原子干涉惯性导航信息探测系统及探测方法

1.本技术涉及量子精密惯性测量领域及时间与频率计量领域，尤其涉及一种原子干涉惯性导航信息探测系统及探测方法。


背景技术：

2.导航与授时是重要的国家关键技术，已经深入到国民经济、国防安全等各个领域，可以应用于智能化交通运输系统、数字化地球、精确制导武器装备等。其中，导航是通过测量并输出载体的运动速度和位置，引导载体按指定速度和轨迹运动；授时是通过标准或定制的接口和协议，为其它设备或系统提供时间信息。
3.在多种导航技术中，惯性导航是一种典型的自主式导航方式，不需要地面及其它外部设备的辅助，具有自主、连续、隐蔽的特点，其中基于原子干涉的惯性测量技术具有高精度的加速度和转动角速度测量潜力。以常规的三脉冲原子干涉惯性传感器为例，使用三对拉曼激光对原子束或原子云团进行π/2-π-π/2相干操纵后,使原子束发生拉曼-马赫-曾德尔(raman-mach-zehnder)干涉，经过检测获得干涉条纹，将两束对向原子束的干涉条纹相移进行求和或差分后可以解算载体的加速度或转动角速率。而在授时领域里，原子钟可作为一种精密的守时装置提供标准时间，其借助原子超精细能级间振荡频率为基准来计算时间。以基于拉曼-拉姆齐(raman-ramsey)干涉的光抽运束型原子钟为例，使用两对同向拉曼激光对原子束进行π/2-π/2相干操纵，使原子束发生raman-ramsey干涉，借助raman-ramsey干涉信号作为反馈，控制晶振输出标准频率信号。
4.传统技术中在导航-授时联用领域，原子惯性传感器、原子钟是两种独立的装置，因此原子惯性传感器和原子钟装置体积大，占用的过多总空间，在对导航-授时同时存在需求且空间有限的平台无法使用。


技术实现要素：

5.基于此，为了解决传统技术中原子惯性传感器与原子钟无法在空间有限的平台中同时使用时的问题，本技术提出一种原子干涉惯性导航信息探测系统及探测方法。
6.一种原子干涉惯性导航信息探测方法，应用于原子干涉惯性导航信息探测系统，所述原子干涉惯性导航信息探测系统包括传感装置和解算系统，其中，所述传感装置包括第一原子源腔和第二原子源腔、干涉腔，2个第一探测器和至少1个第二探测器，其中，所述第一原子源腔内填充两种原子，所述第二原子源腔内填充所述两种原子中的至少一种原子，所述第一原子源腔用于提供沿第一方向的正方向运动的第一原子束和第三原子束，所述第二原子源腔用于根据填充的原子提供沿所述第一方向的负方向运动的第二原子束，所述方法包括：
7.在所述干涉腔内，采用拉曼光对所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束；
8.所述2个第一探测器分别接收穿过所述第一原子束的第一探测激光和穿过所述第二原子束的第二探测激光，所述第二探测器接收穿过所述第三原子束的第三探测激光；
9.所述第一探测器和所述第二探测器分别根据所述第一探测激光、所述第二探测激光、所述第三探测激光向所述解算系统发送对应的电信号，以使所述解算系统根据所述第一探测器和所述第二探测器发送的电信号，确定探测结果。
10.在一个实施例中，在所述第二原子源腔内填充一种原子的情况下，所述在所述干涉腔内，采用拉曼光对所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束，包括：
11.采用沿第二方向的三对拉曼光对所述第一原子束和所述第二原子束进行干涉后，采用沿所述第二方向的所述第一探测激光和所述第二探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束和所述第二原子束；
12.采用沿第三方向的两对拉曼光对所述第三原子束进行干涉后，采用沿所述第三方向的所述第三探测激光穿过干涉后的所述第三原子束。
13.在一个实施例中，所述第一探测器和所述第二探测器分别根据所述第一探测激光、所述第二探测激光、所述第三探测激光向所述解算系统发送对应的电信号，以使所述解算系统根据所述第一探测器和所述第二探测器发送的电信号，确定探测结果，包括：
14.所述2个第一探测器分别将所述第一探测激光和所述第二探测激光的光信号转化为电信号后，发送至所述解算系统，以使所述解算系统根据所述2个第一探测器发送的电信号确定所述第三方向的转动角速率和所述第二方向的加速度；
15.所述第二探测器将所述第三探测激光的光信号转化为电信号后，发送至所述解算系统，以使所述解算系统根据所述第二探测器发送的电信号确定标准频率信号。
16.在一个实施例中，在所述第二原子源腔内填充两种原子的情况下，所述第二原子源腔还用于提供沿所述第一方向的负方向运动的第四原子束，
17.所述在所述干涉腔内，采用拉曼光对所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束，包括：
18.采用沿所述第二方向的三对拉曼光对所述第一原子束和所述第二原子束进行干涉后，采用沿所述第二方向的所述第一探测激光和所述第二探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束和所述第二原子束；
19.采用沿所述第三方向的三对拉曼光对所述第三原子束和所述第四原子束进行干涉后，采用沿所述第三方向的所述第三探测激光和第四探测激光穿过干涉后的所述第三原子束和所述第四原子束。
20.在一个实施例中，所述传感装置包括2个第二探测器，所述第一探测器和所述第二探测器分别根据第一探测激光、所述第二探测激光、所述第三探测激光向所述解算系统发送对应的电信号，以使所述解算系统根据所述第一探测器和所述第二探测器发送的电信号，确定探测结果，包括：
21.所述2个第一探测器分别将所述第一探测激光和所述第二探测激光的光信号转化为电信号后，发送至所述解算系统，以使所述解算系统根据所述2个第一探测器发送的电信号确定所述第三方向的转动角速率和所述第二方向的加速度；
22.所述2个第二探测器分别将所述第三探测激光和所述第四探测激光的光信号转化为电信号后，发送至所述解算系统，以使所述解算系统根据所述2个第二探测器发送的电信号确定所述第二方向的转动角速率和所述第三方向的加速度。
23.一种原子干涉惯性导航信息探测系统，其特征在于，包括第一传感装置及解算系统，其中，所述第一传感装置包括：第一原子源腔和第二原子源腔，所述第一原子源腔内填充两种原子，所述第二原子源腔内填充所述两种原子中的至少一种原子，所述第一原子源腔用于提供沿第一方向的正方向运动的第一原子束和第三原子束，所述第二原子源腔用于根据填充的原子提供沿所述第一方向的负方向运动的第二原子束；
24.所述第一传感装置还包括干涉腔，用于进行所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束与拉曼光的干涉反应后，采用探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束；
25.所述第一传感装置还包括设置在第二方向的2个第一探测器及设置在第三方向上的至少1个第二探测器，所述2个第一探测器分别用于接收穿过所述第一原子束的第一探测激光和穿过所述第二原子束的第二探测激光，并根据所述第一探测激光、所述第二探测激光向所述解算系统发送对应的第一电信号、所述第二探测器用于接收穿过所述第三原子束的第三探测激光，并根据所述第三探测激光向所述解算系统发送对应的第二电信号；
26.所述解算系统用于根据所述第一电信号和所述第二电信号，确定第一探测结果。
27.在一个实施例中，所述原子干涉惯性导航信息探测系统还包括射频系统，用于在所述解算系统的控制下，产生不同频率的射频信号；
28.光学系统，用于根据所述不同频率的射频信号提供射向所述第一探测器及所述第二探测器的所述探测激光，及用于提供与所述探测激光同方向的拉曼光。
29.在一个实施例中，在所述第二原子源腔内填充一种原子的情况下，所述第一传感装置包括一个所述第二探测器，所述原子干涉惯性导航信息探测系统还包括晶振，用于向所述射频系统输出标准频率信号；
30.所述光学系统用于提供所述第二方向的三对拉曼光、所述第三方向的两对拉曼光，及分别射向所述2个第一探测器的所述第一探测激光、所述第二探测激光、射向所述第二探测器的所述第三探测激光。
31.在一个实施例中，在所述第二原子源腔内填充两种原子的情况下，所述第一传感装置包括两个所述第二探测器，所述光学系统用于提供所述第二方向的三对拉曼光、所述第三方向的三对拉曼光，及分别射向所述2个第一探测器的所述第一探测激光、所述第二探测激光和分别射向所述2个第二探测器的所述第三探测激光和第四探测激光。
32.在一个实施例中，包括上述任一实施例所述的原子干涉惯性导航信息探测系统，还包括第二传感装置，所述第二传感装置与所述第一传感装置垂直设置，所述解算系统还用于根据所述第二传感装置传递的电信号，确定对应的第二探测结果。
33.本技术实施例提供的所述原子干涉惯性导航信息探测系统及探测方法，所述原子干涉惯性导航信息探测系统包括传感装置和解算系统，所述传感装置包括第一原子源腔和第二原子源腔、干涉腔，2个第一探测器和至少1个第二探测器。所述第一原子源腔内填充两种原子，所述第二原子源腔内填充所述两种原子中的至少一种原子。所述第一原子源腔用于提供沿第一方向的正方向运动的第一原子束和第三原子束，所述第二原子源腔用于根据
填充的原子提供沿第一方向的负方向运动的第二原子束。在所述干涉腔内，采用拉曼光对所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的所述第一原子束、所述第二原子束和所述第三原子束。所述2个第一探测器分别接收穿过所述第一原子束的第一探测激光和穿过所述第二原子束的第二探测激光，所述第二探测器接收穿过所述第三原子束的第三探测激光。所述第一探测器和所述第二探测器分别根据所述第一探测激光、所述第二探测激光、所述第三探测激光向所述解算系统发送对应的电信号，以使所述解算系统根据所述第一探测器和所述第二探测器发送的电信号，确定探测结果。本技术实施例提供的所述原子干涉惯性导航信息探测系统及探测方法，通过改变所述第二原子源腔内填充的原子种类数目，改变所述第二原子源腔出射的原子束数量，配合不同的拉曼光和探测器能够在一个系统内同时实现惯性与原子钟的测量，二者共用一个第一原子源腔、第二原子源腔和干涉腔，缩小了装置体积。因此本技术实施例提供的所述原子干涉惯性导航信息探测系统可以应用于对导航-授时同时存在需求且空间有限的平台。
附图说明
34.图1为本技术提供的一实施例中用于单轴加速度、单轴角速率测量和原子钟测量的传感装置的结构原理图。
35.图2为本技术提供的一实施例中用于单轴加速度、单轴角速率测量和原子钟测量的传感装置的正视图。
36.图3为本技术提供的一实施例中用于单轴加速度、单轴角速率测量和原子钟测量的传感装置的俯视图。
37.图4为本技术提供的一实施例中拉曼-马赫-曾德尔干涉原理图。
38.图5为本技术提供的一实施例中拉曼-拉姆齐干涉原理图。
39.图6为本技术提供的一实施例中原子干涉惯性导航信息探测方法的流程示意图。
40.图7为本技术提供的一实施例中用于双轴惯性测量的传感装置的结构原理图。
41.图8为本技术提供的一实施例中用于双轴惯性测量的传感装置的正视图。
42.图9为本技术提供的一实施例中用于双轴惯性测量的传感装置的俯视图。
43.图10为本技术提供的一实施例中原子干涉惯性导航信息探测系统的示意图。
44.图11为本技术提供的另一实施例中原子干涉惯性导航信息探测系统的示意图。
45.图12为本技术提供的一实施例中传感装置的组合示意图。
46.图13为本技术提供的一实施例中传感装置组合中第一传感装置的正视图。
47.图14为本技术提供的一实施例中传感装置组合中第一传感装置的俯视图。
48.图15为本技术提供的一实施例中传感装置组合中第二传感装置的正视图。
49.图16为本技术提供的一实施例中传感装置组合中第二传感装置的俯视图。
50.图17为本技术提供的另一实施例中传感装置的组合示意图。
51.图18为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第一传感装置的正视图。
52.图19为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第一传感装置的俯视图。
53.图20为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第二传感装置的正视图。
54.图21为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第二传感装置的俯视图。
55.图22为本技术提供的另一实施例中传感装置的组合示意图。
56.图23为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第一传感装置的正视图。
57.图24为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第一传感装置的俯视图。
58.图25为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第二传感装置的正视图。
59.图26为本技术提供的另一实施例中传感装置组合中第二传感装置的俯视图。
60.附图标号说明
61.原子干涉惯性导航信息探测系统10、第一传感装置20、第二传感装置30、传感装置100、第一原子源腔101、第二原子源腔102、干涉腔103、第一探测器104、第二探测器105、解算系统110、射频系统120、光学系统130、晶振140。
具体实施方式
62.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施的限制。
63.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
64.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
65.本技术实施例提供一种原子干涉惯性导航信息探测方法，应用于原子干涉惯性导航信息探测系统10。原子干涉惯性导航信息探测系统10包括传感装置100和解算系统110。传感装置100包括第一原子源腔101和第二原子源腔102、干涉腔103，2个第一探测器104和至少1个第二探测器105。其中，第一原子源腔101内填充两种原子，第二原子源腔102内填充两种原子中的至少一种原子，第一原子源腔101用于提供沿第一方向的正方向运动的第一原子束和第三原子束，第二原子源腔102用于根据填充的原子提供沿第一方向的负方向运动的第二原子束。原子干涉惯性导航信息探测方法包括：
66.在干涉腔103内，采用拉曼光对第一原子束、第二原子束和第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的第一原子束、第二原子束和第三原子束；
67.2个第一探测器104分别接收穿过第一原子束的第一探测激光和穿过第二原子束的第二探测激光，第二探测器105接收穿过第三原子束的第三探测激光；
68.第一探测器104和第二探测器105分别根据第一探测激光、第二探测激光、第三探
测激光向解算系统110发送对应的电信号，以使解算系统110根据第一探测器104和第二探测器105发送的电信号，确定探测结果。
69.本技术实施例中，第一原子源腔101、第二原子源腔102和干涉腔103共同组成一种呈长条形结构的全封闭容器。该全封闭容器可以采用全玻璃材料或包含有玻璃窗口的金属材料制成。本技术实施例对第一原子源腔101、第二原子源腔102和干涉腔103的形状、材料不做具体限定。上述全封闭容器可以连接有真空泵以维持内部的真空度，其内部的绝对压强通常低于10^(-6)pa。
70.第一原子源腔101和第二原子源腔102内部填充的原子可以为碱金属或碱土金属原子。第一原子源腔101内填充的两种原子包括但不限于钠、钾、铷、铯、钙、锶等元素或同位素中的任意两种。第二原子源腔102内填充上述第一原子源腔101内填充的任意两种原子中的至少一种。举例来说，第一原子源腔101内填充rb的两种同位素
85
rb和
87
rb，第二原子源腔102内可以填充
85
rb，也可以填充
87
rb，还可以填充
85
rb和
87
rb。第一原子束、第二原子束和第三原子束可以通过差分管道进入干涉腔103内。差分管道用于连接干涉腔103和位于干涉腔103两侧的第一原子源腔101、第二原子源腔102，并且具有维持干涉腔103内的绝对压强低于第一原子源腔101和第二原子源腔102的作用。
71.干涉腔103包括光学窗口，上述拉曼光和探测激光可以通过光学窗口进入干涉腔103内部，穿过第一原子束、第二原子束和第三原子束。在采用拉曼光对第一原子束、第二原子束和第三原子束进行干涉前，第一原子束、第二原子束和第三原子束先经过态制备激光将各个原子束中的原子制备到特定能级。
72.本技术中探测器均可以为光电探测器，以下不再特殊说明。光电探测器为一种通用的光强测量仪器，包括光电二极管或光电倍增管及其辅助光、电路，能够将入射光的强度按照一定的光电转换系数转换为电信号。
73.本技术中上述拉曼光的方向与其各自对应进行干涉作用的原子束运动方向垂直。
74.本技术实施例提供的原子干涉惯性导航信息探测方法，通过改变第二原子源腔102内填充的原子种类数目，改变第二原子源腔102出射的原子束数量，配合不同的拉曼光和探测器能够在一个系统内同时实现惯性与原子钟的测量，二者共用一个第一原子源腔101、第二原子源腔102和干涉腔103，缩小了装置体积。
75.在一个实施例中，在第二原子源腔102内填充一种原子的情况下，在干涉腔10内，采用拉曼光对第一原子束、第二原子束和第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的第一原子束、第二原子束和第三原子束，包括：
76.采用沿第二方向的三对拉曼光对第一原子束和第二原子束进行干涉后，采用沿第二方向的第一探测激光和第二探测激光分别穿过干涉后的第一原子束和第二原子束；
77.采用沿第三方向的两对拉曼光对第三原子束进行干涉后，采用沿第三方向的第三探测激光穿过干涉后的第三原子束。
78.本技术实施例中，第一原子束可以与第二原子束中原子相同，第三原子束可以与第一原子束和第二原子束中原子不同。第一方向、第二方向和第三方向共同构建x、y、z三轴坐标系。第一原子束依次穿越第二方向的拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3以及第二原子束依次穿越第二方向的拉曼光3、拉曼光2、拉曼光1时均产生π/2-π-π/2的拉比相位，发生拉曼-马赫-曾德尔(raman-mach-zehnder)干涉，以利用干涉后的第一原子束和第二原子束测量转
动角速率和加速度。拉曼-马赫-曾德尔(raman-mach-zehnder)干涉构型参见图4。第三原子束依次穿越第三方向的拉曼光4、拉曼光6时产生π/2-π/2的拉比相位，发生拉曼-拉姆齐(raman-ramsey)干涉，以利用干涉后的第三原子束测量标准频率信号。拉曼-拉姆齐(raman-ramsey)干涉构型参见图5。
79.在一个实施例中，第一探测器104和第二探测器105分别根据第一探测激光、第二探测激光、第三探测激光向解算系统110发送对应的电信号，以使解算系统110根据所述第一探测器104和所述第二探测器105发送的电信号，确定探测结果，包括：
80.2个第一探测器104分别将第一探测激光和第二探测激光的光信号转化为电信号后，发送至解算系统110，以使所述解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定第三方向的转动角速率和第二方向的加速度；
81.第二探测器105将第三探测激光的光信号转化为电信号后，发送至解算系统110，以使解算系统110根据第二探测器105发送的电信号确定标准频率信号。探测器可以对处于某一能级的原子数目进行检测，得到干涉信号。解算系统根据干涉信号计算得到转动角速率、加速度和标准频率信号。
82.此时，第二原子源腔102内填充一种原子。示例性的，以第一方向为x轴方向、第二方向为y轴方向、第三方向为z轴方向为例，解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定z轴的转动角速率和y轴的加速度。再示例性的，以第一方向为y轴方向、第二方向为x轴方向、第三方向为z轴方向为例，解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定z轴的转动角速率和x轴的加速度。解算系统110根据第二探测器105发送的电信号确定标准频率信号。
83.需要说明的是，以上第一方向为x轴方向、第二方向为y轴方向、第三方向为z轴方向及第一方向为y轴方向、第二方向为x轴方向、第三方向为z轴方向仅作为本技术第一方向、第二方向、第三方向的一种示例，实际上，第一方向、第二方向、第三方向为三个不同方向即可适用本技术实施例，本技术实施例对第一方向、第二方向、第三方向的具体组合方式不做具体限定。
84.示例性地，参见图1-图3。第一方向为x轴，第二方向为y轴方向、第三方向为z轴方向。第一原子源腔101内装填有rb的两种同位素
85
rb和
87
rb，在原子干涉惯性导航信息探测系统10工作时产生一束混合有
85
rb和
87
rb成分的原子束，沿着x轴正方向运动进入干涉腔103，将其中的
87
rb原子束作为第一原子束，
85
rb原子束作为第三原子束。第二原子源腔102内装填有
85
rb，在原子干涉惯性导航信息探测系统10工作时产生一束
85
rb原子束作为第二原子束，沿着x轴负方向运动进入干涉腔103。
85.第三方向的两对拉曼光即为图1中的z轴方向的拉曼光4和拉曼光6。第三原子束进入干涉腔103后，首先与z轴方向的、频率锁定在
85
rb|52s
1/2
，f＝3》
→
|52p
3/2
，f＝3》的态制备激光3发生作用，将第三原子束中的原子制备到
85
rb|52s
1/2
，f＝2》能级上。制备特定能级后的第三原子束依次受到z轴方向上拉曼光4和拉曼光6的作用，发生raman-ramsey干涉。
86.第三探测激光即为图1中z轴方向、频率锁定在
85
rb|52s
1/2
，f＝3》
→
|52p
3/2
，f＝4》跃迁共振频率的检测激光3。1个第二探测器105即为图1中的光电探测器3。光电探测器3位于检测激光3的对向。发生raman-ramsey干涉后的第三原子束受到检测激光3的作用，光电探测器3接收检测激光3，并将检测激光3的光信号转化为电信号得到吸收信号s3。解算系统
110对吸收信号s3进行强度、对比度的标定后，进行归一化修正后可以得到实时的ramsey干涉信号s0，干涉信号s0可以参照下述公式(一)。
[0087][0088]
其中，δ为拉曼光失谐量，l为拉曼光的间距，d为拉曼光的宽度，v为原子束的纵向速度。干涉信号s0输入解算系统110的伺服系统后，用于反馈控制晶振140输出一个标准频率信号，对该标准频率信号进行计数换算得到时间信号，即实现了原子钟的功能。
[0089]
沿着x轴方向运动的第一原子束、第二原子束发生raman-mach-zehnder干涉所得到的干涉相位中包含了z方向转动角速率和y方向加速度引起的相位，通过测量这两束对射的第一原子束、第二原子束的干涉相位差可以解算出转动角速率和加速度的信息。
[0090]
沿第二方向的三对拉曼光即为图1中的拉曼光1、拉曼光2和拉曼光3。第一原子束和第二原子束沿x轴方向进入干涉腔103后，首先分别与沿y轴方向的、频率均锁定在
87
rb|52s
1/2
，f＝2》
→
|52p
3/2
，f＝2》跃迁共振频率的态制备激光1、态制备激光2发生作用，将第一原子束和第二原子束中的原子制备到
87
rb|52s
1/2
,f＝1》能级上。制备到特定能级后的第一原子束依次受到y轴方向上拉曼光1、拉曼光2和拉曼光3的作用，制备到特定能级后的第二原子束依次受到y轴方向上拉曼光3、拉曼光2和拉曼光1的作用，发生raman-mach-zehnder干涉。
[0091]
第一原子束和第二原子束同时产生各自的raman-mach-zehnder干涉，这种同步作用避免了玻璃窗片的尺寸或安装偏差、准直或整形光路尺寸或安装偏差、空气扰动、外界振动、温度变化等因素造成的与第一原子束和第二原子束中相作用的拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3的参数的不一致，使得来自外部环境的噪声和传感装置100内部的噪声(主要为来自拉曼光参数的噪声)对两组干涉条纹的影响是同步的且可以被共模消除。
[0092]
拉曼光4和拉曼光6与第三原子束作用的位置可以和拉曼光1、拉曼光3与第一原子束(或第二原子束)作用的位置相重合(如图1所示)，也可以将拉曼光4和拉曼光6的间距缩短，以避开前述的作用位置重合，减少拉曼光4、拉曼光6对第一原子束、第二原子束以及拉曼光1、拉曼光3对第三原子束的干扰，这种相互的干扰可能产生光频移，使原子干涉惯性导航信息探测系统10的测量结果变差。
[0093]
第一探测激光即为图1中y轴方向、频率锁定在
87
rb|52s
1/2
,f＝2》
→
|52p
3/2
,f＝3》跃迁共振频率的检测激光1。第二探测激光即为图1中y轴方向、频率锁定在
87
rb|52s
1/2
,f＝2》
→
|52p
3/2
,f＝3》跃迁共振频率的检测激光2。2个第一探测器104即为图1中的光电探测器1和光电探测器2。光电探测器1位于检测激光1的对向，光电探测器2位于检测激光2的对向。发生raman-mach-zehnder干涉后的第一原子束、第二原子束分别受到检测激光1、检测激光2的作用，光电探测器1和光电探测器2分别接收检测激光1、检测激光2，并将检测激光1、检测激光2的光信号转化为电信号得到吸收信号s1、s2。
[0094]
不同原子束的通量、干涉效果、检测效率等因素存在差异，导致检测信号的强度、对比度等存在差异，因此解算系统110先对吸收信号s1、s2进行标定，然后再进行归一化修正后得到干涉信号s1、s2，干涉信号s1可以参照下述公式(二)，干涉信号s2可以参照下述公式(三)。
[0095][0096][0097]
其中a是干涉信号的偏置值，c/2是干涉信号的幅值，δφ1和δφ2是干涉相位，k
eff
为针对
87
rb的拉曼光有效波矢，l为拉曼光的间距，v为原子束的纵向速度，和是非惯性相移，ωz是z轴方向的转动角速率，ay是y轴方向的加速度。
[0098]
对拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3进行k
eff
矢量反向，同样执行前述的raman-mach-zehnder干涉过程，得到干涉信号s
′1、s
′2，干涉信号s
′1可以参照下述公式(四)，干涉信号s
′2可以参照下述公式(五)。
[0099][0100][0101]
提取计算出δφ1、δφ2、δφ
′1、δφ
′2的值，再解方程得到z轴方向的转动角速率ωz和y轴方向的加速度ay，z轴方向的转动角速率ωz可以参照下述公式(六)，y轴方向的加速度ay可以参照下述公式(七)。
[0102][0103][0104]
因此，在第二原子源腔102内填充一种原子，传感装置100包括1个第二探测器105的情况下，传感装置100可以用来获得单轴转动角速率、单轴加速度及标准频率信号。即包括上述传感装置100的原子干涉惯性导航信息探测系统10可以既可以实现原子惯性测量又可以实现原子钟的功能。
[0105]
为使本领域技术人员更好的理解本技术实施例，以下通过具体示例对本技术实施例加以说明。
[0106]
示例性的，参照图6所示，传感装置100的原子源腔提供连续的原子束，射频系统以晶振的输出作为参考，输出射频驱动信号，提供给光学系统。光学系统借助射频驱动信号产生不同频率的激光，不同频率的激光输出到传感装置，并与原子束发生相互作用。传感装置的光电探测器检测信号并转换，输出到解算系统。解算系统输出惯性量，包括加速度和角速率。解算系统调节晶振的输出。晶振输出标准频率信号。如果需要原子干涉惯性导航信息探测系统10连续输出，则从射频系统以晶振的输出作为参考，输出射频驱动信号，提供给光学系统步骤开始重复上述步骤。
[0107]
在一个实施例中，在第二原子源腔102内填充两种原子的情况下，第二原子源腔102还用于提供沿第一方向的负方向运动的第四原子束，
[0108]
在干涉腔103内，采用拉曼光对所述第一原子束、第二原子束和第三原子束进行干涉后，采用探测激光分别穿过干涉后的第一原子束、第二原子束和第三原子束，包括：
[0109]
采用沿第二方向的三对拉曼光对第一原子束和第二原子束进行干涉后，采用沿第
二方向的第一探测激光和第二探测激光分别穿过干涉后的第一原子束和第二原子束；
[0110]
采用沿第三方向的三对拉曼光对第三原子束和第四原子束进行干涉后，采用沿第三方向的第三探测激光和第四探测激光穿过干涉后的所述第三原子束和第四原子束。
[0111]
示例性地，第一原子束和第二原子束中原子相同，第三原子束和第四原子束中原子相同，第三原子束与第一原子束中原子不同。第一方向、第二方向和第三方向共同构建x、y、z三轴坐标系。第一原子束依次穿越第二方向的拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3以及第二原子束依次穿越第二方向的拉曼光3、拉曼光2、拉曼光1时均产生π/2-π-π/2的拉比相位，发生拉曼-马赫-曾德尔(raman-mach-zehnder)干涉。第三原子束依次穿越第三方向的拉曼光4、拉曼光5和拉曼光6以及第四原子束依次穿越第三方向的拉曼光6、拉曼光5、拉曼光4时均产生π/2-π-π/2的拉比相位，发生拉曼-马赫-曾德尔(raman-mach-zehnder)干涉。
[0112]
在一个实施例中，传感装置100包括2个第二探测器105，第一探测器104和第二探测器105分别根据第一探测激光、第二探测激光、第三探测激光向解算系统110发送对应的电信号，以使解算系统110根据第一探测器104和第二探测器105发送的电信号，确定探测结果，包括：
[0113]
2个第一探测器104分别将第一探测激光和第二探测激光的光信号转化为电信号后，发送至解算系统110，以使解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定第三方向的转动角速率和第二方向的加速度；
[0114]
2个第二探测器105分别将第三探测激光和第四探测激光的光信号转化为电信号后，发送至解算系统110，以使解算系统110根据2个第二探测器105发送的电信号确定第二方向的转动角速率和第三方向的加速度。
[0115]
此时，第二原子源腔102内填充两种原子。当第一方向为x轴方向、第二方向为y轴方向、第三方向为z轴方向时，解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定z轴的转动角速率和y轴的加速度。解算系统110根据2个第二探测器105发送的电信号确定y轴的转动角速率和z轴的加速度。当第一方向为y轴方向、第二方向为x轴方向、第三方向为z轴方向时，解算系统110根据2个第一探测器104发送的电信号确定z轴的转动角速率和x轴的加速度。解算系统110根据2个第二探测器105发送的电信号确定x轴的转动角速率和z轴的加速度。
[0116]
示例性地，参见图7-9。第一方向为x轴，第二方向为y轴方向、第三方向为z轴方向。图7中传感装置100将两个方向的干涉组合在一个装置里，但是采用了不同类型的原子及相应的不同频率的激光。y轴方向干涉用
87
rb原子，对应使用的激光波长在780nm附近。z轴方向的干涉用
85
rb原子，对应激光波长在795nm附近。780nm激光不能作用
85
rb，795nm激光也不能作用
87
rb，因此y轴方向干涉和z轴方向的干涉相互之间是没有影响。从而实现了在一个传感装置100内，同时测量双轴加速度和双轴角速率的功能。具体方法如下：
[0117]
第一原子源腔101内装填有rb的两种同位素
85
rb和
87
rb，在原子干涉惯性导航信息探测系统10工作时产生一束混合有
85
rb和
87
rb成分的原子束，沿着x轴正方向运动进入干涉腔103，将其中的
87
rb原子束作为第一原子束，
85
rb原子束作为第三原子束。第二原子源腔102内装填有rb的两种同位素
85
rb和
87
rb，在原子干涉惯性导航信息探测系统10工作时产生一束混合有
85
rb和
87
rb成分的原子束，沿着x轴负方向运动进入干涉腔103，将其中的
87
rb原子束作为第二原子束，
85
rb原子束作为第四原子束。
[0118]
沿着x轴方向运动的第一原子束和第二原子束发生raman-mach-zehnder干涉所得到的干涉相位中包含了z轴方向转动角速率和y轴方向加速度引起的相位，通过测量这两束对射的第一原子束和第二原子束的干涉相位差可以解算出转动角速率和加速度的信息。
[0119]
第二方向的三对拉曼光即为图7中的拉曼光1、拉曼光2和拉曼光3。第一原子束和第二原子束沿x轴方向进入干涉腔103后，首先分别与沿y轴方向的、频率均锁定在
87
rb|52s
1/2
，f＝2》
→
|52p
3/2
，f＝2》跃迁共振频率的态制备激光1、态制备激光2发生作用，将第一原子束和第二原子束中的原子制备到
87
rb|52s
1/2
,f＝1》能级上。制备特定能级后的第一原子束依次受到y轴方向上拉曼光1、拉曼光2和拉曼光3的作用，制备特定能级后的第二原子束依次受到y轴方向上拉曼光3、拉曼光2和拉曼光1的作用，发生raman-mach-zehnder干涉。
[0120]
第一原子束和第二原子束同时产生各自的raman-mach-zehnder干涉，这种同步作用避免了玻璃窗片的尺寸或安装偏差、准直或整形光路尺寸或安装偏差、空气扰动、外界振动、温度变化等因素造成的与第一原子束和第二原子束中相作用的拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3的参数的不一致，使得来自外部环境的噪声和传感装置100内部的噪声(主要为来自拉曼光参数的噪声)对两组干涉条纹的影响是同步的且可以被共模消除。
[0121]
第一探测激光即为图7中y轴方向、频率锁定在
87
rb|52s
1/2
,f＝2》
→
|52p
3/2
,f＝3》跃迁共振频率的检测激光1。第二探测激光即为图7中y轴方向、频率锁定在
87
rb|52s
1/2
,f＝2》
→
|52p
3/2
,f＝3》跃迁共振频率的检测激光2。2个第一探测器104即为图7中的光电探测器1和光电探测器2。光电探测器1位于检测激光1的对向，光电探测器2位于检测激光2的对向。发生raman-mach-zehnder干涉后的第一原子束、第二原子束分别受到检测激光1、检测激光2的作用，光电探测器1和光电探测器2分别接收检测激光1、检测激光2，并将检测激光1、检测激光2的光信号转化为电信号得到吸收信号s1、s2。
[0122]
不同原子束的通量、干涉效果、检测效率等因素存在差异，导致检测信号的强度、对比度等存在差异，因此解算系统110先对吸收信号s1、s2进行标定，然后再进行归一化修正后得到干涉信号s1、s2，干涉信号s1、s2的计算可以参照上述实施例中公式(二)和公式(三)。
[0123]
对拉曼光1、拉曼光2、拉曼光3进行k
eff
矢量反向，同样执行前述的raman-mach-zehnder干涉过程，得到干涉信号s
′1、s
′2，干涉信号s
′1、s
′2的计算可以参照上述实施例中公式(四)和公式(五)。
[0124]
提取计算出δφ1、δφ2、δφ
′1、δφ
′2的值，再解方程得到z轴方向的转动角速率ωz和y轴方向的加速度ay，ωz、ay的计算可以参照上述实施例中公式(六)和公式(七)。
[0125]
沿着x轴方向运动的第三原子束、第四原子束发生raman-mach-zehnder干涉所得到的干涉相位中包含了y轴方向转动角速率和z轴方向加速度引起的相位，通过测量这两束对射的第三原子束、第四原子束的干涉相位差可以解算出转动角速率和加速度的信息。
[0126]
沿第三方向的三对拉曼光即为图7中的拉曼光4、拉曼光5和拉曼光6。第三原子束、第四原子束沿x轴方向进入干涉腔103后，首先分别与沿z轴方向的、频率均锁定在
85
rb|52s
1/2
,f＝3》
→
|52p
3/2
,f＝3》跃迁共振频率的态制备激光3、态制备激光4发生作用，将第三原子束、第四原子束的原子制备到
85
rb|52s
1/2
,f＝2》能级上。制备特定能级后的第三原子束依次受到z轴方向上拉曼光4、拉曼光5和拉曼光6的作用，制备特定能级后的第四原子束依次受到z轴方向上拉曼光6、拉曼光5和拉曼光4的作用，发生raman-mach-zehnder干涉。
[0127]
第三原子束和第四原子束同时产生各自的raman-mach-zehnder干涉，这种同步作
用避免了玻璃窗片的尺寸或安装偏差、准直或整形光路尺寸或安装偏差、空气扰动、外界振动、温度变化等因素造成的与第三原子束和第四原子束中相作用的拉曼光4、拉曼光5、拉曼光6的参数的不一致，使得来自外部环境的噪声和传感装置100内部的噪声(主要为来自拉曼光参数的噪声)对两组干涉条纹的影响是同步的且可以被共模消除。
[0128]
第三探测激光即为图7中z轴方向、频率锁定在
85
rb|52s
1/2
，f＝3》
→
|52p
3/2
，f＝4》跃迁共振频率的检测激光3。第四探测激光即为图7中z轴方向、频率锁定在
85
rb|52s
1/2
，f＝3》
→
|52p
3/2
，f＝4》跃迁共振频率的检测激光4。2个第二探测器105即为图7中的光电探测器3和光电探测器4。光电探测器3位于检测激光3的对向，光电探测器4位于检测激光4的对向。发生raman-mach-zehnder干涉后的第三原子束、第四原子束分别受到检测激光3、检测激光4的作用，光电探测器3和光电探测器4分别接收检测激光3、检测激光4，并将检测激光3、检测激光4的光信号转化为电信号得到吸收信号s3、s4。
[0129]
不同原子束的通量、干涉效果、检测效率等因素存在差异，导致检测信号的强度、对比度等存在差异，因此解算系统110先对吸收信号s3、s4进行标定，然后再进行归一化修正后得到干涉信号s3、s4，干涉信号s3可以参照下述公式(八)，干涉信号s4可以参照下述公式(九)。
[0130][0131][0132]
其中，a是干涉信号的偏置值，c/2是干涉信号的幅值，δφ3和δφ4是干涉相位，k
′
eff
为针对
85
rb的拉曼光有效波矢，l为拉曼光的间距，v为原子束的纵向速度，ωy是y轴方向的转动角速率，az是z轴方向的加速度，和是非惯性相移。
[0133]
对拉曼光4、拉曼光5、拉曼光6进行k
′
eff
矢量反向，同样执行前述的raman-mach-zehnder干涉过程，得到干涉信号s
′3、s
′4，干涉信号s
′3可以参照下述公式(十)，干涉信号s
′4可以参照下述公式(十一)。
[0134][0135][0136]
提取计算出δφ3、δφ4、δφ
′3、δφ
′4的值，再解方程得到y轴方向的转动角速率ωy和z轴方向加速度az，ωy可以参照下述公式(十二)，az可以参照下述公式(十三)。
[0137][0138][0139]
因此，在第二原子源腔102内填充两种原子，传感装置100包括2个第二探测器105的情况下，传感装置100可以用来获得双轴转动角速率、双轴加速度。即包括上述传感装置100的原子干涉惯性导航信息探测系统10可以实现双轴原子惯性测量的功能。
[0140]
本技术实施例还提供一种原子干涉惯性导航信息探测系统10。参见图10，原子干涉惯性导航信息探测系统10包括第一传感装置20及解算系统110。其中，第一传感装置20包括第一原子源腔101和第二原子源腔102。第一原子源腔101内填充两种原子，第二原子源腔102内填充两种原子中的至少一种原子。第一原子源腔101用于提供沿第一方向的正方向运动的第一原子束和第三原子束。第二原子源腔102用于根据填充的原子提供沿第一方向的负方向运动的第二原子束。
[0141]
第一传感装置20还包括干涉腔103。干涉腔103用于进行第一原子束、第二原子束和第三原子束与拉曼光的干涉反应后，采用探测激光分别穿过干涉后的第一原子束、第二原子束和第三原子束。
[0142]
第一传感装置20还包括设置在第二方向的2个第一探测器104及设置在第三方向上的至少1个第二探测器105。2个第一探测器104分别用于接收穿过第一原子束的第一探测激光和穿过第二原子束的第二探测激光，并根据第一探测激光、第二探测激光向解算系统110发送对应的第一电信号。第二探测器105用于接收穿过第三原子束的第三探测激光，并根据第三探测激光向解算系统110发送对应的第二电信号。
[0143]
解算系统110用于根据第一电信号和第二电信号，确定第一探测结果。
[0144]
本技术实施例中第一传感装置20的工作过程和结构参照前述实施例的传感装置100描述即可，本技术实施例在此不再赘述。
[0145]
本技术实施例提供的原子干涉惯性导航信息探测系统10，通过改变第二原子源腔102内填充的原子种类数目，改变第二原子源腔102出射的原子束数量，配合不同的拉曼光和探测器能够在一个系统内同时实现惯性与原子钟的测量，二者共用一个第一原子源腔101、第二原子源腔102和干涉腔103，缩小了装置体积。
[0146]
在一个实施例中，原子干涉惯性导航信息探测系统10还包括射频系统120和光学系统130。射频系统120用于在解算系统110的控制下，产生不同频率的射频信号。光学系统130用于根据不同频率的射频信号提供射向第一探测器104及第二探测器105的探测激光，及用于提供与探测激光同方向的拉曼光。
[0147]
本技术实施例中，光学系统130内部可以以一台半导体稳频激光器作为激光源，激光源输出的激光经过光纤分束器分为若干路，再通过声光调制器或电光调制器等设备处理后获得不同频率的激光，经由光纤输出到传感装置100。光学系统130可以包括激光器、激光分束器、激光功率放大器、电光调制器、声光调制器、光开关及其他激光与光学器件。射频系统120提供的不同频率的射频信号可以输出给光学系统130的声光、电光设备，实现光束的移频，以使光学系统130获得不同频率的激光。上述不同频率的激光即为本技术实施例中提到的态制备激光、拉曼光和探测激光等。不同频率的激光可以由自由空间光路或光纤器件进入具有光束准直、整形功能的镜筒中，被准直、整形为所需的尺寸及形状，再穿过干涉腔103上的光学窗口进入其内部，与原子束发生相互作用，并将检测信号输出到解算系统110。射频系统120还可以根据实际需要在解算系统110的控制下，产生不同功率的射频信号，以使光学系统130提供不同功率的激光光束。
[0148]
解算系统110可以由计算机、模拟及数字i/o接口、模/数转换接口、数/模转换接口、串行通信接口、控制软件等部分组成，用于控制整个原子干涉惯性导航信息探测系统10的各部分工作。解算系统110可以调节射频系统120输出信号的频率和功率、控制光学系统
130输出的各个激光束的功率和频率、控制传感装置100的原子束温度及通量、采集各个探测器的检测信号并加以转换、处理、存储、解算、输出加速度和角速率的值。
[0149]
在一个实施例中，参见图11，在第二原子源腔102内填充一种原子的情况下，第一传感装置20包括一个第二探测器105。原子干涉惯性导航信息探测系统10还包括晶振140，用于向射频系统120输出标准频率信号。原子干涉惯性导航信息探测系统10还可以包括伺服模块，干涉信号输入伺服模块后，用于反馈控制晶振输出一个标准频率信号。光学系统130用于提供第二方向的三对拉曼光、第三方向的两对拉曼光，及分别射向2个第一探测器104的第一探测激光、第二探测激光、射向第二探测器105的第三探测激光。
[0150]
此时，第一传感装置20为上述本技术实施例中既可以实现原子惯性测量又可以实现原子钟功能的传感装置100，具体方法不再赘述。解算系统110还可以包括伺服系统。干涉信号s3输入解算系统110的伺服系统后，用于反馈控制晶振140输出一个标准频率信号，对该标准频率信号进行计数换算得到时间信号，即实现了原子钟的功能。
[0151]
晶振140向射频系统120输出标准频率信号，射频系统120以此标准频率信号作为参考(基准)生成不同频率的射频信号驱动光学系统130中的电光调制器产生不同频率的拉曼光。示例性地，晶振输出10mhz频率的标准频率信号，该10mhz标准频率信号给射频系统120作为参考(基准)，射频系统120在10mhz标准频率信号的基础上生成6.834ghz射频信号驱动光学系统130里面的电光调制器，产生拉曼光，拉曼光作用到原子束后，在检测端才能看到ramsey干涉信号s3。
[0152]
在一个实施例中，在第二原子源腔102内填充两种原子的情况下，第一传感装置20包括两个第二探测器10。光学系统130用于提供第二方向的三对拉曼光、第三方向的三对拉曼光，及分别射向2个第一探测器104的第一探测激光、第二探测激光和分别射向2个第二探测器105的第三探测激光和第四探测激光。此时，第一传感装置20为上述本技术实施例中可以实现双轴原子惯性测量的传感装置100，具体方法不再赘述。
[0153]
在一个实施例中，上述任一实施例中的原子干涉惯性导航信息探测系统10还包括第二传感装置30。第二传感装置30与所述第一传感装置20垂直设置。解算系统110还用于根据第二传感装置30传递的电信号，确定对应的第二探测结果。
[0154]
示例性地，参见图12-16，第一传感装置20为用于实现双轴原子惯性测量的传感装置100，也即第一传感装置20中第二原子源腔内填充有两种原子，第二探测器的数量为2。第二传感装置30为用于实现双轴原子惯性测量的传感装置100，也即第二传感装置30中第二原子源腔内填充有两种原子，第二探测器的数量为2。第一传感装置20和第二传感装置30垂直设置，如图12所示。第一传感装置20的第一探测结果为y轴和z轴方向的转动角速率和加速度。第二传感装置30的第二探测结果为x轴和z轴方向的转动角速率和加速度。第一原子束、第二原子束、第三原子束和第四原子束即为图16中的原子束1、原子束2、原子束3和原子束4。因此包括上述第一传感装置20和第二传感装置30的原子干涉惯性导航信息探测系统10可以同时实现三轴惯性测量。
[0155]
示例性地，参见图17-21，第一传感装置20为用于同时实现单轴转动角速率、单轴加速度和原子钟的传感装置100，也即第一传感装置20中第二原子源腔内填充有一种原子，第二探测器的数量为1。第二传感装置30为用于实现双轴原子惯性测量的传感装置100，也即第二传感装置30中第二原子源腔内填充有两种原子，第二探测器的数量为2。第一传感装
置20和第二传感装置30垂直设置，如图17所示。第一传感装置20的第一探测结果为z轴方向的转动角速率、y轴方向的加速度和标准频率信号。第二传感装置30的第二探测结果为x轴和z轴方向的转动角速率和加速度。因此包括上述第一传感装置20和第二传感装置30的原子干涉惯性导航信息探测系统10可以同时实现x轴和z轴方向的转动角速率测量、x轴、y轴和z轴方向加速度的测量及标准频率信号。
[0156]
或者，参见图22-26，第一传感装置40与第一传感装置20中关于第一方向、第二方向和第三方向的设置不同，也即第一传感装置40同样为可以实现单轴转动角速率、单轴加速度和原子钟的传感装置100，其可以测量得到y轴的转动角速率和z轴的加速度az。需要说明的是，上述图12至图26所示的原子干涉惯性导航信息探测系统10仅作为本技术实施例的一种示例，实际上本技术实施例并不对第一传感装置和第二传感装置做具体限定。
[0157]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。