劉夏鳴

（華中光電技術研究所-武漢光電國家研究中心 武漢 430223）

1 引言

20世紀90年代美國斯坦福大學S.Chu小組研制了首個冷原子干涉儀［1］，并實現(xiàn)了絕對重力加速度測量，受到國際同行的廣泛關注。經(jīng)過30年的快速發(fā)展，冷原子干涉技術已應用于重力加速度［1～3］、重力梯度［3～6］等物理量的精密測量以及等效原理檢驗［7～9］、引力波探測［10］等基礎物理研究，在重力基準網(wǎng)絡建設、資源勘探、地球物理學研究、慣性導航等領域展現(xiàn)出非常重要的應用價值。華中科技大學胡忠坤小組的冷原子重力儀測量靈敏度達到［2］，是目前測量靈敏度最高的絕對重力儀；法國Muquans的小型可搬運冷原子重力梯度儀已實現(xiàn)絕對重力加速度和重力梯度同步測量，重力加速度和重力梯度的測量分辨率分別達到0.5μGal和 0.15E［3］；美國斯坦福大學的冷原子干涉儀將微觀粒子檢測等效原理的相對精度提升至10-12量級［7］。

冷原子干涉儀利用拉曼激光操控原子的量子態(tài)，形成物質(zhì)波干涉效應，通過檢驗干涉條紋相位信息的變化測量各類物理量。一次干涉測量主要包括原子冷卻與囚禁、原子初態(tài)制備、原子干涉操控、干涉信號探測、數(shù)據(jù)處理等五大步驟，需要精確操控激光頻率、激光功率、三維磁場等上百個參數(shù)的數(shù)值和持續(xù)時間，各通道參數(shù)的時間同步精度要求達到100ns量級。為滿足冷原子干涉儀精密測量絕對重力加速度的需求，本文基于LabVIEW圖形化編程語言和NI公司的多功能DAQ數(shù)據(jù)采集板卡開發(fā)了一套冷原子干涉儀精密時序控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)輸入輸出通道時間同步性好、操作界面直觀易懂、集成度高、維護性好等特點［11～14］。

2 總體設計方案

如圖1所示，冷原子干涉儀主要由敏感單元、激光系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和精密時序控制系統(tǒng)組成。精密時序控制系統(tǒng)主要由LabVIEW控制程序以及PXIe主機、NI-DAQ設備、NI-GPIB設備等硬件組成。在LabVIEW程序控制下，NI-DAQ設備產(chǎn)生大小和時間精確控制的模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號，控制激光系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)產(chǎn)生滿足需求的射頻/微波信號、磁場信號以及各類激光；NI-GPIB設備為任意函數(shù)發(fā)射器、精密電源等可編程設備實時提供配置參數(shù)與指令；干涉信號、激光功率等輸入信號通過模擬輸入信號通道上傳到控制系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)解析、反饋控制、顯示、存儲等操作。

圖1 冷原子干涉儀控制系統(tǒng)結構圖

根據(jù)冷原子干涉儀的技術方案，控制系統(tǒng)需要提供的主要數(shù)據(jù)采集/輸出通道如表1所示。因此，本控制系統(tǒng)的硬件配置如下：

表1 數(shù)據(jù)采集/輸出通道需求情況

1）控制主機采用PXIe-1082，具有3個PXIe插槽和4個可兼容PXIe總線與PXI總線的混合插槽，每個插槽的傳輸速度高達1GB/s。

2）采用一塊PXIe-6739數(shù)據(jù)采集/輸出板卡和一塊PXIe-6356數(shù)據(jù)采集/輸出板卡。PXIe-6739具有64路16位模擬輸出通道和20路數(shù)字輸入/輸出通道，最多可以并行輸出16路帶寬達到1MHz的模擬信號；PXIe-6356具有2路16位模擬輸出通道、8路16位差分模擬輸入通道和24路數(shù)字輸入/輸出通道，模擬輸入通道的帶寬最大可達1.2MHz，模擬輸出通道的帶寬最大可達3.3MHz。

3 控制程序設計

3.1 工作流程及時序編排

冷原子干涉儀控制程序工作流程如圖2所示，各組件和設備正常上電后，啟動控制程序并完成參數(shù)配置，然后啟動執(zhí)行程序使原子干涉儀循環(huán)工作，并在每個測量周期實時處理、顯示和存儲測量數(shù)據(jù)。

圖2 冷原子干涉儀控制程序工作流程圖

如前所述，冷原子干涉儀主要包括五大步驟，每個步驟又可細分為多個小步驟，并且每個小步驟可能包含多個參數(shù)的變化。例如，原子冷卻與囚禁過程可細分為多普勒冷卻與偏振梯度冷卻兩個小過程，且偏振梯度冷卻過程又包含多個更小的過程。典型的偏振梯度冷卻過程冷卻光頻率與功率變化如圖3所示，首先在t1時間段線性減小冷卻光頻率，然后在t2～t6時間段按照不同的斜率依次減小冷卻光的功率。為滿足上述復雜的參數(shù)與時序變化需求，本系統(tǒng)按照“事件最小化”原則設計時序結構，即將冷原子干涉儀單測量周期內(nèi)的任何一個參數(shù)變化都定義為一個“事件”，每個事件對應一個狀態(tài)和一段持續(xù)時間，例如圖3所示偏振梯度冷卻過程包含6個事件，定義為6個狀態(tài)，持續(xù)時間依次為t1、t2、…、t6。

圖3 偏振梯度冷卻過程冷卻激光頻率與功率變化示意圖

3.2 模擬輸出信號與數(shù)字輸出信號生成方法

如表1所示，精密時序控制系統(tǒng)需要生成多路模擬電壓信號和數(shù)字信號，用于控制激光頻率、磁場大小等參數(shù)及為數(shù)據(jù)采集等操作提供觸發(fā)信號。

數(shù)字信號只有高、低兩個狀態(tài)，可直接用數(shù)字“0”和“1”表示。數(shù)字信號生成方法如圖4所示，前面板有三個輸入?yún)?shù)，分別是“時間數(shù)組”、“數(shù)值數(shù)組”和“數(shù)據(jù)采樣率”，其中時間數(shù)組和數(shù)值數(shù)組均為一維數(shù)組。時間數(shù)組中每一個值代表一個事件的持續(xù)時間，數(shù)值數(shù)組中每一個值代表這個時間段內(nèi)數(shù)字信號的高/低特性。程序框圖如圖4右圖所示，內(nèi)層For循環(huán)結構將每一個事件生成一個1×n的一維數(shù)組，n是該事件的持續(xù)時間與采樣率的乘積，再通過外層For循環(huán)結構和移位寄存器將所有事件的數(shù)組串聯(lián)成一個一維數(shù)組，最后通過“模數(shù)轉(zhuǎn)換”VI將模擬的數(shù)字“0”和“1”轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖4 數(shù)字信號生成程序框圖

模擬信號比數(shù)字信號復雜，典型的模型信號可以分為三類：第一類是輸出電壓值不變或跳變；第二類是輸出電壓值在部分事件過程線性變化；第三類是輸出電壓值在部分事件過程非線性變化。根據(jù)參考文獻［15］，第一類和第二類模擬電壓信號可以用圖5所示方法產(chǎn)生。與數(shù)字信號類似，其前面板有三個輸入?yún)?shù)，分別是時間數(shù)組、數(shù)值數(shù)組和采樣率，其中時間數(shù)組是一維數(shù)組，數(shù)值數(shù)組是二維數(shù)組。數(shù)值數(shù)組中每一個事件中的上下兩個數(shù)字分別表示這個事件持續(xù)過程中起始電壓值和終止電壓值。程序框圖如圖5右圖所示，內(nèi)層For循環(huán)結構將每一個事件生成一個1×n的一維數(shù)組，n是該事件的持續(xù)時間與設置的采樣率的乘積，該數(shù)組的值計算方法如參考文獻［15］所示：

其中，a0和an-1分別是該事件過程的起始電壓值和終止電壓值。

對于第三類模擬信號，需要根據(jù)每個事件對應的非線性電壓信號特征采用對應的函數(shù)生成數(shù)據(jù)，然后再與圖5所示方法生成的數(shù)據(jù)組合成新的一維數(shù)組。

3.3 數(shù)據(jù)同步輸出方法

高精度冷原子干涉儀需要精確同步不同數(shù)據(jù)采集卡輸出的各路模擬信號和數(shù)字信號。

1）單張數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字信號同步

單張數(shù)據(jù)采集卡輸出的多路模擬信號和數(shù)字信號的同步方法如圖6所示。第一，多個模擬輸出信號之間的同步方法如圖6左上角虛線方框內(nèi)所示，將3路模擬輸出信號AO1、AO2、AO3分別按照圖5所示方法生成3個長度相同的一維數(shù)組，再通過“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)將上述3個一維數(shù)組組合成一個二維數(shù)組，實現(xiàn)3個模擬輸出通道的同步。第二，多路數(shù)字輸出信號的同步方法與此類似，如圖6左下角虛線方框內(nèi)所示。第三，數(shù)字輸出信號與模擬輸出信號之間的同步方法如圖6左下角橢圓形虛線框所示，將模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號的“DAQmx定時”VI的“源接線端”連接到相同的時鐘源。

圖5 模擬信號生成程序框圖

圖6 單張數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字信號同步方法

2）不同數(shù)據(jù)采集卡的時鐘同步

不同數(shù)據(jù)采集卡之間的時鐘同步方法如圖7所示，將所有數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號的“DAQmx定時”VI的“源接線端”連接到相同的時鐘源。此外，為了實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)采集卡共享一個時鐘源，在硬件上需要將各數(shù)據(jù)采集卡通過RTSI總線連接。

圖7 不同數(shù)據(jù)采集卡的時鐘同步方法

3.4 程序循環(huán)運行方法

原子干涉儀需要實現(xiàn)長時間連續(xù)測量，因此需要設計一套循環(huán)測量的程序。LabVIEW有多種實現(xiàn)循環(huán)運行的方法，最簡單的方法是將程序主體全部放置在For循環(huán)或While循環(huán)結構內(nèi)部，每次循環(huán)都全部執(zhí)行循環(huán)結構體內(nèi)所有程序內(nèi)容。由于原子干涉程序在干涉測量前的參數(shù)配置階段有大量的數(shù)據(jù)計算過程，會占用大量時間，如果將這一部分內(nèi)容全部放置在循環(huán)結構內(nèi)部，將導致前一次測量與后一次測量之間存在不確定的時間延遲。

圖8為本文設計的原子干涉儀循環(huán)運行程序框圖，采用“While循環(huán)”結構。在圖8中將參數(shù)配置程序放置在“While循環(huán)”結構外部，通過“DAQmx任務開始”VI（圖8中方形虛線框內(nèi)圖標）控制程序運行的開始。由于參數(shù)配置程序和“DAQmx任務開始”VI放置在“While循環(huán)”結構外，程序運行時只需要在第一個循環(huán)開始前完成參數(shù)配置，當程序執(zhí)行了“DAQmx任務開始”VI后，只要While循環(huán)沒有結束，配置的模擬輸出數(shù)據(jù)和數(shù)字輸出數(shù)據(jù)將不間斷循環(huán)輸出，有效解決了配置參數(shù)導致的時間延遲問題。

圖8 原子干涉儀程序循環(huán)運行程序框圖

為了實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)據(jù)的起始時間相同，本文采用控制“錯誤信息”傳遞路徑的方法。如圖8所示，各數(shù)據(jù)輸出通道均共用數(shù)據(jù)采集卡1的時鐘信號“ao/SampleClock”，“錯誤信息”傳遞的起點設置為數(shù)據(jù)采集卡1模擬輸出通道的“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”VI（圖8中六邊形虛線框內(nèi)圖標），在依次經(jīng)過“DAQmx定時”VI和“DAQmx寫入”VI后，在圖在橢圓形虛線框所示的A位置分為兩路，分別流向數(shù)據(jù)采集卡2模擬輸出通道和數(shù)據(jù)采集卡1數(shù)字輸出通道，然后在B位置匯合，再經(jīng)過控制數(shù)據(jù)采集卡1模擬輸出通道的“DAQmx任務開始”VI進入While循環(huán)。通過上述設置，只有數(shù)據(jù)采集卡1的“DAQmx寫入”VI執(zhí)行完成后才會執(zhí)行數(shù)據(jù)采集卡2和3的任務，并且由于數(shù)據(jù)采集卡1的“DAQmx任務開始”VI放置在數(shù)據(jù)采集卡2和3的“DAQmx任務開始”VI之后，因此三路通道會在相同時刻開始輸出數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)采集方法

原子干涉測量過程需要采集的原子干涉信號、激光功率信號等信息只發(fā)生在干涉過程的某一特特殊階段，例如干涉信號的采集只發(fā)生在探測階段。根據(jù)上述特征，為了少占用內(nèi)存資源，本文采用觸發(fā)采集方式，如圖9所示，數(shù)據(jù)采集通道的“DAQmx觸發(fā)”VI配置為數(shù)字觸發(fā)模式，觸發(fā)信號由數(shù)據(jù)采集卡1產(chǎn)生的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)采集卡1的PFI端口輸入，“DAQmx定時”VI配置為有限采樣模式，采集的數(shù)據(jù)量等于前面板參數(shù)“數(shù)據(jù)采樣率”與“數(shù)據(jù)采樣時間”的乘積，采集的數(shù)據(jù)通過“寫入帶分隔符電子表格”VI存儲為“txt”格式文件。

圖9 數(shù)據(jù)采集程序框圖

4 控制程序性能測試

4.1 程序控制界面設計

冷原子干涉儀控制程序前面板主要包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)顯示兩大功能，基本數(shù)據(jù)輸入/輸出通道與存儲參數(shù)配置界面如圖10所示?！皵?shù)據(jù)輸出速率”窗口配置各通道輸出模擬信號與數(shù)字信號的速率，所有的輸出通道共用一個時鐘，并采用相同的數(shù)據(jù)輸出率；“數(shù)據(jù)采集速率”窗口配置各通道采集模擬信號的速率，所有的輸入通道采用相同的采樣率。

圖10 數(shù)據(jù)輸入/輸出通道與存儲參數(shù)設置界面

模擬輸出信號參數(shù)配置界面如圖11所示，原子干涉過程共分為28個狀態(tài)，狀態(tài)數(shù)下面的“時間數(shù)組”內(nèi)每個值表示該狀態(tài)的持續(xù)時間，各模擬信號參數(shù)由一個二維數(shù)組表示。

圖11 模擬輸出信號參數(shù)配置界面

數(shù)字輸出信號參數(shù)配置界面如圖12所示，每個數(shù)字信號由一個一維數(shù)組表示，數(shù)組中的元素填寫“0”或“1”，分別代表低電平和高電平。

圖12 數(shù)字輸出信號參數(shù)配置界面

4.2 程序性能測試

模擬輸出信號與數(shù)字輸出信號的同步性能測量結果如圖13所示，其中模擬輸出信號由PXIe-6739板卡產(chǎn)生，數(shù)字輸出信號由PXIe-6356板卡產(chǎn)生。從圖中可以看到數(shù)字信號的響應時間小于500ns，模擬信號響應時間小于2.5μs，模擬信號相對于數(shù)字信號的滯后小于100ns。

圖13 數(shù)字信號與模擬信號同步性能測試

圖14（a）是前面板設置的模擬輸出通道參數(shù)，圖14（b）是利用示波器實測的輸出模擬信號，從圖中可以看到輸出的模擬信號與設定的參數(shù)吻合。

圖14 模擬信號配置參數(shù)與實際輸出的模擬輸出信號

4.3 程序應用

冷原子干涉儀的工作原理類似于馬赫-曾德激光干涉儀，如圖15所示。原子在高真空環(huán)境中做自由落體運動，在t1=0、t2=T、t3=2T時刻分別用π/2、π、π/2拉曼激光脈沖作用于原子，改變原子的內(nèi)部量子能態(tài)和外部動量態(tài)。第一個π/2脈沖使原子處于1態(tài)與2態(tài)的疊加態(tài)，并且在空間上將處于兩個態(tài)的原子分開，相當于光學干涉儀中的分束鏡；π脈沖使處于1態(tài)的原子轉(zhuǎn)換為2態(tài)，處于2態(tài)的原子轉(zhuǎn)換為1態(tài)，相當于光學干涉儀中的反射鏡；第二個π/2脈沖使兩個不同路徑的原子產(chǎn)生干涉效應，相當于光學干涉儀中的合束。干涉完成后，通過探測處于1態(tài)或2態(tài)的原子布居數(shù)就能提取干涉信息。

圖15 冷原子干涉儀工作原理示意圖

干涉條紋的相位信息Δφ與重力加速度g滿足如下關系：

其中，Δφ0是三束激光拉曼激光初始時刻的相位差。

根據(jù)上述關系式，通過掃描第二個π/2脈沖的相位，可以獲取正弦形式干涉條紋。實驗測得T=80 ms的同向拉曼干涉條紋如圖16所示。圖中每個點均是單次測量的結果，干涉條紋的對比度約為43%。

圖16 同向拉曼條紋

信號探測階段探測到的原子數(shù)目P與干涉條紋相位Δφ以及條紋對比度C的關系為

5 結語

冷原子干涉技術將絕對重力加速度、重力梯度等慣性參量的測量方法從經(jīng)典力學拓展到量子力學領域，并已逐步形成高精度、高可靠的產(chǎn)品，在資源勘探、地質(zhì)災害預警預報、慣性導航、基礎物理研究等領域具有重大的潛在應用價值。本文采用LabVIEW圖形化設計語言開發(fā)了一套時序同步精度高、集成度高的冷原子干涉儀精密時序控制系統(tǒng)，并為用戶提供了良好的可視化界面，有效降低了原子干涉儀控制系統(tǒng)的復雜度和操控難度。