超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法技术

超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法，以拉曼光反射镜为控制对象，针对0.008‑10赫兹的地脉振动扰动，运用滑模控制算法实现拉曼光反射镜对振动隔离，超低频检测模块测量拉曼光反射镜地脉振动的速度信号，将振动速度信号积分变成位移信号，滑模控制器模块将反射镜振动速度信号和位移信号作为输入信号，利用滑模控制算法进行计算，将输出的控制信号输入到电压转电流模块，输出的电流输入到执行器件音圈电机中，产生与地脉振动相反的力信号实现隔振。并将控制效果与现有的带滞后补偿的滤波器方法进行比较，通过仿真实验已经证明了该方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法。
技术介绍
原子干涉仪是基于冷原子物质波干涉的一种新型重力仪，它一出现便引起了人们的广泛关注。近二十年来，原子干涉仪得到飞速发展，它们在基础科学和应用科学都有着非常广阔的应用前景。原子干涉仪可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域。在原子干涉仪以及相关的精密测量实验中，振动是影响精度的一个不可忽略的因素，因此原子干涉仪对振动的隔离提出了较高的要求，在原子下落时间内需要对原子团施加拉曼光脉冲、对原子的内态和动能进行控制以实现原子干涉环路，而置于原子干涉仪顶部的拉曼光反射镜的机械振动幅度应远小于激光的波长，否则频率为超低频地脉振动将导致拉曼光位相混乱，原子干涉的信号将完全被噪声淹没。控制理论与算法的研究是智能结构振动主动控制系统设计的关键问题，控制算法性能的优劣将直接影响系统响应过程以及最终控制效果，人们要求它除了具有响应速度快、计算精度高、还要有较好的鲁棒性。目前，常用振动隔离的方法主要是被动隔振结构，即在振动结构表面粘贴或在其内部嵌入粘弹性材料，使阻尼材料在变形中消耗更多结构振动能量达到振动控制之目的。这些方法的优点是减振系统的可靠性较高、稳定性好，但系统一旦制作完成，很难改变其隔振特性，且对精密仪器和微纳米设备的隔振效果不佳，对稍高精度要求的精密隔振系统，被动隔振的局限性就暴漏出来了。一方面被动隔振对低频振动的隔离效果不是很好，另一方面阻尼的增加会使得隔振效率降低但阻尼又会对降低共振区的振幅有很大的贡献这种矛盾在被动隔振无法得到有效的解决目前国内外冷原子干涉仪的拉曼反射镜的隔振大多采用带滞后补偿的滤波器构成。目前，原子干涉仪隔振系统研究成果有：发表于《量子电子学报》的文章《原子干涉仪中的超低频隔振系统的设计和仿真》。控制器由低通滤波器和带滞后补偿的滤波器构成，最后在仿真结果中对于0.3-10赫兹的振动都小于原始振动信号的1％，0.1赫兹的振动为原始振动信号的20％，而本系统基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振系统在仿真结果中对于0.008-10赫兹的范围内的振动衰减都优于上述文章的指标。而且经过初步检索，查找到一些与冷原子干涉仪的拉曼反射镜的隔振相关的文章及技术方案，并未发现滑模控制算法在原子干涉仪隔振系统应用相关的资料。现有的隔振的方法，对于0.1赫兹以下的地脉振动隔离无法得以保证，并且对于超低频的地脉振动隔离效果指标还有待于提高，而且现有的振动的控制方法没有考虑到环境振动的影响因素。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的上述缺点，针对原子干涉仪中拉曼光反射镜对振动隔离的特殊要求，提出一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法。本专利技术以拉曼光反射镜为控制对象，针对0.008-10赫兹的地脉振动扰动，运用滑模控制算法实现拉曼光反射镜对振动隔离，并将控制效果与现有的带滞后补偿的滤波器方法进行比较，通过仿真实验已经证明了该方法比目前的方法隔振效果提高了1000倍以上。本专利技术还提出了一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振系统装置。本专利技术所采用的技术方案：首先，通过分析不同地脉振动频率对原子干涉仪的影响，确定需要隔振的频率范围，采用地震仪检测拉曼反射镜的振动的速度和位移信号，将其作为输入信号通过编程的方式实现滑模算法控制模块，输出的控制信号转换为电流信号后接入执行器音圈电机当中，产生与振动相反的力达到隔振的效果。在滑模控制算法中给出数学表达式，并通过严格的数学分析证明了该算法的稳定性，参照图2，图2为冷原子干涉仪超低频隔振系统原理图，首先分析各个模块的数学模型，随后得到整个系统的数学模型，经过仿真取得的隔振效果和现有的方法进行比较，证明基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振的效果优于现有的方法取得的效果。本专利技术提出了基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振系统,利用地震仪检测拉曼反射镜的振动的速度和位移信号，将其作为输入信号通过编程方式实现的滑模算法控制模块，输出的控制信号转换为电流信号后接入执行器音圈电机当中，产生与振动相反的力达到隔振的效果。本专利技术的一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法，具体包括如下步骤：1)分析地脉振动不同频率对原子干涉仪相位影响。原子干涉仪的相位偏移的公式为： ( σ φ r m s ) 2 = ∫ 0 ∞ | H a ( w ) | 2 S a ( w ) d w ]]>w＝2πfσφrms为原子干涉仪的相位偏移，Ha(w)为原子干涉仪的振动加速度相位方差的频谱权重，Sa(w)为振动加速度的功率谱密度，f为地脉振动频率，w为地脉振动角频率，通过分析可以得出振动的频率越低，对相位方差的频谱权重影响越大，所以本系统关注的地脉振动的频率范围为0.008～10赫兹之间。2)测试地面的振动，采用地震仪测试地面的振动，测3个方向的振动，选型的地震仪测量噪声在1/120-50赫兹的测量范围精度是10-9g/Hz1/2，其中g为1个重力加速度单位，Hz为赫兹，输出的速度的信号采用差分形式的输出方式，传感器的极点为-11×10-3±i11.78×10-3，-160，-80，-180，其中i为虚数单位，选型的地震仪传递函数为: 2.304 × 10 6 × z 2 z 5 + 2639 × z 4 + 2.211 × 10 6 × z 3 + 5.718 × 10 8 × z 2 + 8.463 × 10 7 × z + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法，具体包括如下步骤：1)分析地脉振动不同频率对原子干涉仪相位影响；原子干涉仪的相位偏移的公式为：(σφrms)2=∫0∞|Ha(w)|2Sa(w)dw]]>w＝2πfσφrms为原子干涉仪的相位偏移，Ha(w)为原子干涉仪的振动加速度相位方差的频谱权重，Sa(w)为振动加速度的功率谱密度，f为地脉振动频率，w为地脉振动角频率，通过分析可以得出振动的频率越低，对相位方差的频谱权重影响越大，所以本系统关注的地脉振动的频率范围为0.008～10赫兹之间；2)测试地面的振动，采用地震仪测试地面的振动，测3个方向的振动，选型的地震仪测量噪声在1/120‑50赫兹的测量范围精度是10‑9g/Hz1/2，其中g为1个重力加速度单位，Hz为赫兹，输出的速度的信号采用差分形式的输出方式，传感器的极点为‑11×10‑3±i11.78×10‑3，‑160，‑80，‑180，其中i为虚数单位，选型的地震仪传递函数为:2.304×106×z2z5+2639×z4+2.211×106×z3+5.718×108×z2+8.463×107×z+6.262×106]]>其中z为复数自变量；3)设计滑模控制算法；为了隔离地脉振动对反射镜的影响，先设定对振动隔离预期值r＝0，选定振动的位移误差d和速度误差v作为控制器输入量，滑模控制律为u为输出量；设计振动滑模控制切换函数为s(x,t)＝ce＝c1d+c2v，其中x为状态变量，t为时间量，e为振动控制的误差信号，c为跟踪误差系数，c1、c2分别为振动的位移误差d和振动的速度误差v的系数，其中，为振动的位移误差d的一阶导数，当s(x,t)＝0时，收敛结果为d(t)＝d(0)d‑ct，d(t)为振动的位移误差的随时间变化的函数，d(0)为振动的位移误差在时间为0时的初始值。即当t→∞时，∞为无穷大，位移误差指数收敛于零，收敛速度取决于c值，因此，滑模控制切换函数s(x,t)的收敛性意味着位置跟踪误差d和速度跟踪误差的收敛性。如果系统初始点不在s(x,t)＝0附近，而是在状态空间的任意位置，此时要求系统的运动必须趋向于切换面函数s(x,t)＝0，即必须满足可达性条件。滑模控制律可由等效控制ueq和切换鲁棒控制usw构成，通过取为s(x,t)的一阶导数，可以容易得到滑模控制律u的等效项ueq，然后令u＝ueq+usw，通过分析并将u＝ueq+usw代入，使成立，|s(x,t)|为s(x,t)的绝对值，η为|s(x,t)|的系数，从而可得到滑模控制律u的切换鲁棒项usw。等效控制保证系统的状态在滑模面上，切换控制保证系统的状态不离开滑模面。不考虑干扰和不确定性，被控对象描述为：d··=f(x,t)+bu]]>其中为振动的位移误差d的二阶导数，f(x,t)为被动隔振数学模型，b为滑模控制律u的系数，对于理想的滑模状态，系统进入到滑模面后状态保持在切换面上，为使滑模运动通过原点，满足等效控制器设计为：ueq=1b(c1d·-f(x,t))]]>ueq为等效控制器的输出，为振动的位移误差d的一阶导数，为了保证滑模到达条件成立，即设计切换控制如下：usw=1bK sgn(s(x,t))]]>sgn(s(x,t))=1s(x,t)>00s(x,t)=0-1s(x,t)<0]]>sgn(s(x,t))为符号函数，K为符号函数系数，滑模控制律u由等效控制项ueq和切换控制项usw组成，即u=ueq+usw=1b(c1d·-f(x,t)+1bK sgn(s(x,t)))]]>4)将滑模控制律u变成电流信号I：I＝kvcukvc为电压转电流的系数，音圈电机输出的力为FaFa＝kaIka为音圈电机电流转化为力的系数；5)得出整个系统的闭环传递函数G(w)为：G(w)=Gpassive(w)1+Gforce(w)]]>Gpassive(w)为被动隔振平台传递函数，Gforce(w)为音圈电机的力施加到被动隔振平台的传递函数；6)得出整个时域微分方程：x··+0.1709x·+25.2662x=26sin(t)+133u]]>x为拉曼光反射镜在地脉扰动的情况下的位移，将滑模控制律u代入上述时域微分方程，仿真分析在滑模控制下振动隔离效果。...

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模控制算法的超低频地脉振动原子干涉仪隔振方法，具体包括如下步骤：1)分析地脉振动不同频率对原子干涉仪相位影响；原子干涉仪的相位偏移的公式为： ( σ φ r m s ) 2 = ∫ 0 ∞ | H a ( w ) | 2 S a ( w ) d w ]]>w＝2πfσφrms为原子干涉仪的相位偏移，Ha(w)为原子干涉仪的振动加速度相位方差的频谱权重，Sa(w)为振动加速度的功率谱密度，f为地脉振动频率，w为地脉振动角频率，通过分析可以得出振动的频率越低，对相位方差的频谱权重影响越大，所以本系统关注的地脉振动的频率范围为0.008～10赫兹之间；2)测试地面的振动，采用地震仪测试地面的振动，测3个方向的振动，选型的地震仪测量噪声在1/120-50赫兹的测量范围精度是10-9g/Hz1/2，其中g为1个重力加速度单位，Hz为赫兹，输出的速度的信号采用差分形式的输出方式，传感器的极点为-11×10-3±i11.78×10-3，-160，-80，-180，其中i为虚数单位，选型的地震仪传递函数为: 2.304 × 10 6 × z 2 z 5 + 2639 × z 4 + 2.211 × 10 6 × z 3 + 5.718 × 10 8 × z 2 + 8.463 × 10 7 × z + 6.262 × 10 6 ]]>其中z为复数自变量；3)设计滑模控制算法；为了隔离地脉振动对反射镜的影响，先设定对振动隔离预期值r＝0，选定振动的位移误差d和速度误差v作为控制器输入量，滑模控制律为u为输出量；设计振动滑模控制切换函数为s(x,t)＝ce＝c1d+c2v，其中x为状态变量，t为时间量，e为振动控制的误差信号，c为跟踪误差系数，c1、c2分别为振动的位移误差d和振动的速度误差v的系数，其中，为振动的位移误差d的一阶导数，当s(x,t)＝0时，收敛结果为d(t)＝d(0)d-ct，d(t)为振动的位移误差的随时间变化的函数，d(0)为振动的位移误差在时间为0时的初始值。即当t→∞时，∞为无穷大，位移误差指数收敛于零，收敛速度取决于c值，因此，滑模控制切换函数s(x,t)的收敛性意味着位置跟踪误差d和速度跟踪误差的收敛性。如果系统初始点不在s(x,t)＝0附近，而是在状态空间的任意位置，此时要求系统的运动必须趋向于切换面函数s(x,t)＝0，即必须满足可达性条件。滑模控制律可由等效控制ueq和切换鲁棒控制usw构成，通过取为s(x,t)的一阶导数，可以容易得到滑模控制律u的等效项ueq，然后令u＝ueq+usw，通过分析并将u＝ueq+usw代入，使成立，|s(x,t)|为s(x,t)的绝对值，η为|s(x,t)|的系数，从而可得到滑模控制律u的切换鲁棒项usw。等效控制保证系统的状态在滑模面上，切换控制保证系统的状态不离开滑模面。不考虑干扰和不确定性，被控对象描述为： d ·· = f ( x , t ) + b u ]]>其中为振动的位移误差d的二阶导数，f(x,t)为被动隔振数学模型，b为滑模控制律u的系数，对于理想的滑模状态，系统进入到滑模面后状态保持在切换面上，为使滑模运动通过原点，满足等效控制器设计为： u e q = 1 b ( c 1 d · - f ( x , t ) ) ]]>ueq为等效控制器的输出，为振动的位移误差d的一阶导数，为了保证滑模到达条件成立，即设计切换控制如下： u ...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗东云，吴彬，程冰，王肖隆，林强，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33