基于数值微分计算的SERF原子自旋惯性测量动态仿真

基于量子调控技术的SERF原子自旋惯性测量仪表与传统惯性测量仪表相比,具有精度高、无活动部件、对加速度不敏感等优点,被公认是下一代高精度惯性测量的发展方向。分析了SERF原子自旋惯性装置Bloch微分方程组模型下磁场、激光、角速度输入对碱金属电子极化率和惰性气体核子极化率的影响。针对实验条件下原子系综Bloch微分方程组难以解析求解的问题,基于可变阶次数值微分计算,建立了相应的Simulink模型对实验条件下的原子系综进行数值求解,并分析了极化率对光场、磁场、角速度输入的瞬态响应与稳态响应。仿真结果与理论计算结果相吻合,验证了Bloch方程数值求解的可行性与准确性。该方法可得到惯性测量系统的动态响应,可用于模拟复杂输入下的SERF原子自旋惯性测量系统的输出响应。     

序言

随着量子光学、原子物理学等领域的飞速发展,惯性测量已经迈入量子时代,量子惯性测量已成为惯性测量技术的重要发展方向,在当今受到越来越广泛的关注。“惯性测量与量子技术”专栏,致力于探索利用量子效应进行惯性测量的物理机理,发掘超高灵敏量子惯性测量的方法,以促进量子惯性测量技术的发展。     

新型微光机电系统惯性测量技术研究进展

微惯性测量单元(MIMU)是惯性导航系统(INS)的核心组件,亦是构建微定位导航授时(μ-PNT)系统的重要组成部分。当前成熟的微惯性测量单元主要基于微机电系统(MEMS)实现,其性能逐渐难以满足新型无人驾驶车、无人飞行器以及制导弹药、航空航天器等军民用领域对高精确惯性导航的需求。近年来,各种新型微惯性测量技术相继被提出,以期望突破微惯性测量单元的性能与尺寸、质量、功耗(SWaP)之间相互制约的关键技术难题。系统总结了近年来国内外在常规MEMS惯性测量技术以及新型微光机电系统(MOEMS)惯性测量、微腔光力惯性测量、量子精密测量等几类新型惯性测量技术方面的研究进展,展望了未来新型高精度惯性测量技术的发展趋势,并提出了一种基于腔光力系统的量子增强型惯性测量技术构想。     

基于热磁耦合分析的高性能磁屏蔽系统设计

近零磁工作环境是实现无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置的必要条件,但在实际中由于装置内部气室加热和环境温度变化引起的磁屏蔽性能变化是影响系统性能的一个主要因素.基于热-磁耦合理论建立了惯性测量装置的有限元分析模型,对加热条件下磁屏蔽筒内磁场均匀性及其剩余磁场进行了分析.结果表明,气室加热至200℃时,附近温...     

量子惯性仪表用磁屏蔽材料进展

量子惯性仪表是利用光场和磁场等手段操控原子、电子等微观粒子实现载体运动信息测量的新型惯性设备,量子惯性仪表对外界磁场的大小、稳定性和均匀性等提出了很高的要求,需要高性能的磁屏蔽技术与之相匹配。回顾了目前常用的磁屏蔽方式,针对最常用的被动型磁屏蔽所涉及的材料铁镍合金、非晶合金和软磁铁氧体等进行了梳理和总结,阐述了上述三种材料的优缺点以及适用范围,并展望了量子惯性仪表用磁屏蔽材料的发展趋势。     

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。     

面向无人机的单芯片惯性测量组合

针对无人机对惯性测量组合的小尺寸、轻重量的需求,设计实现了芯体为1cm3的微小型单芯片的硅微惯性测量组合。论文提出了一种基于体硅深刻蚀—玻璃键合工艺的单芯片惯性测量组合结构,该结构集成了六个异构的单轴惯性器件,可实现运动载体的六自由度运动信息测量。单芯片惯性测量组合中的陀螺器件两个模态的的振动频率实现了较好的匹配,加速度计器件分辨率达到了0.93mg。测试结果表明该单芯片惯性测量组合有望实现高精度的惯性量测量,在无人机上有很好的应用前景。     

惯性技术发展历程回顾与展望

科学的进步推动了惯性技术新理论、新思维、新机理和新结构的发展,装备的竞争繁荣了惯性技术应用的新方法途径、新领域市场和新应用模式,惯性仪表性能精度快速提高.20世纪以来,两次量子技术革命方兴未艾,推动惯性技术突飞猛进地发展.世界惯性领域专家一直以需求为牵引,以提高精度为宗旨,积极推进基础惯性技术关键技术攻关,积极探索新机...     

卡尔曼滤波在自旋卫星章动控制中的应用

细长体结构卫星的自旋运动是不稳定的,章动有发散趋势,须进行实时的章动监视,且章动角的测量值包含有误差.通过引入一个离散控制过程的系统,介绍了卡尔曼滤波器的基本原理,建立了自旋卫星自旋运动简化的动力学模型,给出了运动方程和观测方程,详细地推导了适用于自旋卫星章动控制的卡尔曼滤波处理过程,利用该模型对某自旋卫星章动进行仿真计算,并对姿态章动联合控制和应急章动控制情况下的章动控制应用情况进行分析,得出结论：基于卡尔曼滤波的卫星章动角计算的方法正确、结果准确.     

一种基于惯性测量单元和里程计的油气管道定位方法

对于惯性导航系统而言,当初始对准给定的信息不准确时,会导致惯性测量单元信息解算不准确,进而影响定位算法精度.针对油气管道定位问题,设计了一种基于惯性测量单元和里程计的油气管道定位方法,介绍了惯性测量单元和里程计定位的基本原理,分析了初始对准不准确对定位结果的影响,提出了基于首尾点坐标的轨迹校正方法.该校正方法补偿了初始...     

磁场空间分布测量技术的发展

随着科技进步和精密测量技术的发展,传感技术正在从光学仪表时代向量子仪表时代过渡,磁场空间分布测量对于研制高性能量子仪表具有重要意义。同时,惯性器件微小型化的研发对于小范围磁场空间分布测量技术的发展提出了要求。介绍了磁场空间分布测量技术的工作原理、性能特点和发展现状,重点阐述了几种用于小尺度磁场空间分布测量的技术途径,分析了磁场空间分布测量技术的发展趋势。     

冷原子干涉仪发展现状与应用分析

基于冷原子干涉仪的量子传感器具有极高的理论精度,在自然科学的各个领域特别是重力测量和惯性传感领域有着广泛的应用。首先介绍了原子干涉仪的基本原理,在此基础上给出了基于双光子受激Raman跃迁的脉冲式Mach-Zehnder原子干涉仪的干涉相位,描述了原子干涉仪在重力仪和陀螺上的应用及其发展历程,着重分析了当前发展最成熟的原子重力仪的发展历程和趋势,指出了原子干涉仪应用的发展方向。     

量子重力梯度仪研究进展

重力梯度是重力位的二阶微分,对地球密度扰动具有更高的分辨率,能够更加精细、全面地反映重力位在空间上的变化.高精度重力梯度测量在地质调查、地球重力场测绘、惯性导航以及基础科学研究等方面发挥着重要作用.量子重力梯度仪是近年来快速发展的一种基于激光操控原子技术的新型高精度重力梯度测量设备,具有测量精度高、长期稳定性好等特点,...     

光力惯性传感技术研究进展

光力惯性传感技术是利用光子与机械振子的相互作用,通过出射光的动量和角动量的变化实现对振子运动状态的监测,进而实现对其受力（矩）,以及（角）速度、（角）加速度测量的新型惯性传感技术。该技术既有高极限精度的原理优势,又有微型化的技术优势,是惯性传感技术的前沿领域,具有极大的发展潜力。首先介绍了基于光阱系统和微腔系统的两类光力惯性技术,分析了其基本工作原理与物理特征;其次介绍了国内外光力惯性传感器件的研究现状;最后对光力惯性技术的发展特点、国内外差距进行了总结,并给出了我国发展光力惯性传感技术的建议。     

导弹智能化对惯性技术发展需求

未来战争是智能化的战争,未来导弹的发展必然呈现智能化趋势。针对导弹智能化需要具备的智能感知、智能决策、智能控制、智能协同和智能突防等五方面特征,分析了惯性技术的作用和发展需求,颠覆性创新技术的不断涌现,也推动了新原理、新材料、新技术在惯性技术领域的应用。本文提出了需要突破的关键技术,包括惯导系统大数据应用技术、惯导系统容错及系统重构技术、智能协同导航系统的时空基准统一技术、以惯性系统为基础的信息集成技术等关键技术,并对适应未来网络协同作战的智能导弹导航控制需求提出了对策建议。     

基于任务的微机电惯性系统规模化测试技术研究

针对传统惯性测试技术测试周期长、测试效率低、测试成本高等问题,提出了基于任务的微机电惯性系统规模化测试解决方案。研究分析了微机电惯性系统测试技术的研究现状和发展趋势,建立了基于任务的微机电惯性系统测试体系,详细论证了微机电惯性系统批量、并行、自动化测试解决方案的可行性,为微机电惯性系统规模化测试实践奠定了基础。     

MEMS惯性技术的研究与应用综述

MEMS技术是惯性技术未来主要的发展方向之一。本文介绍了国内外MEMS惯性仪表与系统的研究与应用概况,研究内容与关键技术,以及发展趋势。     

基于虚拟测量技术的模块化测量系统研制

机械产品的尺寸公差和形位公差是重要的质量检测指标,合格与否将直接影响产品功能。根据筒类工件的结构特点,搭建了基于虚拟测量技术的模块化测量系统,系统基于LabVIEW仪器平台开发主控制程序搭建外围硬件,解决了测量定位、传感器的选型、系统集成、测量程序开发等关键技术,实现了对尺寸公差与形位公差的同机检测。实验结果表明,系统检测精度达到99.80%,测量误差低于0.043mm,检测效率提高近3倍。