一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置及方法，包括安装于磁屏蔽单元内的真空单元、光学单元、第一探测单元及第二探测单元。本发明专利技术基于原子干涉效应的加速度计敏感器，通过复用真空结构、电控系统及激光系统等，实现单个腔体双轴加速度信息提取，极大缩小敏感器的体积及尺寸，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置及方法
本专利技术属于惯性导航
，涉及双轴加速度敏感装置及方法，尤其是一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置及方法。
技术介绍
自1991年朱棣文小组实现冷原子干涉仪以来，原子惯性测量领域不断向前发展。基于脉冲式冷原子干涉的惯性器件，其性能已经比肩甚至超过其他原理的惯性器件，为高灵敏度和高精度惯性传感器的发展奠定技术基础，并广泛应在基础物理和科学探究等领域。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可达10-11g，在惯性导航方面具有非常广阔的应用前景。惯性导航系统关注载体加速度信息，从而计算出物体的精确位置，传统的冷原子干涉惯性测量技术测量单轴的加速度信息，不能够同时测量双轴的加速度信息，导致实时性较差；采用多腔体同步测量的方案尽管满足实时性的需求，但体积庞大，且多腔体的安装角度误差将重新引入新的误差量，影响测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置及方法，采用独立的真空结构、电控系统及激光系统，能够实现单个腔体双轴加速度信息提取，极大缩减敏感器的体积和尺寸，结构简洁。本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置，包括安装于磁屏蔽单元(80)内的真空单元(10)、光学单元(70)、第一探测单元(60)及第二探测单元(61)，其中：所述真空单元(10)是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗片的全封闭容器，该腔体包括X方向腔体和Y方向腔体，X-Y平面为水平面，Z方向与重力加速度方向一致。该腔体包腔x方向腔体和y方向腔体。在x方向腔体放置三维磁光阱(11)、偏置线圈(15)，在y方向腔体放置三维磁光阱(12)、偏置线圈(16)。所述光学单元(70)由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，经由自由空间光路或光纤传送至真空腔单元，形成x方向三维磁光阱(11)和y方向腔体中的三维磁光阱(12)。该x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)、x方向三维磁光阱第二45度斜向光束(20b)、x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)、x方向三维磁光阱第四45度斜向光束(20d)、x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)和x方向磁光阱梯度线圈(13)组成；该y方向三维磁光阱(12)由y方向三维磁光阱第一45度斜向光束(21a)、y方向三维磁光阱第二45度斜向光束(21b)、y方向三维磁光阱第三45度斜向光束(21c)、y方向三维磁光阱第四45度斜向光束(21d)、y方向三维磁光阱垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)和y方向磁光阱梯度线圈(14)组成；光学单元(70)提供y方向第二拉曼入射光束(25a)、y方向第二拉曼反射光束(25b)、x方向第一拉曼入射光束(24a)、x方向第一拉曼反射光束(24b)；所述x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光；y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光激光光束。所述第一探测单元(60)、第二探测单元(62)为荧光收集装置；第一探测单元(60)用于收集x方向的加速度信息；第二探测单元(61)用于收集y方向的加速度信息而且，所述磁屏蔽单元(10)由高磁导率材料组成。一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置的实现方法，包括如下步骤：步骤1、x方向和y方向通过测量原子干涉相位差同时得到x方向和y方向的加速度信息；步骤2、进行双轴加速度测量时，x方向三维磁光阱(11)、y方向三维磁光阱(12)分别捕获两团原子，分别改变x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)和x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)的频率差，x方向第二45度斜向光束(20b)和x方向第四45度斜向光束(20d)的频率差，以及x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)和x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)的频率差，实现磁光阱(11)中的原子团在x-y-z空间的任意方向的抛射；改变y方向磁光阱第一45度斜向光束(21a)和y方向第三45度斜向光束(21c)的频率差、y方向第二45度斜向光束(21b)和y方向第四45度斜向光束(21d)的频率，以及y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)和y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)的频率差，实现原子团在x-y-z空间的任意方向的抛射；抛射速度ν和每个冷却光对的频率差Δf满足ν＝Δf/k，k是冷却光波矢；步骤3、在抛射完成后，关闭x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)、x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)、x方向第二45度斜向光束(20b)、x方向第四45度斜向光束(20d)、x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，以及y方向磁光阱第一45度斜向光束(21a)、和y方向第三45度斜向光束(21c)、y方向第二45度斜向光束(21b)、y方向第四45度斜向光束(21d)、y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)；利用第一微波天线(50)、第一微波天线(51)完成原子的能级选择；利用和x方向第一拉曼入射光束(24a)、x方向第二拉曼入射光束(24b)完成沿x方向运动原子的能级选择和速度选择；利用y方向第一拉曼入射光束(25a)、y方向第二拉曼入射光束(25b)完成沿y方向运动原子的能级选择和速度；之后两团原子分别经过x方向第一拉曼入射光束(24a)、x方向第二拉曼入射光束(24b)和y方向第一拉曼入射光束(25a)、y方向第二拉曼入射光束(25b)的π/2-π-π/2的脉冲序列，形成Mach-Zehnder干涉构型；步骤4、干涉完成后，干涉完成后，开启x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)和y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)，调节频率和偏振方向作为探测光使用；原子团和探测光作用后，发射的荧光信息经过收集透镜(601)、透镜(611)分别汇聚于光电探头(602)、光电探头(612)，进过光电放大电路之后转换为电压信号；由于x方向和y方向的测量原理相同，以解算x方向磁光阱的加速度信息为例：作为探测光时，x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)和y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)由两个探测脉冲组成，第一个探测脉冲用用于探测F＝2，mf＝0态的原子布居数目N2，第二束脉冲用于测量F＝2，mf＝0态和F＝1，m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置，其特征在于：包括安装于磁屏蔽单元(80)内的真空单元(10)、光学单元(70)、第一探测单元(60)及第二探测单元(61)，其中：/n所述真空单元(10)是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗片的全封闭容器，该腔体包括X方向腔体和Y方向腔体，X-Y平面为水平面，Z方向与重力加速度方向一致；/n该腔体包腔x方向腔体和y方向腔体；在x方向腔体放置三维磁光阱(11)、偏置线圈(15)，在y方向腔体放置三维磁光阱(12)、偏置线圈(16)；/n所述光学单元(70)由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，经由自由空间光路或光纤传送至真空腔单元，形成x方向三维磁光阱(11)和y方向腔体中的三维磁光阱(12)；/n该x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)、x方向三维磁光阱第二45度斜向光束(20b)、x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)、x方向三维磁光阱第四45度斜向光束(20d)、x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)和x方向磁光阱梯度线圈(13)组成；/n该y方向三维磁光阱(12)由y方向三维磁光阱第一45度斜向光束(21a)、y方向三维磁光阱第二45度斜向光束(21b)、y方向三维磁光阱第三45度斜向光束(21c)、y方向三维磁光阱第四45度斜向光束(21d)、y方向三维磁光阱垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)和y方向磁光阱梯度线圈(14)组成；/n光学单元(70)提供y方向第二拉曼入射光束(25a)、y方向第二拉曼反射光束(25b)、x方向第一拉曼入射光束(24a)、x方向第一拉曼反射光束(24b)；所述x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光；y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光激光光束；/n所述第一探测单元(60)、第二探测单元(62)为荧光收集装置；第一探测单元(60)用于收集x方向的加速度信息；第二探测单元(61)用于收集y方向的加速度信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置，其特征在于：包括安装于磁屏蔽单元(80)内的真空单元(10)、光学单元(70)、第一探测单元(60)及第二探测单元(61)，其中：
所述真空单元(10)是一种采用全玻璃材料或包含有玻璃窗片的全封闭容器，该腔体包括X方向腔体和Y方向腔体，X-Y平面为水平面，Z方向与重力加速度方向一致；
该腔体包腔x方向腔体和y方向腔体；在x方向腔体放置三维磁光阱(11)、偏置线圈(15)，在y方向腔体放置三维磁光阱(12)、偏置线圈(16)；
所述光学单元(70)由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，经由自由空间光路或光纤传送至真空腔单元，形成x方向三维磁光阱(11)和y方向腔体中的三维磁光阱(12)；
该x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱(11)由x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)、x方向三维磁光阱第二45度斜向光束(20b)、x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)、x方向三维磁光阱第四45度斜向光束(20d)、x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)和x方向磁光阱梯度线圈(13)组成；
该y方向三维磁光阱(12)由y方向三维磁光阱第一45度斜向光束(21a)、y方向三维磁光阱第二45度斜向光束(21b)、y方向三维磁光阱第三45度斜向光束(21c)、y方向三维磁光阱第四45度斜向光束(21d)、y方向三维磁光阱垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)和y方向磁光阱梯度线圈(14)组成；
光学单元(70)提供y方向第二拉曼入射光束(25a)、y方向第二拉曼反射光束(25b)、x方向第一拉曼入射光束(24a)、x方向第一拉曼反射光束(24b)；所述x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)、x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光；y方向三维磁光阱第一垂向光束(23a)、y方向三维磁光阱第二垂向光束(23b)，在原子捕获阶段发射冷却光，在干涉完成后发射探测光激光光束；
所述第一探测单元(60)、第二探测单元(62)为荧光收集装置；第一探测单元(60)用于收集x方向的加速度信息；第二探测单元(61)用于收集y方向的加速度信息。


2.根据权利要求1所述的一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置，其特征在于：所述磁屏蔽单元(10)由高磁导率材料组成。


3.一种基于原子干涉效应的双轴加速度敏感装置的实现方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、x方向和y方向通过测量原子干涉相位差同时得到x方向和y方向的加速度信息；
步骤2、进行双轴加速度测量时，x方向三维磁光阱(11)、y方向三维磁光阱(12)分别捕获两团原子，分别改变x方向三维磁光阱第一45度斜向光束(20a)和x方向三维磁光阱第三45度斜向光束(20c)的频率差，x方向第二45度斜向光束(20b)和x方向第四45度斜向光束(20d)的频率差，以及x方向三维磁光阱第一垂向光束(22a)和x方向三维磁光阱第二垂向光束(22b)的频率差，实现磁光阱(11)中的原子团在x-y-z空间的任意方向的抛射；改变y方向磁光阱第一45度斜向光束(21a)和y方向第三45度斜向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔德龙，陈玮婷，裴栋梁，刘简，刘晓妍，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12