閉環(huán)原子慣性傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及閉環(huán)原子慣性傳感器。提供一種用于慣性感測(cè)的裝置。該裝置包括至少一個(gè)原子慣性傳感器，以及可操作地耦合至原子慣性傳感器的一個(gè)或多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性傳感器。原子慣性傳感器和MEMS慣性傳感器可操作地在閉反饋環(huán)中彼此通信。
【專利說(shuō)明】閉環(huán)原子慣性傳感器
[0001]本申請(qǐng)要求2012年6月27日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/665，061的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，通過(guò)引用將其合并。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及閉環(huán)原子慣性傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]基于原子干涉度量法(atom interferometry)的慣性傳感器類使用光的脈沖來(lái)分開(kāi)并且之后重組來(lái)自冷熱或量子簡(jiǎn)并原子(cold thermal or quantum degenerate atom)(波色-愛(ài)因斯坦凝聚)的樣本的一個(gè)或多個(gè)量子波函數(shù)(quantum wavefunction)。在分開(kāi)時(shí)，分離部分的相位獨(dú)立地演化，這允許由于加速和/或旋轉(zhuǎn)的存在所致的相位差的累積。當(dāng)重組時(shí)，通過(guò)每個(gè)原子的最終量子動(dòng)量態(tài)(quantum momentum state)或內(nèi)態(tài)(internalstate)或作為整體的量子簡(jiǎn)并原子云的改變來(lái)表明該相位差。
[0004]例如，一個(gè)傳感器方案導(dǎo)致原子的兩個(gè)內(nèi)態(tài)的相對(duì)布居(relative population)的改變。這些布居可以通過(guò)例如原子上閃爍的諧振光(resonant light)并且檢測(cè)散射的熒光來(lái)檢測(cè)。兩個(gè)內(nèi)態(tài)的相對(duì)布居作為慣性力引起的相位差的函數(shù)而正弦地變化。通過(guò)獲取兩個(gè)不同相位處的布居測(cè)量來(lái)近似相對(duì)布居關(guān)于相位差的導(dǎo)數(shù)(derivative)。在相對(duì)布居正弦波中的峰處，導(dǎo)數(shù)曲線過(guò)零。在導(dǎo)數(shù)過(guò)零的附近，相位的小改變將引起導(dǎo)數(shù)信號(hào)的大改變。然而，在導(dǎo)數(shù)的峰附近，相位的小改變將僅引起導(dǎo)數(shù)信號(hào)的非常小的改變。因此希望在導(dǎo)數(shù)信號(hào)的過(guò)零或零點(diǎn)(null point)附近操作原子慣性傳感器，其中靈敏度是最大化的。
[0005]為了最大化靈敏度，存在在零點(diǎn)附近操作的傳感器的很多示例。在零點(diǎn)附近維持操作的一個(gè)常用技術(shù)是提供閉環(huán)反饋。在該技術(shù)中，將傳感器輸出與零或某些其他希望的操作點(diǎn)進(jìn)行比較。開(kāi)環(huán)輸出與設(shè)置點(diǎn)(setpoint)之間的差是誤差信號(hào)。將該誤差信號(hào)反饋給傳感器上迫使傳感器將其輸出改變得更接近設(shè)置點(diǎn)的機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供一種用于慣性感測(cè)的裝置。該裝置包括至少一個(gè)原子慣性傳感器，以及可操作地耦合至原子慣性傳感器的一個(gè)或多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器。原子慣性傳感器和MEMS慣性傳感器可操作地在閉反饋環(huán)中彼此通信。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]應(yīng)理解附圖僅描繪示例性實(shí)施例并且因此不被認(rèn)為是對(duì)范圍的限制，將通過(guò)使用附圖利用附加特性和細(xì)節(jié)來(lái)描述示例性實(shí)施例，在附圖中:
圖1是示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的閉環(huán)原子慣性傳感器中的原子的基態(tài)(groundstate)和激發(fā)態(tài)(excited state)的不意圖；
圖2是提供根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的原子慣性傳感器的閉環(huán)控制的用于慣性感測(cè)的裝置的框圖；以及
圖3是示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的閉環(huán)原子慣性傳感器中的干涉儀軌跡(interferometer trajectory)的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 在以下詳細(xì)描述中，參考形成其部分的附圖，并且其中通過(guò)舉例的方式示出具體示范示例。應(yīng)該理解，可以利用其他實(shí)施例，并且可以進(jìn)行邏輯、機(jī)械和電氣改變。而且，在附圖中和說(shuō)明書中呈現(xiàn)的方法不應(yīng)被認(rèn)為限制了可以執(zhí)行單獨(dú)步驟的順序。因此，以下詳細(xì)描述不應(yīng)在限制意義上領(lǐng)會(huì)。
[0009]提供一種閉環(huán)原子慣性傳感器。將反饋技術(shù)應(yīng)用于原子慣性傳感器以增強(qiáng)傳感器靈敏度。在一種方法中，在閉環(huán)反饋控制中采用相移以改進(jìn)原子慣性傳感器的靈敏度。
[0010]在一個(gè)示例中，通過(guò)使用鎖定到主激光器(master laser)的鎖定電路來(lái)改變最終重組和讀出光脈沖的相對(duì)相位。主激光器提供穩(wěn)定的參考頻率。其他頻率相對(duì)于主激光器改變了某些可變偏移。改變從激光器的光學(xué)相位，直至發(fā)現(xiàn)所有原子處于基態(tài)。如果調(diào)諧檢測(cè)器以檢測(cè)相對(duì)于激發(fā)態(tài)布居的相位的導(dǎo)數(shù)，則這產(chǎn)生零位信號(hào)(null signal)。為了維持零必須調(diào)諧的光學(xué)相位的量被用作輸出信號(hào)，其可以與增值旋轉(zhuǎn)(delta rotation)或增值速率(delta velocity)的測(cè)量相關(guān)。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，來(lái)自MEMS振動(dòng)傳感器的直接輸入用于使原子干涉儀的相位讀出歸零(nul I),這使能了閉環(huán)操作。
[0012]可以實(shí)現(xiàn)若干物理機(jī)制用于向原子慣性傳感器提供反饋。在一個(gè)實(shí)施例中，可以向干涉儀的一個(gè)臂(arm)施加外部場(chǎng)，導(dǎo)致對(duì)兩個(gè)干涉儀臂的相對(duì)相位的控制。在另一實(shí)施例中，可以施加場(chǎng)梯度，該梯度提供干涉儀兩個(gè)臂之間的差別場(chǎng)(field differential)。
[0013]在其他實(shí)施例中，采用一個(gè)或多個(gè)光脈沖的相移，該相移用于重組和讀出一個(gè)或多個(gè)原子波函數(shù)的相位。
[0014]圖1是示出了在根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的閉環(huán)原子慣性傳感器100中的原子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的示意圖，該實(shí)施例使用三個(gè)激光束脈沖。以下等式描述了原子慣性傳感器100的操作:
【權(quán)利要求】
1.一種用于慣性感測(cè)的裝置，該裝置包括: 至少一個(gè)原子慣性傳感器；以及 可操作地耦合至原子慣性傳感器的一個(gè)或多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器； 其中原子慣性傳感器和MEMS慣性傳感器可操作地在閉反饋環(huán)中彼此通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括: 與原子慣性傳感器光學(xué)通信的多個(gè)激光設(shè)備，其中激光設(shè)備包括: 發(fā)射第一束和第二束的主激光器； 發(fā)射第一束和第二束的第一從激光器；以及 發(fā)射第一束和第二束的第二從激光器； 一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件，該一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件對(duì)來(lái)自主激光器的第一束和來(lái)自第一從激光器的第一束定向以彼此干涉并且在第一光電檢測(cè)器處生成第一射頻信號(hào)； 一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件，該一個(gè)或多個(gè)光學(xué)部件對(duì)來(lái)自主激光器的第二束和來(lái)自第二從激光器的第一束定向以彼此干涉并且在第二光電檢測(cè)器處生成第二射頻信號(hào)； 校準(zhǔn)單元，該校準(zhǔn)單元基于對(duì)來(lái)自原子慣性傳感器的原子數(shù)據(jù)的比較來(lái)針對(duì)MEMS偏差和標(biāo)度因子誤差進(jìn)行修正，其中校準(zhǔn)單元`將從MEMS陀螺儀接收的旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一頻率偏移，并且將從MEMS加速度計(jì)接收的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二頻率偏移； 掃頻生成器，其從校準(zhǔn)單元接第一和第二頻率偏移； 第一混頻器，其從掃頻生成器接收第一掃頻信號(hào)并且從第一光電檢測(cè)器接收第一射頻信號(hào)，其中第一混頻器將第一掃頻信號(hào)與第一射頻信號(hào)進(jìn)行比較并且生成被發(fā)送到第一低通濾波器的頻率偏移鎖定信號(hào)，其中第一低通濾波器向第一從激光器發(fā)送經(jīng)濾波的信號(hào)以調(diào)整其頻率，使得由第一從激光器發(fā)射的第二束處于調(diào)整的頻率并且被定向到原子慣性傳感器的第一輸入；以及 第二混頻器，其從掃頻生成器接收第二掃頻信號(hào)并且從第二光電檢測(cè)器接收第二射頻信號(hào)，其中第二混頻器將第二掃頻信號(hào)與第二射頻信號(hào)進(jìn)行比較并且生成被發(fā)送到第二低通濾波器的頻率偏移鎖定信號(hào)，其中第二低通濾波器向第二從激光器發(fā)送經(jīng)濾波的信號(hào)以調(diào)整其頻率，使得由第二從激光器發(fā)射的第二束處于調(diào)整的頻率并且被定向到原子慣性傳感器的第二輸入。
3.一種用于慣性感測(cè)的方法，該方法包括: 提供一種慣性感測(cè)裝置，該裝置包括: 至少一個(gè)原子慣性傳感器；以及 可操作地與原子慣性傳感器通信的多個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器，MEMS慣性傳感器包括至少一個(gè)MEMS陀螺儀和至少一個(gè)MEMS加速度計(jì)； 其中原子慣性傳感器和MEMS慣性傳感器可操作地在閉反饋環(huán)中彼此通信； 對(duì)來(lái)自主激光器的第一束和來(lái)自第一從激光器的第一束定向以彼此干涉并且生成第一射頻信號(hào)； 對(duì)來(lái)自主激光器的第二束和來(lái)自第二從激光器的第一束定向以彼此干涉并且生成第二射頻信號(hào)； 將從MEMS陀螺儀接收的旋轉(zhuǎn)速率信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一頻率偏移； 將從MEMS加速度計(jì)接收的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二頻率偏移；從第一和第二頻率偏移生成掃頻信號(hào)； 將掃頻信號(hào)與第一射頻信號(hào)進(jìn)行比較以生成第一頻率偏移鎖定信號(hào)； 將掃頻信號(hào)與第二射頻信號(hào)進(jìn)行比較以生成第二頻率偏移鎖定信號(hào)； 向第一從激光器發(fā)送第一頻率偏移鎖定信號(hào)以調(diào)整其頻率，使得第一從激光器以調(diào)整的頻率發(fā)射第二束，該第二束被定向到原子慣性傳感器；并且 向第二從激光器發(fā)送第二頻率偏移鎖定信號(hào)以調(diào)整其頻率，使得第二從激光器以調(diào)整的頻率發(fā)射第二束，該第二束被定向到原子慣性傳感器。
【文檔編號(hào)】G01P15/00GK103512568SQ201310258666
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】J.S.斯特拉布利, K.薩利特, M.K.薩利特, K.D.納爾遜, R.坎普頓 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司