全文HTML
--> --> --> -->2.1.硬件结构
本文搭建的主动减振系统的硬件结构如图1所示. 一个商用被动减振平台(Minus K, 50BM-4)对地面上的振动进行初步的振动隔除, 该商用减振平台的竖直本征频率可以调节到0.5 Hz, 水平本征频率也能调节到0.5 Hz 左右, 其最大承重为25 kg. 一个商用的高精度地震计(Guralp, 3ESPC)放置于减振平台上, 用来测量竖直方向(Z方向)和两个水平方向(X方向和Y方向)的振动信号. 图2所示的是地震计的幅频与相频响应曲线, 图中红色实线是理论值, 黑色的点则是使用该地震计的控制与采集器(Guralp, DM24)所测的幅频与相频响应数据, 两者基本一致. 从响应曲线中可以看到地震计0.1—10 Hz频段的振动信号几乎没有失真, 这使得我们能进一步抑制该频段的振动. 通过调节配重的质量以及被动减振平台主弹簧的刚度(stiffness), 被动减振平台的竖直与水平的本征频率降低到0.5 Hz附近. 对于振动敏感的干涉仪激光反射镜被直接固定在地震计上, 同时被动减震平台上还固定有一个高精度双轴倾角计用于实时记录倾角信号以便于修正减振平台的长期倾角漂移. 三组定制音圈电机(TMEC0001-004-01A)分别置于竖直的Z方向与水平的X, Y方向, 用于提供三个维度的反馈作用力. 音圈电机的推力常数为0.12 N/A, 峰值推力为0.55 N. 为了阻隔外界声音与气流对减振系统的干扰, 整个系统的外围包覆有隔音棉.图 1 三维主动减振系统的结构示意图(地震计测量X, Y, Z三个方向的振动信号输出到低噪声电压放大器进行放大, 再经模数转换器转化为数字信号送入反馈运算器进行综合反馈运算; 得到的反馈信号经数模转换后通过压控电流源驱动音圈电机产生与平台运动方向相反的力从而抑制振动)
Figure1. Structrue of three-dimension active vibration isolator. Vibration signals measured in the X, Y, Z direction by the seismometer are amplified by a low-noise voltage amplifier, and then converted to digital signals by analog-to-digital converters and sent to a feedback unit for integrated feedback calculation. After passing digital-to-analog converters, the feedback signals drive voice coil actuators by voltage controlled current sources to generate a force opposite to movement direction of the platform to suppress vibration.
图 2 地震计的频率响应曲线(红色实线是理论计算结果, 黑色实点是实验标定的结果) (a)幅频响应; (b)相频响应
Figure2. Frequency response of the seismometer: (a) Amplitude response; (b) phase response. The red solid line is the theoretical calculation result, and the black solid dot is the experimental measurement result.
地震计测量X, Y, Z三方向的振动信号输出到低噪声电压放大器(Stanford Research Syetems, SR560)进行放大, 再分别经过一个24位的模数转换器A/D (National Instruments, NI 9239)转换为数字信号, 以实现数据采集. 一个可编程的反馈运算器(National Instruments, NI cRIO-9064) 接收到反馈信号并进行综合反馈运算生成三个方向的振动误差信号分别进行输出. 16位的数模转换器D/A (National Instruments, NI 9269)将数字误差信号转换为模拟信号, 通过压控电流源(Stanford Research Syetems CS580)驱动XYZ三个方向的音圈电机, 产生与平台运动方向相反的力来抑制振动. 其中反馈运算器还会实时将振动信号输出到电脑PC上, 通过电脑上记录的数据评估振动噪声并调节各项反馈参数.
2
2.2.反馈控制算法
反馈控制算法的结构如图3所示, 其在图1中的反馈控制器中实施. 对于原子干涉仪而言, 只有竖直方向上的振动才会对测量结果造成影响, 所以我们构建主动减振系统的主要目的是抑制竖直方向上的振动. 因此首先将竖直方向(Z方向)的振动输入信号图 3 反馈控制算法示意图(
Figure3. Structure of feedback control algorithm.
反馈算法中使用的均为一阶的高通与低通滤波器, 其中高通滤波器频域表达式为
下面利用双线性变换法[23]将模拟一阶高通和一阶低通波滤器转换为数字滤波器来实施反馈运算. 当模数转换器的采样时间间隔为T时, 利用双线性变换公式
-->
3.1.振动噪声谱和传递函数
振动噪声对原子干涉重力仪灵敏度的影响可以用如下公式[27]评估:图 4 T = 80 ms时, 振动噪声传递函数(随着振动频率的增大, 传递函数非常迅速地衰减)
Figure4. Transfor function of the vibration noise (T = 80 ms). The transfer function decays very rapidly as the vibration frequency increases.
2
3.2.系统参数调试
在初次调节反馈算法时, 首先将放大系数滤波器 | 截止频率 fc/Hz | 反馈 系数 | 设定值 | 耦合 系数 | 设定值 |
$H_{1}$ | 0.25 | $A_{1}$ | 0.11 | $C_{1}$ | 0.01 |
$H_{2}$ | 0.25 | $A_{2}$ | 9 | $C_{2}$ | 0.01 |
$H_{3}$ | 0.001 | $A_{3}$ | 0.03 | ||
$H_{4}$ | 0.45 | $A_{4}$ | 0.03 | ||
$H_{5}$ | 0.45 | ||||
$L_{1}$ | 6 | ||||
$L_{2}$ | 6 |
表1反馈控制系统参数设定值
Table1.Parameters of the feedback control system
2
3.3.振动抑制效果
当三维主动减振系统搭建完成后, 我们首先在中国科学技术大学上海研究院冷原子干涉仪研究室对其振动抑制效果进行了测试. 实验的地面未做任何的减振处理, 容易受到外界的地面振动的干扰. 最终测量得到的振动噪声谱如图5所示, 其中红色实线为实验室地面上的振动加速度噪声谱, 蓝色实线为被动减振后的结果, 黑色实线为主动减振后的结果. 利用图4的振动传递函数从测量数据中可以得到实验室地面上小于0.1 Hz频段的振动噪声为2.5 × 10–7 m/s2/Hz1/2, 0.1—1 Hz频段的振动噪声为2.6 × 10–6 m/s2/Hz1/2, 1—10 Hz频段的振动噪声为1.6 × 10–4 m/s2/Hz1/2, 大于10 Hz频段的振动噪声为2.5 × 10–6 m/s2/Hz1/2. 被动减振平台上小于0.1 Hz频段的振动噪声为1.6 × 10–7 m/s2/Hz1/2, 0.1—1 Hz频段的振动噪声为3.4 × 10–6 m/s2/Hz1/2, 1—10 Hz频段的振动噪声为4.4 × 10–6 m/s2/Hz1/2, 大于10 Hz频段的振动噪声为1.1 × 10–7 m/s2/Hz1/2. 在加上主动反馈减振以后, 小于0.1 Hz频段的振动噪声被压制到了1.4 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 0.1—1 Hz频段的振动噪声被压制到了1.1 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 1—10 Hz频段的振动噪声压制到了7.1 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 大于10 Hz2/Hz1/2, 大于10 Hz频段的振动噪声被压制到了4.8 × 10–8 m/s2/Hz1/2. 在原子干涉仪最敏感的小于10 Hz的频段, 其振动噪声被压制到了7.3 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 约被压制为地面上的1/2200, 为被动减振平台上的1/75. 通过图5的振动噪声谱以及图4的振动传递函数, 计算得到中国科学技术大学上海研究院冷原子干涉仪研究室地面上的振动噪声对原子干涉仪灵敏度的影响为1.6 × 104 μGal/Hz1/2, 主动减振后为8.8 μGal/Hz1/2, 约降低为地面上的1/1800. 即将振动噪声对冷原子重力仪灵敏度的影响降低了3个数量级.图 5 中国科学技术大学上海研究院冷原子干涉仪研究室测试的三维主动减振效果示意图(红色实线为实验室地面上的振动加速度噪声谱, 蓝色实线为被动减振后的结果, 黑色实线为主动减振后的结果)
Figure5. Performance of the three-dimension active vibration isolator at Shanghai branch, University of Science and Technology of China. The red solid line is the vibration acceleration noise spectrum of the laboratory ground, the bule soild line is the result of the passive isolator, the black solid line is the result of active vibration isolator.
我们将主动减振系统从上海搬运到北京, 在北京的中国计量院重力精测实验室(II)重力标定点位对主动减振系统的振动抑制效果进行了测试, 结果如图6所示. 其中红色实线为实验室地面上的振动加速度噪声谱, 蓝色实线为被动减振后的结果, 黑色实线为主动减振后的结果. 相对于我们在中国科学技术大学上海研究院冷原子干涉仪研究室而言, 中国计量院重力精测实验室的地面振动要小得多. 利用图4所示的传递函数从测量数据中可以得到实验室地面上小于0.1 Hz频段的振动噪声为1.1 × 10–8 m/s2/Hz1/2. 0.1—1 Hz频段的振动噪声为1.7 × 10–7 m/s2/Hz1/2, 而1—10 Hz频段的振动噪声为1.1 × 10–6 m/s2/Hz1/2, 大于10 Hz频段的振动噪声为1.9 × 10–7 m/s2/Hz1/2. 被动减振平台上小于0.1 Hz频段的振动噪声为1.3 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 0.1—1 Hz频段的振动噪声为4.6 × 10–7 m/s2/Hz1/2, 1—10 Hz频段的振动噪声为8.1 × 10–8 m/s2/Hz1/2, 大于10 Hz频段的振动噪声为1.1 × 10–8 m/s2/Hz1/2. 在加上主动反馈减振后, 小于0.1 Hz频段的振动噪声为2.4 × 10–9 m/s2/Hz1/2, 0.1—1 Hz频段的振动噪声被压制到了2.4 × 10–9 m/s2/Hz1/2, 1—10 Hz频段的振动噪声压制到了3.4 × 10–9 m/s2/Hz1/2, 高于10 Hz频段的振动噪声为1.8 × 10–8 m/s2/Hz1/2. 在原子干涉仪最敏感的小于10 Hz的频段的振动噪声被压制到了4.8 × 10–9 m/s2/Hz1/2, 约被压制为地面上的1/230, 为被动减振平台上的1/100. 而在这里主动减振的压制效果没有上海的好, 是因为在0.5—2 Hz频段振动已经到达了高精度地震计的本底了. 从图4的传递函数可以看到10 Hz以后的振动对原子干涉仪灵敏度的影响在非常迅速地衰减, 超过50 Hz的高频段振动对原子干涉仪灵敏度的影响已很小. 利用图4所示的振动传递函数和图6所示的振动噪声谱, 计算得到在中国计量院重力精测实验室(II)地面上的振动噪声对原子干涉仪灵敏度的影响为113 μGal/Hz1/2, 主动减振后为1.9 μGal/Hz1/2, 即振动噪声约降低为地面上的1/60. 从评估结果来看, 我们的主动减振系统能将振动的噪声压制近2个数量级.
图 6 中国计量院重力精测实验室(II)重力测量点位测试的三维主动减振效果图(红色实线为实验室地面上的振动加速度噪声谱, 蓝色实线为被动减振后的结果, 黑色实线为主动减振后的结果)
Figure6. Performance of the three-dimension active vibration isolator at Precision Measurement Laboratory II of Gravity, National Institute of Metrology, China. The red solid line is the vibration acceleration noise spectrum of the laboratory ground, the bule soild line is the result of the passive isolator, the black solid line is the result of active vibration isolator.
在中国计量院重力精测实验室(II)重力标定点位测得的主动减振平台X方向与Y方向的减振效果如图7(a)和图7(b)所示. 经过主动减振后小于10 Hz频段上的振动噪声被压制为地面上的1/6.
图 7 水平X方向与Y方向的减振效果(红色实线为实验室地面上的振动加速度噪声谱, 蓝色实线为被动减振后的结果, 黑色实线为主动减振后的结果) (a) X方向的减振效果; (b) Y方向的减振效果
Figure7. Performance of the three-dimension active vibration isolator in X and Y directions: (a) The performance in X direction; (b) the performance in Y direction. The red solid line is the vibration acceleration noise spectrum of the laboratory ground, the bule soild line is the result of the passive isolator, the black solid line is the result of active vibration isolator.
2
3.4.应用于冷原子干涉仪
本文的冷原子干涉重力仪采用原子下落式的结构, 利用三束拉曼光图 8 重力加速度g值的测量结果及其与理论值的残差(黑色的点为实测的数据, 红色的实线为理论潮汐模型) (a)将干涉仪探头直接放置于地面上测量得到的结果; (b)对干涉激光反射镜进行主动减振后测量得到的结果
Figure8. Measured and theoretical data of tidal signal and the difference between them: (a) The result obtained by placing the atom interferometry probe directly on the ground; (b) the result obtained by actively vibration isolating the interferometric laser reflector. The black dot is the measured data, and the red line is the theoretical tidal model.
利用Allan方差对g值的测量结果进行了进一步的评估. 图9中黑色实点为干涉仪探头直接放在地面上得到的残差(residue)的Allan方差评估结果, 评估结果显示其测量灵敏度为117 μGal/Hz1/2. 红色实点为对干涉激光反射镜进行主动减振后得到的残差(residue)的Allan方差评估结果, 评估结果显示进行主动减振后原子重力仪测量灵敏度为35 μGal/Hz1/2, 比直接放地面上的测量结果好了3倍以上. 目前, 原子干涉仪灵敏度主要受限于探测噪声. 从对比结果来看, 本文的主动减振系统实际应用时也有显著的效果, 使用主动减振系统后原子干涉仪测量灵敏度明显变好.
图 9 Allan方差评估结果(黑色实点为干涉仪探头直接放地面上得到的残差(Residue)的Allan方差评估结果, 评估结果显示原子重力仪直接放地面上的测量灵敏度为117 μGal/Hz1/2; 红色实点为对干涉激光反射镜进行主动减振后得到的残差(Residue)的Allan方差评估结果, 评估结果显示进行主动减振以后原子干涉仪测量灵敏度为35 μGal/Hz1/2 )
Figure9. Allan deviations of the residual gravity accelerations. The black solid dot is the Allan deviation of the residual obtained by placing the atom interferometry probe directly on the ground. The result shows the sensitivity for the atom interferometry in this condition is 117 μGal/Hz1/2. The red solid dot is the Allan deviation of the residual obtained by actively vibration isolating the interferometric laser reflector. The result shows the sensitivity for the atom interferometry in this condition is 35 μGal/Hz1/2.