CN112835114A - 带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，包括激光拍频锁相环路、光学输出装置和振动采集反馈装置；所述激光拍频锁相环路用于将激光器输出激光频率的拍频锁定于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上；光学输出装置用于将激光器输出的激光转换成满足原子干涉要求的一对拉曼光输入到干涉腔体内；振动采集反馈装置用于采集反射镜反射的拉曼光受到的振动信号，并对其进行数据处理，最后通过反馈调节激光拍频锁相环路的锁定相位，来实时修正输出的拉曼光的相位。本发明通过激光拍频锁相环路的锁定，从激光器输出激光的频率和相位能够实时跟随主激光器输出激光的频率和相位。

Description

带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置

技术领域

本发明属于冷原子干涉重力仪技术领域，涉及冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，尤其是一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置。

背景技术

冷原子干涉重力仪通过激光操控碱金属原子发生物质波干涉实现重力绝对测量，具有高精度、高灵敏度和良好的长期稳定性等优势，非常适合于地质学、勘探学重力测绘，以及不依赖全球定位系统(GPS)的长航时、深远海重力匹配导航精度校正。冷原子干涉重力仪的一般测量过程为：对碱金属原子进行冷却囚禁和态纯化，然后在其竖直上抛或自由下落的过程中作用一对拉曼光，使运动中的原子团产生分束、态反转和合束。最终，通过对合束后的原子量子态布居数的测量描绘一条相位与原子团运动方向上加速度有关的干涉条纹。

为了使原子产生相干叠加，作用于原子的一对拉曼光中的两个激光频率的拍频需锁定于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上。在实际的重力测量过程中，外部环境振动等噪声可能造成拉曼光发生微小的振动，从而导致拉曼光频率或相位发生抖动。进一步地，频率或相位发生抖动的拉曼光作用于原子后会将振动噪声传递到原子上使得原子的布居数发生变化，从而在干涉条纹中引入了噪声，对重力测量造成不良影响。

现存的解决振动引起拉曼光抖动问题的技术手段分为两类。一类是通过被动隔振平台或主动隔振平台来尽可能地减小拉曼光受到的振动；另一类是在测量过程中采集振动噪声，在测量结束后通过理论计算得到振动引起的干涉条纹的相位偏移，将其补偿到测量得到的干涉条纹中。采用隔振平台会造成系统体积庞大，且隔振平台能够隔离的振动信号频率范围有限，尤其受限于平台本身的共振频率。采用条纹相位补偿的方式属于后补偿处理，不具有实时性，无法实现所见即所得，因此不便于重力测量系统的调试和测量过程的在线监测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、结构简便且易于集成的带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，包括激光拍频锁相环路、光学输出装置和振动采集反馈装置；所述激光拍频锁相环路用于将激光器输出激光频率的拍频锁定于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上；光学输出装置用于将激光器输出的激光转换成满足原子干涉要求的一对拉曼光输入到干涉腔体内；振动采集反馈装置用于采集反射镜反射的拉曼光受到的振动信号，并对其进行数据处理，最后通过反馈调节激光拍频锁相环路的锁定相位，来实时修正输出的拉曼光的相位。

而且，所述激光拍频锁相环路包括：主激光器、从激光器、第一分束镜、第二分束镜、第二合束镜、高速光拍频探头、介质锁相振荡器、混频器、低通滤波器、直接数字频率合成器(DDS)、鉴相器和数字比例-积分-微分(PID)控制器；所述主激光器的输出端与所述第一分束镜的输入端相连；所述从激光器的输出端与所述第二分束镜的输入端相连；所述第一分束镜的第一输出端与所述第二分束镜的第二输出端分别与所述第二合束镜的第二输入端和第一输入端相连；所述第二合束镜的输出端与所述高速光拍频探头的输入端相连；所述高速光拍频探头的输出端与所述混频器的第一输入端相连；所述介质锁相振荡器的输出端与所述混频器的第二输入端相连；所述混频器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与所述鉴相器的第一输入端相连；所述DDS的输出端与所述鉴相器的第二输入端相连；所述鉴相器的输出端与所述数字PID控制器的输入端相连；所述数字PID控制器的输出端与所述从激光器的输入端相连。

而且，所述光学输出装置包括：第一起偏器、第二起偏器、第一合束镜、光纤耦合器、光纤、光纤准直器和反射镜；所述第一分束镜的第二输出端与所述第一起偏器的输入端相连；所述第二分束镜的第一输出端与所述第二起偏器的输入端相连；所述第一起偏器的输出端与所述第一合束镜的第一输入端相连；所述第二起偏器的输出端与所述第一合束镜的第二输入端相连；所述第一合束镜的输出端与所述光纤耦合器的输入端相连；所述光纤耦合器的输出端通过光纤与所述光纤准直器的输入端相连；所述光纤准直器安装于干涉腔体的正上方；所述反射镜安装于干涉腔体正下方，且二者的中心连接线垂直于水平面。

而且，所述振动采集反馈装置包括加速度计、模数转换器(ADC)和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)；所述加速度计安装于所述反射镜的非反射表面；所述加速度计的输出端与所述ADC的第一输入端相连；所述ADC的输出端与所述FPGA的输入端相连；所述FPGA的第一输出端与所述ADC的第二输入端相连；所述FPGA的第二输出端与所述DDS的输入端相连。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明通过激光拍频锁相环路的锁定，从激光器输出激光的频率和相位能够实时跟随主激光器输出激光的频率和相位。当外界环境振动导致主激光器输出激光的频率或相位产生抖动时，环路中的鉴相器输出误差信号，从激光器输出激光通过环路的反馈调节也会产生相同的频率或相位抖动，而保证拍频信号锁定的状态。此时抖动造成的干扰是包含在一对拉曼光中的共模项，不会对原子干涉的相位产生影响。当外界环境振动导致从激光器输出激光的频率或相位产生抖动时，环路中的鉴相器输出误差信号，从激光器输出激光通过环路的反馈调节，快速恢复到与主激光器输出激光频率拍频锁定的情况，消除了从激光器输出激光的抖动干扰。

2、本发明通过振动采集反馈装置的反馈调节，反射镜上的振动引起的拉曼光相位抖动能够实时的补偿到从激光器输出激光的相位中。当外界环境振动导致反射镜产生振动时，反射镜上的振动噪声通过加速度计传感，经过ADC采集和FPGA内配置的算法处理后，反馈调节激光拍频锁相环路中DDS输出的锁相参考信号的相位，从而使得从激光器输出激光的相位相对于主激光器输出激光的相位发生改变，最终改变了两束拉曼光之间的相位差，抵消掉了反射镜振动造成的拉曼光相位偏移，实现了实时的拉曼光振动补偿。

3、本发明对振动噪声的处理和补偿算法通过FPGA来实现，具有实时在线可编程可重构的特点，便于算法的动态优化和因地制宜改进。

4、本发明结构简便，易于集成，不会造成重力仪系统明显的体积和成本增加。

附图说明

图1是本发明所述拉曼光输出装置的结构框图；

图2是本发明所述拉曼光输出装置的实时振动补偿过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，如图1所示，包括激光拍频锁相环路、光学输出装置和振动采集反馈装置；所述激光拍频锁相环路用于将激光器输出激光频率的拍频锁定于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上；光学输出装置用于将激光器输出的激光转换成满足原子干涉要求的一对拉曼光输入到干涉腔体内；振动采集反馈装置用于采集反射镜反射的拉曼光受到的振动信号，并对其进行数据处理，最后通过反馈调节激光拍频锁相环路的锁定相位，来实时修正输出的拉曼光的相位。

在本实施例中，所述激光拍频锁相环路包括：主激光器、从激光器、第一分束镜、第二分束镜、第二合束镜、高速光拍频探头、介质锁相振荡器、混频器、低通滤波器、直接数字频率合成器、鉴相器和数字比例-积分-微分控制器；所述主激光器的输出端与所述第一分束镜的输入端相连；所述从激光器的输出端与所述第二分束镜的输入端相连；所述第一分束镜的第一输出端与所述第二分束镜的第二输出端分别与所述第二合束镜的第二输入端和第一输入端相连；所述第二合束镜的输出端与所述高速光拍频探头的输入端相连；所述高速光拍频探头的输出端与所述混频器的第一输入端相连；所述介质锁相振荡器的输出端与所述混频器的第二输入端相连；所述混频器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与所述鉴相器的第一输入端相连；所述直接数字频率合成器的输出端与所述鉴相器的第二输入端相连；所述鉴相器的输出端与所述数字比例-积分-微分控制器的输入端相连；所述数字比例-积分-微分控制器的输出端与所述从激光器的输入端相连。

下面对激光拍频锁相环路的各个部件的组成和功能作一步说明：

1)主激光器，采用外腔式半导体激光器，用于输出锁定于碱金属原子某一共振吸收峰或具有某一固定失谐频率的激光，作为拉曼光输出的激光光源；

2)从激光器，采用外腔式半导体激光器，用于输出与主激光器输出激光频率的拍频等于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值的激光，作为拉曼光输出的激光光源；

3)第一分束镜，用于将主激光器输出光分为两束，分别用于激光拍频锁相环路和光学输出装置；

4)第二分束镜，用于将从激光器输出光分为两束，分别用于激光拍频锁相环路和光学输出装置；

5)第二合束镜，用于将主激光器与从激光器各自的分束光进行合束；

6)高速光拍频探头，用于提取主激光器与从激光器输出激光的拍频信号，并将其转化成电信号；

7)介质锁相振荡器，用于输出固定频率的射频信号，作为频谱搬移的本振信号；

8)混频器，用于将高速光拍频探头输出的光拍频信号和介质锁相振荡器输出的本振信号进行频率混合，以便于获得二者的差频信号；

9)低通滤波器，用于滤除混频器输出信号中的原输入信号、和频信号，仅保留差频信号，以便于将锁相环路的工作频率搬移到差频信号所在的中频段；

10)直接数字频率合成器，用于提供激光拍频锁相环路的锁相参考信号；

11)鉴相器，用于对滤波后得到的差频信号和直接数字频率合成器输出的锁相参考信号进行鉴频鉴相，并输出鉴相误差信号；

12)数字比例-积分-微分控制器，用于处理鉴相误差信号，并将其反馈到从激光器的激光频率控制端以实现激光拍频锁相环路的锁定。

在本实施例中，所述光学输出装置包括：第一起偏器、第二起偏器、第一合束镜、光纤耦合器、光纤、光纤准直器和反射镜；所述第一分束镜的第二输出端与所述第一起偏器的输入端相连；所述第二分束镜的第一输出端与所述第二起偏器的输入端相连；所述第一起偏器的输出端与所述第一合束镜的第一输入端相连；所述第二起偏器的输出端与所述第一合束镜的第二输入端相连；所述第一合束镜的输出端与所述光纤耦合器的输入端相连；所述光纤耦合器的输出端通过光纤与所述光纤准直器的输入端相连；所述光纤准直器安装于干涉腔体的正上方；所述反射镜安装于干涉腔体正下方，且二者的中心连接线垂直于水平面。

下面对光学输出装置的各个部件的组成和功能作一步说明：

13)第一起偏器，用于调整主激光器输出光的偏振，以满足拉曼光的偏振需求；

14)第二起偏器，用于调整从激光器输出光的偏振，以满足拉曼光的偏振需求；

15)第一合束镜，用于将第一起偏器与第二起偏器输出的激光进行合束；

16)光纤耦合器，用于将合束镜输出的空间光耦合到光纤中；

17)光纤，用于将光纤耦合器输出的光信号导入到干涉腔体内；

18)光纤准直器，用于调整输入到干涉腔体内的光束的光斑大小和方向；

19)反射镜，用于反射光纤准直器输出的光，其反射光分别作为+keff拉曼光和-keff拉曼光中的一束。

在本实施例中，所述振动采集反馈装置包括加速度计、模数转换器和现场可编程逻辑门阵列；所述加速度计安装于所述反射镜的非反射表面；所述加速度计的输出端与所述模数转换器的第一输入端相连；所述模数转换器的输出端与所述现场可编程逻辑门阵列的输入端相连；所述现场可编程逻辑门阵列的第一输出端与所述模数转换器的第二输入端相连；所述现场可编程逻辑门阵列的第二输出端与所述直接数字频率合成器的输入端相连。

下面对振动采集反馈装置的各个部件的组成和功能作一步说明：

20)加速度计，用于传感反射镜上的振动信号；

21)模数转换器，用于采集加速度计输出信号并将其转换为数字信号，以便于后续信号处理；

22)现场可编程逻辑门阵列，用于控制模数转换器对振动信号的采集，完成采集信号的运算处理，以及改变直接数字频率合成器输出信号的频率和相位。

本发明的工作原理是：

如图1所示为本发明所述拉曼光输出装置结构框图。主激光器输出的激光输入到分束镜1进行分束，其中一束用于激光拍频锁相环路，另一束用于拉曼光输出。从激光器输出的激光经过分束镜2进行分束，其中一束用于激光拍频锁相环路，另一束用于拉曼光输出。

在激光拍频锁相环路中，主激光器输出激光中的一束，与从激光器输出激光中的一束经合束镜2合束后输入到高速光拍频探头进行拍频取样。高速光拍频探头输出的拍频信号与介质锁相振荡器输出的本振信号通过混频器进行混频，混频后的信号经过低通滤波器滤波后，得到拍频信号与本振信号的差频信号。将该差频信号与DDS输出的参考信号一同输入到鉴相器，对二者进行鉴频鉴相。鉴相器输出鉴频鉴相的误差信号，通过数字PID控制器反馈调节从激光器的激光频率控制端。环路稳定后，鉴相器输出的误差信号为0，此时从激光器输出激光相对于主激光器输出激光的拍频信号的频率值和相位值分别等于DDS输出的参考信号的频率值和相位值。

在光学输出装置中，主激光器输出激光中的另外一束，与从激光器输出激光中的另外一束，分别经过起偏器1和起偏器2进行偏振调整，以满足拉曼光的偏振需求。从起偏器1和起偏器2出射的两束激光经合束镜1合束后，输出的空间光经光纤耦合器耦合后输入到光纤内，并通过光纤传输，将光信号导入到安装于干涉腔体正上方的光纤准直器内。光纤准直器对光信号进行角度调整和光斑大小调节，使光信号入射到干涉腔体内部，并通过安装于干涉腔体正下方的反射镜反射。最终，从光纤准直器输出的来自于主激光器的光束与从反射镜反射的来自于从激光器的光束构成一对+keff拉曼光；从光纤准直器输出的来自于从激光器的光束与从反射镜反射的来自于主激光器的光束构成一对-keff拉曼光。

在振动采集反馈装置中，加速度计安装于反射镜上，用于传感反射镜上的振动信号。加速度计输出的振动信号经过ADC模数转换后，得到离散化的振动信号输入到FPGA内部。FPGA一方面输出触发控制信号来控制ADC的采集开始和结束时刻，一方面在采集结束后对接收到的振动信号进行处理，通过计算得到该振动信号引起的拉曼光相位偏移。最后，FPGA将计算得到的相位偏移值转换为相位偏移控制字发送到DDS，使得激光拍频锁相环路的参考信号的相位发生改变，也就改变了从激光器输出激光的相位。最终，光学输出装置中的来自于主激光器和来自于从激光器的两束激光的拍频信号相位发生改变，补偿了反射镜上的振动造成的影响，从而将振动引起的噪声实时的补偿修正到拉曼光的输出上。

冷原子干涉过程中，拉曼光用于在原子运动的不同时刻分别输出三对光脉冲。第一对拉曼光脉冲为π/2脉冲，用于对原子进行分束；第二对拉曼光脉冲为π脉冲，用于对原子进行态反转；第三对拉曼光脉冲为π/2脉冲，用于对原子进行合束。合束后的原子产生干涉效应，运动路径上的加速度信息包含在干涉条纹中。如图2所示为本发明所述拉曼光输出装置的实时振动补偿过程示意图。本发明所述的实时振动补偿过程为：1)在第一对拉曼光π/2脉冲输出的同时，FPGA输出触发信号控制ADC对反射镜上的振动信号进行采集；2)采集的过程持续，直至第三对拉曼光π/2脉冲输出前1～2ms，停止振动采集过程，FPGA开始处理采集数据并计算得到相位偏移控制字；3)FPGA将相位偏移控制字发送到DDS，用以修改从激光器输出拉曼光的相位。在第三对拉曼光π/2脉冲输出时，振动引起的相位偏移得到补偿。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，其特征在于：包括激光拍频锁相环路、光学输出装置和振动采集反馈装置；所述激光拍频锁相环路用于将激光器输出激光频率的拍频锁定于碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上；光学输出装置用于将激光器输出的激光转换成满足原子干涉要求的一对拉曼光输入到干涉腔体内；振动采集反馈装置用于采集反射镜反射的拉曼光受到的振动信号，并对其进行数据处理，最后通过反馈调节激光拍频锁相环路的锁定相位，来实时修正输出的拉曼光的相位。

2.根据权利要求1所述的一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，其特征在于：所述激光拍频锁相环路包括：主激光器、从激光器、第一分束镜、第二分束镜、第二合束镜、高速光拍频探头、介质锁相振荡器、混频器、低通滤波器、直接数字频率合成器DDS、鉴相器和数字比例-积分-微分PID控制器；所述主激光器的输出端与所述第一分束镜的输入端相连；所述从激光器的输出端与所述第二分束镜的输入端相连；所述第一分束镜的第一输出端与所述第二分束镜的第二输出端分别与所述第二合束镜的第二输入端和第一输入端相连；所述第二合束镜的输出端与所述高速光拍频探头的输入端相连；所述高速光拍频探头的输出端与所述混频器的第一输入端相连；所述介质锁相振荡器的输出端与所述混频器的第二输入端相连；所述混频器的输出端与所述低通滤波器的输入端相连；所述低通滤波器的输出端与所述鉴相器的第一输入端相连；所述直接数字频率合成器DDS的输出端与所述鉴相器的第二输入端相连；所述鉴相器的输出端与所述数字比例-积分-微分PID控制器的输入端相连；所述数字比例-积分-微分PID控制器的输出端与所述从激光器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，其特征在于：所述光学输出装置包括：第一起偏器、第二起偏器、第一合束镜、光纤耦合器、光纤、光纤准直器和反射镜；所述第一分束镜的第二输出端与所述第一起偏器的输入端相连；所述第二分束镜的第一输出端与所述第二起偏器的输入端相连；所述第一起偏器的输出端与所述第一合束镜的第一输入端相连；所述第二起偏器的输出端与所述第一合束镜的第二输入端相连；所述第一合束镜的输出端与所述光纤耦合器的输入端相连；所述光纤耦合器的输出端通过光纤与所述光纤准直器的输入端相连；所述光纤准直器安装于干涉腔体的正上方；所述反射镜安装于干涉腔体正下方，且二者的中心连接线垂直于水平面。

4.根据权利要求1所述的一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，其特征在于：所述振动采集反馈装置包括加速度计、模数转换器ADC和现场可编程逻辑门阵列FPGA；所述加速度计安装于所述反射镜的非反射表面；所述加速度计的输出端与所述模数转换器ADC的第一输入端相连；所述模数转换器ADC的输出端与所述现场可编程逻辑门阵列FPGA的输入端相连；所述现场可编程逻辑门阵列FPGA的第一输出端与所述模数转换器ADC的第二输入端相连；所述现场可编程逻辑门阵列FPGA的第二输出端与所述直接数字频率合成器DDS的输入端相连。

Images