[發明專利]一種基于冷原子干涉技術的六軸慣性測量裝置

有效

• 申請號: 202110025211.0
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112833879B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 路想想;劉簡;裴棟梁;陳瑋婷
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七0七研究所
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王雨晴

本發明涉及一種基于冷原子干涉技術的六軸慣性測量裝置，其技術特點在于：包括x，y，z三個正交方向上各存在一對真空腔、6對正冷卻光和負冷卻光、3組正交的π/2?π?π/2拉曼脈沖、3對對射的干涉回路、1個三維共用干涉腔、3對正交的干涉腔和3對不同的冷原子團。通過構建三維相互正交的真空腔結構，利用三種不同的堿金屬原子作為敏感介質，采用相應的激光和磁場冷卻并操控原子，構建三對冷原子干涉儀。通過對冷原子干涉儀的輸出進行差分處理，可以分別提取出載體在三個方向上的加速度和轉動信息。由于采用不同的原子，并共用中間的干涉區域，可以實現實時高精度的六軸參數測量。

技術領域

本發明屬于冷原子干涉精密測量技術領域，涉及利用三種不同的堿金屬原子，同時實現三軸轉動和三軸加速度測量，構成冷原子干涉慣性測量裝置及方法，尤其是一種基于冷原子干涉技術的六軸慣性測量裝置。

背景技術

基于冷原子干涉技術的陀螺儀和加速度計具有超高精度、不依賴GPS和無長期漂移等顯著優勢，受到了國內外諸多研究機構的關注和大力支持。法國巴黎天文臺下屬的時間空間基準實驗室，研制出實驗室條件下性能最好的冷原子干涉陀螺儀原理樣機，在干涉面積小5個量級的情況下，其零偏穩定性為6×10-5°/h，可媲美當今性能最好的干涉式光纖陀螺儀，展現了冷原子干涉式傳感器的超高精度測量潛力。法國微量子公司和美國原子光學傳感器公司研制出商業化的冷原子絕對重力儀產品，精度可達到μGal量級，是目前性能最好的絕對重力儀，已經在野外測量和地震監測等場合部署，這些研究極大推進了冷原子干涉技術在慣性導航、資源勘探和基礎物理研究等領域的應用。

在慣導系統中，通常需要同時獲取運動載體的角速度和加速度信息，從而進行姿態控制和定位，這要求三個陀螺儀和三個加速度計同時在三個正交維度進行精確測量。對于傳統的慣導系統而言，通常需要三個陀螺儀和三個加速度計來實現上述功能。然而，傳統的慣導系統由于自身機理的限制，隨著時間的累積，測量誤差會逐漸增大，引起導航和定位精度下降。因此，構建一種能夠長時間高精度運行并同時獲取多參數的慣性測量裝置顯得尤為必要。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于冷原子干涉技術的六軸慣性測量裝置，能夠實現實時高精度的六軸參數測量。

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種基于冷原子干涉技術的六軸慣性測量裝置，包括x，y，z三個正交方向上各存在一對真空腔、6對正冷卻光和負冷卻光、3組正交的π/2-π-π/2拉曼脈沖、1個三維共用干涉腔、3對正交的干涉腔和3對不同的冷原子團；所述真空腔用于提供超高真空環境，為冷原子團或冷原子束流的產生提供合適的背景原子，其中三個方向上的真空腔利用三種不同的原子作為敏感介質；所述正冷卻光和負冷卻光用于提供原子運動所需的拋射速度，二者之間具有特定的頻率差；所述π/2-π-π/2拉曼脈沖中的第一個π/2拉曼脈沖類似于分束器，用于將處于基態的原子分為基態和激發態的疊加；所述π/2-π-π/2拉曼脈沖中的π拉曼脈沖類似于反光鏡，將原子的兩個能態進行相互交換；所述π/2-π-π/2拉曼脈沖中的最后一個π/2脈沖類似于合束器，用于提取經歷不同干涉路徑的原子之間的相位差；其中π/2拉曼脈沖和π拉曼脈沖的時間寬度和拉曼光功率成反相關。

而且，在x，y，z三個正交方向各采用一對真空腔，四個側面分別開有圓形窗口；沿各個軸向上的窗口作為另一個正交方向的π拉曼脈沖通光孔，每個真空腔的三對正負冷卻光配置如下：其中一對垂直于x，y，z軸，另外兩對與原子出射方向成±45°夾角。

而且，所述三維共用干涉腔為十四面體，真空腔內表面噴鍍黑色真空漆，x，y，z三個正交方向與左、右、前、后、上、下干涉腔相連接。

而且，所述三對正交的干涉腔側面開有矩形窗口，該正交的干涉腔與三維共用干涉腔為一體式加工和處理，三對正交的干涉腔與三對真空腔之間通過真空法蘭進行連接，其中間利用一段錐形金屬管作為真空差分裝置，真空腔區域和干涉腔區域由獨立的四個真空泵進行真空度維持。