惯导系统

陀螺仪

一、新型超高精度惯性传感器-----冷原子陀螺仪

摘要: 综述了目前国内外正积极研制的原子干涉仪。它是建立在激光冷却、囚禁与操控原子理论基础上，利用原子本身作为自由下落的“测试物体”来测量仪器所受到的惯性力。这种新型惯性敏感器能以前所未有的精度同时测量物体的旋转角速度和线性加速度，并可通过原子对抛技术实现两种量测量的区分，这已为诸多实验所验证。报道了国内外原子干涉仪的最新研制进展。原子干涉仪的紧凑性和长时稳定性将使其在惯性测量领域获得更广泛的工程应用。

1.引言

原子和光子、中子一样，具有波粒二像性，利用其波动性，可以实现跟光学干涉仪类似的原子干涉仪。它是近20年发展起来的激光冷却与操控原子技术的一个重要应用[1]。原子干涉仪能精确测量旋转角速度[2-3]和线性加速度[4-5]，从而用作原子陀螺、原子绝对重力仪和原子重力梯度仪，其短时灵敏度已超过目前的光学干涉仪，可以用作下一代高精度惯性敏感器。在实际应用中,冷原子较热原子具有更小的速度及其速度分布,利用冷原子实现的冷原子陀螺仪在小型集成化及其惯性导航领域的应用中更具有优势, 因此, 冷原子陀螺仪的实验研究有着重要的意义。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。

2.原子干涉仪基本原理

拉曼型原子干涉仪通常采用构型，第一个拉曼脉冲和原子相互作用时原子相干分束，拉曼脉冲和原子相互作用时, 两个态的原子发生布居数互换的同时都获得了双光子反冲动量，原子相干反射，第二个拉曼脉冲和原子相互作用时原子合束发生干涉。在原子干涉过程中，初始态的原子经过第一个拉曼脉冲实现分束时，原子有一半的几率继续呆在初态，有一半的几率发生跃迁而呆在激发态，在激发态的原子同时获得激光的相位，形成一个相干叠加态，当原子与第二个拉曼光脉冲作用时，原子正好感受到一个的跃迁,，原子布居数发生交换的同时均获得激光的相位，当原子与第三个拉曼光脉冲作用时，初态的原子有一半的几率继续呆在初态，有一半的几率发生跃迁而呆在激发态，同样，激发态的原子有一半的几率继续呆在激发态，有一半的几率发生跃迁而呆在初态,他们均获得激光的相位，因此，原子经过三个拉曼脉冲作用后原子内态为初态和激发态的相干叠加态，原子在初态或激发态的几率为：

（1）

从公式(1)可以看出, 拉曼光的相位参与到原子内态的布居数变化上，当扫描任意一个拉曼光相位时，可以得到原子干涉条纹。如图1 所示为原子干涉仪示图。

图1 原子干涉仪示意图

类似于光学陀螺仪中的萨格奈克效应,在原子干涉仪环路中, 原子感受到科里奥利加速度, 旋转引起的相移和旋转速度的关系表示成：

(2)

在这里为拉曼光的有效波矢；为原子的速度；为拉曼光脉冲间隔。从式( 2)可以看出,当原子的速度相反时，旋转引起的相移也相反，因此,原子速度方向相反的双原子干涉环路陀螺仪可以消除重力加速度等因素对旋转测量的影响。

冷原子陀螺仪的原理示意图如图2 所示，囚禁在两个磁光阱中的冷原子团以相反方向沿着相同的抛物线轨迹形成冷原子束，经过态制备后的原子在其中一个基态作为初始态，用受激拉曼激光形成的拉曼脉冲形成M-Z干涉环路，通过扫描其中一个拉曼脉冲的激光相位，用激光诱导荧光测量另一个基态的布居数分布可以得到两个原子干涉条纹。

图2 冷原子陀螺仪原理示意图

从式( 1)可知，对于双环路原子干涉陀螺仪，每一路原子干涉条纹信号可分别写成

式中：为拉曼激光与原子相互作用相位；为旋转速率引起的相位；为所有共模因素引起的相位，作为原子干涉初相位处理，双环路原子干涉相移差的一半即为旋转速率引起的相移，利用式(2) 可以提取旋转速率。

3.原子干涉仪性能影响因素

原子干涉仪性能的进一步提高将受到两方面的限制：(1) 由于重力的影响，原子飞行的时间有限，飞行路径包含的面积较小，难以进一步提高灵敏度；(2)在原子动量起伏较大的情况下，不能将原子束等比例地分离到两个路径上，降低了干涉条纹的对比度。因此，除了改善现有原子干涉仪的方案之外，发展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势。这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法。在原子束源方面，采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干涉仪研究，可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比。在原子操纵方面,原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力，有利于发展小型化原子干涉仪。

4.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 6×10-6deg/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。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，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。

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，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。

5.结束语

冷原子干涉量子陀螺仪作为一种全新的惯性测量传感器，由于其超高精度和超高分辨率的优异特性受到各国的重视，它可用于许多特殊要求的测量，如重力加速度和加速度的测量，高灵敏导航系统等。还可广泛应用在航空航天，航海，地球物理和广义相对论的等效原理的验证等诸多领域，具有巨大的发展潜力。值得我们不断地深入研究。

二、光纤陀螺仪（用于惯性导航的光纤传感器）