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        三脈沖冷原子陀螺儀中基于內(nèi)態(tài)演化的拉曼光光強(qiáng)補(bǔ)償算法

        2021-04-17 01:58:48樂旭廣姚輝彬毛海岑
        導(dǎo)航定位與授時(shí) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        黃 晨,樂旭廣,程 俊,姚輝彬,毛海岑

        (華中光電技術(shù)研究所, 武漢光電國(guó)家研究中心,武漢 430223)

        0 引言

        原子陀螺儀[1-3]作為一種基于量子力學(xué)的陀螺儀系統(tǒng),因高精度、低漂移等特性而受到了廣泛關(guān)注[4-7],其理論精度相比目前應(yīng)用的光纖陀螺高出11個(gè)量級(jí)。并且由于其不存在機(jī)械磨損,在長(zhǎng)航時(shí)測(cè)量時(shí)不需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)[7-10],因此,應(yīng)用原子陀螺儀構(gòu)成的慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)十分適用于潛艇等需要長(zhǎng)時(shí)間慣性導(dǎo)航的裝備。原子陀螺儀主要分為無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)陀螺儀[11]、核磁共振陀螺儀[12-15],以及冷原子干涉式陀螺儀。目前,我們研制的冷原子陀螺儀是基于對(duì)拋型三脈沖Mach-Zenhder干涉儀,使用三束頻率不斷改變的拉曼光與原子相互作用,最終通過測(cè)量原子的內(nèi)態(tài)分布,并對(duì)兩個(gè)原子團(tuán)干涉所得到的相位進(jìn)行差分,從而分離出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息及加速度信息。

        原子陀螺儀敏感到外界轉(zhuǎn)動(dòng)信息的本質(zhì)在于拉曼光與原子相互作用的頻率失諧量隨著外界載體的角運(yùn)動(dòng)及線運(yùn)動(dòng)(速度、加速度)的改變而實(shí)時(shí)改變,通過三束拉曼脈沖(π/2,π,π/2)將該頻率失諧量轉(zhuǎn)化為干涉儀相位,并且通過相應(yīng)的解算可以得到外界載體的運(yùn)動(dòng)信息。在一個(gè)理想的三脈沖系統(tǒng)中,必須保證三束拉曼脈沖為π/2,π,π/2構(gòu)型,此時(shí)才能維持測(cè)量值與輸出值穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系。在外界復(fù)雜環(huán)境下,不能保證拉曼光激光器的功率穩(wěn)定性與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下類似。而拉曼光功率的變化直接影響原子與拉曼光的作用效率,即直接改變相互作用拉比頻率。隨著拉比頻率的改變,三束拉曼脈沖不再是理想構(gòu)型,而會(huì)使脈沖寬度發(fā)生改變。因此,此時(shí)干涉儀的輸出值會(huì)隨拉曼光光強(qiáng)的改變而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。若此時(shí)不對(duì)該結(jié)果做出相應(yīng)的補(bǔ)償,而依舊用原函數(shù)關(guān)系對(duì)陀螺儀輸出值進(jìn)行解算,就會(huì)產(chǎn)生誤差。因此,為了保證在實(shí)際應(yīng)用中陀螺儀的精度,必須建立關(guān)于拉曼光光強(qiáng)的補(bǔ)償算法。在陀螺儀中,由于轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的頻率失諧量的變化與拉比頻率量級(jí)類似,并且無法在單拉曼光構(gòu)型的干涉儀中通過類似重力儀的啁啾補(bǔ)償同時(shí)對(duì)兩團(tuán)原子的頻率失諧量進(jìn)行補(bǔ)償(兩團(tuán)原子的頻率失諧量大小相等,符號(hào)相反),因此只能通過數(shù)據(jù)后處理而非實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)該誤差進(jìn)行修正。

        本文從拉曼光與原子相互作用的內(nèi)態(tài)演化方程出發(fā),對(duì)冷原子干涉過程進(jìn)行建模,根據(jù)實(shí)際拉曼光強(qiáng)度的變化推導(dǎo)了原子陀螺儀在不同拉曼光強(qiáng)度下的相位輸出值,并根據(jù)該關(guān)系式提出了一種通過監(jiān)控拉曼光光強(qiáng)的變化對(duì)實(shí)際冷原子陀螺儀輸出值進(jìn)行后處理的補(bǔ)償算法。

        1 冷原子陀螺儀拉曼光光強(qiáng)補(bǔ)償算法

        基于內(nèi)態(tài)演化矩陣,可以得到在含有拉曼脈沖時(shí)原子內(nèi)態(tài)的演化如式(1)所示[10]

        (1)

        其中

        (2)

        代入可得

        (3)

        U(0)+cosΩtV(0)-sinΩtW(0)

        cosΩtV(0)-sinΩtW(0)

        (4)

        U(0)+sinΩtV(0)+cosΩtW(0)

        (5)

        在自由空間中演化的演化矩陣為

        (6)

        由于原子初態(tài)為

        U(0)=V(0)=0,W(0)=1,δ0=0

        則通過計(jì)算可得

        W(3)=K1γ3+K2γ2+K3γ+K4

        (7)

        其中

        K1=A1A2A11cosδbTsinδaT-

        A1A5A11sinδbTcosδaT

        (8)

        K2=(A1A11-A2A3A11+A1A5A12)·

        cosδbTcosδaT+(A1A3A12-A2A5A11-

        A1A6A11)sinδbTsinδaT+A4A11cosδbT+

        A1A8A13cosδaT

        (9)

        K3=(A2A11+A2A5A12+A1A6A12)cosδbT·

        sinδaT+(A1A12-A2A3A12+A2A6A11)·

        sinδbTcosδaT+(A7A11+A4A12+A1A9A13+

        A2A8A13)sinδbT

        (10)

        K4=A2A12sinδbTsinδaT-A2A6cosδbTcosδaT-
        A7A12cosδbT-A2A9A13cosδaT+A10A13

        (11)

        A9=sinΩ2τ2
        A10=cosΩ2τ2cosΩ1τ1

        A12=sinΩ3τ3
        A13=cosΩ3τ3

        (12)

        2 補(bǔ)償方法

        通過式(7)~式(12),可以建立對(duì)拉曼光光強(qiáng)的補(bǔ)償方法如下:

        1)在系統(tǒng)初始化時(shí)對(duì)拉比頻率進(jìn)行初始化,通過測(cè)量三束拉曼光的持續(xù)時(shí)間τ1,2,3分別得到三束拉曼光拉比頻率的初始值

        (13)

        2)通過高速PD監(jiān)測(cè)初始拉曼光強(qiáng)度I0;

        3)通過高速PD監(jiān)測(cè)測(cè)量過程中拉曼光強(qiáng)度變化的相對(duì)值ξ(t)。

        (a)系數(shù)k1γ3~1×107

        (b) 系數(shù)K2γ2~1×10-2

        (c)系數(shù)K3γ~4×10-1

        (d) 系數(shù)K4~1×10-2圖1 第三束拉曼光后原子布居系數(shù)示意圖(這里取轉(zhuǎn)速Ω=1rad/s,T=3ms,keff=1.6×107)Fig.1 Paramters of the atomic population after the third Raman pulse (for Ω=1rad/s,T=3ms,keff=1.6×107)

        則可以得到實(shí)際的拉比頻率為Ω1,2,3ξ(t),以及系數(shù)A1~13每一項(xiàng)的值。將其代入式(7)~式(11),就可以通過計(jì)算機(jī)求解γ的值。對(duì)于可能存在多個(gè)根的情況,可以通過未補(bǔ)償時(shí)所求得的轉(zhuǎn)速進(jìn)行篩選,篩選出最接近的值即可。則最終補(bǔ)償后的實(shí)際轉(zhuǎn)速為

        (14)

        若實(shí)際情況中,拉曼光光強(qiáng)穩(wěn)定性較好,而拉曼光持續(xù)時(shí)間并不穩(wěn)定(例如存在聲光調(diào)制器響應(yīng)較慢的情況),則可以用如下方法對(duì)拉曼光持續(xù)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償:

        2)通過高速PD監(jiān)測(cè)初始拉曼光實(shí)際持續(xù)時(shí)間τ1,2,3;

        至此,將時(shí)序變化等效地轉(zhuǎn)化為拉曼光強(qiáng)度變化。因此,可以通過相似的方式得到實(shí)際轉(zhuǎn)速值。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證上述拉曼光光強(qiáng)補(bǔ)償算法的有效性,進(jìn)行了拉曼光強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,通過對(duì)聲光調(diào)制器的輸出功率進(jìn)行改變,使拉曼光功率隨時(shí)間改變,由于聲光調(diào)制器為非線性器件,無法直接記錄其功率因子等價(jià)為光強(qiáng)信息,因此在敏感單元內(nèi)部架設(shè)了高速PD對(duì)拉曼光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,如圖2所示。

        圖2 拉曼光相對(duì)強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖Fig.2 The diagram of relative intensity of Raman pulse over time

        相應(yīng)地,計(jì)算此時(shí)陀螺輸出值的阿倫方差可以看出,最低點(diǎn)約為6×10-4,并且出現(xiàn)了明顯的上翹現(xiàn)象,如圖3所示。

        圖3 拉曼光強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償前陀螺輸出值阿倫方差Fig.3 The Allan deviation of the output of the atomic gyroscope before compensation in Raman intensity modulation experiment

        圖4 拉曼光強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償后陀螺輸出值阿倫方差Fig.4 The Allan deviation of the output of the atomic gyroscope after compensation in Raman intensity modulation experiment

        隨后,可以看到,在利用測(cè)量得到拉曼光相對(duì)強(qiáng)度并通過上述補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償后,陀螺輸出值得到了顯著改善,如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),此時(shí)阿倫方差最低點(diǎn)下降至4×10-4,并且還在持續(xù)下降中,并沒有出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。相比未補(bǔ)償情形,將系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性提升了至少33%。這表明該補(bǔ)償算法對(duì)拉曼光強(qiáng)度漂移帶來的誤差有很好的抑制作用。

        4 結(jié)論

        本文主要分析和討論了冷原子陀螺儀在拉曼光光強(qiáng)變化條件下的響應(yīng),得到如下結(jié)論:

        1)通過推導(dǎo)得到在光強(qiáng)變化時(shí)原子陀螺測(cè)量值的理論表達(dá)式,并給出了相應(yīng)的補(bǔ)償算法;

        2)提出了通過高速PD對(duì)拉曼脈沖的強(qiáng)度以及寬度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù),根據(jù)上述補(bǔ)償算法對(duì)實(shí)際輸出值進(jìn)行補(bǔ)償;

        3)通過實(shí)際調(diào)制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該補(bǔ)償算法對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的提升幅度達(dá)到33%,并顯著改善了系統(tǒng)誤差的發(fā)散現(xiàn)象。

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