原子干涉技术在惯性领域中的应用

惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。     

冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势

地球重力场反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化.高精度重力加速度测量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.冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器,它利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量.本文介绍了冷原子重力仪的发展历史、现状及趋势,详细论述了冷原子重力仪的原理、分类、装置及步骤等,并重点分析了小型化冷原子重力仪的关键技术.     

原子干涉重力测量技术研究进展及发展趋势

20世纪90年代至今，原子干涉重力测量技术以其高精度和鲁棒性等特点，逐渐成为绝对重力测量的重要技术之一。近年来，在国际重力比对活动中，原子干涉重力仪已有超越FG5 X的趋势，其在陆地、航海、航空、航天等领域均有成功的应用。介绍了原子干涉重力测量技术的工作原理、研究进展和小型化原子干涉重力仪的关键技术，并对其发展趋势进行了展望。     

原子干涉陀螺仪精密测量及应用

由于原子干涉陀螺仪具有灵敏度高和长期稳定性好等特点,在惯性导航、精密测量、测地学等领域有着重要的应用前景,因此,研制高精度原子干涉陀螺仪具有重要的科学意义和应用价值,已成为当今研究的热点课题之一。首先综述了国内外原子干涉陀螺仪的研究进展和发展趋势。然后分析了广义相对论检验和惯性导航应用对原子干涉陀螺仪的需求,介绍了10余年来在原子干涉仪、萨格纳克效应和原子干涉陀螺仪方面取得的研究成果。最后讨论了原子干涉陀螺仪的优缺点,并展望了原子干涉陀螺仪的发展机遇及其在精密测量和惯性导航领域面临的挑战。     

基于蒙特卡罗方法的冷原子干涉仪物理仿真

由于现有的噪声分析方法无法很好地评估在复杂环境下冷原子干涉仪的输出特性,本文提出了一种新的冷原子干涉仪仿真方法,可以模拟大动态条件下各项噪声及其之间的耦合对冷原子干涉仪的影响。利用单粒子波包演化的处理方式对冷原子干涉仪进行全过程物理建模,并采取蒙特卡罗方法对大量确定初态的原子进行全过程统计,最终得到冷原子干涉仪在多种噪声同时存在的情况下的响应。该方法主要优势体现在能够对噪声耦合情形进行高精度仿真,并且可以根据实际数据对干涉仪输出进行实时处理,以提升冷原子干涉仪的性能指标。     

用于铷原子磁光阱的超高真空系统设计

上抛式冷原子干涉重力仪,以Rb原子作为操控介质,使其在二维磁光阱中被冷却,在三维磁光阱中装载并在干涉区内实现探测。根据重力仪对真空系统的特殊要求,对真空系统的结构和参数进行设计,完成真空泵、真空腔室结构及光学玻片等关键部件的选型及设计,设计出结构紧凑实用的超高真空系统。在后期磁光阱的装配中,提出了相应的关键工艺技术,实现了超高真空系统的组装搭建。通过差分管的设计,二维磁光阱的真空度控制在10-6Pa,三维磁光阱的极限真空度达到10-8Pa。     

原子磁力仪的空间应用及发展趋势

在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。     

气室无磁加热结构研究进展与展望

碱金属气室是原子陀螺、原子磁强计和原子钟等原子测量仪器的核心部件.原子密度主要受加热温度的影响,高均匀性、高稳定性的气室加热结构是保证碱金属原子密度稳定的关键技术,对提升原子测量仪器输出信号的灵敏度至关重要.回顾了目前常用的碱金属气室加热方法,针对加热层、传热层、保温层等组件,梳理和总结了碱金属气室加热结构的发展方向和发展历程,并在此基础上展望了未来碱金属气室加热结构的发展趋势.     

多导线对称分布原子磁分束器和干涉仪设计分析

提出了采用多根对称分布载流导线构成原子分束器的方法,包括三导线和四导线磁导引。阐述了原子分束器的分束机制,用Ansoft Maxwell 2D软件计算给出了部分载流导线移动到不同位置时的磁场分布图。通过分析了导引中心的变化,发现只要通过改变载流导线之间的相对位置就可以来实现从单路到双路导引和三路导引的转换。由此分别设计由3根对称分布载流导线构成的原子双路分束器和4根对称分布载流导线构成三路分束器,然后运用Monte Carlo方法模拟验证其原子分束功能。最后以三线对称分布分束器为基础构成Mach-Zehnder原子磁干涉仪。     

三脉冲冷原子陀螺仪中基于内态演化的拉曼光光强补偿算法

由于在复杂环境中拉曼光功率不稳定会导致原子脉冲的宽度发生改变,从而影响陀螺仪的测量精度。通过对冷原子干涉仪的干涉全过程进行建模,计算得出了陀螺仪在拉曼光改变情形下输出相位的解析表达式,即建立了拉曼光在非近共振条件下强度变化时陀螺仪的输出值与外界载体运动之间的关系。与此同时,基于该解析表达式提出了一种对拉曼光光强的补偿算法,能有效提升原子陀螺仪在复杂环境下的系统稳定性。通过光强调制实验验证了该算法的有效性,补偿后系统输出长期稳定性提升了33%。     

原子干涉陀螺仪关键技术及进展

原子作为一种微观粒子,具有波粒二象性.利用粒子的波动性,可以产生类似于光波的Sagnac效应,由此实现基于原子波干涉的原子干涉陀螺仪.其中原子干涉有内态干涉和物质波干涉两种.在围成相同面积的情况下,原子干涉陀螺仪的灵敏度将比光学陀螺仪高出10个量级以上,适宜于水下和空间等长时间惯性导航的应用.本文详细地论述了原子干涉陀...     

冷原子干涉陀螺研究进展

近年来,基于激光冷却与俘获的冷原子干涉技术得到了飞速的发展,这为精密转动测量提供了新的研究方向。相比于传统陀螺,冷原子干涉陀螺具有更高的灵敏度,是新一代的惯性测量仪器。从冷原子干涉陀螺的测量原理出发,介绍了近几年国内外干涉型冷原子陀螺的实现技术路线和研究现状,对比了各技术路线的优缺点,提炼出了最佳的研制冷原子干涉陀螺的总体技术方案,为高精度和高动态测量的陀螺样机研制提供了技术基础。     

捷联式移动平台重力仪地面测试结果

自主研制移动平台重力仪对我国矿产资源勘探及测绘等领域具有重要意义。研制了一种基于激光捷联惯导的移动平台重力仪,根据移动平台重力测量应用需求及激光捷联惯导系统特点,采用高精度石英挠性加速度计作为重力测量传感器,安装于系统垂向通道,既可作为导航用垂向加速度计,又用于实现标量重力测量。介绍了工程样机系统的组成。利用重力场随高度升高衰减的原理,以相邻楼层间的重力测量差值评价了系统的静态精度;通过地面跑车试验,获得了系统动态测量内符合精度。     

速率方位平台与激光捷联惯导车载重力测量比较

目前,成熟应用的航空重力测量系统主要为两轴阻尼平台,例如LaCoste&Romberg海空重力仪,以及三轴惯导平台,例如GT-1A航空重力仪和AirGrav航空重力仪。虽然捷联式航空重力仪研制及应用尚未成熟,但通过本文对自主研制的激光捷联式与速率方位平台式航空重力仪进行的车载重力测量试验表明,两种类型重力仪样机获得的自由空间重力异常精度相当。     

重力测量技术与惯性技术之间的关系

以加速度计为代表的惯性器件技术和以惯性稳定平台为代表的惯性系统技术,极大地推动了重力仪和重力梯度仪的发展。重力测量技术的不断进步,也有效支撑惯性导航系统性能的不断提升,并牵引了惯性技术研究的不断深入。国内惯性技术领域应将重力测量仪器研制作为一项长期而重要的主题,研制过程中应充分发掘现有技术潜力加快研制进度,并注重产品小型化和轻量化设计,推进重力/重力梯度测量技术协同发展,不断提高技术水平,拓展产品应用领域,推进惯性技术的可持续发展。