JP5937188B2 - 光学加速度計システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にセンサシステムに関し、具体的には光学加速度計システムおよび方法に関する。

加速度を測定するための多くの種類の計器が開発されてきた。１つのこのような例に力平衡加速度計がある。例えば、振子型力平衡加速度計では、閉ループシステム内に静電気力が使用されて、振子の慣性質量すなわちプルーフマスからの出力を位置付けし取得する。静電気力システムは、シリコン基板からエッチングされた振子部材の各側面に、容量式ピックオフ電極を使用する。制御パルスを使用して、一定量の電荷または電圧を各電極に連続して加える。例えば、電荷または電圧がそれぞれのプレートに残留する時間（例えば、デューティサイクル）を変えることによって、可変の力を慣性質量に加える。電荷または電圧がそれぞれのプレートに残留する時間は、ゼロ位置に対する慣性質量の変位に基づく。

なお、光ファイバ加速度計について、特許文献１に記載されている。

米国特許出願公開第２０１３／０１０４６５５号明細書

しかし、力平衡加速度計は、慣性測定システムおよび／またはナビゲーションシステムにおける主要な誤差源になり得る加速度計バイアスの不確かさなど、いくつかの有害現象の影響を受けやすい可能性がある。バイアスの不確かさは、電源投入時の過渡的挙動、非モデル化可能性、ならびにヒステリシスおよび単純な経時トレンドを含むバイアス対温度特性の不安定性により生じ得る。

本発明の一実施形態は、加速度計システムを含む。所定の中心周波数を有し、所定の中心周波数に対して周波数変調されている光ビームが供給される。光共振器は、光共振器の第１の端部の第１の鏡、および第２の端部の第２の鏡を含む。第２の鏡は、外部加速度に応答して光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動であり、光共振器は光ビームを受信し、共振光ビームを放射する。加速度検出システムは、共振光ビームの強度を測定し、第２の鏡の運動により生じる共振光ビームの強度に基づいて、光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを計算する。安定化システムは、光ビームの変調に基づいて、外部加速度とは独立して光ビームの所定の中心周波数を安定させる。

本発明の別の実施形態は、外部加速度を決定する方法を含む。この方法は、所定の周波数を有する光ビームを生成する工程と、光共振器に対して光ビームを供給する工程であって、光共振器は、光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡、および光共振器の軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡を備える工程とを含む。第２の鏡は、光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動であってもよい。この方法はまた、力再平衡信号のベースラインバージョンを、複数の電極に供給して第２の鏡に力を加えて、所定の周波数の波長の整数倍に対応するニュートラル位置に対する第２の鏡の振動運動を得る工程を含む。この方法はまた、光共振器から放射される光ビームに対応する共振光ビームの強度を測定する
工程を含む。この方法はまた、測定された共振光ビームの強度に基づき、力再平衡信号の大きさを設定してニュートラル位置に対する第２の鏡の振動運動を維持する工程を含む。この方法はさらに、光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを、力再平衡信号の大きさと、力再平衡信号のベースラインバージョンとの差に基づいて決定する工程を含む。

本発明の別の実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ・加速度検出の組合せシステムを含む。このシステムは、光共振器を備える光学加速度計システムであって、光共振器は、所定の周波数を有する光ビームの第１の部分を受信するように構成される光学加速度計システムを含む。光共振器は、光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡、および光共振器の軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡を含む。第２の鏡は、外部加速度に応答して光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動である。光学加速度計システムは、第２の鏡の運動により生じ、共振光ビームの強度に基づいて、光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを計算するように構成される。共振光ビームは、光共振器から放射される光ビームの第１の部分に対応する。システムはまた、原子蒸気を含む原子蒸気セルを備えるＮＭＲジャイロスコープシステムであって、原子蒸気の歳差運動を容易にするように原子蒸気を通して光ビームの第２の部分が供給されるシステムを含む。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セルを通して供給されるプローブビームによって測定された１以上の核スピン同位体の歳差運動に基づいて、感知軸に対する回転を計算するように構成される。システムはさらに、原子蒸気セルを通して供給される光ビームの第２の部分の強度に基づいて、原子蒸気の原子遷移周波数とほぼ等しい光ビームの中心周波数を安定させるように構成される安定化システムを含む。

光学加速度計システムの一例を示す図。 光共振器システムの一例を示す図。 共振光ビームの強度のグラフの一例を示す図。 原子遷移ロック加速度センサ（ＡＴＬＡＳ：ａｔｏｍｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｌｏｃｋｅｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）・核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ組合せシステムの一例を示す図。 外部加速度を決定する方法の一例を示す図。

本発明は、一般にセンサシステムに関し、具体的には光学加速度計システムおよび方法に関する。光学加速度計システムは、第１の軸端に第１の鏡と、第２の軸端に第２の鏡とを有する光共振器を含む。第２の鏡は、屈曲部を介して光共振器のハウジングに結合されることなどに基づき、軸方向長さ部分に沿って可動にされる。光学加速度計システムは、光ビーム源（例えば、レーザー）を含むことができ、この光ビーム源は、所定の中心周波数を有すると共にこの中心周波数に対して周波数変調されている光ビームを供給する。一例として、中心周波数は、蒸気セル内などで得られる原子蒸気の遷移周波数にほぼ同調される。光ビームは、光共振器に対して供給されることができ、また光共振器から共振光ビームとして放射される。光学加速度計システムは、共振光ビームの強度を監視して軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを計算できる加速度検出システムを含む。例えば、加速度検出システムは、中心周波数の波長の整数倍に対応するニュートラル位置に対する第２の鏡の振動運動を得るために力（例えば、静電気力、電磁力、または他の力）を加える力再平衡電極を制御するように構成される。こうして、加速度検出システムは、共振光ビームの強度に応じて、ニュートラル位置に対する振動運動を維持する力に対応する力再平衡信号の大きさを変化させることができ、その結果、この力再平衡信号の変化が外部加速度の大きさに対応可能となる。

光学加速度システムは、原子遷移ロック加速度センサ（ＡＴＬＡＳ）・核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ組合せシステムの一部として含まれ得る。この組合せシステムは光学加速度計を含むことができ、また、原子蒸気（例えば、アルカリ金属蒸気）を備えた原子蒸気セルを含むＮＭＲジャイロスコープを含むこともできる。光ビームは、光ビームの第１の部分が光共振器で得られ、光ビームの第２の部分が原子蒸気セルを通して得られるように分割される。したがって、光ビームの第２の部分は光ポンプビームとして作用して、アルカリ蒸気粒子の歳差運動を容易にする（例えば、円偏光によって）。加えて、光ビームの中心周波数は原子蒸気の遷移周波数に同調されるので、光ビームの第２の部分はまた、光ビームの中心周波数を安定させるように実装される。この光ビームは、安定化された中心周波数に対して周波数変調されるので、この安定化は、外部加速度の測定とは独立して行われる。

図１は、光学加速度計システム１０の一例を示す。光学加速度計システム１０は、感知軸に沿った光学加速度計システム１０の外部加速度を計算するように構成される。本明細書で説明するように、外部加速度は、外力により生じる光学加速度計システム１０の物理的ハウジングの加速度と定義され、この外力は、光学加速度計システム１０の物理的ハウジングに加えられ、重力、ならびに他の外力により生じる加速を含み得る。

光学加速度計システム１０は光ビーム源１２を含み、この光ビーム源は、レーザー（例えば、垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）もしくは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザー）として、または外部光源から生成した光ビームを供給する光ファイバもしくは導波管として構成されてもよい。光ビーム源１２は、所定の周波数に同調させる光ビームＯ_ＯＡを生成する。一例として、光ビームＯ_ＯＡは、所定の中心周波数を有することができ、この中心周波数に対して周波数変調される。一例として、周波数変調により光ビームＯ_ＯＡの波長に非常に小さな変化を生じさせる（例えば、約±０．００１ナノメートル以下）。図１の例では、光ビーム源１２は、変調システム１４によって生成された変調された電流などの電気的刺激に応答して、光ビームＯ_ＯＡを生成する。一例として、変調システム１４は、電気信号ＭＯＤ（例えば、電流）を供給することができ、この信号は、所定の中心周波数に対応するＤＣ振幅を有し、電気信号ＭＯＤ上のＡＣ信号によって変調されて光ビームＯ_ＯＡの周波数変調を行う。本明細書で説明するように、変調システム１４は、光ビーム源１２が光ビームＯ_ＯＡを安定して供給するように、フィードバックに基づいて電気信号ＭＯＤを供給して中心周波数を所定の中心周波数の値に維持する。

光ビームＯ_ＯＡは光共振器１６において得られる。一例として、光共振器１６はファブリペロー光共振器として構成される。光共振器１６は、軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡１８と、軸方向長さ部分の反対側の第２の端部の第２の鏡２０とを、光ビームＯ_ＯＡが軸方向長さ部分に沿って第１の鏡１８と第２の鏡２０との間で共振するように含む。一例として、第１の鏡１８は、第１の鏡１８を通して光ビームＯ_ＯＡを光共振器１６に対して供給できるように、光共振器１６と反対側の面で少なくとも部分的に透過性である。第２の鏡２０は、第２の鏡２０を通して光ビームＯ_ＯＡの一部分を共振光ビームＯ_ＤＥＴとして放射できるように、部分的に透過性である。別の例として、光学加速度計システム１０は、光共振器１６の軸方向長さ部分に対して非軸方向などに光ビームＯ_ＯＡを光共振器１６に対して導くように構成される、１組の光学部品を含む。さらに、光共振器１６は、光ビームＯ_ＯＡを１次元で共振させることに限定されるものではなく（例えば、ファブリペロー光共振器のように）、光ビームＯ_ＯＡを第１の鏡１８と第２の鏡２０との間で複数の軸に沿って共振させる光学部品を含むこともできる。

光共振器１６は、光ビームＯ_ＯＡの所定の中心周波数の波長の整数倍である公称長さを有する。しかし、光共振器１６の第２の鏡２０は、光共振器１６の公称長さに対応する第２の鏡のニュートラル位置に対して、光共振器１６の軸方向長さ部分に沿って可動である
。一例として、第２の鏡２０は、屈曲部を介して光共振器１６のハウジングに結合されてもよい。したがって、第２の鏡２０は、外部加速度に応じて動く。図１の例では、光共振器１６は電極２２を含んでおり、電極２２は第２の鏡２０の力再平衡を得るために力（例えば、静電気力、電磁力、または他の力）を加えるように構成される。第２の鏡２０をニュートラル位置に維持するのに必要な力再平衡の大きさは、共振光ビームＯ_ＤＥＴの大きさに基づいて決定されてもよい。

図１の例では、光学加速度計システム１０はまた、加速度検出システム２４を含む。加速度検出システム２４は、第２の鏡２０をニュートラル位置に維持するために、共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度を監視し、かつ力再平衡信号ＦＲＢを電極２２に供給するように構成される。一例として、加速度検出システム２４は、光ビームＯ_ＯＡの周波数変調の周波数で共振光ビームＯ_ＤＥＴを復調する。その結果、加速度検出システム２４は、軸方向に沿った光共振器１６の外部加速度により生じた第２の鏡２０の位置の変化を決定する。したがって、加速度検出システム２４は、復調された共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいた力を加えるために電極２２に力再平衡信号ＦＲＢを供給する。その結果、この力は、フィードバックの方法により第２の鏡２０をニュートラル位置まで動かして、外部加速度により生じた第２の鏡２０の動きを実質的に相殺する。この力によって第２の鏡２０をニュートラル位置まで動かすための力再平衡信号ＦＲＢの大きさは、外部加速度の大きさに比例し得る。それに応じて、加速度検出システム２４は、図１の例で加速度検出システム２４からの出力である信号ＡＣＣＬとして示されている外部加速度の大きさを計算する。加えて、本明細書で説明するように、力再平衡信号ＦＲＢを、ニュートラル位置に対して第２の鏡２０が振動運動を行うように変調する。

図２は、光共振器システム５０の一例を示す。光共振器システム５０は、図１の例の光共振器１６に対応する。したがって、図２の例についての以下の説明の中では、図１の例で使用されたものと同様の参照番号が使用される。

光ビームＯ_ＯＡは、第１の鏡１８の第１の面５２を通して供給されるものとして示されており、そのため、第１の面５２は、光ビームＯ_ＯＡが少なくとも部分的に透過するものであり得る。したがって、光ビームＯ_ＯＡは、光共振器内の第１の鏡１８と第２の鏡２０との間で、共振ビーム５４として共振する。第２の鏡２０は、共振ビーム５４の一部分が共振光ビームＯ_ＤＥＴとして光共振器システム５０から放射されるように、部分的に反射性であってもよい（例えば、９０％以上の反射性）。図２の例では、第１の鏡１８と第２の鏡２０とは、光信号Ｏ_ＯＡの中心周波数の波長の整数倍に対応し得るニュートラル位置において、距離「Ｌ」だけ名目上離れている。第２の鏡２０は、光共振器システム５０の軸方向長さ部分に沿って可動にされてもよい（例えば、共振ビーム５４と平行に）。したがって、上述したように、共振光ビームＯ_ＤＥＴは、外部加速度により生じる第２の鏡２０の動きを共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度で表すように、加速度検出システム２４に供給されてもよい。

光共振器システム５０は電極２２を含んでおり、電極２２は第２の鏡２０の力再平衡を得るために、力再平衡信号ＦＲＢに基づいて力を加える。第２の鏡２０をニュートラル位置に維持するのに、すなわち第１の鏡１８と第２の鏡２０との間の距離「Ｌ」を維持するのに必要な力再平衡の大きさは、上述したように、共振光ビームＯ_ＤＥＴの大きさに基づいて決定される。加えて、力再平衡信号ＦＲＢを、電極２２によって与えられた力に基づくニュートラル位置に対する第２の鏡２０の振動運動が得られるように変調する。図２の例では、第２の鏡２０は、光共振器システム５０の全長を「Ｌ」から「Ｌ＋Ｘ」に増加させ、また光共振器システム５０の全長を「Ｌ」から「Ｌ−Ｘ」に減少させるように振動する。一例として、第２の鏡２０の物理的振動は、周波数変調により生じる光ビームＯ_ＯＡの波長の変化よりも著しく大きくてもよい。例えば、Ｘは１０ナノメートル以上とする。
一例として、本明細書で説明するように、加速度検出システム２４は、振動運動を実装するそれぞれの制御方式に基づいた共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度に対応するＤＣ変調信号を生成するために、第２の鏡２０の振動運動の周波数で共振光ビームＯ_ＤＥＴを復調するように構成される。

図３は、共振光ビームの透過のグラフ１００の一例を示す。グラフ１００は、第２の鏡２０を通過し、そうして図１の例における光共振器１６、または図２の例における光共振器システム５０から放射される、共振光ビームＯ_ＤＥＴの透過に対応し得る。グラフ１００において「Ｎ」で示されるニュートラル位置では、共振光ビームＯ_ＤＥＴは約１００％のピーク透過Ｔ１を有し、したがって、第２の鏡２０を実質的に完全に透過する。加えて、グラフ１００は、第２の位置「−Ｘ」および第３の位置「＋Ｘ」を示し、これらは、ニュートラル位置「Ｎ」に対する第２の鏡２０の振動運動のそれぞれの境界に対応し得る。第２の位置「−Ｘ」において、共振光ビームＯ_ＤＥＴは透過Ｔ２を有し、第３の位置「＋Ｘ」において、共振光ビームＯ_ＤＥＴは、透過Ｔ２とほぼ等しい透過Ｔ３（例えば、約９０％）を有する。上述したように、光ビームＯ_ＯＡを、光共振器システム５０の全長「Ｌ」が中心周波数の波長の整数倍に対応できるように、中心周波数に対して周波数変調する。したがって、図３の例における共振光ビームＯ_ＤＥＴの透過Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３は共振光ビームＯ_ＤＥＴの中心周波数に対応し、ニュートラル位置「Ｎ」は、中心周波数の波長の整数倍に設定されている光共振器システム５０の全長「Ｌ」に対応することが理解されるであろう。

加速度検出システム２４は、第２の鏡２０の振動運動を実装するために、ベースライン値において力再平衡信号ＦＲＢを生成するように構成され、また、ニュートラル位置「Ｎ」に対する振動運動をフィードバックの方法により維持するために、力再平衡信号ＦＲＢをフィードバックの方法により調整する。力再平衡信号ＦＲＢの調整は、第２の鏡２０の振動運動に影響を及ぼす可能性がある外部加速度および／または他の要因を補償するように行われる。加速度検出システム２４は、振動運動のほぼ中心をピーク振幅透過Ｔ１に固着することに基づいて力再平衡信号ＦＲＢを調整するように構成される。言い換えると、加速度検出システム２４は、ニュートラル位置「Ｎ」に対応する共振光ビームＯ_ＤＥＴのピーク強度を特定することに基づいて、ニュートラル位置「Ｎ」に対応するピーク透過Ｔ１のところに振動運動のほぼ中心を維持するための力再平衡信号ＦＲＢを設定するように、ベースライン値を調整する。上述したように、共振光ビームＯ_ＤＥＴを、共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度に対応するＤＣ変調された信号が得られるように、第２の鏡２０の振動運動の周波数によって復調する。

第２の鏡２０の振動運動は、力再平衡信号ＦＲＢのベースライン値の修正に関して、様々な態様で実装される。第１の例として、加速度検出システム２４に、力再平衡信号ＦＲＢの時間ベース制御アルゴリズムを実装する。例えば、加速度検出システム２４は、計算された外部加速度の大きさに基づく所定の持続時間のそれぞれの中で、それぞれの力を第２の鏡２０に対して反対方向に電極２２を介して加えるように、力再平衡信号ＦＲＢを供給する。言い換えると、「＋Ｘ」方向および「−Ｘ」方向の力を加える相対時間は、共振光ビームＯ_ＤＥＴのピーク強度のニュートラル位置「Ｎ」からのオフセットに基づいて、動的に調整する。第２の例として、加速度検出システム２４に、力再平衡信号ＦＲＢのＡＣディザ制御アルゴリズムを実装する。例えば、加速度検出システム２４は、電極２２を介してそれぞれの力を加えるために、力再平衡信号ＦＲＢのＤＣ信号成分の大きさが共振光ビームＯ_ＤＥＴのピーク強度のニュートラル位置「Ｎ」からのオフセットに基づいて調整されるよう、力に対応し、かつＤＣ信号成分上のＡＣ信号成分を変調する、力再平衡信号ＦＲＢのＤＣ信号成分を供給する。第３の例として、加速度検出システム２４に、力再平衡信号ＦＲＢの検出制御アルゴリズムを実装する。例えば、加速度検出システム２４は、ＡＣ信号成分をＤＣ復調信号の上に加えること、およびピーク強度における共振光ビー
ムＯ_ＤＥＴの強度に対応するためのオフセットに基づいて、電極２２を介してそれぞれの力を加えるための力再平衡信号ＦＲＢを供給する。したがって、結果として得られる変調されたＤＣ信号は、電極２２に力を加えるための力再平衡信号ＦＲＢに変換される。他の例が、外部加速度の検出および計算と合わせて第２の鏡２０の振動運動を得るための制御方式に関して存在し得る。

上述したように、光ビーム源１２の安定化のために、光ビームＯ_ＯＡを中心周波数に対して周波数変調する。図１の例に戻って参照すると、光学加速度計システム１０は、光ビームＯ_ＯＡの中心周波数を実質的に安定させるように構成される安定化システム２６を含む。安定化システム２６は、光ビームＯ_ＯＡの一部分の周波数を高安定周波数基準と比べて監視するように構成される。例えば、安定化システム２６は、アルカリ金属蒸気（例えば、セシウム、ルビジウム、カリウム）などの原子蒸気を備える原子蒸気セルを含む。光ビームＯ_ＯＡの中心周波数は、原子蒸気の遷移周波数（例えば、Ｄ１またはＤ２遷移周波数）に同調されることができ、光ビームＯ_ＯＡの一部分は、原子蒸気セル中に導かれる。したがって、原子蒸気セルを出る光ビームＯ_ＯＡの一部分の強度を監視して、その光ビームＯ_ＯＡの原子遷移基準周波数に対応する波長を決定する。一例として、安定化システム２６は、光ビームＯ_ＯＡの周波数変調の周波数で光ビームＯ_ＯＡの強度を復調する。したがって、安定化システム２６は、光ビームＯ_ＯＡの中心周波数を安定させるために、中心周波数が原子蒸気セル内の原子蒸気の遷移周波数に維持されるよう、変調システム１４に供給されるフィードバック信号ＦＤＢＫを生成する。したがって、光学加速度計システム１０は、原子遷移ロック加速度センサ（ＡＴＬＡＳ）として実装される。それに応じて、光ビームＯ_ＯＡは、ニュートラル位置「Ｎ」に対する第２の鏡２０の動きに基づいた外部加速度の計算のために、非常に安定した態様において実装される。

上述したように、光ビームＯ_ＯＡは、中心周波数に対して周波数変調される。したがって、光ビームＯ_ＯＡは、外部加速度の計算とは独立して安定化される。言い換えると、外部加速度の大きさの計算は、光ビームＯ_ＯＡの波長に影響を及ぼし得る光ビーム源１２の電子ドリフトおよび／または温度ドリフトなどの誤差源とは区別可能にされる。加えて、上述したように、力再平衡信号ＦＲＢは、外部加速度の関連計算のために外部加速度に応じて第２の鏡２０の力再平衡を得ることに加えて、第２の鏡２０の振動運動が得られるように実装される。第２の鏡２０の振動運動は、費用対効果がより大きい光学加速度計システム１０の解決策を維持しながら、外部加速度の検出の信号対雑音比（ＳＮＲ）を大幅に増加するように実装される。一例として、第２の鏡２０の振動運動の実装により、第２の鏡２０の製造における精密さは、典型的な光共振器に実装される鏡よりも著しく低くてもよくなる可能性がある。言い換えると、光共振器１６内の第２の鏡２０の振動運動が存在しなければ、光共振器１６の第１の鏡１８および第２の鏡２０の、非常に費用がかかり得る、また製造の複雑さを増大させ得る非常に高い精密さが存在しないので、共振光ビームＯ_ＤＥＴは、ＳＮＲが外部加速度の正確な計算には不十分なこともある。したがって、第２の鏡２０の振動運動は、光共振器１６のより大きい費用対効果および簡単な製造解決策を可能にしながら、共振光信号Ｏ_ＤＥＴのＳＮＲを大幅に増加するように実装される。

図４は、原子遷移ロック加速度センサ（ＡＴＬＡＳ）および核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ組合せシステム１５０の一例を示す。ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、第１の感知軸に沿った外部加速度と、第２の感知軸に対する回転とを計算するように構成される。一例として、第１と第２の感知軸は同一とするが、同一であることに限定はされない。

ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、円偏光ポンプビームＯ_ＰＭＰを供給するように構成されるＶＣＳＥＬレーザーまたはＤＢＲレーザーとして構成される（例えば、４分の１波長板によって）、ポンプレーザー１５２を含む。一例として
、ポンプビームＯ_ＰＭＰは、所定の中心周波数を有することができ、光ビームＯ_ＯＡに関して上述したのと同様に、中心周波数に対して周波数変調する。図４の例では、ポンプレーザー１５２は、変調システム１５４によって生成される変調された電流などの電気的刺激に応答して、ポンプビームＯ_ＰＭＰを生成する。一例として、変調システム１５４は、電気信号ＭＯＤ（例えば、電流）を供給することができ、この信号は、所定の中心周波数に対応するＤＣ振幅を有し、電気信号ＭＯＤ上のＡＣ信号によって変調されてポンプビームＯ_ＰＭＰの周波数変調を行う。変調システム１５４は、本明細書内で説明するように、ポンプレーザー１５２がポンプビームＯ_ＰＭＰを安定して供給するように、安定化システム１５６によって生成したフィードバック信号ＦＤＢＫに基づいて電気信号ＭＯＤを供給して、中心周波数を所定の中心周波数の値に維持する。

ポンプビームＯ_ＰＭＰは、アルカリ金属蒸気（例えば、セシウム、ルビジウム、カリウム等）などの原子蒸気を備える原子蒸気セル１５８を通って供給される。ポンプビームＯ_ＰＭＰの中心周波数は、原子蒸気の遷移周波数（例えば、Ｄ１またはＤ２遷移周波数）に同調される。したがって、原子蒸気セル１５８を出るポンプビームＯ_ＰＭＰ’の一部分の強度を安定化システム１５６によって監視して、そのポンプビームＯ_ＰＭＰの波長を決定する。図４の例では、原子蒸気セル１５８を出るポンプビームＯ_ＰＭＰ’は、ビームスプリッタ１６０（例えば、偏光ビームスプリッタ）によって第１の部分Ｏ_ＰＭＰ１および第２の部分Ｏ_ＰＭＰ２に分割される。ポンプビームの第１の部分Ｏ_ＰＭＰ１は、安定化システム１５６がポンプビームＯ_ＰＭＰの周波数変調の周波数でポンプビームの第１の部分Ｏ_ＰＭＰ１の強度を復調されるように、安定化システム１５６に供給される。したがって、安定化システム１５６は、ポンプビームＯ_ＰＭＰの中心周波数を安定させるために、中心周波数が原子蒸気セル１５８内の原子蒸気の遷移周波数に維持されるよう、変調システム１５４に供給されるフィードバック信号ＦＤＢＫを生成する。それに応じて、ポンプビームＯ_ＰＭＰは、本明細書で説明するように、外部加速度と、それぞれの感知軸に対する回転との両方の計算のために、非常に安定した態様において実装される。

ポンプビームの第２の部分Ｏ_ＰＭＰ２は光共振器１６２に供給される。一例として、光共振器１６２は、ファブリペロー光共振器として構成される。光共振器１６２は、図１の例における光共振器１６と、または図３の例における光共振器システム５０と実質的に同様に構成される。したがって、光共振器１６２は、軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡と、軸方向長さ部分の反対側の第２の端部の可動の第２の鏡とを、ポンプビームの第２の部分Ｏ_ＰＭＰ２が軸方向長さ部分に沿って第１の鏡と第２の鏡の間で共振するように、含む。光共振器１６２はまた、力再平衡信号ＦＲＢに応答して第２の鏡に力（例えば、静電気力または電磁力）を加えるように構成される電極を含むこともできる。ポンプビームの第２の部分Ｏ_ＰＭＰ２に対応する共振光ビームＯ_ＤＥＴが光共振器１６２から放射され（例えば、第２の鏡を経由して）、加速度検出システム１６４に供給される。

加速度検出システム１６４は、第２の鏡をニュートラル位置に維持するために、共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度を監視し、かつ力再平衡信号ＦＲＢを光共振器１６２の電極に供給するように構成される。加えて、加速度検出システム１６４は、光共振器１６２の第２の鏡の振動運動を得るために、力再平衡信号ＦＲＢによって力を加える。一例として、加速度検出システム１６４は、ポンプビームＯ_ＰＭＰの周波数変調の周波数で、および／または振動運動の周波数で、共振光ビームＯ_ＤＥＴを復調する。その結果、加速度検出システム１６４は、軸方向に沿った光共振器１６２の外部加速度により生じた第２の鏡の位置の変化を決定する。したがって、図１〜図３の例で上述したのと同様に、加速度検出システム１６４は、復調された共振光ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいた力を加えるために電極に対する力再平衡信号ＦＲＢを調整する。それに応じて、加速度検出システム１６４は、図４の例において信号ＡＣＣＬとして加速度検出システム１６４から供給される外部加速度を計算する。

ポンプビームＯ_ＰＭＰは、外部加速度を測定するために実装されることに加えて、原子蒸気セル１５８内の原子蒸気粒子の歳差運動を容易にするなどのために、原子蒸気セル１５８内の原子蒸気を光学的にポンピングするようにも構成される。上述したように、ポンプビームＯ_ＰＭＰは、原子蒸気セル１５８内の原子蒸気が歳差運動をするように（例えば、ポンプビームＯ_ＰＭＰが少なくとも部分的に位置合わせされるＡＣ磁場の存在下で）、円偏光される（例えば、４分の１波長板によって）。一例として、この歳差運動は、ポンプビームＯ_ＰＭＰによって刺激された原子蒸気のスピン交換に基づいて核スピン偏光している１以上の核スピン同位体の歳差運動を刺激するための、ＸおよびＹ軸の一方または両方の印加ＡＣ磁場成分に基づく（例えば、Ｚ軸に沿って供給されたポンプビームＯ_ＰＭＰと共に）。ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０はまた、プローブビームＯ_ＰＲＢを、ポンプビームＯ_ＰＭＰ（および／または印加磁場）に対して直角を成すなどして原子蒸気セル１５８を通って供給するように構成されている、プローブレーザー１６６を含む。一例として、プローブビームＯ_ＰＲＢは、原子蒸気セル１５８を出るプローブビームＯ_ＰＲＢ’がファラデー回転の対象となるように、直線偏光される。例えば、プローブビームＯ_ＰＲＢのファラデー回転は、ほぼラーモア歳差運動の周波数における核スピン同位体の歳差運動を、原子蒸気に影響を及ぼす誘起内部磁場に基づいて示すものであり得る。

ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０はさらに、ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０の感知軸に対する回転を、測定された核スピン同位体の歳差運動に基づいて計算するように構成される回転検出システム１６８を含む。一例として、回転検出システム１６８は、原子蒸気セル１５８を出るプローブビームＯ_ＰＲＢ’の直角を成すそれぞれの直線偏光を監視する、１対のフォトダイオードを含む。例えば、これらフォトダイオード間で得られる差分値は、光プローブビームＯ_ＰＲＢが原子蒸気セルを通過するときの光プローブビームＯ_ＰＲＢのファラデー回転を、アルカリ金属原子の歳差運動に基づいて示すものであり得る。その復調された差分値は、核スピン同位体の歳差運動に対応することができ、この歳差運動は、その結果として、図４の例では信号ＲＯＴとして回転検出システム１６８から得られる、ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０の感知軸に対する回転についての情報をもたらす。

したがって、図４の例におけるＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、単一の正確に安定化された光ビームに基づいてＡＴＬＡＳとＮＭＲジャイロスコープの機能を組み合わせる方法を示す。ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、図４の例に限定されるものではないことを理解されたい。一例として、図４の例は、ポンプビームの第１の部分Ｏ_ＰＭＰ１が、原子蒸気セル１５８を通過した後に光共振器１６２で得られることを示しているが、ビームスプリッタ１６０は、ポンプビームの第１の部分Ｏ_ＰＭＰ１を光共振器１６２で得るように、かつポンプビームの第２の部分Ｏ_ＰＭＰ２を原子蒸気セル１５８を通して得るように、原子蒸気セル１５８の前に配置される。別の例として、ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、複数の原子蒸気セル１５８および／または光共振器１６２を含むことができ、これらのすべてにポンプビームＯ_ＰＭＰが供給される。したがって、ＡＴＬＡＳ・ＮＭＲジャイロスコープ組合せシステム１５０は、外部加速度および／または感知軸に対する回転を、直角を成す２つまたは３つそれぞれの軸で測定するように構成される。

上述のこのような構造的および機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図５を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図５の方法は、順次に実行するように示され説明されているが、本発明によれば、いくつかの態様は、異なる順序で、かつ／または本明細書に図示され説明されたものからの他の態様と同時に行われてもよいので、本発明が図示の順序によって限定されないことを理解および認識
されたい。さらに、図示された特徴すべてが、本発明の態様による方法を実装するのに必要とされるとは限らない。

図５は、外部加速度を決定するための方法２００の一例を示す。２０２で、所定の周波数（例えば、光ビームがその周波数に対して周波数変調される、所定の中心周波数）を有する光ビーム（例えば、光ビームＯ_ＯＡ）を生成する。２０４で、光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡（例えば、第１の鏡１８）と、光共振器の軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡（例えば、第２の鏡２０）とを備え、第２の鏡が光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動である光共振器（例えば、光共振器１６）に対して光ビームを供給する。２０６で、力再平衡信号（例えば、力再平衡信号ＦＲＢ）のベースラインバージョンを、第２の鏡に力を加えるための複数の電極（例えば、電極２２）に供給して、所定の周波数の波長の整数倍に対応するニュートラル位置（例えば、ニュートラル位置「Ｎ」）に対する第２の鏡の振動運動を得る。

２０８で、光共振器から放射される光ビームに対応する共振光ビーム（例えば、共振光ビームＯ_ＤＥＴ）の強度を測定する。２１０で、共振光ビームの測定強度に基づき、力再平衡信号の大きさを設定してニュートラル位置に対する第２の鏡の振動運動を維持する。２１２で、光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを、力再平衡信号の大きさと、力再平衡信号のベースラインバージョンとの差に基づいて決定する。

上記で説明したのは本発明の例である。本発明を説明する目的で構成要素または方法の考えられるすべての組合せを説明することはもちろん不可能であるが、本発明の多くの別の組合せおよび変形が可能であることは当業者であれば理解されるであろう。それに応じて、本発明は、添付の特許請求の主旨および範囲に入る、そのようなすべての変更、修正および変形を包含するものである。

Claims (15)

1. 加速度計システムであって、
   所定の中心周波数を有し、前記所定の中心周波数に対して周波数変調されている光ビームを生成するように構成される光ビーム源と、
   光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡と、前記光共振器の前記軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡とを備える光共振器であって、前記第２の鏡は、外部加速度に応答して前記光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動であり、前記光共振器は、前記光ビームを受信し、および共振光ビームを放射するように構成される、前記光共振器と、
   前記共振光ビームの強度を測定するように、および前記第２の鏡の運動により生じる前記共振光ビームの強度に基づいて、前記光共振器の前記軸方向長さ部分に沿った前記外部加速度の大きさを計算するように構成される加速度検出システムと、
   前記光ビームの前記周波数変調に基づいて、前記外部加速度とは独立して前記光ビームの所定の中心周波数を安定させるように構成される安定化システムと、
   を備えるシステム。
2. 前記安定化システムは、原子蒸気を含む原子蒸気セルを備え、前記原子蒸気を通して前記光ビームの一部分が供給され、前記システムはさらに、前記安定化システムが生成するフィードバック信号に応答して、前記光ビームの所定の中心周波数を前記原子蒸気の原子遷移周波数とほぼ等しく設定するように構成される変調システムを備え、前記フィードバック信号は、前記原子蒸気セルを通して供給される前記光ビームの前記一部分の強度の、前記光ビームの前記周波数変調の周波数とほぼ等しい周波数での復調に基づき生成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光共振器は、複数の力再平衡電極を備え、前記複数の力再平衡電極は、前記光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度に対応する前記共振光ビームの前記強度の変化に応じて前記第２の鏡に力を加えるように構成され、前記力の大きさは前記外部加速度の大きさに対応する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数の力再平衡電極はさらに、前記共振光ビームの信号対雑音比（ＳＮＲ）を増加させるために、前記力を加えて前記所定の中心周波数の波長の整数倍に対応するニュート
   ラル位置に対する前記第２の鏡の振動運動を得るように構成される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記共振光ビームの強度は、前記外部加速度の大きさを計算するために、前記第２の鏡の振動運動の周波数とほぼ等しい周波数で復調される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記複数の力再平衡電極は、前記ニュートラル位置における前記共振光ビームのピーク強度と関連付けられたフィードバックに基づいて、前記ニュートラル位置に対する前記第２の鏡の振動運動を得るように構成される、請求項４に記載のシステム。
7. 前記複数の力再平衡電極は、
   計算された前記外部加速度の大きさに基づく所定の持続時間のそれぞれの中で、前記第２の鏡に対して反対方向に前記力を与えるための時間ベース制御アルゴリズムと、
   前記力に対応しＤＣ信号成分上のＡＣ成分を変調する力再平衡信号のＤＣ信号成分によって前記力を与えるためのＡＣ制御アルゴリズムであって、前記力再平衡信号の前記ＤＣ信号成分の大きさが計算された前記外部加速度の大きさに基づいて調整される、ＡＣ制御アルゴリズムと、
   前記共振光ビームのピーク強度における共振光ビームの強度に対応するＤＣ信号の上にＡＣ成分を与えて、変調されたＤＣ信号を得ること、および変調された前記ＤＣ信号を力再平衡信号に変換することに対応する検出制御アルゴリズムと
   のうちの１つによって、力を加えて前記第２の鏡の振動運動を得るように構成される、請求項４に記載のシステム。
8. 前記光共振器は第１の光共振器であり、前記システムはさらに、第２の光共振器および第３の光共振器を備え、前記第２の光共振器および前記第３の光共振器のそれぞれは、前記それぞれの第２および第３の光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡と、それぞれの前記第２および第３の光共振器の前記軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡とを備え、前記第２および第３の光共振器の前記第２の鏡は前記それぞれの第２および第３の光共振器の前記軸方向長さ部分に沿って可動であり、前記第２および第３の光共振器のそれぞれは、前記光ビームのそれぞれの部分を受信し、およびそれぞれの共振光ビームを放射するように構成され、前記第１、第２および第３の光共振器は、３軸加速度計システムとしての前記加速度計システムを実装するために互いに直角に配置される、請求項１に記載のシステム。
9. 請求項１に記載の加速度計システムを含む核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ・原子遷移ロック加速度センサ（ＡＴＬＡＳ）組合せシステムであって、前記光ビームをポンプビームとして用いて感知軸に対する回転を決定するように構成されるＮＭＲジャイロスコープを備える、システム。
10. 原子蒸気を含む原子蒸気セルであって、前記原子蒸気を通して前記光ビームが供給され、前記光ビームはさらに原子蒸気の歳差運動を容易にするように構成され、前記安定化システムは、前記原子蒸気セルを通して供給される前記光ビームの強度に基づいて、前記光ビームの所定の中心周波数を前記原子蒸気の原子遷移周波数とほぼ等しく安定させるように構成される、原子蒸気セルと、
    感知軸に対する前記ＮＭＲジャイロスコープ・ＡＴＬＡＳ組合せシステムの回転を決定するために、前記原子蒸気セルを通して供給される光プローブビームを生成するように構成されるプローブレーザーと
    を備える、請求項９に記載のシステム。
11. 外部加速度を決定する方法であって、
    所定の周波数を有する光ビームを生成する工程と、
    光共振器に対して前記光ビームを供給する工程であって、前記光共振器は、光共振器の軸方向長さ部分の第１の端部の第１の鏡と、前記光共振器の前記軸方向長さ部分の第２の端部の第２の鏡とを備え、前記第２の鏡は、前記光共振器の軸方向長さ部分に沿って可動である、工程と、
    力再平衡信号のベースラインバージョンを、複数の電極に供給して前記第２の鏡に力を加えて、前記所定の周波数の波長の整数倍に対応するニュートラル位置に対する前記第２の鏡の振動運動を得る工程と、
    前記光共振器から放射される光ビームに対応する共振光ビームの強度を測定する、強度測定工程と、
    測定された前記共振光ビームの強度に基づき、前記力再平衡信号の大きさを設定して前記ニュートラル位置に対する前記第２の鏡の振動運動を維持する、力再平衡信号設定工程と、
    前記光共振器の軸方向長さ部分に沿った外部加速度の大きさを、前記力再平衡信号の大きさと、前記力再平衡信号のベースラインバージョンとの差に基づいて決定する工程と、を含む方法。
12. 前記所定の中心周波数に対して前記光ビームを周波数変調する工程と、
    前記中心周波数に対する前記光ビームの周波数変調に基づいて、前記光ビームの所定の中心周波数を安定させる工程と
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記所定の中心周波数を安定させる工程は、
    原子蒸気を含む原子蒸気セルを通して前記光ビームの一部分を導く工程と、
    前記原子蒸気セルを通して前記光ビームの一部分の強度を監視する工程と、
    前記原子蒸気の原子遷移周波数とほぼ等しく前記光ビームの所定の中心周波数を設定する工程と
    を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記力再平衡信号設定工程は、前記ニュートラル位置における前記共振光ビームのピーク強度と関連付けられたフィードバックに基づき、前記力再平衡信号の大きさを設定して前記ニュートラル位置に対する前記第２の鏡の振動運動を維持する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記強度測定工程は、前記第２の鏡の振動運動の周波数とほぼ等しい周波数で前記共振光ビームを復調する工程を含む、請求項１１に記載の方法。

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