[發明專利]一種相干布局囚禁原子鐘和核磁共振原子陀螺儀一體化系統

有效

• 申請號: 201410605639.2
• 申請日: 2014-10-30
• 公開（公告）號: CN104280023A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 杜潤昌;劉小赤
• 申請（專利權）人: 成都天奧電子股份有限公司
• 主分類號: G01C19/60
• 分類號: G01C19/60;G04F5/14
• 代理公司: 成都頂峰專利事務所(普通合伙) 51224
• 代理人: 李崧巖

技術領域

本發明涉及一種相干布局囚禁原子鐘和核磁共振原子陀螺儀一體化系統，屬于原子鐘和核磁共振原子陀螺儀領域。?

背景技術

隨著科技的發展，導航定位系統在軍事和民用上得到越來越多的應用，但也存在一些問題。衛星導航具有體積小、成本低的特點，但抗干擾能力不足，容易被屏蔽或遮擋；慣性導航抗干擾能力強，但存在體積重量大、預熱啟動慢、成本高、無時間信息等不足。為了適應現代戰爭提出的精確打擊、快速反應、協同作戰、自主生存等需求，研究一種高精度、小體積、低成本、支持協同作戰并具有自主保障能力的導航技術勢在必行。近年來，一種基于現代量子技術、電子技術、微機械電子系統(MEMS)和3D微組裝工藝發展起來的微型定位導航與授時(Micro-Position，Navigation，Timing，Micro-PNT)技術應運而生。?

Micro-PNT是一個將芯片原子鐘、高精度微陀螺儀和高精度微加速度計組合集成的微終端。其中，芯片原子鐘提供時間信息；微陀螺儀提供角速度信息；加速度計提供加速度信息。Micro-PNT具有體積小，功耗低，成本低，定位精度達到導航級等多種優點，便于靈活集成于各種可移動系統當中，在軍事和民用領域具有廣闊的應用空間。?

傳統的Micro-PNT單元是將芯片原子鐘、高精度微陀螺儀和高精度微加速度計作為獨立器件組裝使用，其體積、功耗、重量必然是三個獨立組件之和。相干布局囚禁原子鐘是目前芯片原子鐘國內外的主流方案，核磁共振原子陀螺儀也是高精度微陀螺的主要備選方案。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種相干布局囚禁原子鐘和核磁共振原子陀螺儀一體化系統，降低Micro-PNT系統的體積、功耗、重量。?

核磁共振原子陀螺儀利用核磁共振原理來測量載體角速度的一種裝置。如圖1所示，當具有磁矩μ的自旋原子處于磁場強度為B₀的靜磁場中時，每一個自旋原子都會如陀螺一般繞著B₀矢量方向產生進動，稱之為拉莫爾進動，其進動角頻率ω_L稱為拉莫爾頻率，方向與B₀一致，其大小為：?

ω_L＝γB₀

式中γ為磁旋比，為原子核特征常數，與原子核運動無關。?

在與B₀平行的方向入射一束抽運光，再在與B₀垂直的方向入射一束探測光。當載體繞B₀方向以角速度ω_R轉動時，探測光光強變化變化頻率ω_obs為：?

ω_obs＝ωL+ωR?

由此可得：?

ω_R＝ω_obs-ω_L＝ω_obs-γB₀

由于ω_obs，γ，B₀均為已知，故測量得載體繞B₀轉動的角速度ω_R。此即核磁共振原子陀螺儀的工作原理。?

相干布居囚禁(Coherent?Population?Trapping)原子鐘(下簡稱CPT原子鐘)同樣也需要原子泡，原子泡內需要充入緩沖氣體(N₂和其他惰性氣體，如Ne、Xe、CH₄等)和堿金屬原子⁸⁷Rb或¹³³Cs。以充入⁸⁷Rb原子為例，基態M_F＝0兩態與激發態M_F＝1，M_F＝-1態構成制備CPT態的Λ型結構，CPT共振發生在D1線。圖2和圖3是芯片原子鐘工作原理圖，光源由縱腔面發射半導體激光器(VCSEL)提供。直流電流與頻率為ν的微波通過Bias-Tee偏置器合成為供電電流輸入VCSEL，使VCSEL輸出受微波頻率調制的雙色光。在原子上作用一靜?磁場，使得原子發生塞曼能級分裂。?

當微波的頻率剛好等于基態M_F＝0兩能級差1/2時，透射光的光強最強；當微波的頻率變化時，透射光的光強會迅速變弱。根據激光光強的變化將微波的頻率鎖定在原子的基態能級上，此時，微波頻率ν與基態M_F＝0兩能級差ΔE之間的關系為：?

ν＝ΔE/2h?