CN114167080A - 一种水平加速度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水平加速度测量装置及方法，该装置包括真空组件、冷却光模块、两组拉曼光组件、荧光镜头和两个加速度计。冷却光模块分时产生冷却光和检测光；通过真空组件利用磁光阱技术冷却囚禁原子团。通过拉曼光组件向原子团上照射拉曼光，通过加速度计测得高频加速度信号，通过荧光镜头接收原子团由探测光照射所发出的荧光信号，进而解算当前敏感轴方向的测量加速度。本发明采用原子团冷却囚禁、偏振梯度冷却、态制备、原子干涉和末态探测等技术以测量水平加速度，进而计算重力的垂线偏差，提高性导航系统的初始对准及导航解算精度。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量领域，具体涉及一种水平加速度测量装置及方法。
背景技术
水平方向低频加速度测量，是计算重力的垂线偏差的先决条件，垂线偏差是重力的关键特性之一。重力的垂线偏差作为重力环境的重要组成部分，在某些特殊应用场景下，借助卫星、无线电、天文等手段进行导航的手段均不可用，同时导航系统又需要实现高精度、长航时、自主的导航定位，因此需要用重力的垂线偏差信息辅助导航，校准惯性导航设备，抑制惯性导航的误差发散，显著提升特殊应用场景下长航时自主导航能力及定位精度。在重力垂线偏差作为惯导系统的必要输入，其准确与否直接关系到惯性导航系统的初始对准及导航解算精度。
同时，通过水平方向低频加速度测量对资源勘探、空间科学、海洋科学、大地测量学、地球物理学、地球动力学等基础、前沿科学研究具有非常重要的意义。高精度的测量地球重力场参数，建立重力基本网，为火箭发射、载人航天、探月工程等提供精确重力参数，能有效服务于空间科学；通过监测地球重力场的反常变化情况，对地震、海啸、火山喷发等及时预警。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种水平加速度测量装置及方法，采用原子团冷却囚禁、偏振梯度冷却、态制备、原子干涉和末态探测等技术以测量水平加速度，进而计算重力的垂线偏差，提高性导航系统的初始对准及导航解算精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种水平加速度测量装置，包括真空组件、冷却光模块、两组拉曼光组件、荧光镜头和两个加速度计；
所述真空组件为截面为正八边形的柱体，其内部设有真空腔，各个侧面上均设有入射光孔；
所述冷却光模块设置在真空组件上方，通过光频调节，分时生成三组相互正交的对射冷却光和两组相互垂直的水平对射探测光；所述三组相互正交的对射冷却光分别经由所述真空组件的上表面、下表面、两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件，用于冷却囚禁原子团；所述两组相互垂直的水平对射探测光的光路与所述三组相互正交的对射冷却光中位于水平方向的两组对射冷却光的光路一致；
两组所述拉曼光组件在水平方向分时产生脉冲时间为π/2、π、π/2的对射拉曼光；两组对射拉曼光相互正交，用于两个敏感轴方向的原子干涉；两组对射拉曼光分别经由所述真空组件的其余两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件；
所述荧光镜头设置在真空组件上，用于接收原子团由探测光照射所发出的荧光信号；
两个所述加速度计分别沿两组对射拉曼光的光路方向设置，并与所述拉曼光组件固定连接。
进一步的，所述冷却光模块包括安装板以及安装在所述安装板上的入射冷却光准直镜筒、两个分光镜和反射镜组；
所述安装板与所述真空组件同轴固定安装；
所述入射冷却光准直镜筒外接冷却光系统，入射冷却光准直镜筒的水平出射光经过两个分光镜的分光处理得到三束强度相等的冷却光，再经由反射镜组得到三组相互正交的对射冷却光。
进一步的，该装置还包括磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩设置该装置外，用于屏蔽外接杂散磁场。
进一步的，该装置还包括两个磁场线圈，所述两个磁场线圈分别相对设置在所述真空组件的两侧，用于为冷原子团的操控提供稳定的磁场。
进一步的，所述拉曼光组件外接高带宽窄线宽激光系统，所述高带宽窄线宽激光系统用于产生特定频率及功率的拉曼光，并通过高速调制信号快速调制拉曼光频率。
另一方面，基于本发明第一方面所述的装置，本发明还提供一种水平加速度测量方法，包括以下步骤：
S1，利用冷却光模块中出射的冷却光，基于磁光阱技术形成冷原子团；
S2，改变冷却光模块中出射的冷却激光的失谐量，进一步降低原子团温度；
S3，关断冷却光，释放冷原子团，原子在重力作用下下落，下落原子经微波选态，获得单一量子态原子团；
S4，在原子下落过程中，启动当前敏感轴方向上的拉曼光组件，分时出射的三束π/2-π-π/2的拉曼脉冲激光与原子进行双光子拉曼跃迁；在出射每一束拉曼脉冲激光的同时，快速调制拉曼脉冲激光频率，形成第一个敏感轴方向的原子干涉，并同步采集该敏感轴加速计测得的高频加速度信号；
S5，调节光频，采用冷却光模块出射系统探测激光，探测不同态的原子数目，并采用荧光镜头收集原子由探测光照射发出的荧光信号，通过荧光信号计算出物质波的干涉条纹和相位；
S6，根据加速计测得的高频加速度信号，解算当前敏感轴方向的测量加速度；
S7，切换至另一敏感轴方向，重复步骤S1至S6，完成另一敏感轴方向的加速度测量。
本发明的有益效果是：采用冷原子水平加速度计作为加速度敏感器有精度高、稳定化好、高重复率等优点。利用冷却光模块实现一束输入冷却光对原子团实现冷却。同时，利用水平方向拉曼光分时测量方法，在一套真空腔体内完成水平方向双轴加速度信号测量。
附图说明
图1为本发明装置工作原理示意图；
图2为本发明实施例提供的水平加速度测量装置结构俯视图；
图3为本发明实施例提供的冷却光模块结构俯视图；
图4为本发明实施例提供的冷却光模块结构侧视图；
图5为本发明实施例提供的水平加速度测量方法流程示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、磁屏蔽罩，2、冷却光模块，3、真空组件，4、冷原子团，5a/5b、磁场线圈，6a/6b、荧光镜头，7、第一拉曼光反射镜及1/4波片，8、第一加速度计，9、第二拉曼光反射镜及1/4波片，10、第二加速度计，11a/11b/11c/11d、冷却光，12a/12b/12c/12d、探测光，13a/13b、第一水平方向对射拉曼光，14a/14b、第二水平方向对射拉曼光，201、安装板，202、准直镜筒，203、第一偏振片，204、第一分光镜，205、第二偏振片，206、第二分光镜、207、第一反射镜，208、第二反射镜，209、第三反射镜，210、第四反射镜。
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。
在本发明实施中，水平加速度测量装置以87Rb原子为检验质量，采用原子团冷却囚禁、偏振梯度冷却、态制备、原子干涉和末态探测等技术以测量水平加速度，水平加速度测量装置的任意一轴的工作原理如图1所示。双轴水平加速度测量通过同一真空组件内的原子团的冷却、选态、探测及双轴拉曼光的分时复用实现。
如图2-4所示，本发明实施例提供的水平加速度测量装置包括磁屏蔽罩1、冷却光模块2、真空组件3、两组拉曼光组件(图中为示出)、两个磁场线圈5a/5b、两个荧光镜头6a/6b、第一加速度计8、第二加速度计10。
所述真空组件3为截面为正八边形的柱体，其内部设有真空腔，各个侧面上均设有入射光孔。
所述冷却光模块2设置在真空组件3上方，通过光频调节，分时生成三组相互正交的对射冷却光和两组相互垂直的水平对射探测光12a/12b/12c/12d；图中标记的11a/11b/11c/11d为三组相互正交的对射冷却光中的水平方向的两组对射冷却光，其中11a、11c为一组对射冷却光，11b、11d为一组对射冷却光(由于另一组对射冷却光为竖直方向，因此在俯视图中无法显示)。
所述三组相互正交的对射冷却光分别经由所述真空组件3的上表面、下表面、两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件3，用于冷却囚禁冷原子团4；所述两组相互垂直的水平对射探测光12a/12b/12c/12d的光路与所述三组相互正交的对射冷却光中位于水平方向的两组对射冷却光11a/11b/11c/11d的光路一致。
具体的，所述冷却光模块2如图3图4所示，包括安装板201以及安装在所述安装板上的入射冷却光准直镜筒202、第一偏振片203、第一分光镜204、第二偏振片205、第二分光镜206、第一反射镜207、第二反射镜208、第三反射镜209、第四反射镜210。
所述安装板201与所述真空组件3同轴固定安装；
所述入射冷却光准直镜筒202外接冷却光系统，入射冷却光准直镜筒202的水平出射光经过第一偏振片203入射到第一分光镜204上，经过第一分光镜204分光形成一束竖直方向出射光和一束水平方向出射光，水平方向出射光经过第二偏振片205后照射到第二分光镜206上，经第二分光镜206再次分光形成两束正交的水平方向出射光，其中一束水平方向入射光照射到第一反射镜207上，并由第一反射镜207反射形成竖直方向出射光，另一束水平方向入射光依次经过第二反射镜208、第三反射镜209、第四反射镜210反射形成竖直方向出射光。其中由第一分光镜204分光形成的竖直方向出射光穿过真空组件3上表面的入射光孔，再经过对向设置的反射镜的反射，从而形成一组对射冷却光。由第一反射镜207反射形成的竖直方向出射光和第四反射镜210反射形成的竖直方向出射光，分别经过分光反射形成两组水平方向相互正交的对射冷却光。
两组所述拉曼光组件，其中一组拉曼光组件包括第一拉曼光入射镜头(图中未示出)和第一拉曼光反射镜及1/4波片7，另一组拉曼光组件包括第二拉曼光入射镜头(图中未示出)和第二拉曼光反射镜及1/4波片9。
两组所述拉曼光组件在水平方向分时产生脉冲时间为π/2、π、π/2的第一水平方向对射拉曼光13a/13b和第二水平方向对射拉曼光14a/14b；两组对射拉曼光相互正交，用于两个敏感轴方向的原子干涉；两组对射拉曼光分别经由所述真空组件3的其余两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件3。
所述拉曼光组件外接高带宽窄线宽激光系统，所述高带宽窄线宽激光系统用于产生特定频率及功率的拉曼光，并通过高速调制信号快速调制拉曼光频率。
应当理解的是，入射冷却光准直镜筒202外接的冷却光系统以及所述拉曼光组件外接高带宽窄线宽激光系统可以是同一激光系统，通过合理的光路设计从而获得测量所需的冷却光和拉曼光。
所述荧光镜头6a/6b设置在真空组件3上，用于接收冷原子团4由探测光照射所发出的荧光信号。这里应当注意的是，荧光镜头的视场范围内应涵盖真空组件3中的冷原子团4，同时采用一个荧光镜头即可实现荧光信号的接收。本实施例中之所以采用相对设置的两个荧光镜头，是为了提高可靠性。
两个所述加速度计分别沿两组对射拉曼光的光路方向设置，并与所述拉曼光组件固定连接。其中第一加速度计8与第一拉曼光反射镜及1/4波片7固定连接，第二加速度计9与第二拉曼光反射镜及1/4波片9固定连接。
所述磁屏蔽罩设置该装置外，用于屏蔽外接杂散磁场。
所述两个磁场线圈分别相对设置在所述真空组件的两侧，用于为冷原子团的操控提供稳定的磁场。
基于上述一种水平加速度测量装置，本发明实施例还提供一种水平加速度测量方法，如图5所示，包括以下内容。
第一步：采用调制转移技术将高带宽窄线宽激光系统的频率锁定在原子跃迁频率上；第二步，用磁光阱MOT技术，利用冷却光模块中出射的冷却激光，从热蒸汽中冷却囚禁铷原子，形成冷原子团；第三步，改变冷却光模块中出射的冷却激光的失谐量，进一步降低原子团温度；第四步，关断冷却光，释放冷原子团，原子在重力作用下下落，下落原子经微波选态，获得单一量子态原子团；第五步，在原子下落过程中，启动当前敏感轴方向上的拉曼光组件，分时出射的三束π/2-π-π/2的拉曼脉冲激光与原子进行双光子拉曼跃迁；在出射每一束拉曼脉冲激光的同时，快速调制拉曼脉冲激光频率，形成第一个敏感轴方向的原子干涉，并同步采集该敏感轴加速计测得的高频加速度信号；第六步，调节光频，采用冷却光模块出射系统探测激光，探测不同态的原子数目，并采用荧光镜头收集原子由探测光照射发出的荧光信号，通过荧光信号计算出物质波的干涉条纹和相位；第七步，结合与第一个水平方向拉曼光组件反射镜固定相连的加速计测得的高频加速度信号，解算该敏感轴方向的测量加速度；第八步，切换至另一个敏感轴方向，重复步骤二至步骤七，解算另一敏感轴方向的测量加速度。
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 (6)
1.一种水平加速度测量装置，其特征在于，包括真空组件、冷却光模块、两组拉曼光组件、荧光镜头和两个加速度计；
所述真空组件为截面为正八边形的柱体，其内部设有真空腔，各个侧面上均设有入射光孔；
所述冷却光模块设置在真空组件上方，通过光频调节，分时生成三组相互正交的对射冷却光和两组相互垂直的水平对射探测光；所述三组相互正交的对射冷却光分别经由所述真空组件的上表面、下表面、两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件，用于冷却囚禁原子团；所述两组相互垂直的水平对射探测光的光路与所述三组相互正交的对射冷却光中位于水平方向的两组对射冷却光的光路一致；
两组所述拉曼光组件在水平方向分时产生脉冲时间为π/2、π、π/2的对射拉曼光；两组对射拉曼光相互正交，用于两个敏感轴方向的原子干涉；两组对射拉曼光分别经由所述真空组件的其余两组相对侧面上所设的入射光孔入射真空组件；
所述荧光镜头设置在真空组件上，用于接收原子团由探测光照射所发出的荧光信号；
两个所述加速度计分别沿两组对射拉曼光的光路方向设置，并与所述拉曼光组件固定连接。
2.根据权利要求1所述的水平加速度测量装置，其特征在于，所述冷却光模块包括安装板以及安装在所述安装板上的入射冷却光准直镜筒、两个分光镜和反射镜组；
所述安装板与所述真空组件同轴固定安装；
所述入射冷却光准直镜筒外接冷却光系统，入射冷却光准直镜筒的水平出射光经过两个分光镜的分光处理得到三束强度相等的冷却光，再经由反射镜组得到三组相互正交的对射冷却光。
3.根据权利要求1所述的水平加速度测量装置，其特征在于，该装置还包括磁屏蔽罩，所述磁屏蔽罩设置该装置外，用于屏蔽外接杂散磁场。
4.根据权利要求1所述的水平加速度测量装置，其特征在于，该装置还包括两个磁场线圈，所述两个磁场线圈分别相对设置在所述真空组件的两侧，用于为冷原子团的操控提供稳定的磁场。
5.根据权利要求1所述的水平加速度测量装置，其特征在于，所述拉曼光组件外接高带宽窄线宽激光系统，所述高带宽窄线宽激光系统用于产生特定频率及功率的拉曼光，并通过高速调制信号快速调制拉曼光频率。
6.一种水平加速度测量方法，该方法基于权利要求1-5任一项所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用全固态冷却光模块中出射的冷却光，基于磁光阱技术形成冷原子团；
S2，改变全固态冷却光模块中出射的冷却激光的失谐量，进一步降低原子团温度；
S3，关断冷却光，释放冷原子团，原子在重力作用下下落，下落原子经微波选态，获得单一量子态原子团；
S4，在原子下落过程中，启动当前敏感轴方向上的拉曼光组件，分时出射的三束π/2-π-π/2的拉曼脉冲激光与原子进行双光子拉曼跃迁；在出射每一束拉曼脉冲激光的同时，快速调制拉曼脉冲激光频率，形成第一个敏感轴方向的原子干涉，并同步采集该敏感轴加速计测得的高频加速度信号；
S5，调节光频，采用全固态冷却光模块出射系统探测激光，探测不同态的原子数目，并采用荧光镜头收集原子由探测光照射发出的荧光信号，通过荧光信号计算出物质波的干涉条纹和相位；
S6，根据加速计测得的高频加速度信号以及通过荧光信号计算的物质波的干涉条纹和相位，解算当前敏感轴方向的测量加速度；
S7，切换至另一敏感轴方向，重复步骤S1至S6，完成另一敏感轴方向的加速度测量。
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