技术领域
[0001] 本
发明属于惯性导航领域，特别涉及一种基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪敏感器及方法。
背景技术
[0002] 从1990年早期得到验证开始，原子干涉仪被证明是超高的灵敏度、性能卓越惯性敏感器，并广泛应用于
基础物理实验和科学探究，目前原子干涉型绝对重力仪已经达到10-9g的测量
精度，原子干涉型陀螺仪的零偏
稳定性可达7×10-5°/h，原子
加速度计的测量
分辨率为10-11g，在惯性导航、重力辅助导航方面具有非常广阔的应用前景。
[0003] 惯性
导航系统关注转动信息、加速度信息及重力场信息，传统的冷原子干涉惯性测量技术，一般将冷原子绝对重力仪和冷原子陀螺仪区分开来，采用独立的
真空结构、电控系统及激光系统，分别实现
重力加速度信息和陀螺信息的测量，尽管二者的工作原理及工程技术相近，系统并未实现有效整合，导致敏感器的体积庞大。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种整合冷原子重力仪和冷原子陀螺仪功能的基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，能够测量绝对重力信息、转动信息、加速度信息。
[0005] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，其特征在于：包括安装于磁屏蔽单元(80)内的真空单元(10)，第一探测单元(41)、第二探测单元(42)及光学单元(90)，其中：
[0007] 所述真空单元(10)为十字型全封闭透光容器，内部为十字贯通的腔体，该腔体包括y方向腔体及x方向腔体，y方向腔体与重力方向一致，在x方向腔体内等间距设左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)、中间三维磁光阱(13)，其中中间磁光阱(13)处于x、y方向腔体的交点上，横向干涉区(70)位于左侧磁光阱(11)、右侧磁光阱(12)之间，y向腔体
自上而下设有所述第三磁光阱(13)、偏置线圈(16)及垂向干涉区(60)；
[0008] 所述第一探测单元(41)、第二探测单元(42)为
荧光收集装置；第一探测单元(41)位于
水平腔体的两端，用于收集转动测量信息，第二探测单元(42)位于探测区(61)的同一水平面，用于收集重力加速度信息；
[0009] 所述磁屏蔽单元(80)由高磁导率材料组成的磁屏蔽单元；
[0010] 所述光学单元(90)由外部激光光束发射器提供，通过光学分光器件进行功率分配和
频率控制，经自由空间光路或光纤设备传送至真空单元(10)，形成左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)、中间三维磁光阱(13)激光光束；
[0011] 左侧三维磁光阱(11)由激光光束45度斜向光束(20a)、(20b)、(21a)、(21b)、磁光阱水平光束(24)和
梯度线圈(1401)组成；右侧三维磁光阱(12)由45度斜向光束(22a)、(22b)、(23a)、(23b)、磁光阱水平光束(25)和梯度线圈(1402)组成；中间三维磁光阱(13)由45度斜向光束(26)、(27)、磁光阱水平光束(29)，以及经0度后向
反射器(30)反射的激光光束及梯度线圈(15)组成；
[0012] 光学单元(90)提供垂向垂向拉曼入射光束(28a)、垂向拉曼反向光束(28b)，横向拉曼光束(28c)、(28d)，经探测光分束器(40)分束的探测光，磁光阱水平光束(24)、(25)复用为水平探测光。
[0013] 而且，用于转动测量时，左侧三维磁光阱(11)的磁光阱水平光束(24)、右侧三维磁光阱(12)的磁光阱水平光束(25)在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉阶段发射探测光；激光光束(29)发射拉曼光；用于绝对重力加速度信息测量时中间三维磁光阱(13)的磁光阱水平光束(29)发射冷却光。
[0014] 一种基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感方法，其包括如下步骤：
[0015] 1)通过测量横向原子干涉
相位差来敏感
角速度信息和加速度信息：
[0016] 进行x方向加速度，y方向转动信息测量时，磁光阱(13)关闭，两团原子分别由磁光阱(11)和(12)捕获，改变左侧三维磁光阱(11)的45度斜向光束(20a)、(20b)和45度斜向光束(21a)、(21b)的频率差，实现原子团x方向的抛射；改变右侧三维磁光阱(12)的45度斜向光束(22a)、(22b)和激光光束(23a)、(23b)的频率差，实现原子团-x方向的抛射；两团原子分别经过三束空间上的拉曼激光序列：横向拉曼光束(28c)、横向拉曼光束(28d)、磁光阱水平光束(29)，实现原子团的分束、合束、反转，形成Mach-Zehnder干涉仪构型，形成两个干涉环路；干涉完成后，左侧三维磁光阱(11)的磁光阱水平光束(24)、右侧三维磁光阱(12)的磁光阱水平光束(25)经过移频器件频率移动后，由冷却光形成探测光，原子干涉的荧光信息分别由第一探测装置(41)得到；
[0017] 2)通过测量竖直方向的原子干涉相位信息，敏感绝对重力加速度信息：
[0018] 当进行绝对重力测量时，左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)关闭，横向拉曼光束(28c)、(28d)关闭，在中间三维磁光阱(13)捕获原子，其中中间磁光阱(13)由冷却的45度斜向光束(26)、(27)、磁光阱水平光束(29)及后向反射器(30)，梯度线圈(15)构成，拉曼光由垂向拉曼入射光束(28a)、经过后向反射器(32)形成的垂向拉曼入射光反向光束(28b)构成；
[0019] 原子自由下落过程中利用
微波天线(50)和垂向拉曼入射光束(28a)、垂向拉曼入射光反向光束(28b)完成原子选态过程；
[0020] 在干涉区(60)不同时刻作用垂向拉曼入射光束(28a)、垂向拉曼入射光反向光束(28b)的π/2-π-π/2脉冲序列，形成Mach-Zehnder干涉仪构型，之后作用探测光获取量子态F＝2，mf＝0和量子态F＝1，mf＝0的原子数目分布，通过扫描拉曼光的频率啁啾率，获取干涉相位信息，探测光由分光装置(40)和后向反射器(31)构成
驻波探测光场。
[0021] 所述光学单元(90)发射的第一束冷却光经过
开关后，通过光学分光器件和移频器件分成功率相等的四束冷却光：45度斜向光束(20a)、(20b)、(22a)、(22b)；第二束冷却光经过开关后，通过光学分光器件和移频器件分成功率相等的四束冷却光：45度斜向光束(21a)、(21b)、(23a)、(23b)，激光光束(21a)、(21b)、(23a)、(23b)通过开关控制是否发射拉曼光光束。第一束冷却光和第二束冷却光的功率相等，可分别通过移频器件(声光晶体、电光晶体等)改变第一束冷却光和第二束冷却光的频率。
[0022] 而且，所述开关为机械开关或者声光晶体；所述光学分光器件为波片、偏振分束器，所述移频器件为声光晶体、电光晶体。
[0023] 本发明的优点和有益效果为：
[0024] 1、本发明基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，通过设计“十”字型真空腔体结构，通过复用真空结构、电控系统及激光系统等，实现单个腔体绝对重力加速度信息提取、单轴转动信息和加速度信息提取，极大缩减敏感器的体积和尺寸，结构简洁，便于实现用于惯性导航系统的原子惯性测量敏感器装置。
[0025] 2、本发明基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，采用单一的物理装置实现多个惯性参量(绝对重力加速度、一维转动、加速度)的测量，结构单元简洁，有利于小型化、工程化设计。适用于惯性导航系统。
[0026] 3、本发明基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，在进行绝对重力加速度测量时，可关闭横向拉曼光序列，左右两侧磁光阱抛射的原子可被中间磁光阱捕获，缩短了捕获时间，降低了单次测量时间，提高测量带宽。
[0027] 4、本发明基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，敏感测量高精度绝对重力加速度信息，亦可应用于资源勘探、地球物理、
地震监测等领域。
附图说明
[0028] 图1是本发明的结构装置
[0029] 图2是本法明的陀螺仪原理示意图；
[0030] 图3是本发明的荧光收集装置结构示意图；
[0031] 图4是本发明的冷原子干涉示意图；
[0032] 图5本发明的双态原子探测示意图；
[0033] 图中：
[0034] 10-真空单元；
[0035] 11-左侧三维磁光阱；
[0036] 12-右侧三维磁光阱；
[0037] 13-中间三维磁光阱；
[0038] 1401-左侧三维磁光阱梯度线圈；
[0039] 1402-右侧三维磁光阱梯度线圈；
[0040] 15-中间磁光阱线圈；
[0042] 20-三维磁光阱光束；20a-45度斜向光束1；20b-45度斜向光束2；
[0043] 21-三维磁光阱光束；21a-45度斜向光束3；21b-45度斜向光束4；
[0044] 22-三维磁光阱光束；22a-45度斜向光束5；22b-45度斜向光束6；
[0045] 23-三维磁光阱光束；23a-45度斜向光束7；23b-45度斜向光束8；
[0046] 24-磁光阱水平光束1；
[0047] 25-磁光阱水平光束2；
[0048] 26-45°斜向光束9；
[0049] 27-45°斜向光束10；
[0050] 28-拉曼光束；28a-垂向拉曼光入射光束；28b-垂向拉曼后向反射光束；28c-横向拉曼光束1；28横向拉曼光束2；
[0051] 29-磁光阱水平光束；
[0052] 30-0度后向反射器；
[0053] 31-0度后向反射器；
[0054] 32-0度后向反射器；
[0055] 40-探测光分束器；
[0057] 402-50:50激光功率分束器；
[0058] 403-直角反射器；
[0059] 404-探测光1；
[0060] 405-探测光2；
[0061] 406-遮光条；
[0062] 41-第一探测单元；
[0063] 410-光电转换器；
[0064] 411-荧光收集透镜组合；
[0065] 42-第二探测单元；
[0066] 50-微波天线；
[0067] 60-垂向(y方向)干涉区；
[0068] 70-横向(x方向)向干涉区；
[0069] 80-磁屏蔽单元；
[0070] 90-光学平板。
具体实施方式
[0071] 下面通过具体
实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0072] 一种基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感器，如图1所示，其包括安装于磁屏蔽单元(80)内的真空单元(10)，第一探测单元(41)、第二探测单元(42)及光学单元(90)，其中：
[0073] 真空单元(10)为十字型全封闭透光容器，为采用全玻璃材料或包含有玻璃窗片的全封闭容器，内部为十字贯通的腔体，该腔体包括Y方向腔体及X方向腔体，Y方向腔体与重力方向一致，在X方向上等间距放置左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)、中间三维磁光阱(13)，其中中间三维磁光阱(13)中心
位置处于x方向腔体及y方向腔体的交点上，横向干涉区(70)位于左侧三维磁光阱(11)与右侧三维磁光阱(12)之间，y向腔体自上而下设有中间三维磁光阱(13)、偏置线圈(16)及垂向干涉区(60)；
[0074] 第一探测单元(41)为x方向荧光收集装置、第二探测单元(42)为荧光收集装置；第一探测单元(41)x方向荧光收集装置位于水平腔体的两端，用于收集转动测量信息，第二探测单元(42)荧光收集装置位于和探测区(61)的同一水平面，用于收集重力加速度信息；
[0075] 磁屏蔽单元(80)由高磁导率材料组成的磁屏蔽单元；
[0076] 光学单元(90)由外部激光光束发射器提供，通过光学分光器件进行功率分配和频率控制，经自由空间光路或光纤设备传送至真空单元(10)，形成左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)、中间三维磁光阱(13)激光光束；光学单元(90)提供垂向拉曼光入射光束(28a)、垂向拉曼后向反射光束(28b)，经探测光分束器(40)分束的探测光，以及复用为水平探测光的第一磁光阱水平光束(24)、第二磁光阱水平光束(25)。
[0077] 左侧三维磁光阱(11)由激光光束45度斜向光束(20a)、(20b)、(21a)、(21b)、磁光阱水平光束(24)和梯度线圈(1401)组成；
[0078] 右侧三维磁光阱(12)由45度斜向光束(22a)、(22b)、(23a)、(23b)、磁光阱水平光束(25)和梯度线圈(1402)组成；
[0079] 中间三维磁光阱(13)由45度斜向光束(26)、(27)、磁光阱水平光束(29)，以及经0度后向反射器(30)反射的激光光束及梯度线圈(15)组成。
[0080] 左侧三维磁光阱激光光束45度斜向光束(20a)、(20b)、(21a)、(21b)、磁光阱水平光束(24)以及右侧三维磁光阱(12)由45度斜向光束(22a)、(22b)、(23a)、(23b)、磁光阱水平光束(25)以及中间三维磁光阱(13)由45度斜向光束(26)、(27)、磁光阱水平光束(29)由光学单元(90)提供，光学单元(90)同时提供拉曼光束(28a)、(28b)，经探测光分束器(40)分束的探测光，以及复用为水平探测光的(24)、(25)。
[0081] 用于转动测量时，磁光阱水平光束(24)、(25)在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉阶段发射探测光；磁光阱水平光束(29)发射拉曼光；用于绝对重力加速度信息测量时磁光阱水平光束(29)发射冷却光。
[0082] 采用两台及两台以上
激光器的
锁频和锁相技术，首先实现稳定的激光输出。通过光学调整装置(透镜、棱镜、声光、电光
调制器等)、传播器件(例如光纤、自由空间等)，末端是光纤
准直透镜组或反射镜系统，实现激光光束(24)、(25)、(29)的分时多路频率输出。
[0083] 一种基于原子干涉效应的绝对重力仪、陀螺仪一体式敏感方法，其包括如下步骤：
[0084] 1)冷原子陀螺仪实现方法：
[0085] 横向运动的原子团干涉的相位变化中同时包含转动和加速度引起的相位，通过测量横向原子干涉
相位差来敏感角速度信息和加速度信息：进行x方向加速度，y方向转动信息测量时，中间三维磁光阱(13)关闭，两团原子分别由左侧磁光阱(11)和右侧磁光阱(12)制备，捕获完成后，改变45度斜向激光光束(20a)、(20b)和45度斜向激光光束(21a)、(21b)的频率差，实现原子团x方向的抛射；改变激光光束45度斜向激光光束(22a)、(22b)和45度斜向激光光束(23a)、(23b)的频率差，实现原子团-x方向的抛射；
[0086] 由于采用对称的磁光阱结构，调节冷却光功率和频率可实现，左侧原子团沿着x方向的抛射速度为 右侧原子团的抛射速度为 抛射速度v和频率差Δf的关系为 k是冷却光波矢。
[0087] 两团原子分别经过三束空间上的拉曼激光序列：横向拉曼光束(28c)、横向拉曼光束(28d)、磁光阱水平(29)，实现原子团的分束、合束、反转，形成Mach-Zehnder干涉仪构型，形成两个干涉环路。
[0088] 干涉完成后，磁光阱水平光束(24)、(25)经过移频器件(声光调制器、电光调制器等)频率移动后，由冷却光变成探测光，用于探测F＝2，mf＝0的原子，发出的荧光
信号由第一探测单元(41)的荧光收集装置进行处理。其中，透镜组合(411)将共振荧光收集后成像于光电转换器(410)中，经过
信号处理后转换为原子数目。
[0089] 扫描拉曼光相位得到干涉条纹。原子团的干涉条纹相位
[0090]
[0091] 其中 是有效拉曼光波矢，T为拉曼光脉冲间隔，为角速度，a是原子加速度。
[0092] 在本装置中，两团原子抛射速率相同，方向相反，左侧原子的干涉相位为：
[0093] Δφ1＝(Keffaz+2KeffΩyv)T2 (2)
[0094] 右侧原子的干涉相位为：
[0095] Δφ2＝(Keffaz-2KeffΩyv)T2 (3)
[0096] 根据(1)(2)式，的、提取的转动信息和加速度信息分别为：
[0097]
[0098] 2)冷原子绝对重力仪实现方法：
[0099] 竖直方向的原子团干涉信息包含绝对重力加速度信息，通过测量竖直方向的原子干涉相位信息，敏感绝对重力加速度信息：当进行绝对重力测量时，左侧三维磁光阱(11)、右侧三维磁光阱(12)关闭，横向拉曼光束(28c)、(28d)关闭，在中间三维磁光阱(13)捕获原子，其中中间磁光阱(13)由冷却激光光束(26)、(27)、(29)及后向反射器(30)，梯度线圈(15)构成，拉曼光由(28a)、经过后向反射器(32)形成的(28b)构成。原子自由下落过程中利用微波天线(50)和拉曼光(28a)、(28b)完成原子选态过程。在干涉区(60)不同时刻作用拉曼光(28a)、(28b)的π/2-π-π/2脉冲序列，形成Mach-Zehnder干涉仪构型，之后作用探测光获取量子态F＝2，mf＝0和量子态F＝1，mf＝0的原子数目分布，通过扫描拉曼光的频率啁啾率，获取干涉相位信息。探测光由分光装置(40)和后向反射器(31)构成驻波探测光场。
[0100] 多频激光发射端的方案如下：
[0101] 光学单元(90)发射的第一束冷却光经过开关后，通过光学分光器件和移频器件分成功率相等的四束冷却光：45度斜向光束(20a)、(20b)、(22a)、(22b)；第二束冷却光经过开关后，通过光学分光器件(波片、偏振分束器等)和移频器件(声光晶体、电光晶体等)分成功率相等的四束冷却光：45度斜向光束(21a)、(21b)、(23a)、(23b)，激光光束(21a)、(21b)、(23a)、(23b)通过开关控制是否发射拉曼光光束。第一束冷却光和第二束冷却光的功率相等，可分别通过移频器件(声光晶体、电光晶体等)改变第一束冷却光和第二束冷却光的频率。
[0102] 如图3，原子下落的不同时刻，在干涉区(60)作用三束拉曼激光序列π/2-π-π/2脉冲，两个脉冲之间的间隔为T，干涉完成后，原子在将会两个量子态上相干
叠加。
[0103] 如图5，光纤
准直器(401)出射的探测光，经50:50激光功率分束器(402)，反射后的光形成第一束探测光(404)，透射的激光经过直角反射器(403)形成第二束探测光(405)。两束探测光经过后向反射器(31)形成驻波探测光场。原子落入探测区后，探测光(404)探测F＝2，mf＝0态上的原子，利用后向反射器(31)上的遮光条可形成
行波场，将探测作用完的F＝2，mf＝0的原子吹走，留下处于F＝1，mf＝0态的原子。探测光(405)中耦合再
泵浦光，将F＝1，mf＝0态上的原子转化为F＝2，mf＝0，进行探测。在和第一束和第二束的探测光时，两团原子发出共振荧光，由第二探测单元(42)的荧光收集装置中的两个光电
探头，分别进行光电转换，得到两个原子态的原子数目。扫描拉曼光(28a)、(28b)相位ΔΦ可得到不同量子态的余弦型原子数目分布。
[0104] 干涉条纹相位分布ΔΦ和与重力加速度 的关系为：
[0105]
[0106] 其中 是有效拉曼光波矢，T为拉曼光脉冲间隔，α为原子过程中拉曼光的频率啁啾率。测量到的归一化原子数P＝[(1±ΔΦ)/2]由公式(4)可以看到，存在一个α0满足此时ΔΦ为常量，和脉冲间隔T无关，因此通过扫描不同T下干涉条纹，找到公共交点，提取公共交点下的α0即可得到的绝对重力加速度：
[0107]
[0108] 本发明在进行绝对重力加速度测量时，可关闭横向拉曼光序列，左右两侧磁光阱抛射的原子可被中间磁光阱捕获，缩短了捕获时间，进一步降低单点测量周期，提高测量带宽。
[0109] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和
修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
