适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法与流程

本发明涉及重力测量领域，尤其涉及一种适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法。

背景技术：

原子干涉重力仪可以测量重力加速度的绝对值，相对于传统的激光干涉绝对重力仪，其具有测量频率高和潜在灵敏度高的优点，可广泛应用于惯性导航，地球物理研究，资源勘探等领域。

在原子干涉重力仪中利用激光冷却陷俘原子，并经态制备与选速之后得到窄带速度分布的原子。如图1所示的是两束拉曼激光合束后通过扩束准直器和反射镜作用于原子团，所示的拉曼光1与经反射镜反射后相向传播的拉曼光2满足双光子共振条件，可以对原子加速和减速，从而实现原子的分束、反射、合束等相干操控。拉曼光1与拉曼光2之间的相位是锁定的，如果拉曼光1的波矢为而拉曼光2的波矢为则原子感受到的等效波矢为

如图2所示的是原子干涉仪的干涉过程，以时间间隔为t的三次对射拉曼光脉冲对原子进行相干操作。在该干涉过程中，重力引起的原子相位变化为keffgt²，其中g为重力加速度。拉曼光方向经精细调节与重力加速度方向重合。对射拉曼光的频率之差会以特定的速率α扫描来补偿原子自由下落的多普勒频移。该团原子在拉曼光操纵下在重力中相干演化时，其两个基态能级上的原子布居数会发生改变，通过测量原子荧光信号可以得到该团原子在两个基态上的布居数分布n1和n2，从而计算出到第一个基态的跃迁几率p＝n1/(n1+n2)，其计算公式为：

p＝a+bcos((keffg-α)t²)

其中，a与b为拟合参数，通常是通过改变扫描频率速率α的值，来得到一个以α为横坐标，跃迁几率p为纵坐标的正弦曲线来拟合得到g的值。当然也可通过这个计算公式以其它的方式得到重力加速度g值。每一次制备特定原子并得到跃迁几率p的过程就是一次时序循环。

在上述拉曼光干涉过程中，存在诸多噪声干扰影响原子布局数p测量的对比度和稳定性，实际的干涉曲线可表示为：

p＝a+bcos((keffg-α)t²+δφnoise),

其中，振动噪声是其中最主要的噪声来源。

下面通过图1以及图2来说明振动是如何对重力测量造成影响的。虽然拉曼光1与拉曼光2是同时从扩束准直器出来的，但是拉曼光2是通过反射镜反射以后与拉曼光1对射作用于原子的，所以当拉曼光反射镜振动时，会将一个多余的相位δφz引入到原子与光相互作用的过程中。

振动所致相移δφz为未知的，会在拟合中引入噪声从而引起g值测量灵敏度的降低，而如果测量并计算出δφz，就可以将振动带来的影响去除从而提高重力仪的测量灵敏度。

但是，振动噪声的主动有效抑制是非常繁琐困难的，同时会增加装置的复杂度和体积，目前也没有较为有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法，极大地消除了振动噪声，提高了重力测量的灵敏度和稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法，包括：

采集拉曼光反射镜三个维度的振动信号；

对所述三个维度的振动信号分别进行包含去噪与畸变修正的预处理；

对预处理后的三个维度的振动信号的耦合进行修正，得到修正后的竖直方向的振动所致相移；

利用预先一一记录的三个维度的振动信号与重力仪原子布居数信号的关系，扣除修正后的竖直方向的振动所致相移，得到没有振动噪声的重力仪原子布居数信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过测量拉曼光反射镜三个维度的振动信号并进行综合处理从而得到更为准确的重力仪振动所致相移，利用该相移扣除振动噪声后得到更为精确的测量结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的原子重力仪拉曼光示意图；

图2为本发明背景技术提供的原子重力仪干涉过程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法示意图；

图4为本发明实施例提供的振动测量模块测量轴与重力方向不一致时所成的角的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种适用于原子干涉重力仪的振动噪声修正补偿方法，该方法将测得的拉曼光反射镜三个维度的振动信号进行综合处理从而得到更为准确的重力仪的振动所致相移，利用该相移扣除振动噪声后得到更为精确的测量结果。

在重力仪探头中，激光冷却陷俘原子，并经态制备与选速之后得到窄带速度分布的原子，以时间间隔为t的三次对射拉曼光脉冲对原子进行相干操作，然后对原子所处的内态进行探测，得到原子布居数信号，并传入信号采集处理模块，在对原子进行相干操作的期间记录下振动信号，也传入信号采集处理模块，在信号采集处理模块中进行处理减除重力仪的振动噪声，最后输出重力加速度g值。

在信号采集处理过程中进行了四个步骤的处理以剔除振动噪声从而提高重力仪测量灵敏度，下面结合附图3对处理过程进行详细的说明。如图3所述，主要过程包括：

步骤一、采集拉曼光反射镜三个维度的振动信号。

本发明实施例中，所述三个维度的振动信号包括：拉曼光反射镜一个竖直方向以及两个正交水平方向共三个维度的振动信号。所述三个维度的振动信号的采集时间段对应于拉曼干涉过程，并且在拉曼干涉过前后多采集若干毫秒以包含整个干涉时间段。同时，在采集三个维度的振动信号时一一记录三个维度的振动信号与重力仪原子布居数信号，使三个维度的振动信号与重力仪原子布居数信号对应于相同的时序循环。

采集得到的振动信号记为其中i＝1,2,3,…代表第i次时序循环，r＝1,2,3,…,n代表第i次时序循环中记录的第r个记录的振动信号，下标x，y，z依次代表振动测量模块两个正交水平和一个竖直输出信号。而对应的干涉仪时序循环中得到原子布居数信号为和从而计算出到第1个基态的跃迁几率为其中i＝1,2,3,…代表第i次时序循环。

步骤二、对所述三个维度的振动信号分别进行包含去噪与畸变修正的预处理。

本步骤所述的预处理包括：去除三个维度的振动信号的高频噪声成分，并修正由振动测量模块带宽有限导致的相频与幅频畸变；其中：

1、去除三个维度的振动信号的高频噪声成分。

利用离散傅里叶变换与离散傅里叶逆变换将所述步骤一中三个维度的振动信号高频噪声成分去除掉。

对于任一个维度的振动信号，首先利用离散傅里叶变换将振动信号由时域变换到频域，然后对频域的振动信号施加离散傅里叶逆变换，得到时域去除高频噪声成分的振动信号。为了便于理解，下面以示例的形式给出这一实现过程的方式，值得强调的是，下述内容并非对实现过程的方式构成限制。

其中，s＝1,2,3,…,n代表第i次时序循环中记录的第s个记录的振动信号值，当s<r时ρs＝1，当s>r时ρs＝0，r用于调节特定的截止频率，该频率以上的高频信号为要去掉的噪声，利用该方法去除高频噪声成分，得到的即为去除高频噪声之后的信号，其中β＝x，y，z，依次代表振动测量模块两个正交水平和一个竖直输出信号，i＝1,2,3,…代表第i次时序循环。

2、修正由振动测量模块带宽有限导致的相频与幅频畸变。

振动测量模块带宽不是无限的，在超出振动测量模块带宽的频段，其相频与幅频曲线会与真实的振动信号产生偏离，为了去除其相频与幅频畸变，就需要对测量得到所述振动信号的相频与幅频曲线进行修正。

本发明实施例中，利用一个一阶相位补偿滤波器进行相频畸变修正，然后利用一个只改变幅频曲线不改变相频曲线的滤波器进行幅频畸变修正。所述只改变幅频曲线不改变相频曲线的滤波器包括：两个低通滤波器；其中，去除高频噪声成分的振动信号先通过第一个低通滤波器，再逆序以后通过第二个低通滤波器。

下面以示例的形式给出相关的修正方式：

1)将得到的去除高频噪声成分的序列(也即下面第一个公式中的u1(n))通过以下相位补偿滤波器的时域公式：

2)将得到的输出序列通过低通滤波器的时域公式：

3)将得到的输出序列按如下方式通过低通滤波器的时域公式：

其中，ω1与ω0为相位补偿滤波器的两个截止角频率，ωc为低通滤波器的截止角频率，δt为振动信号采样的时间间隔，u1(n),n＝2,3,…,n代表输入的数字信号序列；而u4(n),n＝2,3,…,n代表输出的数字信号序列，其中n为序列u1(n)的长度。

第一次通过相位补偿滤波器将振动信号的相移修正回去，而后面两次通过低通滤波器并且中间进行一次序列反转是为了组成一个只改变幅度，不改变相位的非因果滤波器将较高频段信号的幅度修正回去。经过滤波器后得到的振动信号序列u4(n)为其角标与前述意义一致。

步骤三、对预处理后的三个维度的振动信号的耦合进行修正，得到修正后的竖直方向的振动所致相移。

1、分别计算竖直方向以及两个正交水平方向的振动所致的相移。

拉曼光反射镜的振动引起拉曼光相位的抖动从而影响到重力仪原子布居数信号，通过振动信号积分出位移进一步算出拉曼光的相位抖动，从而计算出重力仪振动所致相移。

利用前述步骤二处理过后的信号计算出三分量的重力仪振动所致相移。参照图3原子干涉重力仪的干涉过程，假设在第一次对射拉曼光时所采集到的是第n0个振动信号，则第二次对射拉曼光时所采集到的为第n1＝n0+[t/δt]个振动信号，其中[]表示取整，而第三次对射拉曼光时所采集到的为第n2＝n0+2[t/δt]个振动信号

竖直方向的振动所致相移的计算公式如下：

其中，z(0)是第一次对射拉曼光脉冲时反射镜的位移，z(t)是第二次对射拉曼光脉冲时反射镜的位移，z(2t)是第三次对射拉曼光脉冲时反射镜的位移，是振动信号所致相移，keff为原子感受到的等效波矢。

利用同样的公式可以算出两个水平方向的振动所致相移：

其中，i＝1,2,3,…均代表第i次时序循环。

2、进行如下两个方面的耦合修正。

1)振动测量模块引入的串扰耦合的去除。

由于振动测量模块水平信号到竖直信号之间存在一定的串扰，这就导致所述振动所致相移的竖直方向有一定的水平成分，因而，将竖直方向的振动所致相移减去一定比例的两个正交水平方向的振动所致相移，得到去串扰耦合的竖直方向的振动所致相移。

上述过程表示为：

上式中，kx与ky代表着水平两个分量的耦合系数。

2)振动测量模块的竖直测量轴与真实竖直方向不重合所致耦合的去除。

由于振动测量模块的测量轴不一定与重力方向完全重合，所以其测量得到的三个维度的所述振动所致相移与真实的三个维度的振动所致相移之间存在一个坐标变换关系，因而，利用三个维度的振动所致相移进行坐标变换得到实际竖直方向的振动所致相移。

下面结合图4作进一步说明，分别与图4中的x、y、z重合。图4中的x、y、z分别代表振动测量模块两正交水平和一个竖直方向的测量轴，而图4中的v则代表重力轴，而图中θ与φ角表示所述测量轴与重力方向不重合产生的两个偏角，将向v轴方向投影即可得修正公式：

上式中，表示修正后的竖直方向的振动所致相移。

步骤四、利用预先一一记录的三个维度的振动信号与重力仪原子布居数信号的关系，扣除修正后的竖直方向的振动所致相移，得到没有振动噪声的重力仪原子布居数信号。

重力仪布居信号pi与前述步骤三得到的有如下的关系：

其中，a为干涉条纹的偏置值，b为干涉条纹的振幅，t为原子干涉重力仪中相邻两次拉曼光脉冲的时间间隔。利用该关系可以将振动引入的重力仪相移去除掉，从而得到没有振动噪声的原子干涉重力仪布居信号pi(real)进而提高原子干涉仪的测量灵敏度。本发明可以有效补偿剔除振动噪声对拉曼光相位的影响，提高原子重力仪重力测量灵敏度和应用环境的适应性。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。