基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法

摘要

本发明公开了一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器及其测量方法，涉及原子干涉测量惯性技术领域。本传感器包括结构相同的第1、第2惯性量敏感型冷原子干涉仪和真空连通腔；真空连通腔在水平方向连通第1、第2惯性量敏感型冷原子干涉仪的两个原子干涉区。本测量方法是利用多频激光在同一物理单元中同时独立操纵两种碱金属原子，对一种原子采用三脉冲π/2-π-π/2拉曼激光序列来测量加速度和重力梯度；对另一种原子采用四脉冲π/2-π-π-π/2拉曼光激光序列来测量转动速率。本发明利用单一物理装置同时实现多个惯性量的同步测量，可在惯性导航、资源勘探、地震监测和地球物理研究等多个领域发挥重要作用。

主权项

一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器的测量方法，组合惯性传感器包括结构相同的第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)和真空连通腔(C)；所述的第1惯性量敏感型冷原子干涉仪(A)包括真空容器(11)、三维磁光阱反向磁场线圈对(21)、偏置磁场线圈对(30)、碱金属样品(40)和光电探测器(50)以及第1、3、4激光光束发射器(61、63、64)；其位置和连接关系是：真空容器(11)是一种全封闭容器，包括三维磁光阱真空腔(112)和原子干涉区真空腔(113)；碱金属样品(40)设置在真空容器(11)中；以三维磁光阱真空腔(112)的中心点为中心，沿空间对称的六个方向分别设置有三对发射方向均指向该中心的第1激光光束发射器(61)，同时以竖直方向的一对第1激光光束发射器(61)为轴，对称地设置有三维磁光阱反向磁场线圈对(21)，构成三维磁光阱(2)；在三维磁光阱(2)的上方，以原子干涉区真空腔(113)为轴，设置有偏置磁场线圈对(30)，光电探测器(50)设置于原子干涉区真空腔(113)的底端，构成原子干涉区(3)；真空连通腔(C)在水平方向连通第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)的两个原子干涉区(3)，并在两个原子干涉区(3)水平方向两端分别设置有两对对射的第3、4激光光束发射器(63、64)；碱金属样品(40)中包含有2～4种碱金属原子或同位素；第1、3、4激光光束发射器(61、63、64)均为一种多频激光发射终端，可发射分别针对上述碱金属原子或同位素能级跃迁的多频率激光束；所述的真空容器是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的钛金属材料制成的全封闭容器；在三维磁光阱真空腔(112)的一侧，设置有二维磁光阱真空腔(111)，在垂直于二维磁光阱真空腔(111)的方向上设置两对对射且相互垂直的第2激光光束发射器(62)，以其中一对的第2激光光束发射器(62)为轴，对称地设置有二维磁光阱反相磁场线圈对(22)，构成二维磁光阱(1)；第1、2、3、4激光光束发射器(61、62、63、64)或是配对使用且每一对都是对射结构，或一对中的另一个由1/4波片和反射镜的组合来代替；其特征在于测量方法是：第一、数据采集：①第1、2惯性量敏感的冷原子干涉仪沿竖直方向以不同的组份速度发射两个含有两个组份的冷原子团(c),调整不同原子组份的初速度，使得不同组份原子团在空间分离形成4个单组份的第1、2、3、4冷原子团(c1、c2、c3、c4),且使得传感重力的原子组份两同步的第2、4冷原子团(c2、c4)上升的最高点刚好被第2拉曼激光光束(a4)覆盖，而另一原子组份两同步第1、3原子团(c1、c3)最高点高于第2拉曼激光光束(a4)，用来传感转动速率；②利用激光或微波泵浦方法或拉曼相干布居数转移法将各原子团中的原子转移或筛选到某一个基态能级的磁量子数mF＝0的磁子能级上；③用第1、2拉曼激光光束(a3、a4)对第2、4冷原子团(c2、c4)进行三脉冲π/2‑π‑π/2拉曼光序列相干操作，而对第1、3冷原子团(c1、c3)进行四脉冲π/2‑π‑π‑π/2拉曼光序列相干操作；④依次探测并记录4个第1、2、3、4冷原子团(c1、c2、c4、c3)中原子在各基态的分布几率，获得相应的4个原始数据点：p1，p2，p3，p4；⑤n次改变拉曼激光的相位并重复步骤①～④，获得4组原始数据点，每组n个点，即{p11，p12，p13，……p1n}，{p21，p22，p23，……p2n}，{p31，p32，p33，……p3n}，{p41，p42，p43，…p4n}；第二、数据处理：①将n次原始数据点转换为4个含有n个元素的1维数组，即：P1＝{p11，p12，p13，……p1n}，P2＝{p21，p22,p23，……p2n},P3＝{p21，p22，p23，……p2n}，P4＝{p41，p42，p43，……p4n}；数组P2、P4中分别存储了n次测量中记录两同步的第2、4冷原子团(c2、c4)中原子在基态上能态或下能态的概率；P1、P3中分别存储了n次测量中记录两同步的第1、3冷原子团(c1、c3)中原子在基态上能态或下能态的概率；②数据拟合处理对数组P1和P3分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与转动速率的关系得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)测量的两个转动速率的值，将两个转动速率取平均以抵消部分系统误差得到最终的转动速率测量值；对数组P2和P4分别采用正弦拟合可得到两个相位差和根据相位差与加速度a的关系，可以得到第1、2惯性量敏感型冷原子干涉仪(A、B)测量的两个加速度的值，将两个加速度值取平均以抵消部分系统误差得到最终的加速度测量值；对数组P2和P4直接采用椭圆拟合得到重力梯度值。