基于LabVIEW的冷原子干涉儀精密時序控制系統(tǒng)*

劉夏鳴

（華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心 武漢 430223）

1 引言

20世紀(jì)90年代美國斯坦福大學(xué)S.Chu小組研制了首個冷原子干涉儀［1］，并實(shí)現(xiàn)了絕對重力加速度測量，受到國際同行的廣泛關(guān)注。經(jīng)過30年的快速發(fā)展，冷原子干涉技術(shù)已應(yīng)用于重力加速度［1～3］、重力梯度［3～6］等物理量的精密測量以及等效原理檢驗(yàn)［7～9］、引力波探測［10］等基礎(chǔ)物理研究，在重力基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、資源勘探、地球物理學(xué)研究、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域展現(xiàn)出非常重要的應(yīng)用價值。華中科技大學(xué)胡忠坤小組的冷原子重力儀測量靈敏度達(dá)到［2］，是目前測量靈敏度最高的絕對重力儀；法國Muquans的小型可搬運(yùn)冷原子重力梯度儀已實(shí)現(xiàn)絕對重力加速度和重力梯度同步測量，重力加速度和重力梯度的測量分辨率分別達(dá)到0.5μGal和 0.15E［3］；美國斯坦福大學(xué)的冷原子干涉儀將微觀粒子檢測等效原理的相對精度提升至10-12量級［7］。

冷原子干涉儀利用拉曼激光操控原子的量子態(tài)，形成物質(zhì)波干涉效應(yīng)，通過檢驗(yàn)干涉條紋相位信息的變化測量各類物理量。一次干涉測量主要包括原子冷卻與囚禁、原子初態(tài)制備、原子干涉操控、干涉信號探測、數(shù)據(jù)處理等五大步驟，需要精確操控激光頻率、激光功率、三維磁場等上百個參數(shù)的數(shù)值和持續(xù)時間，各通道參數(shù)的時間同步精度要求達(dá)到100ns量級。為滿足冷原子干涉儀精密測量絕對重力加速度的需求，本文基于LabVIEW圖形化編程語言和NI公司的多功能DAQ數(shù)據(jù)采集板卡開發(fā)了一套冷原子干涉儀精密時序控制系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)輸入輸出通道時間同步性好、操作界面直觀易懂、集成度高、維護(hù)性好等特點(diǎn)［11～14］。

2 總體設(shè)計方案

如圖1所示，冷原子干涉儀主要由敏感單元、激光系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和精密時序控制系統(tǒng)組成。精密時序控制系統(tǒng)主要由LabVIEW控制程序以及PXIe主機(jī)、NI-DAQ設(shè)備、NI-GPIB設(shè)備等硬件組成。在LabVIEW程序控制下，NI-DAQ設(shè)備產(chǎn)生大小和時間精確控制的模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號，控制激光系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)產(chǎn)生滿足需求的射頻/微波信號、磁場信號以及各類激光；NI-GPIB設(shè)備為任意函數(shù)發(fā)射器、精密電源等可編程設(shè)備實(shí)時提供配置參數(shù)與指令；干涉信號、激光功率等輸入信號通過模擬輸入信號通道上傳到控制系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)解析、反饋控制、顯示、存儲等操作。

圖1 冷原子干涉儀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)冷原子干涉儀的技術(shù)方案，控制系統(tǒng)需要提供的主要數(shù)據(jù)采集/輸出通道如表1所示。因此，本控制系統(tǒng)的硬件配置如下：

表1 數(shù)據(jù)采集/輸出通道需求情況

1）控制主機(jī)采用PXIe-1082，具有3個PXIe插槽和4個可兼容PXIe總線與PXI總線的混合插槽，每個插槽的傳輸速度高達(dá)1GB/s。

2）采用一塊PXIe-6739數(shù)據(jù)采集/輸出板卡和一塊PXIe-6356數(shù)據(jù)采集/輸出板卡。PXIe-6739具有64路16位模擬輸出通道和20路數(shù)字輸入/輸出通道，最多可以并行輸出16路帶寬達(dá)到1MHz的模擬信號；PXIe-6356具有2路16位模擬輸出通道、8路16位差分模擬輸入通道和24路數(shù)字輸入/輸出通道，模擬輸入通道的帶寬最大可達(dá)1.2MHz，模擬輸出通道的帶寬最大可達(dá)3.3MHz。

3 控制程序設(shè)計

3.1 工作流程及時序編排

冷原子干涉儀控制程序工作流程如圖2所示，各組件和設(shè)備正常上電后，啟動控制程序并完成參數(shù)配置，然后啟動執(zhí)行程序使原子干涉儀循環(huán)工作，并在每個測量周期實(shí)時處理、顯示和存儲測量數(shù)據(jù)。

圖2 冷原子干涉儀控制程序工作流程圖

如前所述，冷原子干涉儀主要包括五大步驟，每個步驟又可細(xì)分為多個小步驟，并且每個小步驟可能包含多個參數(shù)的變化。例如，原子冷卻與囚禁過程可細(xì)分為多普勒冷卻與偏振梯度冷卻兩個小過程，且偏振梯度冷卻過程又包含多個更小的過程。典型的偏振梯度冷卻過程冷卻光頻率與功率變化如圖3所示，首先在t1時間段線性減小冷卻光頻率，然后在t2～t6時間段按照不同的斜率依次減小冷卻光的功率。為滿足上述復(fù)雜的參數(shù)與時序變化需求，本系統(tǒng)按照“事件最小化”原則設(shè)計時序結(jié)構(gòu)，即將冷原子干涉儀單測量周期內(nèi)的任何一個參數(shù)變化都定義為一個“事件”，每個事件對應(yīng)一個狀態(tài)和一段持續(xù)時間，例如圖3所示偏振梯度冷卻過程包含6個事件，定義為6個狀態(tài)，持續(xù)時間依次為t1、t2、…、t6。

圖3 偏振梯度冷卻過程冷卻激光頻率與功率變化示意圖

3.2 模擬輸出信號與數(shù)字輸出信號生成方法

如表1所示，精密時序控制系統(tǒng)需要生成多路模擬電壓信號和數(shù)字信號，用于控制激光頻率、磁場大小等參數(shù)及為數(shù)據(jù)采集等操作提供觸發(fā)信號。

數(shù)字信號只有高、低兩個狀態(tài)，可直接用數(shù)字“0”和“1”表示。數(shù)字信號生成方法如圖4所示，前面板有三個輸入?yún)?shù)，分別是“時間數(shù)組”、“數(shù)值數(shù)組”和“數(shù)據(jù)采樣率”，其中時間數(shù)組和數(shù)值數(shù)組均為一維數(shù)組。時間數(shù)組中每一個值代表一個事件的持續(xù)時間，數(shù)值數(shù)組中每一個值代表這個時間段內(nèi)數(shù)字信號的高/低特性。程序框圖如圖4右圖所示，內(nèi)層For循環(huán)結(jié)構(gòu)將每一個事件生成一個1×n的一維數(shù)組，n是該事件的持續(xù)時間與采樣率的乘積，再通過外層For循環(huán)結(jié)構(gòu)和移位寄存器將所有事件的數(shù)組串聯(lián)成一個一維數(shù)組，最后通過“模數(shù)轉(zhuǎn)換”VI將模擬的數(shù)字“0”和“1”轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖4 數(shù)字信號生成程序框圖

模擬信號比數(shù)字信號復(fù)雜，典型的模型信號可以分為三類：第一類是輸出電壓值不變或跳變；第二類是輸出電壓值在部分事件過程線性變化；第三類是輸出電壓值在部分事件過程非線性變化。根據(jù)參考文獻(xiàn)［15］，第一類和第二類模擬電壓信號可以用圖5所示方法產(chǎn)生。與數(shù)字信號類似，其前面板有三個輸入?yún)?shù)，分別是時間數(shù)組、數(shù)值數(shù)組和采樣率，其中時間數(shù)組是一維數(shù)組，數(shù)值數(shù)組是二維數(shù)組。數(shù)值數(shù)組中每一個事件中的上下兩個數(shù)字分別表示這個事件持續(xù)過程中起始電壓值和終止電壓值。程序框圖如圖5右圖所示，內(nèi)層For循環(huán)結(jié)構(gòu)將每一個事件生成一個1×n的一維數(shù)組，n是該事件的持續(xù)時間與設(shè)置的采樣率的乘積，該數(shù)組的值計算方法如參考文獻(xiàn)［15］所示：

其中，a0和an-1分別是該事件過程的起始電壓值和終止電壓值。

對于第三類模擬信號，需要根據(jù)每個事件對應(yīng)的非線性電壓信號特征采用對應(yīng)的函數(shù)生成數(shù)據(jù)，然后再與圖5所示方法生成的數(shù)據(jù)組合成新的一維數(shù)組。

3.3 數(shù)據(jù)同步輸出方法

高精度冷原子干涉儀需要精確同步不同數(shù)據(jù)采集卡輸出的各路模擬信號和數(shù)字信號。

1）單張數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字信號同步

單張數(shù)據(jù)采集卡輸出的多路模擬信號和數(shù)字信號的同步方法如圖6所示。第一，多個模擬輸出信號之間的同步方法如圖6左上角虛線方框內(nèi)所示，將3路模擬輸出信號AO1、AO2、AO3分別按照圖5所示方法生成3個長度相同的一維數(shù)組，再通過“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)將上述3個一維數(shù)組組合成一個二維數(shù)組，實(shí)現(xiàn)3個模擬輸出通道的同步。第二，多路數(shù)字輸出信號的同步方法與此類似，如圖6左下角虛線方框內(nèi)所示。第三，數(shù)字輸出信號與模擬輸出信號之間的同步方法如圖6左下角橢圓形虛線框所示，將模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號的“DAQmx定時”VI的“源接線端”連接到相同的時鐘源。

圖5 模擬信號生成程序框圖

圖6 單張數(shù)據(jù)采集卡的模擬/數(shù)字信號同步方法

2）不同數(shù)據(jù)采集卡的時鐘同步

不同數(shù)據(jù)采集卡之間的時鐘同步方法如圖7所示，將所有數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出信號和數(shù)字輸出信號的“DAQmx定時”VI的“源接線端”連接到相同的時鐘源。此外，為了實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)采集卡共享一個時鐘源，在硬件上需要將各數(shù)據(jù)采集卡通過RTSI總線連接。

圖7 不同數(shù)據(jù)采集卡的時鐘同步方法

3.4 程序循環(huán)運(yùn)行方法

原子干涉儀需要實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)測量，因此需要設(shè)計一套循環(huán)測量的程序。LabVIEW有多種實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)行的方法，最簡單的方法是將程序主體全部放置在For循環(huán)或While循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，每次循環(huán)都全部執(zhí)行循環(huán)結(jié)構(gòu)體內(nèi)所有程序內(nèi)容。由于原子干涉程序在干涉測量前的參數(shù)配置階段有大量的數(shù)據(jù)計算過程，會占用大量時間，如果將這一部分內(nèi)容全部放置在循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將導(dǎo)致前一次測量與后一次測量之間存在不確定的時間延遲。

圖8為本文設(shè)計的原子干涉儀循環(huán)運(yùn)行程序框圖，采用“While循環(huán)”結(jié)構(gòu)。在圖8中將參數(shù)配置程序放置在“While循環(huán)”結(jié)構(gòu)外部，通過“DAQmx任務(wù)開始”VI（圖8中方形虛線框內(nèi)圖標(biāo)）控制程序運(yùn)行的開始。由于參數(shù)配置程序和“DAQmx任務(wù)開始”VI放置在“While循環(huán)”結(jié)構(gòu)外，程序運(yùn)行時只需要在第一個循環(huán)開始前完成參數(shù)配置，當(dāng)程序執(zhí)行了“DAQmx任務(wù)開始”VI后，只要While循環(huán)沒有結(jié)束，配置的模擬輸出數(shù)據(jù)和數(shù)字輸出數(shù)據(jù)將不間斷循環(huán)輸出，有效解決了配置參數(shù)導(dǎo)致的時間延遲問題。

圖8 原子干涉儀程序循環(huán)運(yùn)行程序框圖

為了實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)據(jù)的起始時間相同，本文采用控制“錯誤信息”傳遞路徑的方法。如圖8所示，各數(shù)據(jù)輸出通道均共用數(shù)據(jù)采集卡1的時鐘信號“ao/SampleClock”，“錯誤信息”傳遞的起點(diǎn)設(shè)置為數(shù)據(jù)采集卡1模擬輸出通道的“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”VI（圖8中六邊形虛線框內(nèi)圖標(biāo)），在依次經(jīng)過“DAQmx定時”VI和“DAQmx寫入”VI后，在圖在橢圓形虛線框所示的A位置分為兩路，分別流向數(shù)據(jù)采集卡2模擬輸出通道和數(shù)據(jù)采集卡1數(shù)字輸出通道，然后在B位置匯合，再經(jīng)過控制數(shù)據(jù)采集卡1模擬輸出通道的“DAQmx任務(wù)開始”VI進(jìn)入While循環(huán)。通過上述設(shè)置，只有數(shù)據(jù)采集卡1的“DAQmx寫入”VI執(zhí)行完成后才會執(zhí)行數(shù)據(jù)采集卡2和3的任務(wù)，并且由于數(shù)據(jù)采集卡1的“DAQmx任務(wù)開始”VI放置在數(shù)據(jù)采集卡2和3的“DAQmx任務(wù)開始”VI之后，因此三路通道會在相同時刻開始輸出數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)采集方法

原子干涉測量過程需要采集的原子干涉信號、激光功率信號等信息只發(fā)生在干涉過程的某一特特殊階段，例如干涉信號的采集只發(fā)生在探測階段。根據(jù)上述特征，為了少占用內(nèi)存資源，本文采用觸發(fā)采集方式，如圖9所示，數(shù)據(jù)采集通道的“DAQmx觸發(fā)”VI配置為數(shù)字觸發(fā)模式，觸發(fā)信號由數(shù)據(jù)采集卡1產(chǎn)生的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)采集卡1的PFI端口輸入，“DAQmx定時”VI配置為有限采樣模式，采集的數(shù)據(jù)量等于前面板參數(shù)“數(shù)據(jù)采樣率”與“數(shù)據(jù)采樣時間”的乘積，采集的數(shù)據(jù)通過“寫入帶分隔符電子表格”VI存儲為“txt”格式文件。

圖9 數(shù)據(jù)采集程序框圖

4 控制程序性能測試

4.1 程序控制界面設(shè)計

冷原子干涉儀控制程序前面板主要包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)顯示兩大功能，基本數(shù)據(jù)輸入/輸出通道與存儲參數(shù)配置界面如圖10所示?！皵?shù)據(jù)輸出速率”窗口配置各通道輸出模擬信號與數(shù)字信號的速率，所有的輸出通道共用一個時鐘，并采用相同的數(shù)據(jù)輸出率；“數(shù)據(jù)采集速率”窗口配置各通道采集模擬信號的速率，所有的輸入通道采用相同的采樣率。

圖10 數(shù)據(jù)輸入/輸出通道與存儲參數(shù)設(shè)置界面

模擬輸出信號參數(shù)配置界面如圖11所示，原子干涉過程共分為28個狀態(tài)，狀態(tài)數(shù)下面的“時間數(shù)組”內(nèi)每個值表示該狀態(tài)的持續(xù)時間，各模擬信號參數(shù)由一個二維數(shù)組表示。

圖11 模擬輸出信號參數(shù)配置界面

數(shù)字輸出信號參數(shù)配置界面如圖12所示，每個數(shù)字信號由一個一維數(shù)組表示，數(shù)組中的元素填寫“0”或“1”，分別代表低電平和高電平。

圖12 數(shù)字輸出信號參數(shù)配置界面

4.2 程序性能測試

模擬輸出信號與數(shù)字輸出信號的同步性能測量結(jié)果如圖13所示，其中模擬輸出信號由PXIe-6739板卡產(chǎn)生，數(shù)字輸出信號由PXIe-6356板卡產(chǎn)生。從圖中可以看到數(shù)字信號的響應(yīng)時間小于500ns，模擬信號響應(yīng)時間小于2.5μs，模擬信號相對于數(shù)字信號的滯后小于100ns。

圖13 數(shù)字信號與模擬信號同步性能測試

圖14（a）是前面板設(shè)置的模擬輸出通道參數(shù)，圖14（b）是利用示波器實(shí)測的輸出模擬信號，從圖中可以看到輸出的模擬信號與設(shè)定的參數(shù)吻合。

圖14 模擬信號配置參數(shù)與實(shí)際輸出的模擬輸出信號

4.3 程序應(yīng)用

冷原子干涉儀的工作原理類似于馬赫-曾德激光干涉儀，如圖15所示。原子在高真空環(huán)境中做自由落體運(yùn)動，在t1=0、t2=T、t3=2T時刻分別用π/2、π、π/2拉曼激光脈沖作用于原子，改變原子的內(nèi)部量子能態(tài)和外部動量態(tài)。第一個π/2脈沖使原子處于1態(tài)與2態(tài)的疊加態(tài)，并且在空間上將處于兩個態(tài)的原子分開，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的分束鏡；π脈沖使處于1態(tài)的原子轉(zhuǎn)換為2態(tài)，處于2態(tài)的原子轉(zhuǎn)換為1態(tài)，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的反射鏡；第二個π/2脈沖使兩個不同路徑的原子產(chǎn)生干涉效應(yīng)，相當(dāng)于光學(xué)干涉儀中的合束。干涉完成后，通過探測處于1態(tài)或2態(tài)的原子布居數(shù)就能提取干涉信息。

圖15 冷原子干涉儀工作原理示意圖

干涉條紋的相位信息Δφ與重力加速度g滿足如下關(guān)系：

其中，Δφ0是三束激光拉曼激光初始時刻的相位差。

根據(jù)上述關(guān)系式，通過掃描第二個π/2脈沖的相位，可以獲取正弦形式干涉條紋。實(shí)驗(yàn)測得T=80 ms的同向拉曼干涉條紋如圖16所示。圖中每個點(diǎn)均是單次測量的結(jié)果，干涉條紋的對比度約為43%。

圖16 同向拉曼條紋

信號探測階段探測到的原子數(shù)目P與干涉條紋相位Δφ以及條紋對比度C的關(guān)系為

5 結(jié)語

冷原子干涉技術(shù)將絕對重力加速度、重力梯度等慣性參量的測量方法從經(jīng)典力學(xué)拓展到量子力學(xué)領(lǐng)域，并已逐步形成高精度、高可靠的產(chǎn)品，在資源勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、慣性導(dǎo)航、基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域具有重大的潛在應(yīng)用價值。本文采用LabVIEW圖形化設(shè)計語言開發(fā)了一套時序同步精度高、集成度高的冷原子干涉儀精密時序控制系統(tǒng)，并為用戶提供了良好的可視化界面，有效降低了原子干涉儀控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和操控難度。