本發(fā)明涉及一種基于極化子sagnac相位的角速率高精度檢測(cè)方法，適用于常溫波色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)量子陀螺新技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

技術(shù)背景

自1850年法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科發(fā)現(xiàn)并命名陀螺儀以來(lái)，陀螺儀作為主要的慣性導(dǎo)航檢測(cè)設(shè)備，在航海、航空、航天、導(dǎo)彈、汽車等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺儀和基于sagnac效應(yīng)的激光陀螺儀、光纖陀螺儀的精度、靈敏度的提高和體積、重量、功耗的小型化之間存在矛盾，已進(jìn)入精度和靈敏度的發(fā)展瓶頸。近年來(lái)量子物理學(xué)和低溫物理學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，帶來(lái)了革命性的影響，出現(xiàn)了一系列超高精度超高靈敏度的量子陀螺儀，引起了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃研究署制定了“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”(pins)，將以量子效應(yīng)為核心的量子慣性傳感技術(shù)視為下一代主導(dǎo)慣性技術(shù)。

飛行器角速率是確定飛行器姿態(tài)所必需的重要參數(shù)，其測(cè)量技術(shù)在國(guó)防技術(shù)中占有非常重要的地位。現(xiàn)有的飛行器角速率的高精度測(cè)量方法主要采用激光陀螺和光纖陀螺這兩類光學(xué)陀螺。激光陀螺的方法精度較高，但加工復(fù)雜且存在零點(diǎn)漂移和閉鎖問(wèn)題，同時(shí)噪聲來(lái)源較多；光纖陀螺雖然加工簡(jiǎn)單，精度高，但系統(tǒng)穩(wěn)定性差，體積大，成本較高,且抗沖擊性能較差，存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題，同時(shí)由于精度和體積的矛盾使得精度受到很大的限制。從技術(shù)水平上來(lái)說(shuō)，我國(guó)光學(xué)陀螺技術(shù)起步較晚，雖然取得很多可喜的成就，但總體水平仍落后于西方國(guó)家，且由于工藝水平原因，使得實(shí)際應(yīng)用方面的差距更大；基于常溫bec的量子陀螺是目前提出的新概念陀螺，精度高，穩(wěn)定性好，體積小，解決了精度和體積之間的矛盾，具有誘人的發(fā)展前景。

利用渦旋光測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體角速率的方法在國(guó)際上出現(xiàn)不久，由于這種方法的優(yōu)越性且其精度巨大的提升空間受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。1997年圣安德魯斯大學(xué)j.courtial等人觀測(cè)到旋轉(zhuǎn)渦旋光束會(huì)產(chǎn)生頻移現(xiàn)象。2013年英國(guó)物理學(xué)家馬丁·拉弗瑞(martinlavery)和他的同事提出利用渦旋光測(cè)量旋轉(zhuǎn)金屬圓盤角速率的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。光在干涉環(huán)中相向傳播，兩束光之間的相位差會(huì)隨著干涉環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化，相位差只與干涉環(huán)面積和轉(zhuǎn)速有關(guān)，這就是光的sgnac效應(yīng)。極化子可在微腔中實(shí)現(xiàn)，是激子、光子發(fā)生強(qiáng)耦合的準(zhǔn)粒子，由于受到渦旋光的激發(fā)，極化子會(huì)繼承渦旋光的相位信息，大量的極化子之間發(fā)生干涉，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成極化子的sagnac相位，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)極化子sagnac相位與系統(tǒng)的角速率有著緊密的聯(lián)系，將極化子sagnac相位的高精度檢測(cè)方法應(yīng)用到飛行器角速率測(cè)量中在國(guó)內(nèi)尚屬首次公開(kāi)提出，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

激光陀螺、光纖陀螺可以通過(guò)光的sagnac效應(yīng)來(lái)檢測(cè)飛行器角速率，傳統(tǒng)的測(cè)量sagnac相位的方法是：用光電二極管測(cè)出光強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線，通過(guò)傅里葉變換到頻域觀察頻移變換，這種方法易受干擾，且噪聲明顯，精度差，這就為它的推廣和應(yīng)用帶來(lái)困難，需要新的sagnac相位檢測(cè)方法來(lái)解決這個(gè)困難。極化子sagnac相位隨角動(dòng)量數(shù)的增加而增加，相位隨角速率變化明顯，通過(guò)將極化子的光子部分干涉圖樣進(jìn)行奇偶分區(qū)，對(duì)奇偶部分的光強(qiáng)進(jìn)行空間相加、空間相減，得出相對(duì)相對(duì)光強(qiáng)差與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可應(yīng)用到檢測(cè)飛行器角速率，這種方法噪聲小，信噪比到達(dá)1所用時(shí)間少，靈敏度和精度高，是一種新的角速率高精度檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)針對(duì)精準(zhǔn)檢測(cè)飛行器角速率的問(wèn)題，提出一種基于極化子sagnac相位的角速率高精度檢測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于極化子sagnac相位的角速率高精度檢測(cè)方法，其特征在于：極化子受疊加態(tài)渦旋光的激發(fā)，極化子會(huì)輻射出大量的光子并在檢測(cè)裝置上形成干涉圖樣，將干涉圖樣沿θ＝2mπ/4l(m＝0,1,...4l-1)分成4l個(gè)區(qū)域γk(k＝1,2,...,4l)，定義i1為2l個(gè)區(qū)域γk(k＝1,3,...,4l-1)的總光強(qiáng)，i2為2l個(gè)區(qū)域γk(k＝2,4,...,4l)的總光強(qiáng)，根據(jù)疊加態(tài)渦旋光波函數(shù)，分別得出奇數(shù)空間和偶數(shù)空間總光強(qiáng)與極化子sagnac相位的關(guān)系式：

定義δ為通過(guò)空間相減得到的相對(duì)光強(qiáng)變化：

得出相對(duì)光強(qiáng)差與極化子sagnac相位之間的關(guān)系式：

得出相對(duì)光強(qiáng)差與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

從而δ可以作為陀螺信號(hào)敏感系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，利用相對(duì)光強(qiáng)差求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。i0為總光強(qiáng)，i1為奇數(shù)空間總光強(qiáng)，i2為偶數(shù)空間總光強(qiáng)，δφ為極化子的sagnac相位差，ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，l為渦旋光拓?fù)浜蓴?shù)。信噪比公式：

其中n(0)為空間時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(θ)為空間相關(guān)時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(q)為量子極限噪聲，空間累加可以減小n(q)，空間相減可以消除n(0)，n(θ)；在只考慮量子極限噪聲情況下，信噪比：

其中np為ccd檢測(cè)的總信號(hào)光子數(shù)，滿足

其中nel為單個(gè)像素點(diǎn)的滿阱電子數(shù)，npi為總像素點(diǎn)數(shù)，nfp為每秒采樣次數(shù)，t為檢測(cè)總時(shí)間?？傻?/p>

snr＝1所需的時(shí)間：

當(dāng)snr＞1時(shí)，利用相對(duì)光強(qiáng)差和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式

求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ω。

本發(fā)明的原理：

(1)極化子的sagnac相位的推導(dǎo)：

在微腔結(jié)構(gòu)中，激子、光子之間發(fā)生強(qiáng)耦合動(dòng)態(tài)過(guò)程，形成極化子，極化子不斷產(chǎn)生和湮滅，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，受到渦旋光激發(fā)影響，極化子的湮滅會(huì)輻射出大量和渦旋光相位信息一致的光子，在檢測(cè)裝置上形成干涉圖樣。由于極化子的光子部分，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，可由輻射出的大量的光子的sagnac相位信息即為極化子的sagnac相位信息。利用廣義相對(duì)論證明光的sagnac相位，即證明極化子的sagnac相位：

當(dāng)引力存在時(shí)，時(shí)空背景是彎曲的黎曼空間其中為黎曼空間的度規(guī)張量，當(dāng)存在弱引力場(chǎng)時(shí)，它可以寫成下列形式：

gμυ＝ημυ+hμυ(22)

其中hμυ為修正項(xiàng)，它可以寫成：

其下的麥克斯韋方程為：

其中，ρ和分別為電荷密度和電流密度。

易得彎曲空間度規(guī)張量為：

這里利用了系統(tǒng)線速度為：于是就可以得到在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的麥克斯韋方程：

這里為電偶極矩。下面采用準(zhǔn)經(jīng)典近似，即：

在真空中的電偶極矩，可以得到：

波矢差δk滿足：

總相位差：

假設(shè)渦旋光在半徑為r的微元上，系統(tǒng)的線速度υr＝ωr，光的波矢滿足k＝ω/c，切向波矢kθ滿足：

rkθδθ＝lδθ(37)

可得kθ＝l/r，其中l(wèi)為軌道角動(dòng)量，波矢k和線速度υr之間的夾角α滿足：

因此：

相位差δφ可表示為：

t為檢測(cè)時(shí)間。

(2)推導(dǎo)極化子激發(fā)的渦旋光的光強(qiáng)區(qū)域分布：

極化子受疊加態(tài)渦旋光的激發(fā)，極化子會(huì)輻射出大量的光子并在檢測(cè)裝置上形成干涉圖樣如，圖1所示，將干涉圖樣沿θ＝2mπ/4l(m＝0,1,...4l-1)分成4l個(gè)區(qū)域γk(k＝1,2,...,4l)。定義i1為2l個(gè)區(qū)域γk(k＝1,3,...,4l-1)的總光強(qiáng)，i2為2l個(gè)區(qū)域γk(k＝2,4,...,4l)的總光強(qiáng)。然后檢測(cè)奇數(shù)空間的總光強(qiáng)減去偶數(shù)空間的總光強(qiáng)來(lái)作為判斷整體花瓣改變的依據(jù)。

疊加態(tài)渦旋光波函數(shù)

由光強(qiáng)分布正比于波函數(shù)的平方，可得

因此光強(qiáng)可以表達(dá)為

i(r,θ,z)＝[1+cos(2lθ)]f(r,z)(43)

在z＝z0處的總光強(qiáng)i0滿足

在初始時(shí)刻，整體慣性平臺(tái)未轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，有：

其中，n＝1,2,3....2l；

同樣可得光強(qiáng)i2，

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，疊加態(tài)渦旋光波函數(shù)：

其中δφ為相移。根據(jù)前期從廣義相對(duì)論上極化子的sagnac相位δφ＝2lωt，其中l(wèi)為渦旋光的軌道角動(dòng)量量子數(shù)，t為檢測(cè)時(shí)間。

其光強(qiáng)分布為：

i(r,θ,z)＝[1+cos(2lθ+δφ)]f(r,z)(48)

光強(qiáng)i1

其中，n＝1,2,3....2l；

同樣由于總光強(qiáng)不變，光強(qiáng)i2

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，光強(qiáng)i1和i2滿足

其中i0為總光強(qiáng)，δφ為sagnac相位差。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中i1和i2通過(guò)空間累加

得到。定義δ為通過(guò)空間相減得到的相對(duì)光強(qiáng)變化

得出相對(duì)光強(qiáng)差與極化子sagnac相位之間的關(guān)系式：

得出相對(duì)光強(qiáng)差與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

從而δ可以作為陀螺信號(hào)敏感系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，利用相對(duì)光強(qiáng)差求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。i0為總光強(qiáng)，i1為奇數(shù)空間總光強(qiáng)，i2為偶數(shù)空間總光強(qiáng)，δφ為極化子的sagnac相位差，ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，l為渦旋光拓?fù)浜蓴?shù)。

(3)推導(dǎo)snr＝1達(dá)到的時(shí)間：

信噪比公式：

其中n(0)為空間時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(θ)為空間相關(guān)時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(q)為量子極限噪聲，空間累加可以減小n(q)，空間相減可以消除n(0)，n(θ)；在只考慮量子極限噪聲情況下，信噪比：

其中np為ccd檢測(cè)的總信號(hào)光子數(shù)，滿足

其中nel為單個(gè)像素點(diǎn)的滿阱電子數(shù)，npi為總像素點(diǎn)數(shù)，nfp為每秒采樣次數(shù)，t為檢測(cè)總時(shí)間?？傻?/p>

snr＝1所需的時(shí)間：

當(dāng)snr＞1時(shí)，利用相對(duì)光強(qiáng)差和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式

求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ω。

本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案相比，主要優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的光路和繁多的傳感和機(jī)械設(shè)備；質(zhì)量小，所用設(shè)備較少且質(zhì)量都較?。?/p>

(2)更具有可實(shí)施性，限制和影響因素大大減少，精度高且具有較大提升空間，由原理知，本方案采用空間累加，可以有效消減噪聲，提高信噪比，誤差來(lái)源大大減少，較以往方案有著極大的優(yōu)勢(shì)。

(3)由于施加到極化子的光源是螺旋方向相反的兩束光形成的疊加態(tài)，并且極化子的激發(fā)光繼承了它的特性，因此自帶一定的雜波消除功能，減少了誤差來(lái)源，提高了結(jié)果的靈敏度和可測(cè)量性。

附圖說(shuō)明

圖1為方法示意圖

圖2為渦旋光敏感檢測(cè)機(jī)理圖

圖3極化子sagnac相位檢測(cè)裝置

具體實(shí)施方案

請(qǐng)參照?qǐng)D1、圖2和圖3，結(jié)合下面的具體實(shí)施步驟：

(1)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算相對(duì)光強(qiáng)變化。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，光強(qiáng)i1和i2滿足

定義δ為通過(guò)空間相減得到的相對(duì)光強(qiáng)變化：

得出相對(duì)光強(qiáng)差與極化子sagnac相位之間的關(guān)系式：

得出相對(duì)光強(qiáng)差與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

從而δ可以作為陀螺信號(hào)敏感系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，利用相對(duì)光強(qiáng)差求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。i0為總光強(qiáng)，i1為奇數(shù)空間總光強(qiáng)，i2為偶數(shù)空間總光強(qiáng)，δφ為極化子的sagnac相位差，ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，l為渦旋光拓?fù)浜蓴?shù)。信噪比公式：

其中n(0)為空間時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(θ)為空間相關(guān)時(shí)間無(wú)關(guān)噪聲，n(q)為量子極限噪聲，空間累加可以減小n(q)，空間相減可以消除n(0)，n(θ)；在只考慮量子極限噪聲情況下，信噪比：

其中np為ccd檢測(cè)的總信號(hào)光子數(shù)，滿足

其中nel為單個(gè)像素點(diǎn)的滿阱電子數(shù)，npi為總像素點(diǎn)數(shù)，nfp為每秒采樣次數(shù)，t為檢測(cè)總時(shí)間?？傻?/p>

信噪比達(dá)到1所需的時(shí)間：

對(duì)于orca-flash4.0lt相機(jī)，nel＝3×10⁴，npi＝4×10⁶，nfp＝30fps，渦旋光測(cè)試系統(tǒng)l＝50，l＝0.8m，將式(46)和(51)聯(lián)立可得t關(guān)于ω的表達(dá)式

由于snr＝1的時(shí)間很短，所以，可以理解為瞬時(shí)檢測(cè)，snr＞1時(shí)，利用相對(duì)光強(qiáng)差和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式

求出系統(tǒng)轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。