一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，包括：控制信号源处于FSK跳频模式，并以信号源sync端信号作为触发，同时采集该输出信号的波形数据；将波形数据通过跳变前后波形比对残差的幅值变化，确定输出信号在各频率的实际跳变时刻；选取远离各频率发生频率跳变所对应的触发信号阶跃时刻的两端信号数据，并对其进行拟合得到其在触发时刻的相位，然后计算各频率跳变前后的相移差，之后计算得到各频率下扫频频率链系统的附加相位差值；通过干涉相位计算公式，计算得到最终频率相关相位。本发明专利技术能实现对原子重力仪中拉曼光扫频频率链系统中频率相关相位进行测量。光扫频频率链系统中频率相关相位进行测量。光扫频频率链系统中频率相关相位进行测量。

【技术实现步骤摘要】
一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法


[0001]本专利技术属于原子干涉重力测量领域，更具体地，涉及一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法。

技术介绍

[0002]重力加速度是地球表面重力场的关键物理参数之一，重力测量在地球物理、基础物理研究、资源勘探以及重力导航等诸多领域有着重要意义。其中原子干涉重力测量是实现高精度绝对重力测量的重要手段之一。
[0003]实际测量过程中为了补偿由原子与激光器相对运动产生的多普勒频移，使干涉仪的激光频率在一定范围内线性扫描，并通过改变激光的扫频速率得到含有重力信息的原子干涉条纹。频率扫描过程中由于频率链中不完美因素，可能会使实际输出信号的相位与理想情况产生偏差，进而为测量结果引入系统误差。
[0004]因此，如何对原子重力仪中拉曼光扫频频率链系统中频率相关相位进行测量是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，能实现对原子重力仪中拉曼光扫频频率链系统中频率相关相位进行测量。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，包括如下步骤：
[0007](1)控制原子重力仪扫频频率链系统中的信号源处于FSK跳频模式，并以信号源sync端信号作为触发，用信号源输出的同步阶跃信号指示其输出信号的跳变时刻，同时采集该输出信号的波形数据；其中，所述信号源在FSK跳频模式下连续输出f1、f2、f3频率信号，且f2－f1＝f3－f2；
[0008](2)将所述波形数据通过跳变前后波形比对残差的幅值变化，确定输出信号在频率f1和f2的实际跳变时刻；且分别选取远离频率f1和f2发生频率跳变所对应的触发信号阶跃时刻的两端信号数据，并对其进行拟合得到这两个频率的两端信号数据分别在触发时刻的相位，然后计算输出信号中在这两个频率跳变前后的相移差；
[0009](3)根据相移差计算在频率f1和f2下扫频频率链系统的附加相位差值，之后通过干涉相位计算公式，计算得到最终频率相关相位。
[0010]本专利技术提供的原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，具有如下效果：(1)将信号源处于FSK跳频模式，分析信号源输出信号在频率跳变前后的相移差，可得到不同频率下频率链回路的附加相位差值，进而可确定最终频率相关相位；(2)通过跳变前后波形比对残差的幅值变化确定频率实际跳变时刻，可消除测量过程中由频率跳变时刻波动引入的测量误差，进而得到频率相关相位；(3)选取远离触发信号阶跃时刻两端的信号数据，通过拟合得到跳频前后信号相位差，可避免跳频时刻附近可能的波形失真影响。
[0011]在其中一个实施例中，步骤(3)中，在频率f1下扫频频率链系统的附加相位差值的计算公式为：
[0012][0013]在频率f2下扫频频率链系统的附加相位差值的计算公式为：
[0014][0015]频率相关相位Δφ的计算公式为：
[0016][0017]式中，t0为输出信号从频率f1跳变至频率f2时所对应的触发信号阶跃时刻；φ1(t0)
‑
φ2(t0)为输出信号中频率f1跳变前后的相移差，φ1(t0)、φ2(t0)对应为在频率f1下的两端信号数据分别在触发信号阶跃时刻t0的相位；τ0为输出信号从频率f1跳变至频率f2时，频率f1的实际跳变时刻与触发信号阶跃时刻t0的时间间隔；t1为输出信号从频率f2跳变至频率f3时所对应的触发信号阶跃时刻；φ2(t1)
‑
φ3(t1)为输出信号中频率f2跳变前后的相移差，φ2(t1)、φ3(t1)对应为在频率f2下的两端信号数据分别在触发信号阶跃时刻t1的相位；τ1为输出信号从频率f2跳变至频率f3时，频率f2的实际跳变时刻与触发信号阶跃时刻t1的时间间隔。
[0018]在其中一个实施例中，步骤(2)中，确定输出信号在频率f1和f2的实际跳变时刻的步骤具体为：
[0019]选取频率f1发生频率跳变前的部分信号波形；之后将其平移整数倍周期至所述波形数据从频率f1跳变至频率f2时所对应的触发信号阶跃时刻t0；接着将其与频率f1和f2实际跳变时刻部分重合的波形作差得到残差信号；最后以该残差信号的幅值变化确定频率f1和f2的实际跳变时刻。
[0020]在其中一个实施例中，以该残差信号的幅值变化确定频率f1和f2的实际跳变时刻的步骤具体为：
[0021]以残差信号平滑曲线幅值在t0时刻前的平均值作为中心，以其标准差作为区间半宽，在残差数据上下绘制波动区间，并对残差数据进行移动平滑处理，取残差信号平滑曲线与波动区间最后一个交点后的第一个数据点的时间坐标作为实际跳变时刻。
[0022]在其中一个实施例中，步骤(2)中，采用余弦拟合得到在频率f1和f2下的两端信号数据分别在触发时刻的相位。
[0023]在其中一个实施例中，利用示波器采集所述信号源输出信号的波形数据。
[0024]第二方面，本专利技术提供了一种原子重力仪重力测量方法，包括上述所述的原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法。
附图说明
[0025]图1是本专利技术一实施例提供的原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法的流程图；
[0026]图2是本专利技术一具体实施例提供的频率链系统频率附加相位测量方案示意图；
[0027]图3是本专利技术一具体实施例提供的对跳频信号跳变前部分进行拟合的波形图；
[0028]图4是图3中拟合残差的波形图；
[0029]图5是图4中拟合残差中的倍频分量图；
[0030]图6是本专利技术一具体实施例提供的以t0时刻前残差信号幅值的标准差作为区间宽度进行实际跳变时刻测量的波形图；
[0031]图7是图6的局部放大图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0033]本专利技术提供了一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，如图1所示，该测量方法包括步骤S10～S40，详述如下：
[0034]S10，控制原子重力仪扫频频率链系统中的信号源处于FSK跳频模式，并以信号源sync端信号作为触发，用信号源输出的同步阶跃信号指示其输出信号的跳变时刻，同时采集该输出信号的波形数据。其中，信号源在FSK跳频模式下连续输出f1、f2、f3频率信号，且两次跳频间隔相等，即f2－f1＝f3－f2。
[0035]需要说明的是，在扫频频率链系统中，由于频率链中不完美因素，信号源实际输出的信号频率实际跳变时刻往往大于该频率的指示跳变时刻，即大于该频率所对应的触发信号阶跃时刻。
[0036]S20，确定信号源输出信号在频率f1和f2的实际跳变时刻及输出信号在这两个频率跳变前后的相移差。
[0037]其中，本实施例确定信号源输出信号在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)控制原子重力仪扫频频率链系统中的信号源处于FSK跳频模式，并以信号源sync端信号作为触发，用信号源输出的同步阶跃信号指示其输出信号的跳变时刻，同时采集该输出信号的波形数据；其中，所述信号源在FSK跳频模式下连续输出f1、f2、f3频率信号，且f2－f1＝f3－f2；(2)将所述波形数据通过跳变前后波形比对残差的幅值变化，确定输出信号在频率f1和f2的实际跳变时刻；且分别选取远离频率f1和f2发生频率跳变所对应的触发信号阶跃时刻的两端信号数据，并对其进行拟合得到这两个频率的两端信号数据分别在触发信号阶跃时刻的相位，然后计算输出信号中这两个频率跳变前后的相移差；(3)根据相移差计算在频率f1和f2下扫频频率链系统的附加相位差值，之后通过干涉相位计算公式，计算得到最终频率相关相位。2.根据权利要求1所述的原子重力仪中拉曼光频率相关相位测量方法，其特征在于，步骤(3)中，在频率f1下扫频频率链系统的附加相位差值的计算公式为：在频率f2下扫频频率链系统的附加相位差值的计算公式为：频率相关相位Δφ的计算公式为：式中，t0为输出信号从频率f1跳变至频率f2时所对应的触发信号阶跃时刻；φ1(t0)
‑
φ2(t0)为输出信号中频率f1跳变前后的相移差，φ1(t0)、φ2(t0)对应为在频率f1下的两端信号数据分别在触发信号阶跃时刻t0的相位；τ0为输出信号从频率f1跳变至频率f2时，频率f1的实际跳变时刻与触发信号阶跃时刻t0的时间间隔；t1为输出信号从频率f2跳变至频率f3时所对应的触发信号阶跃时刻；φ2(t1)
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓小兵，王青松，徐耀耀，胡忠坤，周敏康，段小春，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：