阅读说明：本技术 一种两自由度原子干涉陀螺仪 (Two-degree-of-freedom atomic interference gyroscope ) 是由 胡忠坤 程玲 徐文杰 程源 周敏康 段小春 刘杰 张程 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种两自由度原子干涉陀螺仪,包括：原子制备模块,用于制备磁不敏感态的原子团,并将制备的原子团竖直上抛；原子干涉模块,用于在原子团上抛到干涉区时,利用拉曼光作用于原子团,使其进行朝向同轴的两个方向的分束,再对两个方向的分束分别进行反射,并使两个方向反射的分束分别与原始原子团的重合,每个方向的反射分束与原始原子团的重合形成该方向的原子干涉,进而实现原子团在两个方向的同时干涉；原子探测模块,用于利用拉曼光探测两个方向同时干涉后的原子团,分别选出两个方向的预设动量态的原子的数目,并根据两个方向预设动量态原子的数目同时确定两个方向的转速。本发明实现两轴同时干涉,且同时实现两轴转速的测量。(The invention discloses a two-degree-of-freedom atomic interference gyroscope, which comprises: the atom preparation module is used for preparing magnetically insensitive atomic groups and vertically polishing the prepared atomic groups upwards; the atomic interference module is used for utilizing Raman light to act on the atomic groups when the atomic groups are thrown to an interference region, so that the atomic groups are split in two coaxial directions, then the split beams in the two directions are respectively reflected, the split beams reflected in the two directions are respectively superposed with the original atomic groups, the reflected split beams in each direction and the superposed original atomic groups form atomic interference in the direction, and further the simultaneous interference of the atomic groups in the two directions is realized; and the atom detection module is used for detecting the atomic groups interfered in two directions simultaneously by using Raman light, selecting the number of atoms in the preset momentum state in the two directions respectively, and determining the rotating speeds in the two directions simultaneously according to the number of atoms in the preset momentum state in the two directions. The invention realizes the simultaneous interference of two shafts and the measurement of the rotating speed of the two shafts.)

一种两自由度原子干涉陀螺仪

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，更具体地，涉及一种两自由度原子干涉陀螺仪。

背景技术

惯性导航系统因其具有自主式导航的优点，在航空、陆地、水下导航方面得到了迅速的发展和广泛的应用，在惯性导航系统中加速度和转速的大小以及方向都在不断变化，要实时的给出精确地定位，必须同时明确不同加速度和转速的大小。因此，实现多轴加速度和转速的同时测量对惯性导航系统是非常重要。此外，它在基础科学研究，重力测量、资源勘探、重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。

在转速测量方面，利用原子物质波的Sagnac效应实现的冷原子干涉陀螺仪，因其具有更高的潜在灵敏度，有望在新一代惯性导航技术的得到运用，将主要集中在导弹发射、航空航天、深空探测等领域。高精度的惯性导航系统需要加速度和转速的三轴实时测量，才能实时得到载体姿位。

目前国际很多小组利用原子干涉陀螺仪实现了多轴转速的测量，但他们并没有实现多轴转速的同时测量；如：2006年法国天文台Lagrangin小组利用三脉冲对抛方案，在y轴和z轴分别作用同一束拉曼光实现了两轴转速的测量，并且首次提出利用四脉冲配置实现x轴转速的测量，即该小组没有实现多轴同时测量(参考文献：B.Canuel,F.Leduc,D.Holleville,A.Gauguet,J.Fils,A.Virdis,*A.Clairon,N.Dimarcq,Ch.J.Borde′,andA.Landragin.Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry,PRL 97,010402(2006))；2014年美国新墨西哥大学整体上也是采用三脉冲对抛配置实现两轴测量，但其进行的还是单轴原子干涉测量(参考文献：Akash V.et all.Dual-Axis High-Data-Rate Atom Interferometer via Cold Ensemble Exchange,PRA 2,054012(2014))。

现有原子干涉陀螺仪仅仅通过分时的测量实现多轴转速测量，对于高速运动的载体，载体的航姿在每个轴方向都要快速实时修正，这种分时的多轴测量将限制载体姿位修正精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术无法实现多轴转速同时测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种两自由度原子干涉陀螺仪，包括：原子制备模块，原子干涉模块以及原子探测模块；

所述原子制备模块，用于制备磁不敏感态的原子团，并将制备的原子团竖直上抛；

所述原子干涉模块，用于在原子团上抛到干涉区时，利用拉曼光作用于所述原子团，使其进行朝向同轴的两个方向的分束，再对两个方向的分束分别进行反射，并使两个方向反射的分束分别与原始原子团的重合，每个方向的反射分束与原始原子团的重合形成该方向的原子干涉，进而实现原子团在两个方向的同时干涉；

所述原子探测模块，用于利用拉曼光探测所述两个方向同时干涉后的原子团，分别选出两个方向的预设动量态的原子的数目，并根据两个方向预设动量态原子的数目同时确定两个方向的转速。

可以理解的是，对于本领域技术人员而言，在双轴同时转速测量的基础上，本发明可以扩展至三轴同时转速测量，故三轴同时转速测量也属于本发明内容，本发明对此将不再做特别说明。

在一个可选的实施例中，所述原子干涉模块中拉曼光对原子团的作用过程具体如下：

当原子制备模块所制备的原子团抛物线上升运动到拉曼光的第一个π/2脉冲序列处，同时作用两束x轴方向和y轴方向的拉曼光，作用于原子团，实现对原子团的x轴方向和y轴方向的分束；

当分束的两束原子团抛物线上升运动到拉曼光的第一个π脉冲序列处，同时作用两束x轴方向和y轴方向的拉曼光，实现对分束的x轴方向原子团和y轴方向原子团的第一次反射；

当第一次反射的两束原子团抛物线下降运动到拉曼光的第二个π脉冲序列处，同时作用两束x轴方向和y轴方向的拉曼光，实现对第一次反射的x轴方向原子团和y轴方向原子团的第二次反射；

当第二次反射的两束原子团抛物线下降运动到拉曼光的第二个π/2脉冲序列处，同时作用两束x轴方向和y轴方向的拉曼光，实现对第二次反射的x轴方向原子团和y轴方向原子团的合束。

在一个可选的实施例中，所述原子探测模块中拉曼光对原子团的探测过程具体如下：

利用x轴方向的拉曼光，作用x轴方向抛物线下降运动的原子团，将其动量态泵到预设动量态，并收集x轴方向处于所述预设动量态的原子，确定x轴方向预设动量态原子的数目；

利用y轴方向的拉曼光，作用y轴方向抛物线下降运动的原子团，将其动量态泵到预设动量态，并收集y轴方向处于所述预设动量态的原子，确定y轴方向预设动量态原子的数目。

在一个可选的实施例中，所述根据预设动量态原子的数目同时确定两个方向的转速，具体包括如下步骤：

根据x轴方向预设动量态原子的数目拟合得到x轴方向的原子的干涉条纹，计算得到原子在x轴方向的概率为P_F＝2,x，F表示总的原子角动量；

根据y轴方向预设动量态原子的数目拟合得到y轴方向的原子的干涉条纹，计算得到原子在y轴方向的概率为P_F＝2,y；

根据x轴和y轴方向概率与相移的关系式确定x轴和y轴方向的原子干涉相移：

其中，φ_x表示x轴方向原子干涉的相移，φ_y表示y轴方向原子干涉的相移；

根据x轴和y轴方向相移与转速的关系式确定x轴和y轴方向的转速：

φ_x＝4k_eff,x(Ω_y×g_z)T³

φ_y＝4k_eff,y(Ω_x×g_z)T³

其中，k_eff,x表示x轴方向拉曼光的有效波矢，k_eff,y表示y轴方向拉曼光的有效波矢，g_z表示重力加速度，T表示原子从第一个π/2脉冲到第一个π脉冲间经历的时间，Ω_x表示x轴方向的转速，Ω_y表示y轴方向的转速。

在一个可选的实施例中，所述磁不敏感态的原子团中的原子为|F＝1,m_F＝0＞态上的原子，其中，F表示总的原子角动量，m_F表示磁量子数。

在一个可选的实施例中，所述x轴方向处于预设动量态的原子和y轴方向处于预设动量态的原子分别为F＝2态上两个不同动量态

和

的原子。

在一个可选的实施例中，所述原子制备模块通过囚禁光冷却囚禁原子团，当陀螺仪工作时，所述囚禁光选取处在|F＝1,m_F＝0＞态上的原子，并将其竖直上抛。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种两自由度原子干涉陀螺仪，实现两轴同时干涉，且同时实现两轴转速的测量。这种两轴原子干涉陀螺仪，将能够更精确的实时测量载体两轴转动姿位。此外，与单轴原子干涉陀螺仪相比，在相同的干涉时间T下，干涉环路面积增大2倍，提高采样速率。

本发明提供一种两自由度原子干涉陀螺仪，相对于单轴原子干涉测量的陀螺仪来说，只需要在原有陀螺仪光路的基础上额外增加一对拉曼光配置和拉曼谱探测模块，便可实现一种两自由度原子干涉陀螺仪，装置实现简单，且实现了资源的反复利用。

本发明提供一种两自由度原子干涉陀螺仪，实现两轴转速的同时测量，相对于单轴原子干涉测量的陀螺仪来说，能提供更加精确稳定的定位，使导航精度更高。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种两自由度原子干涉陀螺仪流程示意图；

图2所示为本发明提出的一种两自由度原子干涉陀螺仪装置示意图；

图3所示为本发明提出的一种两自由度原子干涉陀螺仪的路径示意图；

图4所示为本发明提出的一种两自由度原子干涉陀螺仪的原理示意图；

所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中100为原子制备模块，101为第一束囚禁光，102为第二束囚禁光，103为第三束囚禁光，104为第四束囚禁光，105为第五束囚禁光，106为第六束囚禁光，200为原子探测模块，201为拉曼谱探测模块，202和204组成y轴方向的一对探测拉曼光，203和205组成x轴方向的一对探测拉曼光，208为荧光收集模块，209为探测光；300为原子干涉模块，301和303组成y轴方向的一对干涉拉曼光，302和304组成x轴方向的一对干涉拉曼光。307为在第一个π/2脉冲处作用的y轴方向的拉曼光，308为在第一个π/2脉冲处作用的x轴方向的拉曼光；309为在第一个π脉冲处作用的y轴方向的拉曼光，310为在第一个π脉冲处作用的x轴方向的拉曼光；311为在第二个π脉冲处作用的y轴方向的拉曼光，312为在第二个π脉冲处作用的x轴方向的拉曼光；313为在第二个π/2脉冲处作用的y轴方向的拉曼光，314为在第二个在π/2脉冲处作用的x轴方向的拉曼光。

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。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。

本发明针对现有的技术缺陷，提出了一种两自由度原子干涉陀螺仪。目的是实现两个方向上的同时干涉，并且同时实现这两个方向的转速测量。旨在解决单轴原子干涉测量方案的缺陷问题。

本发明所构思的同时测量两轴转速的原子干涉陀螺仪技术与现有单轴原子干涉测量技术相比，本发明不仅能实现两个方向的同时干涉，而且能同时测量出这两个方向的转速。由于本发明旨在实现两个方向的同时干涉，以及转速测量；所以需要同时作用两束独立拉曼光，即需要在拉曼光的π/2-π-π-π/2脉冲处同时作用水平(x轴)方向和水平(y轴)方向的拉曼光，实现原子分束，反射，反射，汇聚，同时形成两自由度原子干涉陀螺仪，完成两轴转速的同时测量。

本发明涉及原子干涉测量惯性技术领域，提供了一种两自由度原子干涉陀螺仪；包括：原子制备模块，原子干涉模块和原子探测模块；其中，原子制备模块用于制备磁不敏感态的原子；原子干涉模块用于实现两个方向的同时干涉；原子探测模块用于探测干涉完成后同一内态不同动量态的原子。

本发明的原子干涉模块主要用于实现两个方向的同时干涉，当原子飞行到干涉区时，在拉曼光的π/2-π-π-π/2四脉冲序列处同时打开x轴方向和y轴方向的拉曼光，实现两轴同时干涉，同时形成两个自由度原子干涉陀螺仪。

本发明的原子探测模块包括：拉曼谱探测模块和荧光收集模块，具体地，拉曼谱探测模块主要用于对干涉完的原子团作用一束拉曼光，选出不同动量态的原子团；荧光收集模块主要用于收集拉曼选择后的原子，计算出同一内态不同动量态的原子数目，进而获得转速。

下面结合附图和实施例对两自由度原子干涉陀螺仪进行详细说明：

图1为一种两自由度原子干涉陀螺仪的流程示意图，首先在原子制备模块100中，原子团与六束囚禁光101、102、103、104、105、106作用，冷却囚禁并制备出|F＝1,m_F＝0＞磁不敏感态的原子团，然后制备好的原子团，经竖直上抛原子进入干涉模块300，在原子干涉模块300中，同时作用x轴方向和y轴方向的拉曼光，实现原子的分束、反射、反射和汇聚，完成两轴同时干涉，形成两自由度原子干涉陀螺仪，最终干涉完成的原子团自由下落到原子探测模块200，利用拉曼谱探测的方法探测出在F＝2态上两个不同动量态和

的原子数目，进而获得两轴的转速。

下面结合图2和图3对两自由度原子干涉陀螺仪的干涉和测量转速过程进行详细描述。

图2为一种两自由度原子干涉陀螺仪的装置示意图，图3为一种两自由度原子干涉陀螺仪路径示意图，其中，图3为图2中的原子干涉模块300的具体描述。原子首先在3D-MOT(三维磁光阱three-dimensional magneto-optical trap)原子制备模块100中被冷却囚禁(该三维磁光阱由六束囚禁光101、102、103、104、105、106组成)，随后将冷却囚禁得到的原子团经竖直上抛和双轴选态得到处在|F＝1,m_F＝0＞态上的原子，之后原子飞行到原子干涉模块300中，同时作用301和303组成的y轴方向的拉曼光以及302和304组成的x轴方向的拉曼光，实现两轴同时干涉。

其中，302和304组成的一对拉曼光是图3中拉曼光308、310、312、314的总体描述，即表示的含义相同，只是302和304不表示具体的脉冲段作用的拉曼光，308、310、312、314分别表示302和304组成的x轴拉曼光的π/2、π、π、π/2脉冲。同样地，301和303组成的一对拉曼光是图3中拉曼光307、309、311、313的总体描述，即表示的含义相同，只是301和303不表示具体的脉冲段作用的拉曼光，307、309、311、313分别表示301和303组成的y轴拉曼光的π/2、π、π、π/2脉冲。

具体的，原子干涉陀螺仪是利用x轴方向和y轴方向组成的拉曼光作用π/2-π-π-π/2四脉冲序列完成。在干涉模块300中，在第一个π/2脉冲序列处同时作用图3中的307和308两束拉曼光，实现两轴原子分束；经过时间T后，原子飞行到第一个π脉冲序列处，在第一个π脉冲处同时作用309和310两束拉曼光，实现两轴原子反射；再经时间T自由演化后，原子下落到第二个π脉冲处，在第二个π脉冲处同时作用311和312两束拉曼光，实现两轴原子的第二次反射，再经时间T自由演化后，原子下落到第二个π/2脉冲处，在第二个π/2脉冲处同时作用313和314两束拉曼光，实现两轴原子合束，便完成了在四脉冲配置下两轴原子同时干涉的整个过程。干涉完成后，便探测同一内态不同动量态的原子，即进入原子探测模块200。

具体的，在原子探测模块200中，先作用一束与5S_1/2,F＝2→5P_3/2,F′＝3跃迁共振的清除光，将F＝2态上的原子“吹走”，随后在拉曼谱探测模块201中，对原子团作用一束y轴方向拉曼光202和204，选择窄动量分布的原子团，并将F＝1态原子泵到F＝2态上，当原子飞行到荧光收集模块208中，作用一束探测光209，得到处在F＝2态动量态为

的原子数目。

本申请实现的是两轴同时干涉，所以需探测两次，干涉过程与前面所述完全相同，只是在探测过程中，作用的拉曼光不同，即原子进入原子探测模块200，先作用一束与5S_1/2,F＝2→5P_3/2,F′＝3跃迁共振的清除光，将F＝2态上的原子“吹走”，随后在拉曼谱探测模块201中，对原子作用一束x轴方向的拉曼光203和205，选择窄动量分布的原子并将F＝1态的原子泵到F＝2态上，当原子飞行到荧光收集模块208中，作用一束探测光209，得到处在F＝2态动量态为

的原子数目。

图4是一种两自由度原子干涉陀螺仪的原理示意图，分别在π/2处、π处、π处以及π/2处同时作用x轴方向的一对拉曼光和y轴方向的一对拉曼光，实现两轴同时干涉，同时形成两自由度原子干涉陀螺仪。则这两自由度原子干涉陀螺仪的相移可分别表示为：

φ_x＝4k_eff,x(Ω_y×g_z)T³ (1)

φ_y＝4k_eff,y(Ω_x×g_z)T³ (2)

其中，k_eff,x表示x轴方向拉曼光的有效波矢，k_eff,y表示y轴方向拉曼光的有效波矢，g_z表示重力加速度，T表示干涉时间，Ω_x表示x轴方向的转速，Ω_y表示y轴方向的转速。

相应的概率表达式可分别表示为：

根据前面实施例所述的干涉和探测得到原子数目后，根据原子数目拟合得到x和y轴方向的干涉条纹，计算得到概率P_F＝2,x和P_F＝2,y，利用概率公式(3)和(4)求出相移φ_x和φ_y，再根据相移公式(1)和(2)求出x和y轴的转速Ω_x和Ω_y，即同时测量出两轴的转速。

本领域的技术人员容易理解，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。