1、自动化学院 双控丰先家2120120972引言引言原子陀螺仪原子陀螺仪原子陀螺仪的基本结构原子陀螺仪的基本结构原子陀螺仪的工作原理原子陀螺仪的工作原理原子陀螺仪的发展与现状原子陀螺仪的发展与现状原子陀螺仪的应用原子陀螺仪的应用原子加速度计原子加速度计 自自1910 年首次用于船载的指北陀螺罗经以来，年首次用于船载的指北陀螺罗经以来，陀螺仪已有陀螺仪已有100 多年的发展史。随着技术的发展，多年的发展史。随着技术的发展，结合不同物理效应的应用，相继出现了多种不同结结合不同物理效应的应用，相继出现了多种不同结构的陀螺仪。构的陀螺仪。从理论上可以划分为两大类从理论上可以划分为两大类:一是以经典力学一
2、是以经典力学为基础的陀螺仪，包括各类机械陀螺仪；为基础的陀螺仪，包括各类机械陀螺仪；二是以现二是以现代物理学为基础的陀螺仪，包括光学陀螺仪。代物理学为基础的陀螺仪，包括光学陀螺仪。但是随着科技的不断发展与进步，这些陀螺仪但是随着科技的不断发展与进步，这些陀螺仪的精度在一定程度上已经无法满足我们的需求了，的精度在一定程度上已经无法满足我们的需求了，于是，我们致力于发展更新型，精度更高的陀螺仪。于是，我们致力于发展更新型，精度更高的陀螺仪。现代物理不断的发展，带来了量子力学现代物理不断的发展，带来了量子力学、原子、原子操控操控、现代光学等、现代光学等技术飞速进步。从技术飞速进步。从2020世纪世纪
3、9090年代末年代末至今，冷原子技术至今，冷原子技术(1997(1997年、年、20012001年年诺贝尔奖诺贝尔奖)、原子、原子光学技术光学技术(2005(2005年诺贝尔奖年诺贝尔奖)等现代物理等现代物理基础理论基础理论和关和关键技术获得突破，以原子作为敏感介质键技术获得突破，以原子作为敏感介质的精密的精密测量得到了高度的关注。测量得到了高度的关注。原子的能级性质、原子的能级性质、波动波动性质、自旋性质为精密测量提供了依据，现已性质、自旋性质为精密测量提供了依据，现已应用应用于时间测量、频谱测量、重力测量和转速测量于时间测量、频谱测量、重力测量和转速测量。原子。原子的波动性和的波动性和自旋
4、性质成为了原子陀螺仪的自旋性质成为了原子陀螺仪的物理机制物理机制，由此产生的原子陀螺仪可能，由此产生的原子陀螺仪可能代表了未来代表了未来超高精度超高精度陀螺陀螺的发展的发展方向之一，从而对未来惯性导航方向之一，从而对未来惯性导航产生产生深远的深远的影响。影响。采用原子陀螺的相关技术具有实现超高精度的、具有重力梯度补偿和高精度时频基准的集成惯性导航系统，实现惯性导航的全部功能的潜力，这也是原子惯性导航系统成为未来惯性导航系统首选的主要原因。原子陀螺仪是以原子干涉仪为核心的转动测量装置，它利用原子干涉的Sagnac效应进行转动角速度的测量。原子干涉仪本质上是依赖于原子的波动性，由于原子的德布罗意波
5、短，所以原子干涉仪可以进行很多物理量的高精度测量，其中包括转动量。原子陀螺仪是一个涉及光、电、磁、真空原子陀螺仪是一个涉及光、电、磁、真空机械和控制的复杂系统，其关键技术是激机械和控制的复杂系统，其关键技术是激光及其稳频控制技术、真空机械技术、信光及其稳频控制技术、真空机械技术、信号提取和处理技术以及噪声处理等。号提取和处理技术以及噪声处理等。原子陀螺仪的结构组成原子陀螺仪的结构组成原子陀螺仪的工作原理是基于原子波干涉的原子陀螺仪的工作原理是基于原子波干涉的Sagnac效应的，与激光陀螺原理类似。效应的，与激光陀螺原理类似。Mach-Zehnder型原子干涉仪型原子干涉仪这是一个这是一个Mac
6、h-Zehnder型原子干型原子干涉仪，在这种类型涉仪，在这种类型的干涉仪中，一个的干涉仪中，一个1:1 分束器将入射分束器将入射波分为均等的两份，波分为均等的两份，然后利用反射镜分然后利用反射镜分别使两束波改变方别使两束波改变方向，最后将它们在向，最后将它们在另一个另一个1:1 的分束的分束器中重合。器中重合。原子干涉仪的情况与上述情况类似。它利用操控良好的激光光束实现原子的分束和反射。按照原子光学，分光器和反射镜分别由和/2 脉冲来实现，如右上图所示，两个输出端的原子数与每次相互作用时的激光相位有关，该相位因两束原子受外场的作用而改变。例如，在最后的/2 脉冲之前沿着光束方向的加速使原子跑
7、到光场的反节点中，导致两原子路径相互作用中包含由加速度引起的相位变化，如右下图所示，因此只要测出原子干涉花样产生的相移，就能测出加速度的变化，它的分辨率至少比光纤高几个数量级。这里必须指出的是这种干涉是原子内态的干涉，即表现形式是原子态的变化。原子干涉图有加速时原子干涉图当相对转动空间在垂直干涉面积上有一个转动角速度 时，干涉仪的相移为 式中，为波长，对于物质粒子该波长为德布罗意波长，h为普朗克常量，m为粒子质量，为频率，上式也是Sagnac效应的基本公式，是利用Sagnac效应进行角速度传感器的基本原理。显然，原子陀螺仪属于角速率陀螺。A2)/(mhdB下面，我们对原子干涉仪和激光干涉仪进下
8、面，我们对原子干涉仪和激光干涉仪进行类比。当干涉物质为激光时，我们可以行类比。当干涉物质为激光时，我们可以得到得到式中，式中，c为光速。为光速。当干涉物质为物质粒子时，可以得到当干涉物质为物质粒子时，可以得到式中，式中，为约化普朗克常量，上式即为为约化普朗克常量，上式即为原子陀螺仪的基本公式。原子陀螺仪的基本公式。cAlaser2Amatom2/h假设干涉面积A相同，在相同的角速率 下，原子陀螺仪与激光陀螺仪的相位比为式中，为激光的频率。hmcmclaseratom222由上式可知，如果将氦-氖激光与铯原子进行比较，在相同的闭合干涉仪面积和角速度情况下，原子干涉相移是激光干涉相移的 6 101
9、0倍，也即对应的原子陀螺仪式激光陀螺仪灵敏度的6 1010倍。但是由于光学干涉仪有自身的优势，如环形激光陀螺仪可以得到更好的分束和反射器件，或者光纤陀螺仪可以通过多圈的光纤增加干涉路径，由此可以得到更大的有效干涉面积，所以上述原子干涉仪在灵敏度方面的优势在某种程度上被抵消。Scully和Dowling基于量子力学的推导，考虑原子波传播过程中噪声等影响，理论上得到原子陀螺仪的灵敏度可以达到环形激光陀螺的 104倍。这种在灵敏度上数量级的差异也是开展原子陀螺仪研发的主要动力。随着原子光学技术的不断发展，原子干涉仪能够得到的闭合面积可以不断提高，并最终接近其理论预测的灵敏度和精度。性能性能指标指标零
10、漂60/h噪声（ARW）3 /h1/2标度因子5ppm表表1 美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到的性能指标美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到的性能指标目前已公布的数据中，美国斯坦福大学获得的原子陀螺仪达到了最好的性能指标 研究小组研究小组性能性能斯坦福大学斯坦福大学（美国）（美国）汉诺威大学汉诺威大学（德国）（德国）巴黎天文台巴黎天文台（法国）（法国）原子通量原子通量/(at/s)109108108干涉长度干涉长度/cm200153转动测量灵敏度转动测量灵敏度/(rad/sHZ1/2)610-10210-92.610-6表表2 世界个研究小组的原子陀螺仪的相关性能特性世界个研究小组的原子陀螺仪
11、的相关性能特性原子陀螺仪的类型：三拉曼脉冲陀螺仪:/2-/2四拉曼脉冲陀螺仪:/2-/2原子芯片陀螺仪巴黎天文台研制的有巴黎天文台研制的有2个磁光陷个磁光陷的超灵敏原子陀螺模型的超灵敏原子陀螺模型便携式冷原子陀螺仪便携式冷原子陀螺仪（利用四拉曼脉冲技术）（利用四拉曼脉冲技术）国内现状：在国内,许多高校和研究院所也已积极地投身到原子惯性器件的研究开发中。在冷原子干涉仪陀螺研究中,武汉物数所处于领先地位，该所研究人员在原子干涉仪中利用拉曼相干操作冷原子获得了37%的条纹对比度，并完成冷原子陀螺仪的初步搭建。对于玻色-爱因斯坦凝聚态原子芯片的研究，中科院上海光机所2006 年就已实现芯片上冷原子的俘
12、获，并在U 型阱完成超冷原子团的导引和分束为原子芯片的惯性器件应用打下了基础。惯性传感器是导航定位、测姿、定向和运动载体控制的重要部件，由于具有完全自主、不受任何干扰、隐蔽性强、输出信息量大、输出信息实时性强等优点，使其在军事、商业相关领域得到了广泛的应用。惯性导航系统的定位误差随时间存在一个积累过程，长时间工作会导致导航误差随之变大，所以为满足长航时、远距离精确导航与制导的要求，目前的导航系统都是通过组合导航技术，即GPS 系统结合惯性导航系统实现。随着高精度原子陀螺仪的发展及工程化应用，惯性导航系统能够脱离GPS 系统而独立使用，真正意义上实现自主惯性导航，这在航海航空以及航天领域都有着重
13、要意义。原子陀螺仪作为高精度测量工具还可用以广义相对论的验证。相对论的验证就是对广义相对论的重要预言量进行检测验证:时间和空间因地球等大质量物体的存在而出现的弯曲,即测地线效应(Geodetic Effect)以及大质量物体的旋转拖动周围时空结构发生的扭曲，也就是参考系拖拽效应(Lense-Thirring Effect)。通过将高精度陀螺仪发送到640 km的极地轨道上，实现所处时空造成的弯曲和扭曲量的测量。基于高精度探测特性，原子陀螺仪还可以应用到等效原理、引力波、精细结构常数和牛顿常数G的测量。当然，高精度陀螺仪的发展和应用还可以推动地球物理学，尤其是地震学、测地学以及地壳构造物理学等领域的发展。原子加速度计的工作原理也是基于原子干涉，使用激光冷却等方法使原子实现超级冷却，也称冷原子传感器。原子加速度计通过感受加速度引起的原子干涉相位的变化进行加速度测量，来实现超高灵敏度和超高精度。冷原子是利用原子而不是宏观物体作为检测质量，所以不仅灵敏度高，一致性好，而且不对温度磁场等环境因素敏感。据称，原子加速度计可能成为未来20年最高精度的加速度计，精度可达10亿分之一。由于原子干涉仪可有望做出高精度加速度计、也可有望做出高精度陀螺仪、重力仪/重力梯度仪、原子钟，因此有千里实现超高精度的具有重力梯度补偿和高精度时频标的集成惯性导航系统。
