传播后再到达成像透镜504，很难与其焦距匹配，通过成像透镜504焦距的选取，原则上能够仅对反向作用衍射图像的清晰成像，从而抑制正向作用的干扰影响。

图4中702为磁光阱结构，602为荧光探测单元，703表示冷原子团，其作用与上述实施例类似，本发明实施例不再赘述。

本发明实施例提出的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法及系统，优势在于：

1.优化了波前相移评估速度和不确定度。本专利利用非破坏性成像方法，在不影响后续原子干涉重力测量过程，实现冷原子团分布参数的在线监测，并将其代入于波前相移评估公式中，利用最优估计方法，实现拉曼光波前的快速重构和原子干涉波前相移的精确评估，抑制了不同测量周期之间的冷原子团分布参数波动引入的评估不确定度，在波前相移评估速度和不确定度上优势明显。

2.实现方法简单。本专利提出的方法通过在典型的原子干涉重力仪结构上增加了少量光学元件(包括光纤耦合头、透镜、偏振分光棱镜及CMOS探测器等)即可实现，在几乎不牺牲系统体积和复杂性的前提下，实现了重力测量波前相移的快速评估，能够很好地保持整体系统的鲁棒性。

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)

1.一种原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，其特征在于，包括：

在单个测量周期内，进行冷原子团制备与速度选择后释放冷原子团；利用非破坏性成像方法对自由下落的冷原子团进行成像，通过多次不同高度的冷原子团成像，拟合得到本次测量周期中的冷原子团分布参数；所述非破坏性成像方法中，成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；成像后的冷原子团经过与拉曼光作用形成干涉序列，并通过冷原子团末态探测，提取包含波前相移的原子干涉相位；

调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而重复执行由上述各个步骤形成的测量周期；

在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

2.根据权利要求1所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，其特征在于，所述非破坏性成像方法采用基于暗场成像、相衬法成像、法拉第旋转成像、离焦成像、空间外差干涉法成像中的任意一种实现。

3.根据权利要求1所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，其特征在于，所述根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估，包括：

采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组；求解所述超定方程组，得到用于重构拉曼光波前的各阶Zernike多项式系数，基于所述各阶Zernike多项式系数重构拉曼光波前，实现波前相移评估。

4.根据权利要求3所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，其特征在于，所述采用Zernike多项式分解方法，利用各个测量周期拟合得到的所述冷原子团分布参数以及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位，根据波前相移公式，构造超定方程组，具体包括：

通过Zernike多项式拟合待评估激光波前，以所述各阶Zernike多项式系数组成待估计的参数向量A，利用各周期拟合得到的所述冷原子团分布参数计算各阶Zernike多项式的归一化相移，组成系数矩阵M，利用各周期测量得到的包含波前相移的原子干涉相位组成观测向量B，构造超定方程组M·A＝B。

5.根据权利要求1所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估方法，其特征在于，所述求解所述超定方程组的方法包括最优估计方法，所述最优估计方法包括最小二乘法。

6.一种原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，其特征在于，包括原子干涉重力仪和用于实现所述非破坏性成像方法的非破坏性成像单元，所述非破坏性成像单元设置于原子干涉重力仪的磁光阱单元下方，用于对经过原子干涉重力仪干涉腔的冷原子团进行非破坏性成像，从而获取衍射图像；所述非破坏性成像单元的成像光的频率和冷原子团跃迁频率的频率差值大于预设第一阈值，所述成像光的光强小于预设第二阈值；

所述原子干涉重力仪的计算机处理单元用于根据每个测量周期得到的所述衍射图像获取所述冷原子团分布参数，调整用于进行所述冷原子团制备与速度选择的参数配置，进而触发各个测量周期的顺次执行；并在达到预设的测量周期执行数目时，根据所述冷原子团分布参数及提取得到的所述包含波前相移的原子干涉相位实现波前相移评估。

7.根据权利要求6所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，其特征在于，所述非破坏性成像单元包括光路上依次布置的光纤耦合头、准直透镜、成像透镜和CMOS探测器；其中，所述光纤耦合头和所述准直透镜用于产生与冷原子团作用的成像光，所述成像透镜和CMOS探测器用于接收成像光与冷原子团作用后的衍射图像。

8.根据权利要求7所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，其特征在于，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元成套布置，成套的两个所述非破坏性成像单元水平设置，并且位于同一水平高度，分别用于在x轴和y轴上对冷原子团进行成像。

9.根据权利要求8所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，其特征在于，通过所述成像透镜的放大倍数和所述CMOS探测器的靶面的选择，利用同一成像光路实现不同位置冷原子团的分时成像；

和/或，所述非破坏性成像单元在不同高度重复布置，构成非破坏性成像单元阵列，实现不同位置冷原子团的成像；

其中，所述成像透镜采用单成像透镜结构或多透镜组合结构。

10.根据权利要求7所述的原子干涉重力仪波前相移快速评估系统，其特征在于，以冷原子团竖直下落方向为z轴，所述非破坏性成像单元竖直设置，成像光与拉曼光共用z轴竖直方向光路，通过时序和开关操作，在测量周期中的不同阶段切换所需激光。

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