[实用新型]一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及原子干涉测量惯性技术领域，尤其涉及一种基于多组份原子干涉仪的组合惯性传感器。

背景技术

重力加速度、重力梯度和转动速率是三个常见的惯性物理量，对它们进行高精度测量在计量、测绘、地质、地震、国防和资源勘探等领域有重要的应用。例如由重力加速度和重力梯度可以反演得到地表以下的质量和密度的分布特征，因此重力勘测方法在资源勘探、地质结构分析和地球物理研究等领域发挥着非常重要的作用。在地球物理研究中，地球自转率的起伏能够提供有关地球的内部构造和动力学的有价值的信息，非常灵敏的陀螺仪能够用于测量由于地震发生、板块的移动和潮汐效应导致的局部旋转效应，而对地震旋转效应的理解有助于设计特殊的建筑结构来降低建筑物对地震的脆弱性。转动速率的高精度测量也可以应用于导航和广义相对论的测试等重要领域。

目前，测量绝对重力加速度的最具代表性技术方案有两种：宏观自由落体方案和冷原子干涉方案。其中宏观自由落体方案已经完全实现商品化，如美国Micro-g Lacoste公司所生产的FG5型绝对重力仪；而冷原子干涉方案则具有更高的测量精度（可达10^-12g）。对于重力梯度的测量方法，在国际上也有低温超导、旋转加速度计、静电悬浮以及原子干涉等多种成熟的技术方案，并且已经开始商品化运作。测量转动速率的成熟技术方案有机械陀螺仪、激光干涉陀螺仪和光纤陀螺仪，基于原子干涉效应的陀螺仪目前还处在实验室样机研制阶段，但其极高的测量精度使它们成为了下一代陀螺仪最具竞争力的技术方案。

冷原子干涉方案是最具潜力的惯性量精密测量方案。该技术方案使用真空中的无束缚冷原子团作为测量介质，与传统的利用宏观物体作为测量介质的方案相比，该方案可将由测量介质本身以及外部环境作用于测量介质所引入的系统偏差和噪声水平降到最低，由此使得测量精度普遍高于现有技术。1991年朱棣文小组首次用激光冷却的钠原子实现了重力测量，经过了数次方案的优化到2013年其分辨率已经达到6.7×10^?12g。1998年，美国斯坦福大学的Kasevich小组首次用原子干涉效应实现了垂向重力梯度的测量，并于1998年达到了4E/Hz^1/2的测量灵敏度（1E=10^-10g/m）。1997年Gustavson等人首次实现了基于原子干涉效应的陀螺仪，并于2000年达到了6×10^?10rad/s的转动测量精度。

在传统的惯性测量方案中，大多是一个方案只能测量其中一个惯性物理量。但由于原子干涉仪能够同时感受到加速度、重力梯度和转动，因此只要选择合适的测量方案就可以利用单一物理装置实现多个惯性量的测量。例如法国巴黎天文台的B.canel等人在2006年实现基于原子干涉效应的六轴惯性量传感器，使用不同的拉曼光构型可以实现加速度和转动速率的同时测量（B.canel et al.,PRL 97,010402(2006)）；美国斯坦福大学的Susannah M.Dickerson等人采用CCD拍照的新方法，能同时测量出两个方向的转动和重力（Susannah M.Dickerson et al., PRL 111,083001(2013)）。2008年，Kasevich小组实现小型化的基于原子干涉效应的陀螺仪的样机，测量地球转动的角速度为Ω/Ω_E=1.0007±0.0005，也用它测量了水平方向的重力（1.6×10^?7g/Hz^1/2）和重力梯度值（270E/m）（Ken Takase, Precision rotation rate measurements with a mobile atom interferometer, PHD Thesis, Stanford University(2008)）。

重力梯度与其它惯性物理量的协同测量在惯性导航领域具有非常重要的意义,由于惯性导航器件无法将重力的变化和加速度的变化区分开来,所以重力变化的累加会给定位带来偏差,而通过对重力梯度的积分可以得到重力的变化并扣除相应的定位偏差,从而大幅度提高定位的精度。在上述各种方案中，仅有Kasevich小组实现了基于同一套测量装置的转动和重力梯度测量，但由于测量方案的相互干扰，使得该方案无法实现多种物理量的同时测量。而分时测量的方案，一方面将延长测量的时间，使得采样率大大降低；另一方面，将无法实时的剔除各个物理量之间的相互影响，使得测量的精度无法进一步提高。

发明内容