一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪

摘要

本发明涉及一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪，包括重力仪敏感单元、稳定平台组件、激光器、控制组件，重力仪敏感单元设置在稳定平台组件的中部，激光器与重力仪敏感单元通过光缆连接，控制组件分别与激光器、重力仪敏感单元、稳定平台组件信号连接；激光器用于产生特定频率及功率的激光；重力仪敏感单元用于实现原子的囚禁、冷却、干涉，并探测原子的状态与数量；稳定平台组件用于述重力仪敏感单元的倾斜角度进行实时补偿，以维持所述重力仪敏感单元的姿态；控制组件用于控制激光器、重力仪敏感单元、稳定平台组件运转，并根据重力仪敏感单元的原子状态与数量计算重力加速度。本发明能在动态环境下实现绝对重力的精确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及量子精密测量领域，具体涉及一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪。

背景技术

重力环境作为战场环境的重要组成部分，直接影响战场作战平台的导航定位性能和战场制导武器打击精度。战场作战平台执行作战任务过程中，需在保障隐蔽性的前提下实现高精度、长航时、自主的导航定位，因而卫星、无线电、天文等手段难以用于导航定位。战场重力环境用重力信息辅助导航，抑制惯性导航的误差发散，显著提升长航时隐蔽自主导航能力。同时惯性制导远程打击武器发射时，海战场重力环境作为惯导系统的必要输入，其准确与否直接关系到惯性导航系统的初始对准及导航解算精度，进而将直接影响军事打击的准确度和效果。

除了军事应用，海洋重力测量对资源勘探、空间科学、海洋科学、大地测量学、地球物理学、地球动力学等基础、前沿科学研究具有非常重要的意义。比如：通过测量重力场分布，反衍地下物质分布，高效勘探地球深部的油气矿藏资源情况，实现对地球深部的“透视”和“照明”；高精度的测量地球重力参数，建立重力基本网，为火箭发射、载人航天、探月工程等提供精确重力参数，能有效服务于空间科学；通过监测地球重力场的反常变化情况，对地震、海啸、火山喷发等及时预警。

针对绝对重力测量需求，近些年出现的一种新型重力仪——冷原子重力仪。该类型重力仪采用原子干涉测量的新型技术体制，根据原子在重力场中自由下落，通过干涉条纹相位得到重力的信息。由于原子重力仪采用的超高真空系统中的冷原子为研究对象，原子能级结构非常稳定，因此具有精度高、稳定化好、高重复率等优点，并且不存在自由落体式绝对重力仪机械磨损，降低使用寿命的缺点。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪，其精度高、稳定化好、高重复率，不存在激光干涉式绝对重力仪机械磨损，降低使用寿命的缺点，且其能在动态环境下实现绝对重力仪敏感单元的姿态保持，进而在动态环境下实现绝对重力的精确测量。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪，包括重力仪敏感单元、稳定平台组件、激光器、控制组件，所述重力仪敏感单元固定设置在所述稳定平台组件的中部，所述激光器与所述重力仪敏感单元通过光缆连接，所述控制组件分别与所述激光器、所述重力仪敏感单元、所述稳定平台组件信号连接；

所述激光器用于产生特定频率及功率的激光；

所述重力仪敏感单元用于实现原子的囚禁、冷却、干涉，并探测原子的状态与数量；

所述稳定平台组件用于对所述重力仪敏感单元的倾斜角度进行实时补偿，以维持所述重力仪敏感单元的姿态；

所述控制组件用于控制所述激光器、所述重力仪敏感单元、所述稳定平台组件运转，并根据所述重力仪敏感单元的原子状态与数量计算重力加速度。

优选地，所述稳定平台组件包括依次连接的内环固定支架、外环固定支架、基座，所述重力仪敏感单元固定设置在所述内环固定支架上，所述内环固定支架与所述外环固定支架之间设置有第一伺服电机，所述第一伺服电机的固定部安装在所述外环固定支架上，所述第一伺服电机的活动部与所述内环固定支架固定连接；所述外环固定支架与所述基座之间设置有第二伺服电机，所述第二伺服电机的固定部安装在所述基座上，所述第二伺服电机的活动部与所述外环固定支架固定连接；所述第一伺服电机与所述第二伺服电机的输出轴垂直设置；所述第一伺服电机与所述第二伺服电机的轴端均安装有圆光栅编码器，所述内环固定支架上还设有姿态传感器IMU，所述基座上还设有IMU解算模块，所述IMU解算模块的与所述姿态传感器IMU信号连接，所述控制组件设置在所述基座上，所述圆光栅编码器、所述IMU解算模块分别与所述控制组件信号连接。

优选地，所述基座上还安装有惯性导航校准组件，所述惯性导航校准组件与所述控制组件信号连接，所述惯性导航校准组件为GNSS/GPS模块。

优选地，所述外环固定支架与所述内环固定支架之间对称设置有两个所述第一伺服电机。

优选地，所述外环固定支架与所述基座之间对称设置有两个所述第二伺服电机。

优选地，所述重力仪敏感单元包括磁屏蔽罩、真空腔体，所述磁屏蔽罩设置在所述真空腔体外侧，所述磁屏蔽罩与所述真空腔体之间设置有磁场线圈，所述磁场线圈与所述控制组件信号连接；所述真空腔体上设有有真空泵，所述真空腔体内侧固定设置有Raman光/探测光/回泵光准直头、全固态冷却光模块、吹除光模块、荧光镜头，所述Raman光/探测光/回泵光准直头通过光纤与所述激光器耦合，所述真空泵、所述荧光镜头分别与所述控制组件信号连接。

优选地，所述重力仪敏感单元上还设有加速度计，所述加速度计与所述控制组件信号连接，用于抑制环境振动噪声对所述重力仪敏感单元的干扰。

优选地，所述控制组件包括数据采集处理单元、激光控制单元、磁场控制单元，所述数据采集处理单元与所述稳定平台组件、所述重力仪敏感单元分别信号连接，用于采集所述稳定平台组件、所述重力仪敏感单元的各项信号并进行信号处理，以及输出控制信号；所述激光控制单元与所述激光器信号连接，用于完成激光移频以及激光开关控制；所述磁场控制单元与所述磁场线圈信号连接，用于为所述磁屏蔽罩内的所述磁场线圈提供稳定的恒流源驱动。

优选地，所述内环固定支架上还设有负载层陀螺仪，所述负载层陀螺仪与所述控制组件信号连接。

优选地，所述激光器为窄线宽激光器。

本发明的有益效果是：本发明采用冷原子绝对重力仪作为重力敏感器，有精度高、稳定化好、高重复率等优点，并且不存在激光干涉式绝对重力仪机械磨损、降低使用寿命的缺点。采用稳定平台在动态环境下实现绝对重力仪敏感单元的姿态保持，进而在动态环境下实现绝对重力的精确测量。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明工作原理示意图；

图3为本发明实施例中稳定平台姿态解算及补偿流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、IMU解算模块，2、控制组件，3、第一伺服电机，4、第二伺服电机，5、重力仪敏感单元，6、姿态传感器IMU，7、GNSS/GPS模块，8、内环固定支架，9、基座，10、外环固定支架，11、负载层陀螺仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供的一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪，包括重力仪敏感单元5、稳定平台组件、激光器、控制组件2，所述重力仪敏感单元5固定设置在所述稳定平台组件的中部，所述控制组件2安装在所述稳定平台组件的下端。本实施例的所述激光器采用窄线宽激光器，其与所述重力仪敏感单元5通过光缆连接，所述控制组件2与所述激光器、所述重力仪敏感单元5、所述稳定平台组件分别通过线缆信号连接。

所述激光器用于产生特定频率及功率的激光。

所述重力仪敏感单元5用于实现原子的囚禁、冷却、干涉，并探测原子的状态与数量。

所述稳定平台组件用于对所述重力仪敏感单元5的倾斜角度进行实时补偿，以维持所述重力仪敏感单元5的姿态。

所述控制组件2用于控制所述激光器、所述重力仪敏感单元5、所述稳定平台组件运转，并根据所述重力仪敏感单元5的原子状态与数量计算重力加速度。

本实施例中，所述重力仪敏感单元5包括磁屏蔽罩、真空腔体，所述磁屏蔽罩设置在所述真空腔体外侧，所述磁屏蔽罩与所述真空腔体之间设置有磁场线圈，所述磁场线圈与所述控制组件2信号连接。控制组件2控制磁场线圈产生稳定的磁场以满足重力仪敏感单元5的需求，磁屏蔽罩隔绝环境磁场对设备的干扰，建立稳定的磁场环境。真空腔体为原子冷却、选态、干涉及末态探测等过程提供真空环境，清除杂质粒子对设备的干扰。

所述真空腔体上设有有真空泵，用于维持真空腔体内的真空环境。所述真空腔体内侧固定设置有Raman光/探测光/回泵光准直头、全固态冷却光模块、吹除光模块、荧光镜头，所述Raman光/探测光/回泵光准直头通过光纤与所述激光器耦合，所述真空泵、所述荧光镜头分别与所述控制组件2信号连接。Raman光/探测光/回泵光准直头的出射光通过真空腔体后，经过四分之一波片，再经过反射镜模块原路返回，形成对射的Raman光/探测光/回泵光，用于提供原子团冷却过程的回泵光、干涉过程中的π/2-π-π/2Raman脉冲激光及末态探测过程中的探测光。全固态冷却光模块将一束入射的冷却光通过分光镜、偏振片及反射镜均分为三对强度相等的对射冷却光，用于真空腔体中原子团冷却。吹除光模块用于提供在原子选态过程中需要用到的吹除光。荧光镜头用于收集原子团末态探测中发出的荧光信号。

本实施例的冷原子绝对重力仪以

原子干涉的工作流程如下：第一步，用MOT(磁光阱)技术，利用全固态冷却光模块中出射的冷却激光及Raman光/探测光/回泵光准直头出射的回泵光，从热蒸汽中冷却囚禁铷原子，形成冷原子团；第二步，改变全固态冷却光模块中出射的冷却激光的失谐量，进一步降低原子团温度；第三步，下落原子经微波选态和吹除光模块出射的吹除光移除背景原子后，获得单一量子态原子团；第四步，在原子下落过程中，用Raman光/探测光/回泵光准直头中分时出射的三束π/2-π-π/2脉冲激光与原子进行双光子Raman跃迁，形成干涉；第五步，采用Raman光/探测光/回泵光准直头中出射的探测光探测不同态的原子数目，采用荧光镜头收集原子由探测光照射发出的荧光信号，通过荧光信号计算出物质波的干涉条纹和相位，得到重力加速度。

优选地，所述重力仪敏感单元5的真空腔体上还设有加速度计(附图1未示出，参考附图3流程图)，所述加速度计与所述控制组件2信号连接，用于抑制环境振动噪声对所述重力仪敏感单元5的干扰。

本实施例中，所述控制组件2包括数据采集处理单元、激光控制单元、磁场控制单元，所述数据采集处理单元与所述稳定平台组件、所述重力仪敏感单元5分别信号连接，用于采集所述稳定平台组件、所述重力仪敏感单元5的各项信号并进行信号处理，以及输出控制信号。所述激光控制单元与所述激光器信号连接，用于完成激光移频以及激光开关控制。所述磁场控制单元与所述磁场线圈信号连接，用于为所述磁屏蔽罩内的所述磁场线圈提供稳定的恒流源驱动。

如图1所示，所述稳定平台组件包括依次连接的内环固定支架8、外环固定支架10、基座9，所述重力仪敏感单元5固定设置在所述内环固定支架8上，所述控制组件2安装在所述基座9上。所述内环固定支架8与所述外环固定支架10之间设置有第一伺服电机3，所述第一伺服电机3的固定部安装在所述外环固定支架10上，所述第一伺服电机3的活动部与所述内环固定支架8固定连接。当所述第一伺服电机3进行旋转时，所述外环固定支架10与所述内环固定支架8可发生相对转动。所述外环固定支架10与所述基座9之间设置有第二伺服电机4，所述第二伺服电机4的固定部安装在所述基座9上，所述第二伺服电机4的活动部与所述外环固定支架10固定连接。所述第一伺服电机3与所述第二伺服电机4均设置有对应的电机驱动模块，电机驱动模块与控制组件2信号连接。当所述第二伺服电机4进行旋转时，所述外环固定支架10与所述基座9可发生相对转动。配合第一伺服电机3与第二伺服电机4的运转可调整所述重力仪敏感单元5在所述稳定平台组件上的姿态。

所述第一伺服电机3与所述第二伺服电机4的输出轴垂直设置，以调节所述重力仪敏感单元5进行横滚或者俯仰运动。所述第一伺服电机3与所述第二伺服电机4的轴端均安装有圆光栅编码器，所述内环固定支架8上还设有姿态传感器IMU6，所述基座9上还设有IMU解算模块1，所述IMU解算模块1的与所述姿态传感器IMU6信号连接，所述控制组件2设置在所述基座9上，所述圆光栅编码器、所述IMU解算模块1分别与所述控制组件2信号连接。所述圆光栅编码器用于将所述第一伺服电机3与所述第二伺服电机4的角速度反馈到控制组件2，姿态传感器IMU6用于将所述重力仪敏感单元5的姿态信号传输到IMU解算模块1，经过IMU解算模块1的解算后，将所述重力仪敏感单元5的姿态信号反馈到控制组件2中，由控制组件2控制所述第一伺服电机3与所述第二伺服电机4的运转，从而对所述重力仪敏感单元5的姿态进行调节。

如图1所示，所述基座9上还安装有惯性导航校准组件，所述惯性导航校准组件与所述控制组件2信号连接，所述惯性导航校准组件为GNSS/GPS模块7。GNSS/GPS模块7是用来在船、汽车等运动环境下校正姿态传感器IMU6，提升姿态控制精度。

优选地，所述内环固定支架8上还设有负载层陀螺仪11，所述负载层陀螺仪11与所述控制组件2信号连接。负载层陀螺仪11用于直接测量绝对重力仪敏感单元5的转动角速度，将测量的绝对重力仪的转动角速度，传递给控制组件2，作为控制电机运转的参考因素，进一步抑制转动对绝对重力仪的干扰，提高稳定平台控制精度及有效带宽。

优选地，所述外环固定支架10与所述内环固定支架8之间对称设置有两个所述第一伺服电机3。两个第一伺服电机3对称设置，提高了姿态调整的控制精度。

优选地，所述外环固定支架10与所述基座9之间对称设置有两个所述第二伺服电机4。同样的，两个第二伺服电机4对称设置，提高了姿态调整的控制精度。

稳定平台组件保障重力仪敏感单元5的姿态，当需要对重力仪系统误差评估时，提供航向信息。稳定平台方案如图1所示，稳定平台的主体结构分为三个部分，依次为内环固定支架8、外环固定支架10及基座9。基座9是作为稳定平台底座，与地面、船体或汽车接触，通过多个具有橡皮隔垫的支撑脚实现初始姿态调整和高频振动隔离。外环固定支架10与基座9，内环固定支架8与外环固定支架10间分别由两对对称设置的伺服电机连接，伺服电机选用力矩电机，突破输出力矩对稳定平台控制速度的限制问题，实现俯仰和横滚姿态调节。有效的载荷(即重力仪敏感单元5)与内环固定支架8刚性连接，随着内、外环固定支架10的姿态调节保持载荷的稳定，实现稳定平台功能。

稳定平台组件的姿态反馈控制系统实现流程图如图3所示，由安装于内环固定支架8的姿态传感器IMU6、安装于第一伺服电机3以及第二伺服电机4的输出轴端的圆光栅、IMU解算模块1和控制组件2组成，实现位置环和速度环的双环控制系统。IMU作为姿态传感器，测量内环固定支架8和载荷的姿态信息，传输至IMU解算模块1。IMU解算模块1解算出位置姿态信息后，提供给控制组件2进而反馈控制第一伺服电机3以及第二伺服电机4运动，实现姿态稳定控制。GNSS/GPS模块7是用来在船、汽车等运动环境下校正姿态传感器IMU6，提升姿态控制精度。加速度计用于抑制环境振动噪声对所述重力仪敏感单元5的干扰。

本发明采用冷原子绝对重力仪作为重力敏感器，有精度高、稳定化好、高重复率等优点，并且不存在激光干涉式绝对重力仪机械磨损、降低使用寿命的缺点。采用稳定平台在动态环境下实现绝对重力仪敏感单元5的姿态保持，进而在动态环境下实现绝对重力的精确测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。