CN113219546B - 一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法及装置，该方法包括：步骤S1：振动噪声测量，获取拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)；步骤S2：振动噪声补偿；根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数，给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动；步骤S3：振动噪声补偿效果评估；根据原子干涉仪输出的拉曼激光相位‑原子跃迁概率信号的稳定性评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考。该装置用来实施上述方法。本发明具有小型化、低成本、高精度、适用范围广、满足实时性需求等优点。

Description

一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿 方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到高精度绝对重力测量技术领域，特指一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法及装置。

背景技术

高精度绝对重力信息在基础科学研究、国防建设、地球信息监测、工业应用、资源开采和考古学等众多领域都具有广泛的应用前景。基于原子干涉原理的新一代量子绝对重力仪，是下一代高精度绝对重力仪的发展方向，目前其测量性能已经接近甚至超越最先进的FG5X型商品化激光干涉绝对重力仪。为了使原子干涉重力仪能够应用于野外、车载等动态场景，振动噪声抑制及原子干涉重力仪进一步小型化是必须解决的两大难题。

目前的原子干涉重力仪主要依靠三种方法抑制振动噪声：

一是利用笨重的被动隔振平台降低振动噪声对原子干涉重力仪的影响程度；

二是利用地震仪或加速度计等惯性仪表测量拉曼光反射镜的振动噪声，反馈给音圈电机，利用音圈电机对被动隔振平台进行改造形成主动隔振系统；

三是利用地震仪或加速度计等惯性仪表测量拉曼光反射镜的振动噪声功率谱密度，通过原子干涉仪的灵敏度函数和积分运算求解出振动引起的相移并在总干涉相移中进行数据修正。

在以上三种传统方法中，前两种方法需要额外增加被动隔振平台，第三种方法补偿精度有限，因而均难以满足野外、车载等便携式、高动态、高实时场景测量的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的隔振系统体积重量大、补偿精度有限等技术问题，本发明提供一种小型化、低成本、高精度、适用范围广、满足实时性需求的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其步骤包括：

步骤S1：振动噪声测量，获取拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)；

步骤S2：振动噪声补偿；根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数，给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动；

步骤S3：振动噪声补偿效果评估；根据原子干涉仪输出的拉曼激光相位-原子跃迁概率信号的稳定性评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，通过惯性仪表测量地面或载体平台引起的拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)并进行滤波处理。

作为本发明方法的进一步改进：所述拉曼光反射镜是将反射镜固定在压电偏摆器上表面形成的压电偏转镜，所述压电偏转镜刚性固定于平稳放置在用于实施重力测量的地面或载体平台上的惯性仪表上表面，所述地面或载体平台的振动经惯性仪表传递给拉曼光反射镜，所述拉曼光反射镜的振动与惯性仪表测得的振动相同且同步。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数

通过利用自适应PID控制方法计算利用压电偏转镜运动补偿反射镜振动所需的三轴控制电压f(v₁，v₂，v₃，t)；通过高压放大器给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中反馈电压计算的步骤包括：

步骤S21：响应函数的确定：针对特定压电偏转镜，测定其在θ_x、θ_y和z三个方向包含交叉耦合的三维响应函数；

步骤S22：控制电压的计算：根据滤波处理后的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数，利用自适应PID方法实时计算使压电偏转镜产生与三维振动信号等幅反向的运动所需的三轴控制电压；

步骤S23：控制电压的修正：利用特定拉曼光相位下原子跃迁概率的抖动为压电偏转镜三轴控制电压信号的实时修正提供参考；

步骤S24：压电偏转镜的驱动：将计算所得的三轴控制电压信号反馈给高压放大器，驱动压电偏转镜运动，实时补偿振动噪声引起的拉曼光反射镜振动。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3包括：

步骤S31：制备冷原子团；

步骤S32：实现原子干涉；

步骤S33：原子跃迁概率探测：通过探测光-回泵光-探测光及压电倍增管PMT归一化探测原子干涉仪中冷原子团的跃迁概率

步骤S34：振动噪声补偿效果评估：通过记录拉曼激光脉冲相位

与冷原子跃迁概率

之间的对应关系，使用压电偏转镜补偿振动噪声后，拉曼激光相位下的原子跃迁概率抖动变小；计算原子跃迁概率抖动的Allan方差，以此来评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S31包括：在t＝0时刻运行冷原子干涉重力仪，对第i个M-Z型原子干涉重力测量循环，通过磁光阱冷却并囚禁原子，使原子团温度≤10μk，原子数目≥10⁷个；利用微波和拉曼光对原子速度与原子态进行选择，获得纵向温度≤400nk的冷原子团，并将原子团制备到特定内态

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S32包括：原子下落或者上抛进入真空干涉腔，在t＝t₁时刻，以间隔时间为T，持续时间为τ、2τ、τ的π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉仪，其中第一、第二束拉曼激光脉冲的相位φ₁、φ₂设置为0，第三束拉曼激光脉冲的相位

设置为恒定值。

本发明进一步提供一种用来实施上述振动噪声补偿方法的装置，其包括：

振动噪声测量模块，包括平稳放置在地面或载体平台上与拉曼光反射镜固定的惯性仪表；

振动噪声补偿模块，包括由高反射率高平整度的拉曼光反射镜固定在压电偏摆器上表面形成的响应函数已知的压电偏转镜、用来执行自适应PID算法的微处理器、及用于驱动压电偏转镜运动的自适应装置；

振动噪声补偿效果评估模块，用来完成振动噪声补偿效果评估。

作为本发明装置的进一步改进：所述振动噪声补偿效果评估模块包括：

拉曼激光相位-原子跃迁概率信号，用于对振动噪声补偿效果进行评估；

真空腔及机械部件，用于给冷原子干涉提供真空环境；

磁场单元，用于产生磁光阱所需的补偿、梯度磁场以及原子干涉所需的量子化磁场；

时序控制单元，用于自动控制整个实验过程的时序。

与现有技术相比，本发明一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法及装置的优点在于：

1、体积小、重量轻。本发明利用惯性仪表结合压电偏转镜实现主动隔振系统，能够取代复杂笨重的被动隔振平台和基于音圈电机改进的主动隔振平台，大大减小了振动噪声补偿系统的体积和重量。

2、振动噪声补偿精度高、实时性好。本发明利用实施M-Z型原子干涉重力仪原有的拉曼激光相位-原子跃迁概率信号的稳定性评估压电偏转镜对振动噪声的补偿效果，并为压电偏转镜所施加的反馈电压提供修正参考，不需要额外增加元器件或产生信号，能够更直接、高效、准确的获得振动噪声影响，因此振动噪声补偿环路的补偿精度更高、实时性更好。

3、实现方法简单、成本低。本发明利用压电偏转镜代替传统音圈电机实现主动隔振系统，可以省去复杂笨重的被动隔振平台及基于被动隔振平台的改造，具有实现方法简单、低成本、小型化、高精度、高实时补偿等优点。

4、适用范围广、可推广价值高。本发明通过利用小型化、低成本的惯性仪表、优化自适应PID控制方法以及基于压电偏转镜的振动噪声补偿模块，可以实现小型化、低成本、高精度、高实时的振动噪声修正与补偿，大幅提高原子干涉重力仪的测量灵敏度、稳定度和便携性，使原子干涉重力仪能够从实验室应用走向于野外、车载、船载等多种动态场景。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明装置的结构原理示意图。

图3是本发明在具体实施例中利用压电驱动器驱动拉曼光反射镜运动的一种压电偏转镜的结构原理示意图。

图4是本发明在具体实施例中M-Z型原子干涉重力仪的原子干涉测量过程和振动噪声补偿效果评估原理示意图。

图5是本发明在具体实施例中振动噪声补偿前和补偿后的效果示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其步骤包括：

步骤S1：振动噪声测量，获取拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)；

在具体应用实例中，本发明可以选择通过惯性仪表测量地面或载体平台引起的拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)并进行滤波处理。

所述拉曼光反射镜是将高反射率、高平整度的反射镜紧密固定在压电偏摆器上表面形成的压电偏转镜，该压电偏转镜紧密固定于平稳放置在用于实施重力测量的地面或载体平台上的惯性仪表(地震仪或加速度计等)上表面，地面或载体平台的振动经惯性仪表传递给拉曼光反射镜，拉曼光反射镜的振动与惯性仪表测得的振动相同且同步。

步骤S2：振动噪声补偿；根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数，给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动。

在具体应用实例中，根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数

本发明可以选择通过利用优化自适应PID控制方法计算利用压电偏转镜运动补偿反射镜振动所需的三轴控制电压f(v₁，v₂，v₃，t)；通过高压放大器给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动。

步骤S3：振动噪声补偿效果评估；

根据原子干涉仪输出的拉曼激光相位-原子跃迁概率信号的稳定性评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考。

如图2所示，本发明进一步提供一种用于实现上述一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法的装置，其包括：

振动噪声测量模块1，主要包括平稳放置在地面或载体平台上，与拉曼光反射镜紧密固定的地震仪、加速度计等惯性仪表；

振动噪声补偿模块2，主要包括由高反射率高平整度的拉曼光反射镜紧密固定在压电偏摆器上表面形成的响应函数已知的压电偏转镜、能够执行自适应PID算法的微处理器、用于驱动压电偏转镜运动的高压放大器等自适应装置，以及传输反馈信号、高压信号的同轴传输线缆等；

振动噪声补偿效果评估模块3，主要包括原子干涉重力仪本身已有的激光、真空、磁场、时序控制等模块，以及拉曼激光相位-原子跃迁概率抖动信息等。

在具体应用实例中，振动噪声补偿效果评估模块3包括：

拉曼激光相位-原子跃迁概率信号，用于对振动噪声补偿效果进行评估；

真空腔及机械部件，用于给冷原子干涉提供优于10^-8Pa量级的超高真空环境；

磁场单元，用于产生磁光阱所需的补偿、梯度磁场以及原子干涉所需的量子化磁场；

时序控制单元，用于自动控制整个实验过程，实验中磁光阱冷却与捕获原子、自由释放或竖直上抛原子团、原子速度与原子态选择、拉曼π脉冲与原子团作用、原子末态探测、振动噪声影响测量与修正补偿等过程都是由时序控制系统自动控制的，无需人工参与，从而可以实时补偿并且精度高。

在一个具体应用实例中，结合图1和图2所示，上述步骤S1的具体步骤为：

步骤S11：利用地震仪(或者加速度计)测量地面或载体平台3个方向的振动。由于原子干涉重力仪的周期特性，在0-50Hz低频段范围内的振动噪声对原子干涉相位的影响较大，因此选用的地震仪(例如Guralp 3ESPC)在120s-50Hz测量范围内应具有较高的测量精度(10nm/s²/Hz^1/2)以及较低的自噪声(Guralp 3ESPC地震仪在0.04Hz-10Hz范围内的自噪声低于全球低背景噪声模型NLNM)；

步骤S12：利用两个低通滤波器对测得的三维振动信号分别进行高频噪声滤除及由于测量带宽有限导致的相频和幅频畸变滤波处理；

步骤S13：利用自制的高速采集卡(24位，采样率>10K)对测得的三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)进行采集，并模拟输出到振动噪声补偿模块的微处理器中。

在一个具体应用实例中，结合图1、图2和图3所示，上述步骤S2的具体步骤为：

步骤S21：响应函数的确定；针对特定压电偏转镜，首先实验测定其在θ_x、θ_y和z三个方向的响应函数θ_x(v₁，v₂，v₃)，θ_y(v₁，v₂，v₃)和z(v₁，v₂，v₃)，其次测量三个方向的交叉耦合，最终获得包含交叉耦合的三维响应函数

该响应函数一旦测定通常不随压电偏转镜的使用场合和时间改变，可以在后期实验中使用；

步骤S22：控制电压的计算；根据步骤S1输出的经滤波处理后的反射镜三维振动信号S(θ_x，θ_y，z，t)及压电偏转镜的响应函数

利用自适应PID方法实时计算压电偏转镜所需的三轴控制电压信号f(v₁，v₂，v₃)，使压电偏转镜产生与三维振动信号等幅反向的位移运动，即在t时刻，有

步骤S23.控制电压的修正；首先，以自适应PID方法计算的三轴控制电压信号f(v₁，v₂，v₃)作为压电偏转镜的驱动信号；当实施原子干涉重力测量时，以特定拉曼光相位下原子跃迁概率的抖动程度来评估拉曼光反射镜振动噪声的影响，如果原子跃迁概率抖动的Allan方差收敛并小于某一阈值P，则微处理器接收反馈信号后不需要执行任何操作；如果原子跃迁概率抖动的Allan方差在增大，则微处理器需要调节自适应PID算法的参数获得新的压电偏转镜的三轴控制电压信号f′(v₁，v₂，v₃)；

步骤S24：压电偏转镜的驱动：将计算所得的三轴控制电压信号f(v₁，v₂，v₃)或者f′(v₁，v₂，v₃)反馈给高压放大器，高压放大器输出相应的电流信号驱动压电偏转镜运动，实时补偿振动噪声引起的拉曼光反射镜振动。

在一个具体应用实例中，结合图1、图2和图4所示，上述步骤S3的具体步骤为：

步骤S31：制备冷原子团：在t＝0时刻运行冷原子干涉重力仪，对第i个M-Z型原子干涉重力测量循环，通过磁光阱冷却并囚禁原子，使原子团温度≤10μk，原子数目≥10⁷个；利用微波和拉曼光对原子速度与原子态进行选择，获得纵向温度≤400nk的冷原子团，并将原子团制备到特定内态，例如|g>态；

步骤S32：实现原子干涉：原子下落或者上抛进入真空干涉腔，在t＝t₁时刻，以间隔时间为T，持续时间为τ、2τ、τ的π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉仪，其中第一、第二束拉曼激光脉冲的相位φ₁、φ₂设置为0，第三束拉曼激光脉冲的相位

设置为恒定值，例如可设置为0，±π/2等；

步骤S33：原子跃迁概率探测：通过探测光-回泵光-探测光及压电倍增管PMT归一化探测原子干涉仪中冷原子团的跃迁概率

步骤S34：振动噪声补偿效果评估：通过长时间记录拉曼激光脉冲相位

与冷原子跃迁概率

之间的对应关系，如图5所示，在t₁时刻使用压电偏转镜补偿振动噪声后，特定拉曼激光相位下的原子跃迁概率抖动变小。计算原子跃迁概率抖动的Allan方差，以此来评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：振动噪声测量，获取拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x,θ_y,z,t)；

步骤S2：振动噪声补偿；根据步骤S1得到的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数

给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动；即通过利用自适应PID控制方法计算利用压电偏转镜运动补偿反射镜振动所需的三轴控制电压f(v₁,v₂,v₃,t)；通过高压放大器给压电偏转镜施加反馈电压，用偏摆镜的运动实时补偿反射镜振动；

步骤S3：振动噪声补偿效果评估；根据原子干涉仪输出的拉曼激光相位-原子跃迁概率信号的稳定性评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考；在进行振动噪声补偿效果评估时，通过记录拉曼激光脉冲相位

与冷原子跃迁概率

之间的对应关系，使用压电偏转镜补偿振动噪声后，拉曼激光相位下的原子跃迁概率抖动变小；计算原子跃迁概率抖动的Allan方差，以此来评估压电偏转镜使用前和使用后的振动噪声补偿效果，并为所施加的反馈电压提供修正参考；

所述拉曼光反射镜是将反射镜固定在压电偏摆器上表面形成的压电偏转镜，所述压电偏转镜刚性固定于平稳放置在用于实施重力测量的地面或载体平台上的惯性仪表上表面，所述地面或载体平台的振动经惯性仪表传递给拉曼光反射镜，所述拉曼光反射镜的振动与惯性仪表测得的振动相同且同步。

2.根据权利要求1所述的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过惯性仪表测量地面或载体平台引起的拉曼光反射镜三维振动信号S(θ_x,θ_y,z,t)并进行滤波处理。

3.根据权利要求1所述的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，所述步骤S2中反馈电压计算的步骤包括：

步骤S21：响应函数的确定：针对特定压电偏转镜，测定其在θ_x、θ_y和z三个方向包含交叉耦合的三维响应函数；

步骤S22：控制电压的计算：根据滤波处理后的反射镜三维振动信号及压电偏转镜的响应函数，利用自适应PID方法实时计算使压电偏转镜产生与三维振动信号等幅反向的运动所需的三轴控制电压；

步骤S23：控制电压的修正：利用特定拉曼光相位下原子跃迁概率的抖动为压电偏转镜三轴控制电压信号的实时修正提供参考；

步骤S24：压电偏转镜的驱动：将计算所得的三轴控制电压信号反馈给高压放大器，驱动压电偏转镜运动，实时补偿振动噪声引起的拉曼光反射镜振动。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31：制备冷原子团；

步骤S32：实现原子干涉；

步骤S33：原子跃迁概率探测：通过探测光-回泵光-探测光及压电倍增管PMT归一化探测原子干涉仪中冷原子团的跃迁概率

步骤S34：振动噪声补偿效果评估。

5.根据权利要求4所述的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，所述步骤S31包括：在t＝0时刻运行冷原子干涉重力仪，对第i个M-Z型原子干涉重力测量循环，通过磁光阱冷却并囚禁原子，使原子团温度≤10μk，原子数目≥10⁷个；利用微波和拉曼光对原子速度与原子态进行选择，获得纵向温度≤400nk的冷原子团，并将原子团制备到特定内态。

6.根据权利要求5所述的基于压电偏转镜的小型化原子干涉重力仪振动噪声补偿方法，其特征在于，所述步骤S32包括：原子下落或者上抛进入真空干涉腔，在t＝t₁时刻，以间隔时间为T，持续时间为τ、2τ、τ的π/2-π-π/2三束拉曼激光脉冲与原子作用，使原子团相干分束、反射、合束形成M-Z干涉仪，其中第一、第二束拉曼激光脉冲的相位φ₁、φ₂设置为0，第三束拉曼激光脉冲的相位

设置为恒定值。

7.一种用来实施上述权利要求1-6中任意一项振动噪声补偿方法的装置，其特征在于，包括：

振动噪声测量模块，包括平稳放置在地面或载体平台上与拉曼光反射镜固定的惯性仪表；

振动噪声补偿模块，包括由高反射率高平整度的拉曼光反射镜固定在压电偏摆器上表面形成的响应函数已知的压电偏转镜、用来执行自适应PID算法的微处理器、及用于驱动压电偏转镜运动的自适应装置；

振动噪声补偿效果评估模块，用来完成振动噪声补偿效果评估。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述振动噪声补偿效果评估模块包括：

拉曼激光相位-原子跃迁概率信号，用于对振动噪声补偿效果进行评估；

真空腔及机械部件，用于给冷原子干涉提供真空环境；

磁场单元，用于产生磁光阱所需的补偿、梯度磁场以及原子干涉所需的量子化磁场；

时序控制单元，用于自动控制整个实验过程的时序。

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