新型超高精度惯性传感器原理探索

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2003 年 Packard 小组 [14] 又在此基础 上提出了大区域多转动的氦 4 超流 体相滑移陀螺仪，此传感器表明氦 4 超流体的相位相关性超过 1.4m，其 敏感环区域比实际模型大 2 个数量 级，灵敏度高于同类型陀螺仪，而且 具 有 长 时 间 的 稳 定 性 能，灵 敏 度 为 2.6×10-6rad/s Hz-1/2。2005 年加州大 学的 Talso 教授分析了频变水动力感 应和超流体陀螺的热量子“声音”[15]， 此超流体陀螺仪是由 Josephson 弱环 构成的，频变水动力感应说明了敏感 器环路流体的摆动流量，由此可得到 陀螺仪的热相位噪声和热旋转声音， 其中得到的量子相位噪声与谐波振 荡器产生的零点运动十分相似。试 验结果表明：此超流体陀螺仪可用 于地球科学和改善全球定位系统性 能。上述超流体陀螺仪是基于超流 体的低阻特性而进行惯性转动测量 的，基于涡流的超流体陀螺仪是此领 域的另一个研究方向。2003 年英国 牛津大学 Clarendon 实验室 [16] 发现 了玻色 - 爱因斯坦凝聚气体中超流 体 量 子 涡 流 的 陀 螺 效 应，涡 流 冷 凝 体 产 生 单 一 量 子 传 播，从 而 引 起 交 叉摆动产生进动，角动量联合涡线， 进一步可推导出进动角与粒子数的 关系，结果角动量为 1.07±0.13Nh。 2006 年 Clarendon 实 验 室 [17] 进 一 步建立了围绕环路的超流体的方向 性重叠，通过玻色 - 哈巴德模型，用 阵列玻色 - 爱因斯坦凝聚体捕获光 子，并将其连入环路内，随着环路的 旋 转，平 均 每 个 粒 子 都 可 获 得 一 半 超 流 体，从 而 所 有 旋 转 和 静 止 的 粒 子 都 可 进 行 粒 子 的 重 叠，为 研 制 超 高精度量子限陀螺仪奠定了理论基 础。2007 年 Packard 小组 [18] 提出的 基于 Josephson 效应的超流体陀螺模 型是目前此领域内的最佳模型，能够 探测由轴流驱动的单一涡流的运动， 当超流体速度达到临界温度时，会发 生相位滑移，随着轴流速度的增加， 频率逐渐增强。由于超流体是一种
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新型超高精度惯性传感器 原理探索
Research on Principle of New High-Precision Inertial Sensor
南京航空航天大学航天学院 盛庆红 刘微微 王惠南
惯性传感器是构成惯性导航系统的核心器件， 惯性导航系统的精度与性能取决于陀螺仪和加速度 计 的 性 能，其 在 导 航 制 导 技 术 领 域（尤 其 是 国 防 建 设）的需求是该技术拓展新方向的源动力。采用新 原理、新技术发展新型高精度、小型化惯性传感器是 惯性技术研究与发展的重要方向之一。
* 基金项目：国家自然科学基金（60974107）， 教育部博士点基金（M0772-034）资助。
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展新型高精度、小型化惯性传感器是 惯性技术研究与发展的重要方向之 一。
随着现代物理学研究的深入和 技术手段的发展，基于冷原子干涉的 原子陀螺仪和原子加速度计已成为 可能。基于冷原子物质波萨格纳克 效应的量子陀螺，可以获得极高灵敏 度的角速度，其理论灵敏度相当于激 光陀螺和光纤陀螺的 1010 倍，冷原子 陀螺仪的灵敏度在 10min 平均时间 达到 1.4×10-7rad/s，冷原子惯性传感 器将成为精度最高的惯性测量器件， 并可同时实现三轴线加速度和角速 度测量以及全张量重力梯度补偿 [1]。 由于冷原子惯性传感器的高精度、高 性能和巨大的技术潜力，发达国家已 投 入 大 量 的 人 力 物 力，美 国 制 定 的 以冷原子惯性传感器为核心的“精 确惯性导航系统”被视为下一代主
图2 伽利略研究所研制的紧凑便携式 冷原子陀螺仪试验系统[11]
2 对偶冷原子超高精度角速度和加 速度测量原Байду номын сангаас 冷原子传感器利用被激发的拉曼
跃迁控制原子波束，通过反向传播的 高通量原子波束，形成与萨格纳克相 位移动相反的 2 个原子干涉仪，其内 部的拉曼原子状态是由同一激光束控 制的，从 2 条独立的原子束中减去干 涉测量信号，即可实现对寄生噪声源 和各种系统效应的共模抑制。具体地 说，在传感器的闭合腔体中，激光脉冲 用于原子分束和原子反射，使 2 条原 子束沿着此闭合腔体进行反向传播， 光脉冲将 2 束原子推入叠加区域，此 时不同状态的原子束处于不同的空间 轨迹，先分开后汇合，最后形成萨格纳 克干涉区，此时可观测到干涉条纹，从 而实现对角速度的测量。
基于玻色 - 爱因斯坦凝聚理论 形成的超流体具有独特的物理特性， 超流体的粘滞系数、流体间以及流体 对周围运动的阻尼很小，当超流体腔 体发生运动时，超流体保持其惯性状 态，从而超流体与承载容器呈现相对 流动，检测此运动速度就可以获得转 动速度。弱连接超流体超高精度陀 螺基于 Josephson 效应的超流体陀螺 是测量旋转的最佳模型，其本质是将 对称布置的双 Josephson 弱连接安置 在超流体环形腔内，通过环路上方腔 体内热装置的加热使腔体内温度和 压力发生变化，从而在短时间内使得 腔体内超流体形成一定的化学势差
同 的，这 是 因 为
，
Δφ acc=keffαT2，其中 Δφ rot 和 Δφ acc 分别为旋转角速度和线性加速度引 起的相移，a 为线性加速度。因此两 个干涉仪信号相加或相减即可区分 旋转角速度和线性加速度。
超流体陀螺仪
1 研究进展与发展前景 1997 年美国加州大学 Packard
小组首次发现了超流体的量子干涉 效应，当推动超流体通过微孔时，超 流 体 会 发 生 振 动，利 用 这 一 原 理 可 制 成 超 高 精 度 的 量 子 陀 螺 仪 。 [12-13]
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体量子陀螺的高精度测量的实现方 案具有重要的科学意义和应用价值。
冷原子陀螺仪
1 研究进展与发展前景 目前，美国斯坦福大学和耶鲁大
学的冷原子惯性技术位居世界前列。 1991 年斯坦福大学和耶鲁大学 [4] 共 同研制了第一台冷原子干涉仪，用激 光冷却并囚禁原子的方法在磁光阱 中积累了大量冷原子后，拉曼脉冲激 发原子，原子相干地分裂、偏转，最后 重新会聚成原子波束而产生干涉条 纹，通过路径之间相位差测定重力加 速度灵敏度是 3×10-6g/Hz。1998 年 耶鲁大学的 Kasevich 小组 [5] 发明了 第一台原子陀螺仪，用 2 个在垂直方 向分开约 1m 的冷原子源构成两个 铯原子干涉仪，测出 2 个不同位置 处的相位差。2002 年，他们又改善 了冷原子源，扩大了 2 个原子源之 间 的 距 离，测 得 重 力 加 速 度 灵 敏 度 为 4×10-9g/Hz[6]。2006 年，Kasevich 小组首次设计了噪声时间短并长时 稳定的可用于高精度导航的冷原子 干 涉 陀 螺 仪，其 原 理 是 用 序 列 光 脉 冲 进 行 原 子 波 束 相 干，惯 性 改 变 原 子 德 布 罗 意 波 长 与 光 间 的 相 位，提 高了反向陀螺输入轴的精确性。陀 螺 旋 转 的 偏 心 稳 定 性 小 于 6×106deg/h，比例稳定性小于 5×10-6，角 速 度 随 机 游 走 误 差 为 3×10-6deg/ h1/2[7]。 同 年 法 国 巴 黎 天 文 台 利 用 冷 原子干涉仪研制了 6 轴惯性传感器 [8]，通过在抛物线轨道反向传播的原 子束，利用拉曼激光激发形成 3 种干 涉仪，正交于 3 轴加速度和角速度， 从而实现了对转动速率和加速度的 测量，转动灵敏度为 2.2×10-3rad/s， 280s 后减少到 1.8×10-6rad/s。2009 年巴黎天文台从旋转信号中准确地 去 除 了 加 速 度 计 噪 声，灵 敏 度 达 到 5.5×10-7rag/s Hz-1/2，为超灵敏原子陀 螺的研制奠定了基础，模型如图 1 所 示。
对偶冷原子陀螺仪利用 π/2 → π → π/2 的拉曼激光序列 获得的干涉仪两臂间的相位差是由 原子感测到的旋转角速度和线性加 速度共同组成，为了能够区分二者， 对偶冷原子陀螺仪的 2 个冷原子源 需同时地以反向的传播速度进入原 子干涉仪。对偶干涉仪是相同的，但 是干涉仪两条路径所围成的面积却 是相反的，即 A1=-A2，则两个干涉仪 间由旋转引起的相位移动是不同的， 而由于加速度引起的相位移动是相
导惯性技术 [2]，欧洲计划根据“空间 应用中的高精度原子干涉测量技术” 进行空间飞行器的导航 [1]。冷原子 惯性器件正在从实验室研究逐步向 实用化转化，因此我国紧跟国际先进 研究方向，加大了冷原子惯性传感器 原理的研究力度。
超流体陀螺仪的研究对象是基 于玻色 - 爱因斯坦凝聚理论形成的 超流体，由于超流体的粘滞系数、流 体间以及流体对周围运动产生的阻 尼很小，当超流体腔体发生运动时， 超流体可以保持其原来的状态，利用 这一特性可以制造一个物理的惯性 空间，因此基于超流体的新概念陀螺 在原理上可以进行高精度的惯性测 量，预计精度可达到 10-12rad/s，尤其 适用于高精度姿态测量场合 [3]。目 前，该方向的工程技术方面的研究尚 处于起步阶段，因此探索有效的超流
z y x
拉曼激光束 检测波束
原子轨道
反光镜 +λ/4 磁光陷腔体
磁光陷 A
磁光陷 B
图1 巴黎天文台研制的有2个磁光陷的超灵 敏原子陀螺模型
（尺寸为30mm×10mm×50mm）[9]
同年德国汉诺威大学提出了研 制一种基于铷激光冷却的紧凑冷原 子干涉陀螺仪的设想 [10]，该陀螺仪 可提高精度的测量角速度和加速 度，通过小型重力计扩展了 3 个独 立 的 原 子 激 光 联 合 干 涉 仪，从 而 用 小型几何体实现了具有 3 个独立原 子 光 干 扰 区 的 扩 展 干 涉 仪，灵 敏 度 提高了 2 个数量级。2009 年意大利 伽利略研究所研制成功了微重力条 件下的紧凑便携式冷原子陀螺仪， 其重量为 650kg，试验系统如图 2 所 示。