CN112667966B - 原子干涉陀螺仪信号解算方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种原子干涉陀螺仪信号解算方法、装置、计算机设备和存储介质，适用于精密仪器技术领域，该方法包括：对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的激光；利用所述调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得所述原子束发生干涉；获取所述原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算所述干涉条纹的包络中心点；基于所述包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。采用本方法能够准确有效地计算得到原子干涉陀螺仪转动角速率，且能够实现大动态范围的测量。
Description
技术领域
本申请涉及精密仪器技术领域，特别是涉及一种原子干涉陀螺仪信号解算方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
原子干涉仪作为高灵敏度的惯性传感器可以精确测量重力加速度、引力常数、转动角速度等重要物理量。原子干涉陀螺仪是一种精密测量转动角速率的量子传感器件。高精度的原子干涉陀螺仪在惯性导航、大地勘察、基础物理学研究等领域有广阔的应用前景，因此，研制原子干涉陀螺仪具有科学意义和实用价值。
通常使用激光对原子进行相干操纵，使其发生分束、反射、合束。合束后原子干涉形成条纹，干涉相移会受到转动角速率的影响。因此，传统方法是采用测量干涉相移的值来推算转动角速率。
然而，传统方法的测量范围会受到π相位的限制，当转动角速率变化引起的干涉相移超过π时，将无法判断其处于哪个周期，存在歧义的问题，因此测量的动态范围小。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种原子干涉陀螺仪信号解算方法、装置、计算机设备和存储介质，能够计算得出原子干涉陀螺仪的转动角速率。
第一方面，提供了一种原子干涉陀螺仪信号解算方法，该方法包括对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉；获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点；基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在其中一个实施例中，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，包括：获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息；基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号；基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹；若扫描到完整的干涉条纹，则获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在其中一个实施例中，上述方法还包括：若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在其中一个实施例中，基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹，包括：判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
在其中一个实施例中，计算干涉条纹的包络中心点，包括：根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在其中一个实施例中，基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率，包括：基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率；基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两个相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在其中一个实施例中，利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
第二方面，提供了一种原子干涉陀螺仪信号解算装置，装置包括：
频率调制模块，用于对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；
相干操纵模块，用于利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉；
获取模块，用于获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点；
计算模块，用于基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在其中一个实施例中，上述获取模块，具体用于获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息；基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号；基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹；若扫描到完整的干涉条纹，则获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在其中一个实施例中，上述获取模块，具体用于：若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在其中一个实施例中，上述获取模块，具体用于：判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
在其中一个实施例中，上述获取模块，具体用于：根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在其中一个实施例中，上述计算模块，具体用于：基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率；
基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；
式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两个相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在其中一个实施例中，上述相干操纵模块，具体用于：利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述第一方面任一所述的原子干涉陀螺仪信号解算方法。
第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面任一所述的原子干涉陀螺仪信号解算方法。
上述原子干涉陀螺仪信号解算方法、装置、计算机设备和存储介质，通过对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉。在原子干涉完成的情况下，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点。基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。本申请实施例的方法通过在原子束完成干涉的情况下，获取原子束干涉条纹，并获取原子束干涉条纹对应的包络中心点，基于包络中心点计算原子干涉陀螺仪转动角速率。在使用该原子干涉陀螺仪信号解算求解转动速率时，其动态范围不再受限于π相位，而是受限于调制频率的扫描范围，能够实现大动态范围的测量。该原子干涉陀螺仪信号解算也是一种绝对测量方法，其精度受调制频率扫描精度和信号解算精度的影响，理论值高。
附图说明
图1为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算方法的应用环境图；
图2为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算方法的流程示意图；
图3为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算步骤的流程示意图；
图4为另一个实施例中原子束干涉信号示意图；
图5为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算步骤的流程示意图；
图6为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算步骤的流程示意图；
图7为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算步骤的流程示意图；
图8为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算中原子束发生干涉的示意图；
图9为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算方法的流程示意图；
图10为一个实施例中原子干涉陀螺仪信号解算装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的原子干涉陀螺仪信号解算方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。该应用环境提供了一种原子干涉陀螺仪系统，该系统包括：真空腔室，原子源，相干操纵激光系统，频率调制系统，检测系统，控制系统。其中，原子源为原子干涉陀螺仪系统提供一种物质波源，该物质波源可以为经过加热和准直后的热原子束、或是对热原子进行冷却形成的冷原子束或冷原子云团。真空腔室为原子束或者原子云团提供了与相干操纵激光进行作用的空间，原子束或原子云团在其中能够自由传输。相干操纵激光系统位于真空腔室之外，用于产生相干操纵激光，该相干操纵激光通过真空腔室的窗口后可以与原子束或者原子云团发生作用。频率调制系统用于调节相干操纵激光的调制频率。检测系统用于检测原子干涉后处于某一能级的概率。控制系统用于基于检测系统的检测结果判断是否扫描到完整的干涉条纹，并在扫描到完整的干涉条纹的情况下获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，计算转动角速率，除此之外，还包括磁光阱参数设置、相干操纵激光频率扫描、时序控制、信号采集与处理等功能。控制系统主要由计算机、模拟和数字I/O接口、数/模及模/数转换模块、数据存储模块、串口通信模块以及控制软件等部分组成，以实现以上所提到的功能。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种原子干涉陀螺仪信号解算方法，以该方法应用于图1中的应用环境中原子干涉陀螺仪系统为例进行说明，包括以下步骤：
步骤201，原子干涉陀螺仪系统对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光。
在本申请实施例中，可选的，相干操纵激光可以是三对拉曼激光，三对拉曼激光可以由一个光源经过分束得到以保证其相干性。频率调制系统用于对三对拉曼激光的频率进行特定的调制。
在申请实施例中，频率调制系统可以使用声光调制器实现对三对拉曼激光的频率进行调制。第一对拉曼激光对应的声光调制器的驱动频率设置为f+δf/2，第二对拉曼激光对应的声光调制器的驱动频率设置为f，第三对拉曼激光对应的声光调制器的驱动频率设置为f-δf/2。三个驱动频率可通过对其他基准频率的相加或相减实现，基准频率需参考至同一超稳晶振或原子钟，在该拉曼激光频率调制系统的作用下，可以在原子干涉相移中引入-2δfT项，进而用于转动角速率的模拟。
步骤202，原子干涉陀螺仪系统利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉。
在本申请实施例中，由原子源发出速度较高、速度分布较宽的原子至真空腔室内。可选的，在热原子束的实施例中，需要对其横向速度进行冷却。在冷原子的实施例中，可以采用磁光阱等技术对热原子冷却得到冷原子束/冷原子云团。在本申请实施例中，可选的，相干操纵激光可以是三对拉曼激光，在双光子受激拉曼跃迁的实施例中，拉曼激光在真空腔室内对原子进行相干操纵。在本申请实施例中，原子将在真空腔室内依次与三对拉比相位分别为π/2、π、π/2的拉曼激光序列相互作用，发生分束、反射、合束，并在最后一对拉曼激光的作用下发生干涉。
步骤203，原子干涉陀螺仪系统获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点。
在本申请实施例中，拉曼激光波矢、重力加速度、原子速度方向两两垂直，原子干涉构型为基于三脉冲拉曼激光的马赫-泽德型。此时，原子会感受到拉曼激光的相移并标记在原子的干涉相移中。原子的干涉相移可写为：
Δφ＝φ1-2φ2+φ3，
式中，φ1为第一对拉曼激光的相对相位，φ2为第二对拉曼激光的相对相位，φ3为第三对拉曼激光的相对相位。
当原子干涉陀螺仪存在转动时，原子束两个传播路径中存在一定的路径差，所引入的干涉相移可写为：
式中，keff为拉曼激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻拉曼激光之间的间距，T为原子在两对相邻拉曼激光之间自由传输的时间，
为其他非惯性相移。
在本申请实施例中，对三对拉曼激光脉冲进行特定的频率调制，此时拉曼激光脉冲频率和相位的变化会使干涉相移发生变化，可写为：
其中，δf为拉曼激光的调制频率，keff为拉曼激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻拉曼激光之间的间距，T为原子在两对相邻拉曼激光之间自由传输的时间，
为其他非惯性相移。基于此方法，可以对拉曼激光频率进行扫描，用于模拟转动角速率Ω的变化。
步骤204，原子干涉陀螺仪系统基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在本申请实施中，根据干涉理论可知，包络的中心始终对应零路程差点，即在包络中心点始终满足：
2keffΩL-2δf＝0，
其中，δf为拉曼激光的调制频率，keff为拉曼激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻拉曼激光之间的间距。
在本申请实施中，对调制频率扫描得到的干涉条纹，根据包络中心点对应的调制频率δf，即可求出转动角速率Ω＝δf/keffL。
上述原子干涉陀螺仪信号解算方法，通过对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉。在原子干涉完成的情况下，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点。基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。本申请实施例的方法通过在原子束完成干涉的情况下，获取原子束干涉条纹，并获取原子束干涉条纹对应的包络中心点，基于包络中心点计算原子干涉陀螺仪转动角速率。在使用该原子干涉陀螺仪信号解算求解转动速率时，其动态范围不再受限于π相位，而是受限于调制频率的扫描范围，能够实现大动态范围的测量。此外，该原子干涉陀螺仪信号解算方法也是一种绝对测量方法，其精度受调制频率扫描精度和信号解算精度的影响，理论值高。
在本申请一个可选的实施例中，如图3所示，上述获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹的过程，可以包括以下步骤：
步骤301，原子干涉陀螺仪系统获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息。
在本申请实施例中，原子束发生干涉后会处于不同的能级。可选的，以87Rb原子的D2跃迁线为例，可以获取处于F＝2能级的原子的数量。本申请实施可以通过检测激光与原子束作用产生的荧光或检测原子吸收光强的方式，获取处于F＝2能级的原子的数量。可选的，获取原子数目的方式，可采用荧光法、吸收法等方法实现。在本申请实施中，还可以通过归一化探测的方法提高信噪比。
步骤302，原子干涉陀螺仪系统基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号。
在本申请实施例中，可选的，使用荧光法检测处于F＝2能级的原子的数量，使用与87Rb原子D2跃迁线的F＝2能级至F’＝3能级之间频率共振的激光与原子作用，再使用光电倍增管或光电二极管对荧光信号进行检测，统计布居在F＝2能级原子的数目。
步骤303，原子干涉陀螺仪系统基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹，若扫描到完整的干涉条纹，这执行步骤304；若未扫描到完整的干涉条纹，则执行步骤305。
在本申请实施例中，如图4所示为原子束干涉信号示意图，基于上述荧光法检测处于F＝2能级原子的数目，得到的干涉信号满足：
式中，N为参与干涉的原子总数目，C为干涉信号的包络。
在本申请实施例中，原子干涉陀螺仪系统获取的处于F＝2能级原子的数目，并存储至计算机的存储器中，此时完成一次测量的循环。然后判断是否完成整个干涉条纹的扫描。
步骤304，原子干涉陀螺仪系统获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在本申请实施例中，若扫描得到整个干涉条纹，则基于扫描后的结果，完成不同调制频率点对应的原子数目值的记录，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
步骤305，原子干涉陀螺仪系统继续对相干操纵激光进行频率调制处理。
在本申请实施例中，在没有扫描得到整个干涉条纹的情况下，原子干涉陀螺仪系统确定扫描未完成。则需要按照扫描步长和方向的要求改变调制频率的值，进入到下一次的循环中。
步骤306，原子干涉陀螺仪系统利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在本申请实施例中，可选的，相干操纵激光可以是三对拉曼激光，原子干涉陀螺仪系统利用按照扫描步长和方向的要求调制处理后的三对拉曼激光对原子束进行相干操纵，再次利用上述方法检测是否扫描到完整的干涉条纹，直至扫描到完整的干涉条纹为止，在扫描完成后，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
本实施例中，通过获取相干操纵激光与原子束作用后，原子在检测光作用下产生的荧光，并基于光电二极管将荧光转换为电信号，基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹。在扫描到完整的干涉条纹的情况下，获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。在未扫描到完整的干涉条纹的情况下，继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。利用本申请实施例的方法，通过采集到的电信号获取到处于F＝2能级的原子的数目，并通过电信号的大小确定是否扫描到了完整的干涉条纹，从而进一步计算原子干涉陀螺仪的转动角速率。
在本申请一个可选的实施例中，如图5所示，上述基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹的方法，可以包括以下步骤：
步骤501，原子干涉陀螺仪系统判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值，若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则执行步骤502；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则执行步骤503。
步骤502，原子干涉陀螺仪系统确定扫描到完整的干涉条纹。
步骤503，原子干涉陀螺仪系统确定未扫描到完整的干涉条纹。
在本申请实施例中，当调制频率所对应的转动速率与系统实际的转动速率偏差较大时，原子干涉陀螺仪系统将无法观察到原子的干涉信号，因此，原子干涉陀螺仪系统可以通过判断原子数目的变化量的大小判断是否已经完成了干涉条纹的扫描过程。因此，原子干涉陀螺仪系统需要判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值。在本申请实施例中，预设时长可以根据实际需求进行设定，本申请实施例对预设时长不做具体限定。可选的，电信号阈值可以根据实际需求进行设定，本申请实施例对电信号阈值不做具体限定。
在本申请实施例中，在电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值的情况下，原子干涉陀螺仪系统确定电信号波动趋于稳定，则说明处于F＝2能级的原子数目的趋于稳定，原子干涉陀螺仪系统确定扫描到完整的干涉条纹。
在本申请实施例中，在电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值的情况下，原子干涉陀螺仪系统确定电信号波动还未趋于稳定，则处于F＝2能级的原子数目的还未趋于稳定，原子干涉陀螺仪系统确定未扫描到完整的干涉条纹。
在本申请实施中，通过判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值，确定扫描到完整的干涉条纹；在电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，确定未扫描到完整的干涉条纹。本申请实施例的方法，通过电信号的波动可以直观准确的判断是否扫描到完整的干涉条纹，从而有利于计算原子干涉陀螺仪的转动角速率。
在本申请一个可选的实施例中，计算干涉条纹的包络中心的方法有很多，可选的，可以根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在本申请实施例中，其中，极值法是将干涉条纹中信号的极大值作为条纹包络的中心，是一种较为简单的解算方法。在使用该方法进行计算时，需先选取信号的交流成分，再取其绝对值的最大值作为包络的中心。极值法是简单快速的求解方法，但其结果受其他相移、信号噪声、扫描步长的影响较大，精度较低。该方法的数学表达式如下：
ymax(x)＝|yac(x)|，
其中，y(x)采集到的荧光信号强度，x为调制频率值，yac(x)为选取的荧光信号的交流成分，ymax(x)为yac(x)的绝对值的最大值，N为原子的总数据点数。
在本申请实施例中，其中，重心法是通过计算信号的重心确定零路程差点的位置的方法。理想的干涉信号是关于中心条纹左右对称的，此时条纹的重心就是零路程差点。在计算条纹重心时，可以将交流量yac(x)的绝对值或平方值作为目标函数。使用yac(x)绝对值求解重心时对噪声较为敏感，干涉条纹的不对称会影响识别精度。平方法可以增加不同条纹级次间的强度差，一定程度上能够抑制条纹不对称对识别精度的影响。计算公式如下：
f1(x)＝|yac(x)|，
f2(x)＝(yac(x))2
其中，f1(x)为选取的荧光信号的交流成分的绝对值，f2(x)为选取的荧光信号的交流成分的平方值。
则零路程差点的调制频率值为：
其中，δfc为零路程差点的调制频率值。
在本申请实施例中，其中，函数拟合法是通过干涉条纹进行函数拟合得到拟合曲线的函数表达，再查找拟合的包络曲线的极值点作为零路程差的调制频率值。以高斯函数拟合和二次多项式拟合为例，拟合函数表达式如下：
y2(x)＝c'1+c'2cos((c'3-2x)·c'4+c'5)·(c'6x2+c'7x+1)
其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7为高斯函数待拟合系数，c'1、c'2、c'3、c'4、c'5、c'6、c'7为二次多项式函数待拟合系数，y1(x)和y2(x)为荧光信号强度，x为调制频率值。包络信号分别为上式中的指数项和二次多项式，计算包络极值点的调制频率值即可得到转动速率。该方法受相位噪声影响相对较小，可以减小非惯性相移的影响，但初始参数的选择对于拟合效果影响较大，需要根据已有数据预估各个拟合参数的范围。
在本申请实施中，可以根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。根据上述方法可以保证计算得出的包络中心点的准确性，从而也可以保证计算得到的原子干涉陀螺仪的转动角速率的正确性。
在本申请一个可选的实施例中，如图6所示，基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率，可以包括以下步骤：
步骤601：原子干涉陀螺仪系统基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率。
在本申请实施例中，计算得到包络中心点，由于包络中心点的横坐标对应着相干操纵激光的调制频率，因此可以根据获取相干操纵激光的调制频率。
在本申请实施例中，由于调制频率按照一定的步长扫描，采集到的数据为离散的，因此，采集到的电信号可以表示为：
其中，y(xi)为采集到的荧光信号强度，xi为调制频率值，A为直流偏置量，C(xi)为干涉信号的包络，k为系数，
为与转动速率无关的相位量。在解算转动角速率时，使用不同算法求解C(xi)的中心点对应的调制频率xi。
步骤602，原子干涉陀螺仪系统基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在本申请实施例中，在获取到相干操纵激光的调制频率δf的情况下，可以根据公式2keffΩL-2δf＝0，计算得到转动角速率Ω＝δf/keffL。
在本申请实施例中，基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率，基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率。本申请实施例的方法，不用计算干涉条纹的干涉相移，可以直接计算得出原子干涉陀螺仪的转动角速率，计算方法简单便捷，准确有效。其次，该方法中标度因数中只含有相干操纵激光的波矢keff和干涉距离L，不再受原子运动速度的干扰，稳定性好。此外，本申请实施例中提供的原子干涉陀螺仪信号解算方法，不受π相位的限制，因此动态范围更大。
在本申请一个可选的实施例中，如图7所示。实现上述“利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉”的过程，可以包括以下步骤：
步骤701，原子干涉陀螺仪系统利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离。
步骤702，原子干涉陀螺仪系统利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量。
步骤703，原子干涉陀螺仪系统利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态，其中，在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
在本申请实施例中，可选的，|g〉能级可以表示为F＝1能级，|e〉能级可以表示为F＝2能级。如图8所示，可选的，被加热的87Rb原子在磁光阱的作用下被冷却形成冷原子束。该冷原子束从左侧出发，拥有向右的动量，被制备到87Rb原子D2线的F＝1能级上。在该实施例中，相干操纵激光与重力加速度方向垂直，原子运动的方向与相干操纵激光的方向垂直，故重力加速度与原子干涉平面垂直，对其不敏感。原子向右传播一段距离后与起分束作用的相干操纵激光相互作用，发生双光子受激拉曼跃迁。此时相干操纵激光的拉比相位为π/2，原子处于F＝1能级和F＝2能级的叠加态，并获得了动量分离。记此时相干操纵激光的相对相位为φ1。处于不同能级的原子继续向右侧传播，经过一段距离后，原子与起反射作用的相干操纵激光作用。该相干操纵激光的拉比相位设置为π，布居在F＝2能级上的原子会跃迁至F＝1能级上，布居在F＝1能级上的原子会跃迁至F＝2能级上，并获得动量，记此时相干操纵激光的相对相位为φ2。原子继续向右传播后与相干操纵激光作用，该相干操纵激光的拉比相位设置为π/2，原子再次处于F＝1能级和F＝2能级的叠加态，记此时相干操纵激光与原子作用的相位为φ3。在相干操纵激光的作用后，原子路径重合并发生干涉。当垂直于干涉面积方向存在一定的转动角速度Ω时，干涉相移会发生改变。
在本申请实施例中，原子干涉陀螺仪系统利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。本申请实施例中，使用相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子发生干涉。通过对相干操纵激光进行频率调制，并且扫描调制频率获取干涉条纹，从而基于干涉条纹对应的包络中心点计算原子干涉陀螺仪的转动角速率。
请参考图9，其示出了本申请实施例提供的一种示例性的原子干涉陀螺仪信号解算方法流程图，该方法可以应用于图1所示实施环境中。如图9所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤901，原子干涉陀螺仪系统对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光。
步骤902，原子干涉陀螺仪系统利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离。
步骤903，原子干涉陀螺仪系统利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量。
步骤904，利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态，其中，在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
步骤905，原子干涉陀螺仪系统获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息。
步骤906，原子干涉陀螺仪系统基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号。
步骤907，原子干涉陀螺仪系统基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹。
步骤908，原子干涉陀螺仪系统判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则执行步骤909；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则执行步骤910。
步骤909，原子干涉陀螺仪系统确定扫描到完整的干涉条纹，执行步骤911。
步骤910，原子干涉陀螺仪系统确定未扫描到完整的干涉条纹，则继续执行步骤901。
步骤911，原子干涉陀螺仪系统根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点。
步骤912，原子干涉陀螺仪系统基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率。
步骤913，原子干涉陀螺仪系统基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率。
应该理解的是，虽然图2-3、5-7以及9的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2-3、5-7以及9中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图10所示，提供了一种原子干涉陀螺仪信号解算装置1000，装置包括：频率调制模块1001、相干操纵模块1002、获取模块1003和计算模块1004，其中：
频率调制模块1001，用于对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光。
相干操纵模块1002，用于利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉。
获取模块1003，用于获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点。
计算模块1004，用于基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在本申请的一个可选实施例中，上述获取模块1003，具体用于获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息；基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号；基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹；若扫描到完整的干涉条纹，则获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在本申请的一个可选实施例中，上述获取模块1003，具体用于：若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在本申请的一个可选实施例中，上述获取模块1003，具体用于：判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
在本申请的一个可选实施例中，上述获取模块1003，具体用于：根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在本申请的一个可选实施例中，上述计算模块1004，具体用于：基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率；
基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；
式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在本申请的一个可选实施例中，上述相干操纵模块1001，具体用于：利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
关于原子干涉陀螺仪信号解算装置的具体限定可以参见上文中对于原子干涉陀螺仪信号解算方法的限定，在此不再赘述。上述原子干涉陀螺仪信号解算装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉；获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点；基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息；基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号；基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹；若扫描到完整的干涉条纹，则获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率；基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得原子束发生干涉；获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算干涉条纹的包络中心点；基于包络中心点对应的调制频率计算转动角速率。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：获取相干操纵激光与原子束作用后原子的数目信息；基于吸收法或荧光法对原子的数目信息进行检测，并将原子的数目信息转换为电信号；基于电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹；若扫描到完整的干涉条纹，则获取原子束发生干涉后形成的干涉条纹。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对相干操纵激光进行频率调制处理，并利用调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：判断电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；若电信号的变化量在预设时长内持续小于电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹若电信号的变化量在预设时长内没有持续小于电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：根据预设算法计算干涉条纹的包络中心点，预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：基于包络的中心点，获取包络的中心点横坐标对应的调制频率；基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为相干操纵激光的有效波矢，Ω为转动角速率，L为两对相邻相干操纵激光之间的间距，δf为相干操纵激光的调制频率。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：利用分束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；利用反射作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；利用合束作用的相干操纵激光对原子束进行作用，使得原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；在合束作用的相干操纵激光的作用后，原子束路径重合并发生干涉。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种原子干涉陀螺仪信号解算方法，其特征在于，所述方法包括：
对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；
利用所述调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得所述原子束发生干涉；
获取所述相干操纵激光与所述原子束作用后原子的数目信息，基于吸收法或荧光法对所述原子的数目信息进行检测，并将所述原子的数目信息转换为电信号，基于所述电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹，若扫描到完整的干涉条纹，则获取所述原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算所述干涉条纹的包络中心点；
基于所述包络的中心点，获取所述包络的中心点横坐标对应的调制频率，基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为所述相干操纵激光的有效波矢，Ω为所述转动角速率，L为两个所述相干操纵激光之间的间距，δf为所述相干操纵激光的调制频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对所述相干操纵激光进行频率调制处理，并利用所述调制处理后的相干操纵激光对所述原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹，包括：
判断所述电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；
若所述电信号的变化量在所述预设时长内持续小于所述电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；
若所述电信号的变化量在所述预设时长内没有持续小于所述电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述干涉条纹的包络中心点，包括：
根据预设算法计算所述干涉条纹的包络中心点，所述预设算法包括极值法、重心法以及函数拟合法中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得所述原子束发生干涉，包括：
利用分束作用的所述相干操纵激光对所述原子束进行作用，使得所述原子束中的原子处于|g〉能级和|e〉能级等概率的叠加态，并获得动量分离；
利用反射作用的所述相干操纵激光对所述原子束进行作用，使得布居在|e〉能级和|g〉能级的概率反转，并获得动量；
利用合束作用的所述相干操纵激光对所述原子束进行作用，使得所述原子再次处于|g〉能级和|e〉能级的叠加态；
在合束作用的所述相干操纵激光的作用后，所述原子束路径重合并发生干涉。
6.一种原子干涉陀螺仪信号解算装置，其特征在于，所述装置包括：
频率调制模块，用于对相干操纵激光进行频率调制处理，得到调制处理后的相干操纵激光；
相干操纵模块，用于利用所述调制处理后的相干操纵激光对原子束进行相干操纵，使得所述原子束发生干涉；
获取模块，用于获取所述相干操纵激光与所述原子束作用后原子的数目信息，基于吸收法或荧光法对所述原子的数目信息进行检测，并将所述原子的数目信息转换为电信号，基于所述电信号确定是否扫描到完整的干涉条纹，若扫描到完整的干涉条纹，则获取所述原子束发生干涉后形成的干涉条纹，并计算所述干涉条纹的包络中心点；
计算模块，用于基于所述包络的中心点，获取所述包络的中心点横坐标对应的调制频率，基于公式：2keffΩL-2δf＝0，计算转动角速率；式中，keff为所述相干操纵激光的有效波矢，Ω为所述转动角速率，L为两个所述相干操纵激光之间的间距，δf为所述相干操纵激光的调制频率。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块具体用于：
若未扫描到完整的干涉条纹，则继续对所述相干操纵激光进行频率调制处理，并利用所述调制处理后的相干操纵激光对所述原子束进行相干操纵，直至扫描到完整的干涉条纹为止。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块具体用于：
判断所述电信号的变化量在预设时长内是否持续小于预设的电信号阈值；
若所述电信号的变化量在所述预设时长内持续小于所述电信号阈值，则确定扫描到完整的干涉条纹；
若所述电信号的变化量在所述预设时长内没有持续小于所述电信号阈值，则确定未扫描到完整的干涉条纹。
9.一种原子干涉陀螺仪信号解算设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5 中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5 中任一项所述的方法的步骤。
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2021
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| CN112667966A (zh) | 2021-04-16 |
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