慣性技術因其強自主性、不依賴外界信號、適應全天候等特性在導航領域備受關注,為了提升慣性導航的精度,數(shù)十年來人們在如何提高慣性傳感器性能方面進行了大量的攻關工作并研制出了多種基于不同原理的慣性傳感器。得益于量子效應,原子傳感器能在諸如時間、加速度、轉(zhuǎn)動、磁場等領域提供比現(xiàn)有技術更高的測量靈敏度、精度和速度。通過研制基于原子干涉技術的高精度原子慣性器件,實現(xiàn)重力/重力梯度數(shù)據(jù)實時補償匹配的量子導航將是新一代高精準軍用慣性導航的首選。本文簡要介紹了以物質(zhì)波干涉為基礎的原子干涉慣性器件的原理,回顧了以原子重力儀、原子干涉陀螺為主的技術發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,并結(jié)合我國目前在該領域的發(fā)展態(tài)勢,表達了對我國原子慣性設備實裝應用的迫切性。 

【文章來源】：導航與控制. 2020,19(Z1)

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

參加2017年國際重力比對的國內(nèi)原子重力儀實物圖(部分)

類似于光學的馬赫-曾德(M-Z)干涉儀,原子的物質(zhì)波干涉過程也需要涉及原子波包的分束和合束,一般通過激光控制原子實現(xiàn)用受激Raman躍遷來實現(xiàn)。在本文中,用三脈沖法簡述原子干涉儀的基本原理,如圖2所示。假設在豎直平面內(nèi),原子感受到的加速度為a、角速度為Ω,初始時刻原子團處于基態(tài)能級 |1,p? 上,在t=0時刻,作用一束π/2 Raman光脈沖使得原子“分束”并等概率地處于 |1,p? 和 |2,p+?k eff ? 態(tài)。其中,keff為Raman光的有效波矢,?為約化普朗克常量。此后原子團開始分束,經(jīng)歷T時間自由演化后,在原子上作用一束π Raman光脈沖使得原子“反射”,即處于 |1,p? 態(tài)的原子躍遷至 |2,p+?k eff ? ,而 |2,p+?k eff ? 態(tài)的原子躍遷至 |1,p? 態(tài)。此后不同路徑的原子開始聚攏,在經(jīng)過另一個T時間自由演化后,兩路徑的原子在空間上重合,此時作用π/2 Raman光脈沖使得原子實現(xiàn)合束干涉。原子在不同路徑上由各種慣性量引起的相變都會被記錄在原子的干涉條紋中,可以通過測量原子干涉后處于 |1,p? 、 |2,p+?k eff ? 態(tài)的布居比來得到原子因慣性力的作用而產(chǎn)生的相位差Φ

隨著量子力學的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)通過光子、原子、分子以及各種人工量子體系與物理環(huán)境的相互作用而形成的量子傳感器能實現(xiàn)對各種物理量的高精度測量和標定[9]。而原子干涉儀是量子精密測量領域中極為重要的工具之一,它借助原子態(tài)的量子疊加性,能以極高的精度對加速度[10]、轉(zhuǎn)動[11]、重力[12]、重力梯度[13-14]、磁場[15]、精細結(jié)構常數(shù)[16-20]、牛頓引力常數(shù)[21-22]等物理量實施精密測量,也可在弱等效原理檢驗[23-25]、搜尋量子引力波效應[26]、引力波探測[27-28]等方面發(fā)揮巨大作用。原子干涉技術飛速發(fā)展了數(shù)十年,逐漸成型了以原子干涉陀螺[29-31]、原子重力儀[32-33]、原子重力梯度儀[34]等為代表的原子慣性傳感設備,因其具備的潛在高性能,原子干涉型慣性傳感設備或?qū)⒊蔀槲磥砀呔葢T性導航系統(tǒng)的首選。原子干涉型慣性傳感設備的預期性能指標如圖1所示。1 原理

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]冷原子干涉精密重力測量系統(tǒng)關鍵技術研究[D]. 羅玉昆.國防科技大學 2017

碩士論文
[1]水下重力梯度導航關鍵技術研究[D]. 李德禹.華中科技大學 2009



本文編號：3360468