CN112229390B - 一种三轴原子干涉陀螺仪及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴原子干涉陀螺仪，包括原子干涉陀螺仪物理系统、磁场控制线圈、冷却激光、探测器、探测光、冷却原子团、第一组拉曼光、第二组拉曼光和第三组拉曼光，在原子干涉陀螺仪物理系统的两端都设置有冷却原子团，两端的冷却原子团都包括三种原子，三种拉曼光分别作用于相对抛射的冷却原子团中的三种原子，本发明还公开了一种三轴原子干涉陀螺仪的实现方法，本发明利用单一原子干涉陀螺仪物理系统同时实现多轴原子干涉陀螺仪的测量装置，通过采用多种不同种类的原子作为干涉介质，同时进行原子冷却、选态、干涉，分别对多种原子进行荧光信号探测，输出三个方向的转动信号。

Description

一种三轴原子干涉陀螺仪及实现方法

技术领域

本发明涉及量子传感技术领域，更具体的涉及一种三轴原子干涉陀螺仪的实现方案，同时还涉及到一种三轴原子干涉陀螺仪装置。适用于原子惯性测量技术领域。

技术背景

基于原子干涉的陀螺仪具有高精度的转动测量潜力，正逐步应用于基础科学研究和工程技术方面。在惯性导航系统的应用中，陀螺仪测量载体转动运动信息，结合加速度计测量加速度信息，可得到载体的运动姿态和位置信息，实现载体的惯性导航。陀螺仪也可应用于稳定平台中，隔离载体的转动运动，使得搭载在稳定平台上的载荷始终保持精确的指向。基础科学研究中，三轴的陀螺仪测量地球不同纬度的转速变化用于广义相对论的检验。在以上的应用中，不仅需要高精度的陀螺仪，而且需要同时进行三轴转动测量的陀螺仪，基于原子干涉的三轴陀螺仪就能很好的满足以上应用需求。

针对本发明应用背景的已有相关文章和技术方案如下：

要实现原子干涉陀螺仪的三轴测量，可简单的通过三个互相正交的原子干涉陀螺仪组合使用，同时测量三个相互垂直轴的转动信息，然而，基于目前的技术手段，三个原子干涉陀螺仪的组合将大大增加整个系统的体积、功耗和系统复杂程度；另一种通过一个原子干涉陀螺仪分时段进行不同转动轴的测量，如巴黎天文台的B.Canel等人提出的方案。但针对在多数应用场景，需要可实时输出转动信息的多轴陀螺仪。

发明内容

本发明的目的在于针对目前原子干涉陀螺仪多轴转动测量面临的问题，提供了一种利用单一物理装置同时实现多轴原子干涉陀螺仪的测量装置，通过采用多种不同种类的原子作为干涉介质，同时进行原子冷却、选态、干涉，分别对多种原子进行荧光信号探测，输出多个方向的转动信号。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种三轴原子干涉陀螺仪，包括原子干涉陀螺仪物理系统，还包括磁场控制线圈，

磁场控制线圈包括中心轴线位于z轴方向的第一磁场控制线圈对和中心轴线位于y轴方向的第二磁场控制线圈对，原子干涉陀螺仪物理系统一端至另一端的方向位于x轴方向，

原子干涉陀螺仪物理系统的两端都设置有冷却激光和冷却原子团，两端的冷却原子团均包括三种原子，原子干涉陀螺仪物理系统两端均设置有探测器和探测光，

第一组拉曼光、第二组拉曼光、第三组拉曼光入射原子干涉陀螺仪物理系统的干涉区；

第一组拉曼光方向位于z轴方向，

第二组拉曼光方向位于y轴方向，

第三组拉曼光方向位于y轴方向。

一种三轴原子干涉陀螺仪实现方法，包括以下步骤：

步骤1、首先打开第一磁场控制线圈对，关闭第二磁场控制线圈对，形成沿z轴方向的磁场分布，在原子干涉陀螺仪物理系统的两端，冷却激光分别囚禁两个冷却原子团中各自的三种原子，然后通过调节冷却激光的频率失谐，冷却激光将两端的冷却原子团相对进行抛射；

步骤2、第一磁场控制线圈对和第二磁场控制线圈对同时打开并接入相同的电流，产生与x-y平面呈45°的磁场，

第一组拉曼光作用于相对抛射的冷却原子团中第一种原子，

第二组拉曼光作用于相对抛射的冷却原子团中第二种原子，

第三组拉曼光作用于相对抛射的冷却原子团中第三种原子，

进而分别形成第一原子干涉陀螺仪、第二原子干涉陀螺仪和第三原子干涉陀螺仪，

步骤3、干涉完成后，关闭第二磁场控制线圈对，

原子干涉陀螺仪物理系统两端对应于相对抛射的冷却原子团中第一种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统两端的探测器分别探测相对抛射的冷却原子团中第一种原子的荧光信号P₁₁和荧光信号P₁₂；根据荧光信号P₁₁获得第一种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₁₁，根据荧光信号P₁₂获得第一种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₁₂；

切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统两端对应于相对抛射的冷却原子团中第二种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统两端的探测器分别探测相对抛射的冷却原子团中第二种原子的荧光信号P₂₁和荧光信号P₂₂；根据荧光信号P₂₁获得第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₂₁，根据荧光信号P₂₂获得第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₂₂；

切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统两端对应于相对抛射的冷却原子团中第三种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统两端的探测器分别探测相对抛射的冷却原子团中第三种原子的荧光信号P₃₁和荧光信号P₃₂；根据荧光信号P₃₁获得第三种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₃₁，根据荧光信号P₃₂获得第三种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₃₂；

步骤4、测量的转动速率ΔΩ_x、ΔΩ_y和ΔΩ_z可表示为：

其中，k_y和k_z为y轴和z轴的拉曼波矢，v是原子飞行速度，T是原子的相干时间，g是重力加速度。

如上所述的第一组拉曼光由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团中第一种原子相互作用构成π/2-π-π/2构型的第一干涉环路，

第二组拉曼光由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团中第二种原子相互作用构成π/2-π-π/2构型的第二干涉环路，

第三组拉曼光由四个脉冲与相对抛射的冷却原子团中第三种原子相互作用构成π/2-π-π-π/2构型的第三干涉环路。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明利用单一原子干涉陀螺仪物理装置同时实现三轴转动的同步测量，实现一机多用，提高了系统的集成度，降低了系统的体积和功耗，为高精度原子干涉陀螺仪应用于惯性导航系统提供了一种高效的解决方案，对于惯性导航领域具有非常重要的意义。由于原子干涉仪对多种惯性量具有响应，因此本方案和测量方法还可以经过简单改造实现更加丰富多样的功能，例如三轴转动测量和三轴加速度测量，实现惯性导航。

附图说明

图1为三轴原子干涉陀螺仪的物理系统结构示意图；

图2为磁场和拉曼激光的方向；

图3为磁场线圈结构示意图；

图中：a1-原子干涉陀螺仪物理系统，a2-沿z轴方向的三束对射的拉曼激光，a3-沿y轴方向的三束对射的拉曼激光，a4-沿y轴方向的四束对射的拉曼激光，a5-冷却原子团，a6-荧光探测器，c1-y轴方向的第一磁场控制线圈对，c2-z轴方向的第二磁场控制线圈对。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施方案1：

在实施例中，三轴原子干涉陀螺仪的测试装置，包含有原子干涉仪的物理系统a1和磁场控制线圈c。

如图1所示，一种三轴原子干涉陀螺仪，包括原子干涉陀螺仪物理系统a1、磁场控制线圈c、冷却激光、探测器a6、探测光、冷却原子团a5、第一组拉曼光a2、第二组拉曼光a3、第三组拉曼光a4，

建立xyz直角坐标系，原子干涉陀螺仪物理系统a1外部设置磁场控制线圈c，磁场控制线圈c包括中心轴线位于z轴方向的第一磁场控制线圈对c1和中心轴线位于y轴方向的第二磁场控制线圈对c2，原子干涉陀螺仪物理系统a1一端至另一端的方向位于x轴方向，

在原子干涉陀螺仪物理系统a1的两端都设置有冷却原子团a5，两端的冷却原子团a5都包括三种原子，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端均设置有探测器a6和探测光。

原子干涉陀螺仪物理系统a1的两端均设置有冷却激光，冷却激光包含三种原子的激光频率，可同时实现冷却原子团a5中的三种原子的冷却囚禁，紧接着改变冷却激光的频率，抛出相对抛出冷却原子团a5。

第一组拉曼光a2和第二组拉曼光a3垂直，

第一组拉曼光a2方向位于z轴方向，

第二组拉曼光a3方向位于y轴方向，

第三组拉曼光a4方向位于y轴方向。

在本实施例中，x轴和y轴垂直，z轴垂直于xy平面。

一种三轴原子干涉陀螺仪实现方法，包括以下步骤：

步骤1、首先打开第一磁场控制线圈对c1，关闭第二磁场控制线圈对c2，形成沿z轴方向的磁场分布，在原子干涉陀螺仪物理系统a1的两端的冷却激光分别囚禁两个冷却原子团a5，冷却激光由三种不同频率的激光合束而成，对应着原子干涉陀螺仪物理系统a1两端的冷却原子团a5中的三种原子能级。然后通过调节冷却激光的频率失谐，冷却激光将两端的冷却原子团a5相对进行抛射，随后进行原子态制备。

步骤2、第一磁场控制线圈对c1和第二磁场控制线圈对c2同时打开并接入相同的电流，产生与x-y平面呈45°的磁场B，实现第一组拉曼光a2、第二组拉曼光a3和第三组拉曼光a4与原子的正常跃迁，如图2所示。

第一组拉曼光a2作用于相对抛射的冷却原子团a5中第一种原子，

第二组拉曼光a3作用于相对抛射的冷却原子团a5中第二种原子，

第三组拉曼光a4作用于相对抛射的冷却原子团a5中第三种原子，

分别形成第一原子干涉陀螺仪、第二原子干涉陀螺仪和第三原子干涉陀螺仪，进而形成三个互相垂直的干涉环路，用于测量x轴、y轴和z轴方向的转动角速度。

第一组拉曼光a1由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团a5中第一种原子相互作用构成第一干涉环路(π/2-π-π/2构型)，

第二组拉曼光a3由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团a5中第二种原子相互作用构成第二干涉环路(π/2-π-π/2构型)，

第三组拉曼光a4由四个脉冲与相对抛射的冷却原子团a5中第三种原子相互作用构成第三干涉环路(π/2-π-π-π/2构型)。

步骤3、干涉完成后，关闭第二磁场控制线圈对c2，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端均设置有探测光，

原子干涉陀螺仪物理系统a1两端对应于相对抛射的冷却原子团a5中第一种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端的探测器a6分别探测相对抛射的冷却原子团a5中第一种原子的荧光信号P₁₁和荧光信号P₁₂；

根据荧光信号P₁₁获得第一种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₁₁，根据荧光信号P₁₂获得第一种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₁₂；

第一种原子探测完之后，使用光开关切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端对应于相对抛射的冷却原子团a5中第二种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端的探测器a6分别探测相对抛射的冷却原子团a5中第二种原子的荧光信号P₂₁和荧光信号P₂₂；

根据荧光信号P₂₁获得第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₂₁，根据荧光信号P₂₂获得第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₂₂；

第二种原子探测完之后，使用光开关切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端对应于相对抛射的冷却原子团a5中第三种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统a1两端的探测器a6分别探测相对抛射的冷却原子团a5中第三种原子的荧光信号P₃₁和荧光信号P₃₂。

通过荧光收集获得每种原子的两组荧光信号，其信号大小P＝P₀+A·cos(φ)，P为干涉后处于相同能级原子的荧光信号，P₀为干涉信号的本底，A为干涉信号的幅度，φ为干涉信号的相移。可反推出三种原子干涉陀螺仪的相位变化值，第一种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₁₁和φ₁₂，第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₂₁和φ₂₂，第三种原子干涉陀螺仪的相位变化值为φ₃₁和φ₃₂。

步骤4、三轴原子干涉陀螺仪的测量的转动速率ΔΩ_x、ΔΩ_y和ΔΩ_z可表示为：

其中，k_y和k_z为y轴和z轴的拉曼波矢，v是原子飞行速度，T是原子的相干时间，g是重力加速度。测量装置干涉仪利用第一组拉曼光a2、第二组拉曼光a3和第三组拉曼光a4，分别形成第一原子干涉陀螺仪、第二原子干涉陀螺仪和第三原子干涉陀螺仪，第一原子干涉陀螺仪的相位变化值φ₁₁和φ₁₂，第二原子干涉陀螺仪的相位变化值φ₂₁和φ₂₂，第三原子干涉陀螺仪的相位变化值φ₃₁和φ₃₂，便可计算得到转动速率ΔΩ_x、ΔΩ_y和ΔΩ_z。

原子干涉仪中原子的激光冷却，原子干涉后的相位提取等技术为通用技术，本专利中不详细论述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种三轴原子干涉陀螺仪，包括原子干涉陀螺仪物理系统(a1)，其特征在于，还包括磁场控制线圈，

磁场控制线圈包括中心轴线位于z轴方向的第一磁场控制线圈对(c1)和中心轴线位于y轴方向的第二磁场控制线圈对(c2)，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)一端至另一端的方向位于x轴方向，

原子干涉陀螺仪物理系统(a1)的两端都设置有冷却激光和冷却原子团(a5)，两端的冷却原子团(a5)均包括三种原子，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端均设置有探测器(a6)和探测光，

第一组拉曼光(a2)、第二组拉曼光(a3)、第三组拉曼光(a4)入射原子干涉陀螺仪物理系统(a1)的干涉区；

第一组拉曼光(a2)方向位于z轴方向，

第二组拉曼光(a3)方向位于y轴方向，

第三组拉曼光(a4)方向位于y轴方向。

2.一种三轴原子干涉陀螺仪实现方法，利用权利要求1所述的一种三轴原子干涉陀螺仪，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先打开第一磁场控制线圈对(c1)，关闭第二磁场控制线圈对(c2)，形成沿z轴方向的磁场分布，在原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端的冷却激光分别囚禁两个冷却原子团(a5)中各自的三种原子，然后通过调节冷却激光的频率失谐，冷却激光将两端的冷却原子团(a5)相对进行抛射；

步骤2、第一磁场控制线圈对(c1)和第二磁场控制线圈对(c2)同时打开并接入相同的电流，产生与x-y平面呈45°的磁场，

第一组拉曼光(a2)作用于相对抛射的冷却原子团(a5)中第一种原子，

第二组拉曼光(a3)作用于相对抛射的冷却原子团(a5)中第二种原子，

第三组拉曼光(a4)作用于相对抛射的冷却原子团(a5)中第三种原子，

进而分别形成第一原子干涉陀螺仪、第二原子干涉陀螺仪和第三原子干涉陀螺仪，

步骤3、干涉完成后，关闭第二磁场控制线圈对(c2)，

原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端对应于相对抛射的冷却原子团(a5)中第一种原子 的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端的探测器(a6)分别探测相对抛射的 冷却原子团(a5)中第一种原子的荧光信号P₁₁和荧光信号P₁₂；根据荧光信号P₁₁获得第一种 原子干涉陀螺仪的相位变化值为

，根据荧光信号P₁₂获得第一种原子干涉陀螺仪的相位 变化值为

；

切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端对应于相对抛射的冷却原子团(a5)中 第二种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端的探测器(a6)分别探测 相对抛射的冷却原子团(a5)中第二种原子的荧光信号P₂₁和荧光信号P₂₂；根据荧光信号P₂₁ 获得第二种原子干涉陀螺仪的相位变化值为

，根据荧光信号P₂₂获得第二种原子干涉 陀螺仪的相位变化值为

；

切换探测光，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端对应于相对抛射的冷却原子团(a5)中 第三种原子的探测光同时打开，原子干涉陀螺仪物理系统(a1)两端的探测器(a6)分别探测 相对抛射的冷却原子团(a5)中第三种原子的荧光信号P₃₁和荧光信号P₃₂；根据荧光信号P₃₁ 获得第三种原子干涉陀螺仪的相位变化值为

，根据荧光信号P₃₂获得第三种原子干涉 陀螺仪的相位变化值为

；

步骤4、测量的转动速率ΔΩ_x、ΔΩ_y和ΔΩ_z可表示为：

其中，k_y和k_z为y轴和z轴的拉曼波矢，v是原子飞行速度，T是原子的相干时间，g是重力加速度。

3.根据权利要求2所述的一种三轴原子干涉陀螺仪实现方法，其特征在于，所述的第一组拉曼光(a2)由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团(a5)中第一种原子相互作用构成π/2-π-π/2构型的第一干涉环路，

第二组拉曼光(a3)由三个脉冲与相对抛射的冷却原子团(a5)中第二种原子相互作用构成π/2-π-π/2构型的第二干涉环路，

第三组拉曼光(a4)由四个脉冲与相对抛射的冷却原子团(a5)中第三种原子相互作用构成π/2-π-π-π/2构型的第三干涉环路。

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