CN116719095A - 一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冷原子技术领域，本发明提供一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，包括：拉曼光光学镜头、第一反射镜组、第一反射镜偏转促动器、光学窗口、真空腔体、第二反射镜组、第二反射镜偏转促动器和姿态传感器。本发明能大幅减小绝对重力仪的体积和重量，通过姿态传感器对晃动情况实时感知，能稳定拉曼激光传输方向，始终保持与重力加速度方向一致，实现绝对重力仪敏感轴稳定，可大幅扩展绝对重力仪的动态适应范围，在保持经由第一反射镜组后激光的偏振态同时，还能提升第一反射镜偏转促动器对第一反射镜组的偏转角度的精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及冷原子技术领域，特别是涉及一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪。
背景技术
冷原子技术是通过操控原子量子态变化，实现原子物理特性研究、精密测量的技术，应用在量子通信，原子钟，冷原子重力仪，量子模拟等多个领域。冷原子绝对重力仪可以通过拉曼激光操控原子在基态能级间跃迁，实现两个不同量子态叠加的物质波干涉仪。由于原子具有质量，能够感受重力场的变化。通过测量干涉相位偏移，能够获得绝对重力加速度。
冷原子绝对重力仪与二维姿态控制平台组合，能够在动态环境保障重力仪的姿态稳定，进而实现动态环境下绝对重力测量。然而由于冷原子绝对重力仪包含超高真空系统，激光光学模块，电气模块，磁屏蔽外壳以及必须的结构件，具有一定的体积重量，应用时，要求二维姿态控制平台具有较大的促动力，抵消运动引起的转动力矩，保证重力仪的姿态稳定。因此，当前动态冷原子绝对重力仪体积大，重量重，并且系统复杂，难以适应剧烈的动态环境。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明优选针对当前动态冷原子绝对重力仪体积大，重量重，并且系统复杂，难以适应剧烈的动态环境的技术问题提供一种解决方案。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，包括：
拉曼光光学镜头1、第一反射镜组2、第一反射镜偏转促动器3、光学窗口4、真空腔体5、第二反射镜组6、第二反射镜偏转促动器7和姿态传感器8；
由拉曼光光学镜头1将输入的拉曼激光整形为平行光束，传输到第一反射镜组2后，偏转经过光学窗口4进入真空腔体5内与原子团作用，继续传输至第二反射镜组6后，经过反射原路返回，再次与原子团作用，实现冷原子干涉；
其中，当重力仪发生晃动时，导致由拉曼光光学镜头1输入的拉曼激光发生偏转，偏转角度被姿态传感器8感知并传输至重力仪控制器，重力仪控制器通过控制第一反射镜偏转促动器3和第二反射镜偏转促动器7分别实时调节第一反射镜组2和第二反射镜组6的偏转角度，保持与原子团作用的激光传输方向，实现测量过程中重力仪的敏感轴稳定。
优选的，所述第一反射镜组2由半波片、石英基底材料和45度反射镜组成，通过所述第一反射镜组2使得入射与出射的激光偏振态一致。
优选的，所述第一反射镜偏转促动器3和所述第二反射镜偏转促动器7均由两组压电陶瓷堆构成，通过电压控制压电陶瓷堆伸缩，使得所述第一反射镜偏转促动器3和所述第二反射镜偏转促动器7在两个维度实现偏转。
优选的，所述第一反射镜组2为镀有偏振保偏膜的反射镜阵列单元，同时，所述第一反射镜偏转促动器3为MEMS静电驱动单元，通过调节MEMS静电驱动单元的电压，实现反射镜阵列单元的偏转。
优选的，所述拉曼光光学镜头1为透射率99％的双胶合透镜。
优选的，所述光学窗口4与所述真空腔体5通过铟封的方式密封连接。
优选的，所述真空腔体5为钛合金材料。
优选的，所述真空腔体5内部设有离子泵。
优选的，所述第二反射镜组6由四分之一波片、石英基底材料和0度反射镜组成，通过所述第二反射镜组6使得入射与出射的激光线偏振方向正交。
优选的，所述姿态传感器8的姿态误差小于0.01°。
针对现有技术中的不足，本发明所能取得的有益效果为：
本发明通过设置的第一反射镜组、第一反射镜偏转促动器以及第二反射镜组和姿态传感器，替代传统绝对重力仪中的内环促动器、外环促动器和平台框架，能大幅减小绝对重力仪的体积和重量，通过姿态传感器对晃动情况实时感知，能稳定拉曼激光传输方向，始终保持与重力加速度方向一致，实现绝对重力仪敏感轴稳定，可大幅扩展绝对重力仪的动态适应范围。
进一步的，本发明通过对第一反射镜组和第一反射镜偏转促动器进行改进，可以保持激光经由第一反射镜组后的偏振态的同时，还能提升第一反射镜偏转促动器对第一反射镜组的偏转角度的精准控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是常规动态冷原子绝对重力仪结构示意图；
图2是常规动态冷原子绝对重力仪在动态环境下的工作示意图；
图3是常规动态冷原子绝对重力仪在动态环境下的原理示意图；
图4是本发明一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪结构示意图；
图5是本发明一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪在动态环境下的工作示意图。
在附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：
1-拉曼光光学镜头；2-第一反射镜组；3-第一反射镜偏转促动器；4-光学窗口；5-真空腔体；6-第二反射镜组；7-第二反射镜偏转促动器；8-姿态传感器；9-内环促动器；10-外环促动器；11-平台框架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，是常规动态冷原子绝对重力仪结构示意图，常规的动态冷原子绝对重力仪通过与二维姿态控制平台组合的方式，使动态条件下重力仪敏感轴保持稳定状态，二维姿态控制平台至少包含内环促动器9、外环促动器10和平台框架11，其中，内环促动器9和外环促动器10具有控制载荷转动的能力。
当重力仪放置在运动载具上时，载具晃动引起重力仪随之摇晃，由于内环促动器9和外环促动器10需要产生较大的促动力才能抵消运动引起的转动力矩，因此，内环促动器9和外环促动器10往往具有较大体积和功耗，同时还需要平台框架11有足够的刚度，这导致常规动态冷原子绝对重力仪的体积和重量较大，动态适应能力有限，无法做到随晃动情况作出快速响应和调节。
如图2所示，是常规动态冷原子绝对重力仪在动态环境下的工作示意图，二维姿态控制平台通过内环促动器9和外环促动器10使冷原子绝对重力仪向倾斜的反方向偏转相同的角度，从而使重力仪敏感轴维持在铅锤方向上。
如图3所示，是常规动态冷原子绝对重力仪在动态环境下的原理示意图，当重力仪所处载具发生倾斜时，常规冷原子绝对重力仪的测量敏感轴随之晃动，当重力仪的敏感轴与重力加速度的方向夹角为θ，重力仪测量的重力加速度为：
g测＝gcosθ
在此种条件下测量得到的重力加速度与真实值存在偏差，且随着载具的运动随机变化。因此，无法在动态环境下进行重力测量。
为了解决传统动态冷原子绝对重力仪体积大，重量重，并且系统复杂，难以适应剧烈的动态环境的技术问题，本实施例1提供一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，如图4所示，是本发明一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪结构示意图，包括：拉曼光光学镜头1、第一反射镜组2、第一反射镜偏转促动器3、光学窗口4、真空腔体5、第二反射镜组6、第二反射镜偏转促动器7和姿态传感器8；在光路传输实现方式上，由拉曼光光学镜头1将输入的拉曼激光整形为平行光束，传输到第一反射镜组2后，偏转经过光学窗口4进入真空腔体5内与原子团作用，继续传输至第二反射镜组6后，经过反射原路返回，再次与原子团作用，实现冷原子干涉。
由于冷原子团具有各向同性特性，因此冷原子绝对重力仪的测量敏感轴主要由拉曼激光传输方向决定。如图5所示，是本发明一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪在动态环境下的工作示意图，当重力仪发生晃动时，导致由拉曼光光学镜头1输入的拉曼激光发生偏转，偏转角度被姿态传感器8感知并传输至重力仪控制器，重力仪控制器通过控制第一反射镜偏转促动器3和第二反射镜偏转促动器7分别实时调节第一反射镜组2和第二反射镜组6的偏转角度，保持与原子团作用的激光传输方向，始终保持与重力加速度方向一致，实现测量过程中重力仪的敏感轴稳定。
在本实施例中，用于干涉的冷原子团优选使用铷原子同位素Rb87。
在本实施例中，具体的实现过程为：当载具发生晃动时，拉曼光光学镜头1输出的拉曼激光向晃动同一方向偏转同样角度，该角度被姿态传感器8感知，并将信息传输至重力仪控制器中，控制器控制第一反射镜偏转促动器3向反方向偏转，带动第一反射镜组2实现相同的角度偏转，这样使拉曼激光经过第一反射镜组2后的传输方向与晃动之前一致，激光沿原传输路径经过光学窗口4进入真空腔体5，作用于冷原子团上，继续传输至第二反射镜组6，此时，重力仪控制器同样控制第二反射镜偏转促动器7带动第二反射镜组6实现方向相反、角度相同的偏转，使拉曼激光沿原路返回，再次作用于冷原子团上。
由于稳定拉曼激光传输方向的对象是反射镜组(含第一反射镜组2和第二反射镜组6)，通常质量在10g～100g。因此，反射镜偏转促动器(含第一反射镜偏转促动器3和第二反射镜偏转促动器7)能够实现高带宽频率的反馈，稳定拉曼激光传输方向。
相比于常规动态冷原子绝对重力仪仅能适应频率50Hz以下的摇晃环境，本方案能够实现kHz反馈带宽，大幅扩大动态冷原子绝对重力仪的适用场景，并且反射镜偏转促动器(含第一反射镜偏转促动器3和第二反射镜偏转促动器7)载荷小，能集成在冷原子绝对重力仪内部，体积重量与静态冷原子绝对重力仪相当，远小于常规动态冷原子绝对重力仪。
在本实施例中，具体应用时，由拉曼光光学镜头1输入的激光波长为780.2nm，激光通过模场半径4.7微米的单模保偏光纤接入到拉曼光光学镜头1中，为了减少激光的损耗，所述拉曼光光学镜头1为透射率99％的双胶合透镜，有效焦距160m，通过双胶合透镜的两个表面的折射，使得激光光束发散，可以使输入的激光准直为高斯直径32mm的近平行光。
在其中一个实现方式中，所述第一反射镜组2由半波片、石英基底材料和45度反射镜组成，通过所述第一反射镜组2使得入射与出射的激光偏振态一致，其中，所述第一反射镜组2的直径为2英寸，所述45度反射镜面形优于1/20波长；类似的，所述第二反射镜组6由四分之一波片、石英基底材料和0度反射镜组成，通过所述第二反射镜组6使得入射与出射的激光线偏振方向正交，其中，所述第二反射镜组6的直径同样为2英寸，所述0度反射镜面形同样优于1/20波长。
在其中一个实现方式中，所述第一反射镜偏转促动器3和所述第二反射镜偏转促动器7均由两组压电陶瓷堆构成，通过电压控制压电陶瓷堆伸缩，使得所述第一反射镜偏转促动器3和所述第二反射镜偏转促动器7在两个维度实现偏转；为了加强所述真空腔体5的刚度以及耐热和耐腐蚀性能，所述真空腔体5为钛合金材料；为了加强光学窗口4与真空腔体5的密封性能，所述光学窗口4与所述真空腔体5通过铟封的方式密封连接。在上述基础上，为了提升真空腔体5的真空度，在其中一个实现方式中，所述真空腔体5内部设有离子泵，通过所述离子泵将所述真空腔体5内的气体分析电离，并在电磁场或电场的作用下将其输送到所述真空腔体5的外部，在本实施例中，通过所述离子泵的应用，使得所述真空腔体5内部的真空环境严格和持续保持。
在本实施例中，所述光学窗口4是单片对780.2nm透射率优于99％、尺寸Ф50.8mm×20mm的石英窗片，透过波前畸变优于1/20波长，所述姿态传感器8选用小型光纤惯性测量单元，所述姿态传感器8的姿态误差小于0.01°。
本实施例1提供一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，通过设置的第一反射镜组、第一反射镜偏转促动器以及第二反射镜组和姿态传感器，替代传统绝对重力仪中的内环促动器、外环促动器和平台框架，能大幅减小绝对重力仪的体积和重量，通过姿态传感器对晃动情况实时感知，能稳定拉曼激光传输方向，始终保持与重力加速度方向一致，实现绝对重力仪敏感轴稳定，可大幅扩展绝对重力仪的动态适应范围。
实施例2：
应用过程中，为了保持激光经所述第一反射镜组2后的偏振态，以及，提升所述第一反射镜偏转促动器3对所述第一反射镜组2偏转角度的精准控制，在实施例1的基础上，作为所述第一反射镜组2以及所述第一反射镜偏转促动器3的组合优化方案，所述第一反射镜组2为镀有偏振保偏膜的反射镜阵列单元，例如，所述第一反射镜组2可以采用镀有偏振保偏膜的单个阵列尺寸为0.8mm×0.8mm、单元数64×64的反射镜阵列，进而保持激光经由所述第一反射镜组2后的偏振态；同时，所述第一反射镜偏转促动器3为MEMS静电驱动单元，例如，所述第一反射镜偏转促动器3可以采用64×64单元的MEMS静电驱动单元，通过调节MEMS静电驱动单元的电压，实现反射镜阵列单元的偏转，进而提升所述第一反射镜偏转促动器3对所述第一反射镜组2偏转角度的精准控制。
本实施例2提供一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，通过对实施例1中所述第一反射镜组2以及所述第一反射镜偏转促动器3的改进，应用过程中，可以保持激光经所述第一反射镜组2后的偏振态的同时，还能提升所述第一反射镜偏转促动器3对所述第一反射镜组2偏转角度的控制精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，包括：
拉曼光光学镜头(1)、第一反射镜组(2)、第一反射镜偏转促动器(3)、光学窗口(4)、真空腔体(5)、第二反射镜组(6)、第二反射镜偏转促动器(7)和姿态传感器(8)；
由拉曼光光学镜头(1)将输入的拉曼激光整形为平行光束，传输到第一反射镜组(2)后，偏转经过光学窗口(4)进入真空腔体(5)内与原子团作用，继续传输至第二反射镜组(6)后，经过反射原路返回，再次与原子团作用，实现冷原子干涉；
其中，当重力仪发生晃动时，导致由拉曼光光学镜头(1)输入的拉曼激光发生偏转，偏转角度被姿态传感器(8)感知并传输至重力仪控制器，重力仪控制器通过控制第一反射镜偏转促动器(3)和第二反射镜偏转促动器(7)分别实时调节第一反射镜组(2)和第二反射镜组(6)的偏转角度，保持与原子团作用的激光传输方向，实现测量过程中重力仪的敏感轴稳定。
2.根据权利要求1所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述第一反射镜组(2)由半波片、石英基底材料和45度反射镜组成，通过所述第一反射镜组(2)使得入射与出射的激光偏振态一致。
3.根据权利要求2所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述第一反射镜偏转促动器(3)和所述第二反射镜偏转促动器(7)均由两组压电陶瓷堆构成，通过电压控制压电陶瓷堆伸缩，使得所述第一反射镜偏转促动器(3)和所述第二反射镜偏转促动器(7)在两个维度实现偏转。
4.根据权利要求1所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述第一反射镜组(2)为镀有偏振保偏膜的反射镜阵列单元，同时，所述第一反射镜偏转促动器(3)为MEMS静电驱动单元，通过调节MEMS静电驱动单元的电压，实现反射镜阵列单元的偏转。
5.根据权利要求3或4所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述拉曼光光学镜头(1)为透射率99％的双胶合透镜。
6.根据权利要求5所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述光学窗口(4)与所述真空腔体(5)通过铟封的方式密封连接。
7.根据权利要求6所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述真空腔体(5)为钛合金材料。
8.根据权利要求7所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述真空腔体(5)内部设有离子泵。
9.根据权利要求8所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述第二反射镜组(6)由四分之一波片、石英基底材料和0度反射镜组成，通过所述第二反射镜组(6)使得入射与出射的激光线偏振方向正交。
10.根据权利要求9所述的适用于动态测量的紧凑型冷原子绝对重力仪，其特征在于，所述姿态传感器(8)的姿态误差小于0.01°。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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