冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域的研究现状及展望

冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域的研究现状及展望

成小军

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁省沈阳市 110034

摘要：冷原子干涉陀螺仪作为以光学技术为基础的创新技术，在现代惯性导航领域具有良好的发展潜力。为此，必须充分掌握冷原子干涉陀螺仪的结构原理和应用特点，对比不同干涉结构类型，研究冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域在的研究与发展方向，推动冷原子干涉陀螺仪的全面发展。

关键词：冷原子干涉陀螺仪；惯性导航；应用展望

0引言

惯性导航是新时期的自主式导航系统，其中通过冷原子干涉陀螺仪的应用，能够提高测量精度和灵敏度，为此，人们必须重视对冷原子干涉陀螺仪原理与结构的细化研究，为惯性导航领域的发展提供良好的支持，满足我国惯性导航新时代的发展潜力。

1冷原子干涉陀螺仪工作原理与应用特点

1.1冷原子干涉陀螺仪系统结构

全新原子内态干涉仪器是以光脉冲跃迁为基础，与传统的原子干涉仪器相比具有强大的性能优越性。这种新型原子内态干涉仪利用物质波束来改变原子内态结构，其中的分束元件选用激光束。原子在发射或吸收光子时，也转变成了能态，由于获取光子动量与反冲，达到运行轨迹改变效果。因此，内态干涉仪的结构是通过内态或外态变化结合而成。

冷原子干涉陀螺仪的系统功能丰富，其中涉及多个模块，包括激光系统、机械系统、真空系统以及电路系统，其中激光系统内包括探测光、拉曼光以及冷却光等；机械系统包含磁屏蔽层、干涉腔以及磁光阱。真空系统的功能是为干涉环节提供良好的真空环境；电路系统具备信号处理以及时序控制功能。机械系统内部的磁光阱利用泵浦光与冷却光，对原子进行有效制备，并将其成精细化能级｜a〉态，通过高效推射将磁光推送到真空腔内，不同脉宽拉曼脉冲导致反射与合束，达到干涉效果。在冷原子干涉陀螺仪的运用中，通过探测效果实现信号干涉，并且在信号处理中准确获取被测惯量。

1.2冷原子干涉陀螺仪测量原理

冷原子干涉陀螺仪受到加速度（a）和旋转角速度（Ω）的影响，会出现冷原子跃迁现有，由原来的｜a〉态跃迁到｜b〉态，整个概率计算如（1）式：

（1）

如上式冷原子跃迁概率的计算分析，表示受到Ω影响后所产生的相移；表示a影响所产生的相位；受到拉曼脉冲相位影响。而干涉结构也会随着冷原子干涉陀螺仪类型的改变发生改变，因此在实际测量中运行原理也会具有一定差异。

以法国竖向拉曼脉冲冷原子干涉陀螺仪为例，运行原理是当冷原子以v速度倾斜方向引入真空腔内部，运动到抛物线顶端位置时，受到拉曼脉冲影响，整个干涉环节运动会受到单束脉冲限制。因此冷原子干涉陀螺仪相位计算公式如（1）式：

（2）

如上式的相位计算来看，其中脉冲相位φ1和φ3为π/2、φ2为π，keff表示拉曼光适量，T表示脉冲间隔。为了区分线加速度和旋转加速度产生的相位，一般会将冷原子团由干涉腔通过反向初速度对射，最终构建路径一致的干涉环路。以上两个冷原子干涉陀螺仪中的的具有干涉反向且大小相等的特点，但是并未发生改变，因此可以基于差分测量来阻止线加速度产生影响。

1.3冷原子干涉陀螺仪应用特点

当选用的冷原子干涉陀螺仪内部干涉结构为抛物线型时，可以发挥真空腔优势，但是在实际运行中也会受到其他因素影响，改变冷原子运行轨迹。当系统处于超重状态下，冷原子干涉陀螺仪无法顺利运行，抛物线干涉结构由于整个环路面积狭窄，因此在实际测量中的灵敏度也有所下降。但是抛物线型干涉结构能够扩展成多个自由度的惯量，因此系统具有良好的发展潜力。此外，对于拉曼脉冲的射出来说，可以有效简化激光设计，确保脉冲矢量相等，降低激光引入测量误差。将原本的冷原子干涉陀螺仪中加设2D-MOT，能够全面提升冷原子干涉陀螺仪的冷原子制备速度，在提高测量信噪比的基础上，降低整个测量作业时间，达到高效测量的效果。由于拉曼脉冲具有空间分离特点，因此在跃迁环节中也会具备一定敏感度，可以采用三脉冲矢量平行的方式来进行测量。

针对上述陀螺仪内部干涉结构的实际特点分析，通过对原子干涉结构的合理选择，能够基于差分测量来达到旋转角速度与线加速度的区分，还能消除共模噪声。但是该系统在测量时需要建立完全对称的干涉结构，即便是存在细微的干涉结构偏差，也会影响最终的测量结果。所以系统稳定性也需要进一步提升。从（2）式中来看，冷原子速度被热干涉仪的相位关系所干扰，频率漂移也会造成影响，频率分步将导致条纹对比度的减小，同时原子旋转角速度也越大，而条纹对比度的反之则将进一步降低。相对于以往的冷原子干涉陀螺仪而言，新的冷原子干涉陀螺仪可以只安装一个热原子干涉仪，从而形成了两个对称干涉环，以实现自旋角频率测定的目的。而且这个新的设计原理和对抛原子干涉陀螺仪很相似，都可以减少因加速度而产生的测量误差。不过从相对于干涉环的相位测量结果出发，自旋角频率稳定性限制在g值内，而并非冷原子的分布，所以如果旋转角速度增大，系统理论上会获取较高的对比度，但是通过这种新型干涉仪的研究，也引入了多功能便捷式的冷原子干涉陀螺仪设备，为系统更新迭代奠定基础。

2冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域中的发展

随着各界人士对冷原子干涉陀螺仪的不断研究与实践，也引入了诸多创新理念，对陀螺仪内的设备持续更新。在实际研究中，对传感器的创新研究取得了良好的成果，但是这些新型的重力梯度仪运用到实际测量中还具有一段距离。在人们提出的自由空间干涉结构中，打破了以往冷原子干涉陀螺仪运行原理的局限性，通过测量跃迁概念就能获得相位。在开展重力蹭了过程中，也通过多次测量改变啦曼光频率，提高测量重力加速度，这种方式也存在一定局限性，仍需不断完善。

3结束语

综上所述，冷原子干涉陀螺仪在实际应用中具有重要价值，通过开展惯性测量，可以推动惯性导航领域的发展，对平台高精度导航和战术提供可靠支持。为此，人们也要深入研究当前冷原子干涉陀螺仪的发展现状，分析未来研究目标，满足冷原子干涉陀螺仪的长远发展需求。

参考文献

[1]李润兵,姚战伟,鲁思滨,蒋敏,李少康,王谨,詹明生. 原子干涉陀螺仪精密测量及应用[J]. 导航定位与授时,2021,8(02):8-17.

[2]张淋. 原子干涉陀螺惯性测量与监控导航技术研究[D].哈尔滨工业大学,2019.

[3]李明泽,褚鹏蛟,张超. 冷原子干涉陀螺仪技术专利分析研究[J]. 导航与控制,2017,16(06):106-112.

[4]邹鹏飞,颜树华,林存宝,王国超,魏春华. 冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域的研究现状及展望[J]. 现代导航,2013,4(04):263-269.