CN114485638A - 一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法 - Google Patents
一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，该方法以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移耦合的问题，建立了一种横向光频移的解耦与抑制方案。通过改变装置的检测激光的圆偏振度来解耦横向光频移得到仅由原子系综圆二色性导致的横向光频移，并通过调节检测光圆偏振度的方式调节由检测激光的圆偏成分导致的横向光频移的大小，使由检测激光的圆偏成分导致的横向光频移和原子系综圆二色性导致的横向光频移相互抵消。该方法将原子自旋惯性测量装置中的横向光频移进行解耦与抑制，达到了在不降低系统灵敏度的情况下消除横向光频移的设计效果。
Description
技术领域
本发明涉及原子自旋惯性测量装置的横向光频移领域，可应用于原子自旋惯性测量装置，具体涉及一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法。
背景技术
近年来，原子自旋惯性测量装置成为新一代高精度惯性测量系统的重要发展方向。原子自旋惯性测量装置要求横向光频移为零。工作在横向光频移为零状态下是实现准确测量的基本要求，尤其是对于超高精度的原子自旋惯性测量系统来说横向光频移的存在会大大限制惯性测量系统的灵敏度。为保证原子自旋惯性测量系统的高准确、高精度，需要消除横向光频移给装置带来的测量误差，提高惯性测量系统的精度和灵敏度。
目前，传统的测量横向光频移的方法测量的是由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移之和，无法解耦计算。传统的解决横向光频移方法主要是通过调节检测光功率或者频率的方法来减小横向光频移，这种方法虽然能保证降低横向光频移，但是也会降低装置的测量灵敏度，同时实际工程中也不能达到横向光频移完全消除的效果。
综上，随着原子自旋磁场\惯性测量技术的发展和应用的普及，消除原子自旋惯性测量装置的横向光频移是必要的，而这方面的研究实践研究还比较缺乏。本发明从总体出发，研究原子自旋惯性测量装置消除横向光频移的方法，将为相似的原子自旋测量装置设计提供指导和借鉴。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：消除原子自旋惯性测量装置存在横向光频移的缺陷，提供一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，用以提高原子自旋惯性测量系统的精度和灵敏度。
本发明的技术解决方案如下：
一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，包括针对横向光频移的解耦测量和针对横向光频移的对消抑制，所述解耦测量包括分别确定由激光圆偏振成分导致的横向光频移和由原子系综圆二色性导致的横向光频移，所述对消抑制为利用由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移进行两者对消。
包括以下步骤：
步骤1，把原子自旋惯性测量装置放置在稳定平台上，调整惯性测量装置至正常工作状态；
步骤2，调整检测光的圆偏振度并记录圆偏振度值S，测量原子自旋惯性测量装置在所述圆偏振度值下的横向光频移并记录横向光频移值Lx，形成坐标点数组(S，Lx)；
步骤3，将步骤2执行N次，N为整数，N＞5，依次得到N对数组(S1，Lx1)，(S2，Lx2)，···，(SN，LxN)；
步骤4，将所述N对数组在XY坐标中进行线性拟合，得到一条自变量为检测光圆偏振度值，因变量为惯性测量装置横向光频移大小的满足一次函数关系的拟合直线；
步骤5，计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距，拟合直线Y轴截距为原子系综圆二色性导致的横向光频移，拟合直线X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值，从而实现原子自旋惯性测量装置横向光频移的对消抑制。
所述步骤1中调整惯性测量系统至正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。
所述步骤2中调整检测光的圆偏振度所使用的器件包括其相位延迟固定而其快慢轴可旋转调节的1/4波片和/或1/2波片，以及其快慢轴固定而其延迟相位可调的LCVR液晶相位可变延迟器(LCVR，Liquid crystal variable retarder)和/或Soleil-Babinet补偿器。
所述步骤4中的拟合直线为
其中
为原子自旋惯性测量装置横向光频移，K为直线斜率，b为Y轴截距，
为检测光圆偏振度。
所述步骤5中计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距采用以下方式：令
为零即得Y轴截距b，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即得X轴截距-b/K，X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值。
原子自旋惯性测量装置横向光频移
为：
其中laser标记项为由激光圆偏振成分导致的横向光频移，atom标记项
为由原子系综圆二色性导致的横向光频移，Φ为检测光光子通量，re为电子半径，c为光速，f为振子强度，γe为电子旋磁比，A为入射光的横截面积；D(v)为激光频率相关函数，当激光频率一定时为常值；
为检测光圆偏振度；L为气室长度，l为气室长度变量；Iσ+(l)和Iσ-(l)分别为在入射检测光的初始右旋圆偏振分量和初始左旋圆偏振分量相同的情况下，出射的右旋圆偏振分量的光强和初始左旋圆偏振分量的光强，当系统极化率一定时，这两个值为常值，将上述公式不变的量进行形式上化简得到
为：
上述为拟合直线对应的公式，K为直线斜率，b为与Y轴的截距，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即可得到；与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值，令
为零即可得到。
本发明的技术效果如下：本发明一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移耦合的问题，建立了一种横向光频移的解耦与抑制方案。通过改变装置的检测激光的圆偏振度来解耦横向光频移得到仅由原子系综圆二色性导致的横向光频移，并通过调节检测光圆偏振度的方式调节由检测激光的圆偏成分导致的横向光频移的大小，使由检测激光的圆偏成分导致的横向光频移和原子系综圆二色性导致的横向光频移相互抵消。该方法将原子自旋惯性测量装置中的横向光频移进行解耦与抑制，达到了在不降低系统灵敏度的情况下消除横向光频移的设计效果。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，将装置横向光频移的由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移进行解耦测量，完善了横向光频移的测量体系。同时利用由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移两者对消的方法，克服了以往不能完全消除横向光频移的缺陷，在不改变系统其他主要工作点条件、不降低系统灵敏度的情况下消除了横向光频移及其带来的测量误差，提高了装置惯性测量的准确定和灵敏度。
附图说明
图1是一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法实施步骤框图。图1中包括步骤1，启动原子自旋惯性测量装置；步骤2，调节检测光的偏振态(圆偏振度)为S1，测量此时横向光频移的值并记录为Lx1；步骤3，将步骤2执行N次，N为整数，N＞5，得到圆偏振度值S1，S2，···，SN，及其对应的横向光频移值Lx1，Lx2，···，LxN；步骤4，将得到的这组偏振态与其分别对应的横向光频移进行线性拟合，得到拟合直线在X、Y轴的截距并记录；步骤5，调节检测激光偏振态为拟合直线在X轴的截距值。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法实施步骤框图。参考图1所示，一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，包括针对横向光频移的解耦测量和针对横向光频移的对消抑制，所述解耦测量包括分别确定由激光圆偏振成分导致的横向光频移和由原子系综圆二色性导致的横向光频移，所述对消抑制为利用由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移进行两者对消。
包括以下步骤：
步骤1，把原子自旋惯性测量装置放置在稳定平台上，调整惯性测量装置至正常工作状态；步骤2，调整检测光的圆偏振度并记录圆偏振度值S，测量原子自旋惯性测量装置在所述圆偏振度值下的横向光频移并记录横向光频移值Lx，形成坐标点数组(S，Lx)；步骤3，将步骤2执行N次，N为整数，N＞5，依次得到N对数组(S1，Lx1)，(S2，Lx2)，···，(SN，LxN)；步骤4，将所述N对数组在XY坐标中进行线性拟合，得到一条自变量为检测光圆偏振度值，因变量为惯性测量装置横向光频移大小的满足一次函数关系的拟合直线；步骤5，计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距，拟合直线Y轴截距为原子系综圆二色性导致的横向光频移，拟合直线X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值，从而实现原子自旋惯性测量装置横向光频移的对消抑制。
所述步骤1中调整惯性测量系统至正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。所述步骤2中调整检测光的圆偏振度所使用的器件包括其相位延迟固定而其快慢轴可旋转调节的1/4波片和/或1/2波片，以及其快慢轴固定而其延迟相位可调的LCVR液晶相位可变延迟器(LCVR，Liquid crystal variable retarder)和/或Soleil-Babinet补偿器。
所述步骤4中的拟合直线为
其中
为原子自旋惯性测量装置横向光频移，K为直线斜率，b为Y轴截距，
为检测光圆偏振度。所述步骤5中计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距采用以下方式：令
为零即得Y轴截距b，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即得X轴截距-b/K，X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值。
原子自旋惯性测量装置横向光频移
为：
其中laser标记项为由激光圆偏振成分导致的横向光频移，atom标记项
为由原子系综圆二色性导致的横向光频移，Φ为检测光光子通量，re为电子半径，c为光速，f为振子强度，γe为电子旋磁比，A为入射光的横截面积；D(v)为激光频率相关函数，当激光频率一定时为常值；
为检测光圆偏振度；L为气室长度，l为气室长度变量；Iσ+(l)和Iσ-(l)分别为在入射检测光的初始右旋圆偏振分量和初始左旋圆偏振分量相同的情况下，出射的右旋圆偏振分量的光强和初始左旋圆偏振分量的光强，当系统极化率一定时，这两个值为常值，将上述公式不变的量进行形式上化简得到
为：
上述为拟合直线对应的公式，K为直线斜率，b为与Y轴的截距，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即可得到；与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值，令
为零即可得到。
一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，首先启动原子自旋惯性测量装置至工作状态；调整检测光的偏振状态，并记录圆偏振度，测量此时系统横向光频移大小并记录；重复上述步骤得到一组圆偏振度及其对应的横向光频移大小，线性拟合两组数据得到一条直线，记录直线在X、Y轴的截距；其中，拟合直线与Y轴截距为原子系综圆二色性导致的横向光频移，拟合直线与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值。
如图1所示，依照图1一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法实施步骤框图，本发明的具体实施方法包括以下步骤：
(1)首先把原子自旋惯性测量装置放置在稳定平台上，调整惯性测量装置至正常工作状态；
(2)调整检测光的圆偏振度并记录值为S1；
(3)测量原子自旋惯性测量装置在此圆偏振度下的横向光频移大小，并记录为Lx 1；
(4)重复上述步骤N(N>5)次，得到一组圆偏振度的值S1、S2...SN和一组对应的横向光频移的值Lx 1、Lx 2...Lx N；
(5)对这两组数进行线性拟合，得到一条自变量为检测光圆偏振度值，因变量为惯性测量装置横向光频移大小的曲线，其理论上是一条满足一次函数关系的直线；
(6)计算拟合直线在X、Y轴的截距，拟合直线与Y轴截距为原子系综圆二色性导致的横向光频移，拟合直线与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值；
所述步骤(2)中调节检测光圆偏振度所使用的器件包括但不限于相位延迟固定、快慢轴可旋转调节的1/4波片、1/2波片等器件和或快慢轴固定、延迟相位可调的LCVR液晶、Soleil-Babinet补偿器等器件。
本发明的原理是：原子系综圆二色性是指其对于左/右旋圆偏光有不同的这折射率，这使得气室对于左/右旋圆偏光的吸收不同，在进入气室之前，令左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量光强相等为I0/2，通过距离为L的气室之后左旋圆偏振分量光强
和右旋圆偏振分量光强
分别为：
其中w为激光的频率，n+(w)和n+(w)分别为气室对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的折射率，Im[n+(w)]和Im[n-(w)]分别两个折射率的虚部，其大小为：
其中，ρ-和ρ+分别为两个基态能级上的布居数，
为频率相关函数，频率一定时为常值。原子自旋惯性测量装置横向光频移
为：
其中Φ为检测光光子通量，re为电子半径，c为光速，f为振子强度大小为1/3，γe为电子的旋磁比，A为入射光的横截面积；D(υ)为激光频率相关函数，当激光频率一定时为常值；
为检测光的圆偏振度；
和
分别为在检测光的初始右旋圆偏振分量和初始左旋圆偏振分量相同的情况下，出射的右旋圆偏振分量的光强和初始左旋圆偏振分量的光强，当系统极化率一定时，这两个值为常值。将上述公式不变的量进行化简得到
为：
上述为拟合直线对应的公式，K为直线斜率，b为与Y轴的截距。b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即可得到；与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值，令
为零即可得到。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (7)
1.一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，包括针对横向光频移的解耦测量和针对横向光频移的对消抑制，所述解耦测量包括分别确定由激光圆偏振成分导致的横向光频移和由原子系综圆二色性导致的横向光频移，所述对消抑制为利用由激光圆偏振成分导致的横向光频移与原子系综圆二色性导致的横向光频移进行两者对消。
2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，把原子自旋惯性测量装置放置在稳定平台上，调整惯性测量装置至正常工作状态；
步骤2，调整检测光的圆偏振度并记录圆偏振度值S，测量原子自旋惯性测量装置在所述圆偏振度值下的横向光频移并记录横向光频移值Lx，形成坐标点数组(S，Lx)；
步骤3，将步骤2执行N次，N为整数，N＞5，依次得到N对数组(S1，Lx1)，(S2，Lx2)，···，(SN，LxN)；
步骤4，将所述N对数组在XY坐标中进行线性拟合，得到一条自变量为检测光圆偏振度值，因变量为惯性测量装置横向光频移大小的满足一次函数关系的拟合直线；
步骤5，计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距，拟合直线Y轴截距为原子系综圆二色性导致的横向光频移，拟合直线X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值，从而实现原子自旋惯性测量装置横向光频移的对消抑制。
3.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，所述步骤1中调整惯性测量系统至正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。
4.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，所述步骤2中调整检测光的圆偏振度所使用的器件包括其相位延迟固定而其快慢轴可旋转调节的1/4波片和/或1/2波片，以及其快慢轴固定而其延迟相位可调的LCVR液晶相位可变延迟器和/或Soleil-Babinet补偿器。
5.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，所述步骤4中的拟合直线为
其中
为原子自旋惯性测量装置横向光频移，K为直线斜率，b为Y轴截距，
为检测光圆偏振度。
6.根据权利要求5所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，所述步骤5中计算所述拟合直线的X轴截距和Y轴截距采用以下方式：令
为零即得Y轴截距b，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即得X轴截距-b/K，X轴截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光圆偏振度值。
7.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法，其特征在于，原子自旋惯性测量装置横向光频移
为：
其中laser标记项为由激光圆偏振成分导致的横向光频移，atom标记项
为由原子系综圆二色性导致的横向光频移，Φ为检测光光子通量，re为电子半径，c为光速，f为振子强度，γe为电子旋磁比，A为入射光的横截面积；D(v)为激光频率相关函数，当激光频率一定时为常值；
为检测光圆偏振度；L为气室长度，l为气室长度变量；
和
分别为在入射检测光的初始右旋圆偏振分量和初始左旋圆偏振分量相同的情况下，出射的右旋圆偏振分量的光强和初始左旋圆偏振分量的光强，当系统极化率一定时，这两个值为常值，将上述公式不变的量进行形式上化简得到
为：
上述为拟合直线对应的公式，K为直线斜率，b为与Y轴的截距，b为由原子系综圆二色性导致的横向光频移
令
为零即可得到；与X轴的截距是为抵消原子系综圆二色性导致的横向光频移所需调整的检测光的圆偏振度的值，令
为零即可得到。
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| CN202210056970.8A Active CN114485638B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 一种原子自旋惯性测量装置横向光频移的解耦与抑制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114485638B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015156841A1 (en) * | 2014-04-10 | 2015-10-15 | Microsemi Corporation | Chip-scale atomic gyroscope |
| US20190376790A1 (en) * | 2017-02-23 | 2019-12-12 | Ixblue | Hybrid inertial measurement system and method using a light pulse cold atom interferometer |
| CN112013828A (zh) * | 2019-05-28 | 2020-12-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种抽运激光与原子气室一体集成的核磁共振陀螺 |
| CN112444241A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-03-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪 |
| CN112684386A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-20 | 北京航空航天大学 | 一种基于原子碰撞的混合光频移闭环抑制方法 |
| CN113280801A (zh) * | 2021-02-07 | 2021-08-20 | 北京航空航天大学 | 基于混合抽运serf原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法 |
-
2022
- 2022-01-18 CN CN202210056970.8A patent/CN114485638B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| 陈晓格: "核磁共振陀螺原子核自旋进动和碱金属磁强计仿真", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (基础科学辑)》, pages 005 - 809 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114485638B (zh) | 2024-02-09 |
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