CN114166199B - 一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪，包括左冷却腔体、右冷却腔体、水平干涉腔体、左竖直干涉腔体、右竖直干涉腔体、冷却光、抛射光、拉曼光、探测光。本发明采用铷和铯两种原子同步冷却和干涉，干涉构型分别采用四拉曼脉冲构型和三拉曼脉冲构型，通过布局不同的拉曼光方向，同时获取三轴正交的转动角速度。相比于传统的分时测量的方案，这种方案系统更加简单，还可同时获取三轴转动角速度参量，且三轴转动角速度的矢量轴夹角更加稳定，有利于原子惯性导航功能实现。

Description

一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪。
背景技术
原子干涉陀螺仪可用来测量载体的转动角速度，其具有测量灵敏度高和长期稳定性好等优点，可以配合加速度计用于长航时惯性导航系统中，陀螺仪测量转动角速度，加速度计测量线加速度，通过三轴角速度和三轴线加速度同步测量并组合解算获取载体的位置和姿态等信息。因此，三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪的研究具有重大意义。
目前，原子干涉陀螺仪的实验研究已经取得了很大的进展，美国、德国和法国对不同构型的原子干涉陀螺仪进行了深入的科学研究。1997年美国斯坦福大学的Kasevich小组实现了原子干涉陀螺仪，获得了2×10-8rad/s/Hz1/2的角随机游走，成为第一个真正意义上具有高精度惯性导航能力的原子陀螺仪，也奠定了原子干涉陀螺仪诸多关键技术的基础。2013年该小组实现了小型化的自由空间型冷原子干涉陀螺仪，角随机游走为8.5×10-8rad/s/Hz1/2，地球旋转速率的测量分辨率为2×10-7rad/s。Kasevich小组还与美国AOSense公司联合研制了小型化的“π/2-π-π-π/2(脉冲间隔T-2T-T)”型冷原子干涉陀螺仪，且整个传感器装置为不足1m3的立方体结构。该陀螺仪实际测得地球旋转角速度测量值与理论值的比值为1.0007±0.0005。2015年德国汉诺威Rasel小组的冷原子干涉陀螺仪的短期灵敏度为1.2×10-7rad/s/Hz1/2，地球旋转速率的测量不确定度为1.2％。2016年至2020年期间，法国巴黎Landragin小组将冷原子陀螺仪的短期灵敏度提高到3×10-8rad/s/Hz1/2，长期稳定度达到1.0×10-9rad/s(积分时间2×104s)。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪，包括：水平干涉腔体、第一竖直干涉腔体、第二竖直干涉腔体、第一冷却腔体、第二冷却腔体；
所述第一冷却腔体设置在所述水平干涉腔体的一端，并通过连接管与所述水平干涉腔体连通，所述第一冷却腔体上设有左冷却光系统，用于制备第一冷原子团并驱动第一冷原子团向第一竖直干涉腔体和水平干涉腔体抛射；
所述第二冷却腔体设置在所述水平干涉腔体的另一端，并通过连接管与所述水平干涉腔体连通，所述第二冷却腔体上设有右冷却光系统，用于制备第二冷原子团并驱动第二冷原子团向第二竖直干涉腔体和水平干涉腔体抛射；
所述第一竖直干涉腔体竖直设置在第一冷却腔体上方，并通过连接管与所述第一冷却腔体连通，所述第一竖直干涉腔体上设有光矢量沿X轴的左拉曼光系统，用于对进入第一竖直干涉腔体的冷原子团作用并形成闭合干涉环路；
所述第二竖直干涉腔体竖直设置在第二冷却腔体上方，并通过连接管与所述第二冷却腔体连通，所述第二竖直干涉腔体上设有光矢量沿Y轴的右拉曼光系统，用于对进入第二竖直干涉腔体的冷原子团作用并形成闭合干涉环路；
所述水平干涉腔体水平设置，其上设置有光矢量沿Y轴的下拉曼光系统，用于对进入水平干涉腔体的冷原子作用并形成闭合干涉环路；
其中，X轴方向为水平干涉腔体的中轴线所在方向，Z轴方向为竖直方向，Y轴方向与X轴Z轴方向均垂直。
进一步的，所述左冷却光系统包括三组对射冷却光和一组对射抛射光，三组对射冷却光相互正交，其中一组对射冷却光沿Y轴入射第一冷却腔体，其余两组对射冷却光处于XOZ面且与Z轴的夹角分别为±45°，一组对射抛射光处于XOZ平面且与Z轴的夹角为22.5°。
进一步的，所述右冷却光系统包括三组对射冷却光和一组对射抛射光，三组对射冷却光相互正交，其中一组对射冷却光沿Y轴入射第二冷却腔体，其余两组对射冷却光处于XOZ面且与Z轴的夹角分别为±45°，一组对射抛射光处XOZ平面且与Z轴的夹角为22.5°。
进一步的，所述左冷却光系统所包括三组对射冷却光以及右冷却光系统所包括的三组对射冷却光均包含两种频率f1和f2，所述左冷却光系统所包括一组对射抛射光以及右冷却光系统所包括的对射抛射光仅包含一种频率f2。
进一步的，所述左拉曼光系统包括纵向并排设置的两组对射拉曼光和一组对射探测光，三组光矢量均沿X轴，且所述的一组对射探测光靠近第一冷却腔体设置。
进一步的，所述右拉曼光系统包括纵向并排设置的两组对射拉曼光和一组对射探测光，三组光矢量均沿Y轴，且所述的一组对射探测光靠近第一冷却腔体设置。
进一步的，所述下拉曼光系统包括横向并排设置的三组对射拉曼光和两组对射探测光，五组光矢量均沿Y轴，且所述两组对射探测光分别位于三组对射拉曼光的两侧。
本发明的有益效果是：
1、区别于三个系统堆叠实现三轴转动角速度测量的方案，本发明方案采用双原子元素结合混合拉曼干涉构型的方案，可实现单系统装置。
2、区别于单系统分时测量三轴角速度测量的方案，本发明可实现单系统三轴转动角速度同步测量。
3、本发明的方案有利于提升三轴转动角速度的矢量轴夹角稳定性。
附图说明
图1是本发明原子干涉陀螺仪的前视图；
图2是本发明原子干涉陀螺仪的俯视图；
图3是本发明原子干涉陀螺仪的右视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、左竖直干涉腔体，2、右竖直干涉腔体，3、左冷却腔体，4、右冷却腔体，5、水平干涉腔体；
6a/6b、左拉曼光系统第一组对射拉曼光；
7a/7b、左拉曼光系统第二组对射拉曼光；
8a/8b、左拉曼光系统对射探测光；
9a/9b、右拉曼光系统第一组对射拉曼光；
10a/10b、右拉曼光系统第二组对射拉曼光；
11a/11b、右拉曼光系统对射探测光；
12a/12b、左冷却光系统第一组对射冷却光；
13a/13b、左冷却光系统第二组对射冷却光；
14a/14b、左冷却光系统对射抛射光；
15a/15b、下拉曼光系统第一组对射探测光；
16a/16b、下拉曼光系统第一组对射拉曼光；
17a/17b、下拉曼光系统第二组对射拉曼光；
18a/18b、下拉曼光系统第三组对射拉曼光；
19a/19b、下拉曼光系统第二组对射探测光；
20a/20b、右冷却光系统对射抛射光；
21a/21b、右冷却光系统第一组对射冷却光；
22a/22b、右冷却光系统第二组对射冷却光；
23、右铷冷原子团竖直上抛轨迹；
24、左铷冷原子团竖直上抛轨迹；
25、左/右铯原子团水平斜抛轨迹；
26a/26b、左冷却光系统第三组对射冷却光；
27a/27b、右冷却光系统第三组对射冷却光；
28-31、连接管；
32、左冷原子团；
33、右冷原子团。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1至图3分别为本发明实施例所提供的用于轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪的前视图、俯视图和右视图。
如图1-3所示，本发明实施例所提供的用于轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪包括水平干涉腔体5，左竖直干涉腔体1、右竖直干涉腔体2、左冷却腔体3、右冷却腔体4、左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b、左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b、左冷却光系统对射抛射光14a/14b、右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b、右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b、右冷却光系统对射抛射光20a/20b、左拉曼光系统第一组对射拉曼光6a/6b、左拉曼光系统第二组对射拉曼光7a/7b、左拉曼光系统对射探测光8a/8b、右拉曼光系统第一组对射拉曼光9a/9b、右拉曼光系统第二组对射拉曼光10a/10b、右拉曼光系统对射探测光11a/11b、下拉曼光系统第一组对射拉曼光16a/16b、下拉曼光系统第二组对射拉曼光17a/17b、下拉曼光系统第三组对射拉曼光18a/18b、下拉曼光系统第一组对射探测光15a/15b、下拉曼光系统第二组对射探测光19a/19b。
左冷却腔体3通过连接管28与左竖直干涉腔体1连接，通过连接管30与水平干涉腔体5连接；右冷却腔体4通过连接管29与右竖直干涉腔体2连接，通过连接管31与水平干涉腔体5连接。
左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b、左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b相互正交，左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b沿y轴，左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b在xoz面，且与z轴分别成±45°，左冷却光系统对射抛射光14a/14b处于xoz面，且与z轴成22.5°。
右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b、右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b相互正交，右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b沿y轴，右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b在xoz面，且与z轴分别成±45°，右冷却光系统对射抛射光20a/20b处于xoz面，且与z轴成22.5°。
左拉曼光系统包含左拉曼光系统第一组对射拉曼光6a/6b、左拉曼光系统第二组对射拉曼光7a/7b、左拉曼光系统对射探测光8a/8b，三组光矢量均沿x轴。
右拉曼光系统包含右拉曼光系统第一组对射拉曼光9a/9b、右拉曼光系统第二组对射拉曼光10a/10b、右拉曼光系统对射探测光11a/11b，三组光矢量均沿y轴。
下拉曼光系统包括下拉曼光系统第一组对射拉曼光16a/16b、下拉曼光系统第二组对射拉曼光17a/17b、下拉曼光系统第三组对射拉曼光18a/18b、下拉曼光系统第一组对射探测光15a/15b、下拉曼光系统第二组对射探测光19a/19b，五组光矢量均沿y轴。
左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b、左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b，以及右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b、右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b均包含两种频率f1和f2，左冷却光系统对射抛射光14a/14b以及右冷却光系统对射抛射光20a/20b仅包含一种频率f2。
基于上述结构的原子干涉陀螺仪，在进行三轴转动角速度同步测量时，包括以下步骤：
步骤一：左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b、左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b、右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b、右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b同时工作，左冷却光系统第一组对射冷却光12a/12b、左冷却光系统第二组对射冷却光13a/13b、左冷却光系统第三组对射冷却光26a/26b制备左冷原子团32，右冷却光系统第一组对射冷却光21a/21b、右冷却光系统第二组对射冷却光22a/22b、右冷却光系统第三组对射冷却光27a/27b制备右冷原子团33。由于上述六组冷却光包含两种频率f1和f2，可以分别冷却铷原子和铯原子，因此左冷原子团32包含两团原子，即左铷冷原子团和左铯冷原子团，右冷原子团33包含两团原子，即右铷冷原子团和右铯冷原子团。然后调节上述六组冷却光的功率和频率，使原子进一步冷却；
步骤二：通过降低冷却光12a和13b的激光频率，冷却光12b、13a频率保持不变，产生多普勒合力，使左铷冷原子团、左铯冷原子团获得竖直向上的作用力，同时对左铷冷原子团和左铯冷原子团作用抛射光14a/14b(频率成分只有f2，因此只对铯原子作用)，控制抛射光14a和14b的频率差，使左铯冷原子团获得斜向下的作用力，因此，最终左铷冷原子团竖直上抛，轨迹为24，左铯冷原子团水平斜抛，轨迹为25。同理，右铷冷原子团竖直上抛，轨迹为23，右铯冷原子团水平斜抛，轨迹为25。
步骤三：左铷冷原子团竖直抛射先后在上升过程中先后与左拉曼光系统第二组对射拉曼光7a/7b、左拉曼光系统第一组对射拉曼光6a/6b、下落过程中先后与左拉曼光系统第一组对射拉曼光6a/6b、左拉曼光系统第二组对射拉曼光7a/7b作用，形成闭合干涉环路，环路矢量沿y轴；右铷冷原子团竖直抛射先后在上升过程中先后与右拉曼光系统第二组对射拉曼光10a/10b、右拉曼光系统第一组对射拉曼光9a/9b、下落过程中先后与右拉曼光系统第一组对射拉曼光9a/9b、右拉曼光系统第二组对射拉曼光10a/10b作用，形成闭合干涉环路，环路矢量沿x轴；左铯冷原子团沿轨迹25分别与下拉曼光系统第一组对射拉曼光16a/16b、下拉曼光系统第二组对射拉曼光17a/17b、下拉曼光系统第三组对射拉曼光18a/18b作用，形成闭合干涉环路，环路矢量沿z轴；右铯冷原子团沿轨迹25分别与下拉曼光系统第一组对射拉曼光16a/16b、下拉曼光系统第二组对射拉曼光17a/17b、下拉曼光系统第三组对射拉曼光18a/18b作用，形成闭合干涉环路，环路矢量沿z轴。
步骤四：左铷冷原子团干涉后与左拉曼光系统对射探测光8a/8b作用获得荧光信号，右铷冷原子团干涉后与右拉曼光系统对射探测光11a/11b作用获得荧光信号，左铯冷原子团干涉后与下拉曼光系统第二组对射探测光19a/19b作用获得荧光信号，右铯冷原子团干涉后与下拉曼光系统第一组对射探测光15a/15b作用获得荧光信号。
步骤五：根据左拉曼光系统对射探测光8a/8b获得的荧光信号解算可直接获得矢量沿y轴的转动角速度值，根据右拉曼光系统对射探测光11a/11b获得的荧光信号解算可直接获得矢量沿x轴的转动角速度值，根据下拉曼光系统第二组对射探测光19a/19b和下拉曼光系统第一组对射探测光15a/15b获得的荧光信号组合解算，可获得矢量沿z轴的转动角速度值。
本发明实施例采用铷和铯两种原子同步冷却和干涉，干涉构型分别采用四拉曼脉冲构型和三拉曼脉冲构型，通过布局不同的拉曼光方向，同时获取三轴正交的转动角速度。相比于传统的分时测量的方案，这种方案系统更加简单，还可同时获取三轴转动角速度参量，且三轴转动角速度的矢量轴夹角更加稳定，有利于原子惯性导航功能实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于三轴转动角速度同步测量的原子干涉陀螺仪，其特征在于，包括：水平干涉腔体、第一竖直干涉腔体、第二竖直干涉腔体、第一冷却腔体、第二冷却腔体；
所述第一冷却腔体设置在所述水平干涉腔体的一端，并通过连接管与所述水平干涉腔体连通，所述第一冷却腔体上设有左冷却光系统，用于制备第一冷原子团并驱动第一冷原子团向第一竖直干涉腔体和水平干涉腔体抛射；
所述第二冷却腔体设置在所述水平干涉腔体的另一端，并通过连接管与所述水平干涉腔体连通，所述第二冷却腔体上设有右冷却光系统，用于制备第二冷原子团并驱动第二冷原子团向第二竖直干涉腔体和水平干涉腔体抛射；
所述第一竖直干涉腔体竖直设置在第一冷却腔体上方，并通过连接管与所述第一冷却腔体连通，所述第一竖直干涉腔体上设有光矢量沿X轴的左拉曼光系统，用于对进入第一竖直干涉腔体的冷原子团作用并形成闭合干涉环路；
所述第二竖直干涉腔体竖直设置在第二冷却腔体上方，并通过连接管与所述第二冷却腔体连通，所述第二竖直干涉腔体上设有光矢量沿Y轴的右拉曼光系统，用于对进入第二竖直干涉腔体的冷原子团作用并形成闭合干涉环路；
所述水平干涉腔体水平设置，其上设置有光矢量沿Y轴的下拉曼光系统，用于对进入水平干涉腔体的冷原子作用并形成闭合干涉环路；
其中，X轴方向为水平干涉腔体的中轴线所在方向，Z轴方向为竖直方向，Y轴方向与X轴Z轴方向均垂直；
其中，所述左冷却光系统包括三组对射冷却光和一组对射抛射光，三组对射冷却光相互正交，其中一组对射冷却光沿Y轴入射第一冷却腔体，其余两组对射冷却光处于XOZ面且与Z轴的夹角分别为±45°，一组对射抛射光处于XOZ平面且与Z轴的夹角为22.5°；
所述右冷却光系统包括三组对射冷却光和一组对射抛射光，三组对射冷却光相互正交，其中一组对射冷却光沿Y轴入射第二冷却腔体，其余两组对射冷却光处于XOZ面且与Z轴的夹角分别为±45°，一组对射抛射光处XOZ平面且与Z轴的夹角为22.5°。
2.根据权利要求1所述的原子干涉陀螺仪，其特征在于，所述左冷却光系统所包括三组对射冷却光以及右冷却光系统所包括的三组对射冷却光均包含两种频率f1和f2，所述左冷却光系统所包括一组对射抛射光以及右冷却光系统所包括的对射抛射光仅包含一种频率f2。
3.根据权利要求1所述的原子干涉陀螺仪，其特征在于，所述左拉曼光系统包括纵向并排设置的两组对射拉曼光和一组对射探测光，三组光矢量均沿X轴，且所述的一组对射探测光靠近第一冷却腔体设置。
4.根据权利要求1所述的原子干涉陀螺仪，其特征在于，所述右拉曼光系统包括纵向并排设置的两组对射拉曼光和一组对射探测光，三组光矢量均沿Y轴，且所述的一组对射探测光靠近第一冷却腔体设置。
5.根据权利要求1所述的原子干涉陀螺仪，其特征在于，所述下拉曼光系统包括横向并排设置的三组对射拉曼光和两组对射探测光，五组光矢量均沿Y轴，且所述两组对射探测光分别位于三组对射拉曼光的两侧。
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