姓名张翔
学号XS10032006
学院与学科
专业1院：导航制导与控制论文类别惯性导航类
摘要
本文介绍了惯性导航系统的组成与原理，原子干涉仪的原理以及在导航系统中的应用。对原子陀螺仪的组成与作用进行了详细介绍。
关键词：惯性导航；原子干涉；原子陀螺仪
Abstract
This thesis has introduced the principles and constitutions of inertial navigation systems.It analysed the foundations and applications of the cold atom gyroscope.
Keywords:inertial navigation;cold atom;gyroscope
原子陀螺仪在惯性导航系统中的应用
0引言
惯性导航（Inertial Navigation）是20世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天。惯性导航系统通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角），故广泛应用于航天、航空、航海领域，特别是军事领域。
惯性导航系统中使用的惯性测量组件包括加速度计和陀螺仪两大类。加速度计是测量运载体线加速度的仪表，由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。陀螺仪是用来测量载体相对参考坐标系下的角速度的仪表。通过对加速度计和陀螺仪测得的信息进行处理可以进行载体的导航。
近三十年以来，原子物理的最新进展允许对原子的外部量子态实施精细控制，其中包括从超冷原子产生任意形式的物质波。这为开发物质波干涉测量技术以测量施加在物质自身上的力提供了基础。基于超冷原子干涉技术的陀螺，加速度计和重力梯度仪的原理样机已制作完成，其精度比目前最好的惯性器件高出2~3个数量级，并且还有很大的提升空间。原子干涉技术即将对惯性测量领域带来革命性的影响。
2003年，美国DARPA斥资千万美元启动了基于超冷原子干涉仪技术的精确惯导系统项目，目的是探索使用超冷原子干涉仪技术替代GPS位置更新。基于该技术的惯导系统将具有前所未有的精度，预计十年内可投入使用。本文将针对该技术进行介绍，分析与研究。
1惯性导航原理
1.1惯性导航系统原理
惯性导航系统可分为平台式和捷联式两大类，本文主要针对捷联式惯性导航系统进行介绍。
捷联惯导系统，指导航加速度计和陀螺仪直接安装在载体上。用陀螺测量的角速度信息减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度，得载体坐标系相对导航坐标系的角速度，利用该信息计算姿态矩阵。可把载体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向，再进行导航计算。原理图如图1.1。
图1.1捷联式惯导系统原理图
1.2陀螺仪分类
20世纪70年代以来，作为捷联系统的核心部件，惯性测量装置和计算机技术有很大发展，随着电子技术、计算机技术、现代控制理论的不断进步，为捷联惯性技术的发展创造有利条件。硬件方面，新一代低成本中等精度的惯性器件如压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、石英加速度计的研制成功，为捷联惯导的飞速发展打下物质基础。
陀螺精度的分布相差约9个数量级。根据其精度范围可大致分为4部分：低精度陀螺仪，中高精度陀螺仪，高精度陀螺仪和超高精度陀螺仪。低精度陀螺仪一般是机械陀螺仪和微机械陀螺仪，中高精度陀螺仪主要有激光陀螺仪和光纤陀螺仪。高精度陀螺仪主要包括静电陀螺，磁浮陀螺和液浮陀螺，超高精度陀螺仪主要是量子陀螺仪，也称原子陀螺仪，是目前分辨率最高的陀螺仪。这种陀螺仪的核心是原子干涉仪。耶鲁大学和斯坦福大学的实验率先展示出物质波干涉仪在精确测量中的巨大潜力，这种量子传感器的最显著的应用就是惯性测量，下面简单介绍其工作原理。
2原子干涉原理
2.1原子干涉仪原理
原子干涉仪是用一冷的Rb（或Cs）原子束以两个不同的拓扑路径传播构成类似光学Mach-Zehnder型的干涉仪，测量由于两原子束通过不同路径引起的相位差。在这种干涉仪中，通过原子光学元件例如类似光学中的分光计和反射镜，它们已经实现光学双光子的传播的分光和反射，来测出由于惯性力的作用使原子波函数的相位发生变化，然后测出这个相位的变化量。当原子吸收或发射一个光子时，原子和光场的动量应守恒。随着原子分光镜和原子反射镜等原子光学元件的实现，必须考虑能操控原子的适当方法，其实光和物质的相互作用也是用来实现这个目的的主要手段。这个过程可以理解为光子的相干交换和光子动量的交换。其原理可以用图2.1来表示。图中描述的是，在一个原子系统中，处于某一能级的原子由于激光的作用被分为两个不同能级。原子所处的态取决于以下参数：激光能量，相互作用时间，激光频率。
图2.1原子在激光作用下的能级分裂
这种相互作用形成了不同的原子路径，另外，在相互作用之后，在不同的能级上原子的数目取决于相互作用时的激光相位，这样原子波的相干图样就可以被探测到，原子干涉仪就诞生了。如上所述，原子干涉仪和光学干涉仪有许多相同之处，但是在原子干涉仪中，光和物质的角色相互交换了。
2.2Sagnac效应
为了能更好地理解量子陀螺仪，通过图2.2可以了解Sagnac效应。两列波W1和W2围绕着A区传播。A区没有旋转时，两列波同时从点1出发，同时到达点2。但是当A区以角速度Ω旋转时，两列波会在不同的时间到达点2，此时产生的相位也就不同。
图2.2Sagnac 效应
这个Sagnac 相位角可用相对论来计算，即：
2
2hc A
E ?=?式中E 表示波的相对论能量，c 为真空中光速，h 为普朗克常数公式2.1对所有性质的波都适用，当然也适用于被描述为德布罗意波的原子系统。对原子来说，Sagnac 相位角用下式表示：
h
A
m ?=2?式中m 是原子的质量，与可见光比较，原子固有的Sagnac 相位角比相等的区域A 大10个数量级，这个显著的优点是将物质波干涉仪用作惯性传感器的主要原因。
2.3Mach-Zehnder 干涉仪
如前所述，为了测量旋转角度，必须有一垂直于区域A 旋转轴线的干涉仪。本文借用光学的Mach-Zehnder 干涉仪如图2.3来说明原子干涉仪。在这种类型的干涉仪中，一个1:1分束器将入射波分为均等的两份，然后利用反射镜分别使两束波改变方向，最后将它们在另一个1:1的分束器中重合。
图2.3Mach-Zehnder 干涉仪
原子干涉仪的情况与上述情况类似。它利用操控良好的激光光束实现原子的分束和反射。按照原子光学，分光器和反射镜分别由π和π/2脉冲来实现，如图2.4所示，两个输出端的原子数与每次相互作用时的激光相位有关，该相位因两束原子受外场的作用而改变。例如，在最后的π/2脉冲之前沿着光束方向的加速使原子跑到光场的反节点中，导致两原子路径相互作用中包含由加速度引起的相位变化，如图2.5所示，因此只要测出原子干涉花样产生的相移，就能测出加速度的变化，它的分辨率至少比光纤高几个数量级。这里必须指出的是这种干涉是原子内态的干涉，即表现形式是原子态的变化。
图2.4原子干涉图
图2.5有加速时原子干涉图
3冷原子与冷原子干涉仪
热原子和冷原子在上述原子干涉仪中均可实现原子干涉。因为冷原子的动量更小，相干长度更长，其测量灵敏度比热原子会高很多，即相干长度越长其干涉条纹越容易获得，灵敏度越高。因此冷原子是原子干涉仪提高灵敏度的关键所在，其中一个重要部分是激光冷却原子，其基本原理为：正在行进中的原子被迎面而来的激光照射，激光频率和原子振频一致，原子就会吸收迎面而来的光子受激跃迁到高能态，因而减小动量。原子处在高能态后又会朝各个方面发射同样的光子，因此，实际效果是原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低。动量越小，速度越小。
当发射光子的速率很高时，温度就会降低很多。用两两相对的沿3个正交方向的6束激光使原子减速，真空中的一束原子先是被迎面而来的激光束阻止，然后把原子引进6束激光的交汇处，其效果就是不管原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到6束激光交汇的区域。在这个小区域里，聚集了大量冷却下来的原子，组成肉眼看去像豌豆大小的发光气团。由6束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。这种方法被称为“光学粘胶”，激光可以将原子冷却到非常低的温度，但由于它对原子耗散力，因此在空间无势场，无法有效束缚原子，使它们在短时间内从光学粘胶中逃脱。为真正俘获原子，需在上述原子冷却基础上，再加上两个磁场方向相反的线圈A也称亥姆霍兹线圈B以产生磁场梯度，其最小值处于激光束相交的区域。磁场对原子的塞曼效应产生一个比重力大的力，把原子拉回到陷阱中心。虽然此时的原子没有真正被俘获，但却被激光和磁场约束在一个很小的范围里，这被称为磁光阱（MOT）。势阱大大延长了冷原子团的寿命，使它们可以作为一种介质应用于原子干涉仪。两个MOT内的冷原子团在激光的推动下形成原子束相对传输，一定的间隔用一个π/2~π~π/2的激光脉冲序列激发原子束时，原子波包就会被分裂，偏移，重新汇合而产生干涉。原子干涉仪型量子陀螺仪就形成了。
综上，利用量子陀螺仪可以高精度的测出载体的角速度，通过计算可以得到载体在任意时刻的姿态，从而完成惯性导航系统中的关键环节。
4结论
冷原子干涉量子陀螺仪作为一种全新的惯性测量传感器，由于其超高精度和超高分辨率的优异特性受到各国的重视，它可用于许多特殊要求的测量，如重力加速度和加速度的测量，高灵敏导航系统等。还可广泛应用在航空航天，航海，地球物理和广义相对论的等效原理的验证等诸多领域，具有巨大的发展潜力。值得我们不断地深入研究。
参考文献
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姓名张翔 学号XS10032006 学院与学科 专业1院：导航制导与控制论文类别惯性导航类
摘要 本文介绍了惯性导航系统的组成与原理，原子干涉仪的原理以及在导航系统中的应用。对原子陀螺仪的组成与作用进行了详细介绍。 关键词：惯性导航；原子干涉；原子陀螺仪 Abstract This thesis has introduced the principles and constitutions of inertial navigation systems.It analysed the foundations and applications of the cold atom gyroscope. Keywords:inertial navigation;cold atom;gyroscope
原子陀螺仪在惯性导航系统中的应用 0引言 惯性导航（Inertial Navigation）是20世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天。惯性导航系统通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角），故广泛应用于航天、航空、航海领域，特别是军事领域。 惯性导航系统中使用的惯性测量组件包括加速度计和陀螺仪两大类。加速度计是测量运载体线加速度的仪表，由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。陀螺仪是用来测量载体相对参考坐标系下的角速度的仪表。通过对加速度计和陀螺仪测得的信息进行处理可以进行载体的导航。 近三十年以来，原子物理的最新进展允许对原子的外部量子态实施精细控制，其中包括从超冷原子产生任意形式的物质波。这为开发物质波干涉测量技术以测量施加在物质自身上的力提供了基础。基于超冷原子干涉技术的陀螺，加速度计和重力梯度仪的原理样机已制作完成，其精度比目前最好的惯性器件高出2~3个数量级，并且还有很大的提升空间。原子干涉技术即将对惯性测量领域带来革命性的影响。 2003年，美国DARPA斥资千万美元启动了基于超冷原子干涉仪技术的精确惯导系统项目，目的是探索使用超冷原子干涉仪技术替代GPS位置更新。基于该技术的惯导系统将具有前所未有的精度，预计十年内可投入使用。本文将针对该技术进行介绍，分析与研究。
微陀螺仪的设计与制造 学校：华中科技大学 专业：机械设计制造及其自动化 姓名：潘登 班级：1104班 学号：U201110689 指导老师： 廖广兰 来五星
中文摘要 随着科学技术的发展以及科研技术的逐渐成熟。陀螺仪也逐渐进入了各个领域。现如今陀螺仪在航海导航、航天航空、研究动力学、兵器、汽车、生物医学、环境监控等方面有了广泛的应用。而各种陀螺仪也因其原理的不同而有不同的分类，诸如哥氏加速度效应微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、悬浮转子式微陀螺、微集成光学式陀螺以及原子陀螺。而其中随着MEMS技术的不断发展，以其为基础的微陀螺因尺寸小、精度高、重量轻、易于数字化、智能化而越来越受到大家青睐。其在汽车导航、消费电子和移动应用等民用领域以及现代和可预见的未来高科技战场上拥有广阔的发展和市场前景。 文章首先对陀螺仪做了简单的原理和功能介绍，阐述了当前微陀螺仪是非常具有前景的研究防线，并简单介绍了几种常见的微陀螺仪，然后对微陀螺仪的结构进行了简单的分析并且分析了微机械陀螺仪的设计及制造过程和工艺方法并对其中的技术难点进行了分析，也对加工陀螺仪必须的MEMS工艺进行了概述，然后对微陀螺仪的前景及应用进行了进一步的探讨。 关键词： 微机械陀螺仪，MEMS工艺，制作过程，关键技术
Abstract With the development of science and technology as well as scientific research and technology matures.Gyroscope is gradually coming into the fields.Now gyroscope has broad application in marine navigation, aerospace, research dynamics, weapons, cars, bio-medicine, environmental monitoring, etc.And also because of the various gyroscope different principles and have different classifications, such as the Coriolis acceleration effect of micro-vibration gyro, gyro fluid, solid micro-gyroscope, suspended gyroscope rotor micro, micro-gyroscope integrated optical and atomic gyroscope. With the continuous development of which MEMS technology, with its micro-gyroscope-based due to the small size, high precision, light weight, easy-to-digital, intelligent and increasingly being favored. It has a broad development and market prospects in the car navigation, consumer electronics and mobile applications and other civilian areas as well as modern and high-tech battlefield for the foreseeable future. The article first gyroscope do a simple principle and function description, describes the current micro-gyroscope is a very promising line of research, and a brief introduction to some common micro-gyroscope, then the structure of the micro-gyroscope simple analysis and analysis of the micromachined gyroscope design and manufacturing process and process methods and technical difficulties which were analyzed, but also on the processing of MEMS gyroscope must be an overview of the process, then the prospects for and application of micro-gyroscopes were further discussion. Keywords： Micromechanical gyroscopes, MEMS technology, production process, key technologies
冷原子物理的意义 按照人类对微观世界的认识深入程度划分，当代物理学有三个最主要的研究领域，即粒子物理，原子分子与光物理（AMO）和凝聚态物理。这三个领域的物理学家瓜分了决大多数20世纪50年代以来的诺贝尔物理学奖。 就这三个大领域的基础性和应用性来说，原子分子与光物理领域介于其他两者之间。它没有像粒子物理物理那样需要依靠大型实验设备展开基础性探索工作，也没有像凝聚态物理那样把更多的研究方向瞄准于可遇见的应用。因此在原子分子与光物理领域中，许多研究方向的现实意义并不为人所熟知，激光冷却技术和冷原子物理就是其中一例。 作为这个大领域的最热门方向之一，激光冷却技术冷原子物理领域曾在5 年内诞生了两次诺贝尔物理学奖，分别是1997年朱棣文(S. Chu), 科昂-塔努基(C. Cohen-Tannoudji)和菲利普斯(W. Phillips)因发明了激光冷却技术而获奖；以及2 001年维曼(C. Wieman)，康乃尔(E. Cornell), 和凯特勒(W. Ketterle)利用激光冷却技术获得玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）而获奖。就连2005年诺贝尔物理学奖的获奖成果也与冷原子物理紧密相关，获奖人之一的汉施(T. Hansch)也曾是激光冷却思想最早的提出者之一。 一个小小的研究领域能这样受到重视，它深层次的研究意义分不开的。冷原子物理领域的开创者们也许不会想到，依靠激光冷却技术获得的超低温原子因为有着其他状态的物质（常温原子）所没有的优势，在可预见的未来将对人类文明发展起到十分关键作用。 一、可观测相干的物质波波长 微观世界的粒子都具有波粒二相性。德布罗意波（物质波）波长λ＝h/mv，与粒子的动量呈反比。室温原子因为平均速度达到几百米每妙，其德布罗意波长为很小，大约为10-12米量级，原子大多处在不同的量子态上，相干长度很短，难以形成干涉。冷原子最低温度可达到几个纳K，平均速度可达到几厘米每秒，德布罗意波长约为10-7米量级，相干长度很长，能够宏观观测到相干现象。当碱
陀螺仪的工作原理 陀螺仪的原理 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 现代陀螺仪 一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪 包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。 陀螺仪工作原理与应用（陀螺经纬仪Jyro Station） 来源：译自日本《测量》06年8月号作者：日本测量仪器工业会更新日期：2006-9-22 阅读次数：6183
课程:学号:姓名: 浅谈陀螺仪 摘要:首先介绍陀螺仪的发展历史、结构及其工作原理等,然后介绍不同种类的陀螺仪, 最后介绍陀螺仪在各种领域的应用。 关键词:陀螺仪;简介;分类;应用 无论是大至航空器械, 还是小至智能手机, 当利用它们来导航定位时, 都少不了一种器件——陀螺仪。陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 1. 陀螺仪简介 绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺 (top。通常所说的陀螺是特指对称陀螺,它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体,其几何对称轴就是它的自转轴。与苍蝇退化的后翅(平衡棒原理类似。在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下, 陀螺会在不停自转的同时,环绕着另一个固定的转轴不停地旋转,这就是陀螺的旋进 (precession,又称为回转效应 (gyroscopic effect。陀螺旋进是日常生活中常见的现象,许多人小时候都玩过的陀螺就是一例 [1]。人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪 (gyroscope, 它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如:回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动等。 陀螺仪的种类很多, 按用途来分, 它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。 结构 基本上陀螺仪是一种机械装置,其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子, 转子装在一支架内;在通过转子中心轴 XX1上加一内环架,那么陀螺仪就可
112无人直升机和多旋翼航拍是需要配合完成的 团队工作，随着航拍领域的不断拓展，对航 拍操作流程的系统化和航拍镜头的高质量提出了更严 格的要求，只有具备完善的航拍组织团队，才能够最大 限度节约人力、物力，保障拍摄的专业性和艺术性。 专业化的航拍摄像师 多旋翼航拍特殊的工作环境，需要有专业航拍摄 像师拍摄，才能够保证镜头的高质量。首先在审美方面，地面上看起来高大雄伟的建筑物在空中成了点、线、 面的重新组合，用日常拍摄的方法，难以捕捉画面的美， 这就需要航拍摄像师从专业的角度观察，运用独特的构图方式，来展示空中俯瞰的壮阔景色；其次多旋翼航拍配备的陀螺仪和机械减震设备操作方式复杂，摄像师在空中操作难度很大，只有具备相关的操作经验，长时间的练习，才能在航拍中运用自如，实现稳定流畅的镜头效果；第三，航拍 中，气候和各种突发情况千变万化，与地面拍摄 相比，航拍摄像师必须具备丰富的实践经验和知识储备，才能适应复杂的空中环境，从容解决突发问题，拍摄到优美的镜头影像。 专业化的航拍飞行员 航拍飞行和日常飞行的区别在于：航拍中更 多运用特技飞行、超低空飞行等超常规模式，因 此专业的航拍飞行员，首先必须具备丰富的实际 操作经验，能够在各种条件下，尽可能配合航拍 镜头设计，完成各种高难度的飞行动作，并保障 航拍工作的安全性；其次根据航拍镜头的设计， 很大程度需要飞行员来配合把握镜头的运动轨 迹，航拍飞行员应当对电视及电影摄像的特点和 规律有相当的了解，才能创造性地配合航拍进 行；第三，在飞行过程中，飞行员需要有较好的沟 通能力，与摄像师形成默契，在航拍过程中实时 相互交流，达到飞行员、摄影师两位一体的最佳 状态，才能取得完美的拍摄效果。 责编/王晶 浅谈在航拍过程中飞手与云台手的配合 漫话 航拍 HELICOPTER SHOOT
2005年第24卷第6期 传感器技术(J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o g y) 综述与评论 光纤陀螺仪的发展现状 周海波,刘建业,赖际舟,李荣冰 (南京航空航天大学导航研究中心,江苏南京210016) 摘 要:根据光纤陀螺仪的工作原理和特点,光纤陀螺仪具有不同的分类。介绍了国外光纤陀螺仪的现状,预测了近期和长远的发展趋势,旨在对我国的光纤陀螺技术的发展能有所帮助。 关键词:光纤陀螺仪;萨格纳效应;干涉型;谐振式;布里渊式 中图分类号:T N2,T P2 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)06-0001-03 D e v e l o p m e n t s t a t u s o f f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e s Z H O UH a i-b o,L I UJ i a n-y e,L A I J i-z h o u,L I R o n g-b i n g (N a v i g a t i o nR e s C e n t e r,N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,N a n j i n g210016,C h i n a) A b s t r a c t:T h ef i b e r-o p t i cg y r o s c o p e(F O G)i sc l a s s i f i e d i n t od i f f e r e n tt y p e sa c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c.T h e i n t e r n a t i o n a l s t a t u so f F O G i si n t r o d u c e da n dt h es h o r t-t e r m a n dl o n g-t e r m t r e n do f F O G i s f o r e c a s t.I t w i l l b eb e n e f i t t o t h e c o u r s e o f o u r F O G. K e yw o r d s:F O G(f i b e r-o p t i c g y r o s c o p e);S a g n a c e f f e c t;i n t e r f e r o m e t r i c;r e s o n a n t;B r i l l o u i n 0 引 言 光纤陀螺仪属于第四代陀螺仪———光学陀螺仪的一种,其基本工作原理基于萨格纳效应,即在同一闭合光路中从同一光源发出两束特征相同的光,沿相反的方向进行传播,汇合到同一探测点,产生干涉。若存在绕垂直于闭合光路所在平面的轴线相对惯性空间转动的角速度,则沿正、反方向传播的光束产生光程差,该差值与角速度成正比。通过光程差与相应的相位差的关系,可通过检测相位差,计算角速度。它一般由光纤传感线圈、集成光学芯片、宽带光源和光电探测器组成。与传统的机械陀螺仪相比,具有无运动部件、耐冲击、结构简单、启动时间短、灵敏度高、动态范围宽、寿命长等优点。与另一种光学陀螺仪———环形激光陀螺仪相比,光纤陀螺仪不需要光学镜的高精度加工、光腔的严格密封和机械偏置技术,能够有效地克服了激光陀螺的闭锁现象,易于制造。 本文从光纤陀螺仪的原理和优点出发,着重对光纤陀螺仪的分类、国外研究现状及其发展趋势做了详细的介绍,希望对我国的光纤陀螺的研制和发展有所裨益。 1 光纤陀螺仪的分类 光纤陀螺仪按照不同的分类标准,有不同的分类结果。按结构可分为单轴和多轴光纤陀螺,光纤陀螺的多轴化正是其发展方向之一。按其回路类型可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类,开环光纤陀螺不带反馈,直接检测光输出,省去许多复杂的光学和电路结构,具有结构简单、价格 收稿日期:2004-11-20便宜、可靠性高、消耗功率低等优点,缺点是靠增加单模光纤的长度来提高陀螺的灵敏度,输入-输出线性度差、动态范围小,主要用作角度传感器[1]。闭环光纤陀螺包含闭环环节,大大降低光源漂移的影响,扩大了光纤陀螺的动态范围,对光源强度变化和元件增益变化不敏感,陀螺漂移非常小,输出线性度和稳定性只与相位变换器有关[2],主要应用于中等精度的惯导系统,对光纤陀螺的小型化和稳定性有重要作用,是高精度光纤陀螺研究的主要趋势。 按照光学系统的构成可分为全光纤型和集成光学器件型。全光纤陀螺成本较低,但实现高精度的技术难度较大,大多用于精度要求不高和低成本的场合。集成光学器件光纤陀螺在信号处理中可以采用数字闭环技术,易于实现高精度和高稳定性,是目前最常用的光纤陀螺构成模式。 按照性能和应用的角度可分为速率级、战术级和惯性级等3个级别[3]。速率级光纤陀螺已经产业化,主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪,已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点,主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航,其开发和研制正逐步走向成熟,美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者,如H o n e y w e l l,N o r t h r o p等公司。 1
基于Fuzzy-PID的陀螺仪温度控制系统设计 Temperature Control System of Gyroscope Based on Fuzzy-PID 摘要：陀螺仪是舰船上的重要组成部件，其性能的稳定对于舰船的控制至关重要。将Fuzzy-PID算法应用于陀螺仪温度控制系统，以MCS-51单片机作为温度控制系统的核心部件，采用模糊PID算法以及其他的软硬件设计，实现了一套温度采集和控制的设计方案。 关键词：温度控制；Fuzzy-PID；陀螺仪 引言 ---在舰船中，陀螺仪是关键的部件，陀螺球体与陀螺壳体之间的空间内充满悬浮液体。陀螺球体质量和悬浮液体比重的选择，应确保在悬浮液体加热到工作温度以后，陀螺球体可以拥有中性浮力。所以温度控制系统的设计应保证加热和保持充入陀螺部件的液体的常值工作温度为70±0.2℃，因为在这个温度上陀螺球体具有中性浮力。 ---传统控制方法(包括经典控制和现代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控 对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。大量的应用实践表明，采用传统的PID控制稳态响应特性较好，但难以得到满意的动态响应特性。模糊控制的优点是能够得到较好的动态响应特性，并且无需知道被控对象的数学模型，适应性强，上升时间快，鲁棒性好。但模糊控制也存在固有的缺点，容易受模糊规则有限等级的限制而引起误差。本设计中采用AT89C52作为控制内核，并采用了Fuzzy-PID复合控制。弥补了单纯采用PID算法的不足。对PID参数的模糊自适应整定进一步完善了PID控制的自适应性能，在实际应用中取得了很好的效果。 温度控制系统的工作原理 ---陀螺仪温度控制系统主要由温度传感器、AT89C52单片机、A/D信号采集模块、可控硅输出控制及其他一些外围电路组成。系统的被控对象是陀螺部件内的液体温度，执行机构是可控硅触发电路。工作温度借助电桥测量。电桥的三个臂是配置在控制系统内的电阻，第四个臂是陀螺部件加热温度传感器的电阻。来自电桥的信号值通过高精度集成运放OP07进行差动放大、滤波，然后再送给A/D采样。根据测量的电流端和电压端原理，电桥电压信号的采集采用三线制接法，如图1所示。这是一种最实用又能较精确测温的方式，R4、R5和R6为连线和接触电阻。由于采用上述三线制接法，调整R1即可使包括R5在内的电桥平衡，而R4可通过R6抵消，因此工业上常用这种接法进行精密温度测量。控制部分采用Fuz zy-PID的复合控制使单片机输出PWM脉冲，进而控制执行机构输出到陀螺加热器的电流量，实现陀螺加热器的温度自动调节控制。由于采用了模糊自适应PID控制算法，系统就可以在
冷原子物理及研究方向 1.冷原子物理的概念 冷原子物理学实际是一门交叉学科,目前研究者主要来自:原子与分子物理、光物理、理论物理、凝聚态物理等学科的研究者。冷原子物理是研究超低温度下的原子（分子）的各种特性极其应用的物理学分支。冷原子具有如下的特征：1.运动很慢，碰撞减少，能级展宽急剧减小，适合更为精密的频率测量；2.德布罗意波长很大，相干长度很长，能够宏观观察到相干现象；3.大量原子具有几乎相同的频率和波长；4.能级宽度变窄，量子态更明显；5.原子速度降低，更容易被操控。 2. 实现原子冷却及俘获的方法 多普勒冷却机制，即利用原子运动所产生的多普勒频移来实现冷却效应。这种冷却机制受自然线宽限制，最低冷却温度可达到几十至几百微开(10－6K)。 偏振梯度激光冷却机制，是基于光抽运、光频移等物理效应，在多能级原子系统中产生的冷却效应。原子飞过激光偏振状态不断变化的场时，总在不断地“爬坡”，将动能转化为势能，经自发辐射出蓝移光子而被冷却。偏振梯度冷却可使原子气体温度冷却到小于多普勒冷却极限，达到几微K至几十微K。 速度选择相干粒子数囚禁冷却，是基于三能级原子在光的驱动下使原子处于相干叠加态，这时原子与光场脱耦，不再吸收光子，因而也无动量扩散。满足相干囚禁的原子速度接近于零，速度不为零的原子将吸收光子，原子动量将重新布居。只有当原子落入速度为零的相干叠加态时，原子才不再吸收光子而停留在相干叠加态上。这样，原子的动量可小于光子反冲动量，相应的气体温度可达10－11K。 与激光冷却技术同时发展起来的一种冷却原子的方法为蒸发冷却技术。这种方法是将平衡分布中的快速原子从陷阱中排除(蒸发)，在原子间弹性碰撞的过程中，达到新的准平衡分布。这时，气体的温度降低而且低速原子的密度增大。这是实现玻色－爱因斯坦凝聚的重要步骤之一。 如何使这些低速原子聚集在固定的区域内呢?囚禁超冷原子的技术起到了关键作用。目前常用的捕获原子的陷阱有两类，一类是光陷阱，另一类是磁陷阱。光陷阱的势垒深度较浅，在玻色－爱
量子计量技术在预警机中的应用 本文由信息与电子前沿（ID：caeit-e）授权转载，发表于《中国电子科学研究院学报》，作者：冯博张雪松贾延延（中国电子科学研究院）量子计量学是由量子力学和计量科学交叉而产生的一门新兴学科，是近年来量子科学领域发展最为迅猛、工程应用化程度最高的研究方向之一。量子计量学主要是通过运用量子物理学的一些基本原理及现象实现感知、测距、计时、定位以及成像等一系列传统计量科学的功能。由于利用了量子纠缠、量子不确定性等量子物理的原理及现象，量子计量学可以打破现有计量体系的精度极限(如散粒噪声极限、瑞利极限等)，其测量精度、测量距离以及灵敏度等都将较传统测量体系有着极大地提升。近几年随着研究的不断深入，量子计量学的多个研究方向都取得了突破性的进展，量子信息学中的一些成果也被引入到量子计量学领域中。探测能力是预警机最核心的作战能力之一，作为复杂的大型信息获取系统，量子计量技术必然会使现有的预警机探测体系产生重大的变化，其应用也必然会使预警机的核心能力产生极大地提升。本文从量子导航、量子雷达及量子成像等三个领域讨论了量子计量技术在预警机系统中的可能应用，并探讨了由此而引发的预警机作战能力提升及作战方式的可能改变。
1、量子导航网络中心战体系需要各作战平台间具有准确的时间、空间信息协同，而预警机作为空中核心节点，在执行探测、指控以及通信任务的过程中需要平台自身准确的定位、定姿、定时等导航信息。目前预警机系统中最主要的导航方式有卫星导航(GPS)及惯性导航两种，但随着战场局势的不断变化，现有导航系统的缺陷逐渐暴露了出来首先，虽然我国已经建成北斗卫星系统，但由于北斗系统尚未完善，某些情况下仍需要应用GPS导航信息，而GPS是由美国军方控制的，在战争条件下显然无法使用；第二，随着电子战技术的不断发展，针对GPS、COMPASS等星载导航信号的欺骗技术逐渐成熟，未来战场中的星载导航信息将不再可靠；第三，现有的星载导航系统受外界环境影响严重，在复杂的电磁、地理环境下，星载导航信息均可能无法获取；第四，现有惯性导航系统精度偏低。目前在机载惯导系统中普遍采用光学陀螺仪(5×10-4°/h)，其精度虽然较传统的机械陀螺仪(精度为10-1°/h)有较大提高，但仍然无法满足现有作战体系对于导航精度需求。近年来，西方国家已经意识到现有导航系统所存在的问题，并相继展开了对新型高精度惯性导航系统的研究，而量子导航技术是目前最有发展潜力的新型导航技术之一。美国国防先期研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)、美国空军科学顾问委员会(USAF Scientific Advisory Board)以及英国国防科
对抛式冷原子陀螺仪中原子运动轨迹的控制 熊宗元;姚战伟;王玲;李润兵;王谨;詹明生 【期刊名称】《物理学报》 【年(卷),期】2011(060)011 【摘要】冷原子具有很小的速度,很窄的速度分布以及良好的相干特性,利用冷原子物质波干涉特性可实现原子干涉仪,具有萨格奈克效应的原子干涉仪即原子陀螺仪,可精密测量转动速率.冷原子轨迹的精确控制对提高冷原子陀螺仪的测量精度有着重要的意义,文章报道了利用直接数字频率综合器,实现对双向对抛冷原子运动轨迹的精确控制.%Cold atoms possess low velocity,narrow velocity distribution as well as good matter wave coherence,thus they have been used to achieve cold atom interferometers.The interferometers with Sagnac effect form atom gyroscopes which can measure rotation rate accurately.Here we report our recent progress in building a projectile cold atom gyroscope.We achieve the accurate control of the bidirectional projectile cold atom motion through the use of a homemade direct digital frequency synthesizer. 【总页数】5页(224-228) 【关键词】冷原子;原子陀螺仪;直接数字频率综合器 【作者】熊宗元;姚战伟;王玲;李润兵;王谨;詹明生 【作者单位】中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室,武汉光电国家实验室,武汉430071;中国科学院冷原子物理中心,武汉430071;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院武汉物理与数学研究所
浅谈测绘新技术运用 当今时代，我国的各项科学技术迅猛地发展，而测绘工程技术实现产业化的发展已逐步突破传统测绘技术的瓶颈，成为高新技术产业之重要的组成部分。测绘新技术的广泛应用较大地促进我国测绘事业的快速发展，特别很多新测绘技术的已取得重大突破，笔者结合自己的长期的实践，粗浅讨论我国测绘工程技术之发展前景。 标签：测绘工程；新技术；运用 一、测绘新技术概况。 传统测绘工程主要依靠水准仪、经纬仪与平板仪等进行测试工作，随着现代科技不断发展，测绘技术的发展也有了巨大改变，我们告别传统测绘技术迎接新技术的时刻已然来临。卫星定位导航技术、遥感技术、地理信息技术是现代测绘技术的关键核心。现代测绘技术中，卫星导航定位的技术与遥感技术则是航天技术与卫星技术及传感技术、通信技术、计算机科技等综合集成的产物，“地理信息系统”是计算机与数据库技术及空间分析、模拟技术等综合集成的产物。所以，现代的测绘技术是空间与信息技术等高新技术的集大成者，是我国高新技术重要分支。 二、现代测绘技术的新发展。 1.现代测绘仪器的新发展。 现代的测量仪器发展特征主要是“数字化、自动化、网络化、智能化”，传统以“光学”为主的测量仪器正逐渐退出测量技术发展的历史舞台。“全站仪”已成为工程测量最有代表性的仪器，它由“电子经纬仪”与“测距仪”集合而成。“全站仪”具备“电子测角”与“电子测距”功能，能够实现自动记录与存储、自动计算能力，具有较高的工作效率。近期所出现的“自动目标识别全站仪”，能够自动地跟踪反射器数据实时获得三维坐标，通过软件支持与设计值进行对比，以实现良好地控制施工过程。高精度定向陀螺经纬仪也已转向激光陀螺定向的发展趋势。此外，组合“陀螺仪”与“全站仪”使之变成“陀螺全站仪”。GPS全球定位系统已经大面积应用于“首级控制测量”中。专门用于控制测量的“静态GPS接收机”实现了天线与接收机与电源的集成一体化，测量过程实现了高度的自动化。专用于图根的控制测量及数据采集的“实时动态RTK GPS接收机”，能够瞬时获取地面点的坐标值。另外，它还能够实现在30km到50km的范围内按坐标数据施工放样。全站仪与GPS的集成组合，出现了“超站仪”，超站仪改变了“工程测量外业”作业的模式，能实现控制测量与碎部测量及施工放样一体化无缝衔接作业。而“三维激光影像扫描仪”能快速且精确可靠地捕获被识别物体的三维空间数据，将其用在水坝监测及建模、桥梁变形、开挖容量测量、土石滑坡监控、城市数字化测量等方面被广泛使用。虽然高精度高程测量的方法目前仍然采用几何水准测量办法，但水准测量仪器也已经实现了数字化、自动化。“数字水准仪”不仅实现了“自动
激光陀螺仪综述 姓名：学号：2010 1、激光陀螺仪概述 现代陀螺仪是一种能够精确的定位运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了许多方面的制约。 2、激光陀螺仪的原理及分类 2.1激光陀螺仪的原理 激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度（ Sagnac 效应）。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体（氦氖气体）的管子，两个不透明的反射和一个半透明镜。用高频电源或直流电源激发混合气体，产生单色激光。为维持路谐振，回路的周长应为光波波长的整数倍。用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过光电探测器和电路输入与输出角度成比例的数字信号。 2.2激光陀螺仪的分类 激光陀螺原理上根本不同于普通的机电式陀螺。常规机电转子陀螺依据普通的刚体力学原理按照机械储能方式工作，而激光陀螺是以双向行波的环形激光器为核心的量子光学仪表，其依据基于广义相对论的Sagnac效应。所谓的Sagnac 效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同。其相位差（或光程差）的大小与闭合光路的转动速率成正比。激光谐振腔内的相位差又可以成为放大数百万倍的频率差，这样就可以通过测量光电信号的频率来测量物体的角速度、角度等。
飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生 战斗机性能日新月异，除战斗机日益提升外，也对飞行员弹射逃生的安全构成威胁，随着战斗机包线的扩展，弹射座椅的包线也应随之扩大以确保飞行员的安全，将火箭推进、推力矢量控制、陀螺仪与大气传感器等新技术纳入弹射座椅设计中，利用计算机控制包括座舱盖抛离、弹射火箭点火与开伞时机等相关弹射程序的进行，确保飞行员安全从失控战斗机中逃生。 2010年加拿大CF-18在航展表演中坠毁，飞行员在不利姿态下弹射，安全逃生 前言 弹射系统是飞行安全的最后一道防线，如何使飞行员从一架已陷入危险状态的飞机安全逃生是一种专门的艺术，现代战斗机的攻击性与破坏力都相当惊人，从军备角度分析战斗机性能一般着重于性能或动力参数。虽然随着科技的进步，特别是包线日益扩展，战斗机能够做出种种匪夷所思的机动，但进一步对弹射逃生造成挑战，这不仅牵涉到精密机械设计，还要考虑如何使飞行员安全脱离已失控飞机而不遭受伤害。
飞行员启动弹射系统时飞机姿态多已无法保持稳定，理想情况是在平稳姿态下以合适的速度和高度弹射，但在多数情况下飞机已经脱离控制，其姿态、速度与高度都不利于弹射跳伞程序的进行，甚至飞行员已经受伤。因此如何在飞行员下达弹射决心后简单、迅速、安全地逃生成为弹射系统设计的主要理念。 弹射逃生的历史可以追溯到最初的跳伞表演，当时空中马戏团的演员从气球跃下，打开降落伞缓缓着地来取悦观众。但发展从战损或失控战斗机上逃生的技术却被认为是懦夫行径，甚至还有人认为逃生设计会使飞行员变得贪生怕死。然而随着一战飞机大量运用于战场上，空勤人员大量折损后，如何增加空勤人员的存活率开始被人所重视。 早期的气球跳伞表演
陀螺仪传感器 对于不熟悉这类产品 的人来说，陀螺仪传感器 是一个简单易用的基于自 由空间移动和手势的定位 和控制系统。在假象的平 面上挥动鼠标，屏幕上的 光标就会跟着移动，并可 以绕着链接画圈和点击按 键。当你正在演讲或离开 桌子时，这些操作都能够 很方便地实现。陀螺仪传 感器原本是运用到直升机模型上的，现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）。 基本类型 根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。 二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度) 从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称铀高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪， 陀螺仪的基本部件有： （1）陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）； （2）内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）； （3）附件（是指力矩马达、信号传感器等）。
原理 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体 的旋转轴所指的方向在不受外力影响时， 是不会改变的。人们根据这个道理，用它 来保持方向。然后用多种方法读取轴所指 示的方向，并自动将数据信号传给控制系 统。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运 动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用 的一种惯性导航仪器。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械 式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面 的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个 全新的阶段。70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后， 光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展， 与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大 的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧 凑，灵敏度高，工作可靠等等优点， 所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已 经完全取代了机械式的传统的陀螺仪， 成为现代导航仪器中的关键部件。和 光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光
陀螺仪介绍2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28
2013-1-28 1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault ）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子 （rotor ），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro （旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。
?最初的陀螺仪主要用于航海，起稳定船体的作用，此时主要是二维陀螺仪； ?后在航空、航天领域开始广泛的应用。用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示 陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。在这些应用中都是三维陀螺仪； ?另外，在军事领域，陀螺仪也发挥着重要作用，例如炮弹的旋转、导弹的惯性导航系统，以提高击中－杀伤比 ?最开始用于航海、航空、航天的陀螺仪都是机械式的，到了现代，主要可以分为压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激 光陀螺仪，现代陀螺仪在结构上已不具备“陀螺”，只是在功能上 与传统的机械陀螺仪同样罢了 2013-1-28
2013-1-28 现在广泛使用的MEMS （微机械）陀螺可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS 陀螺相比传统的陀螺有明显的优势： 1、体积小、重量轻，适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等； 2、低成本； 3、更高可靠性，内部无转动部件，全固
陀螺仪 一、新型超高精度惯性传感器-----冷原子陀螺仪 摘要: 综述了目前国内外正积极研制的原子干涉仪。它是建立在激光冷却、囚禁与操控原子理论基础上，利用原子本身作为自由下落的“测试物体”来测量仪器所受到的惯性力。这种新型惯性敏感器能以前所未有的精度同时测量物体的旋转角速度和线性加速度，并可通过原子对抛技术实现两种量测量的区分，这已为诸多实验所验证。报道了国内外原子干涉仪的最新研制进展。原子干涉仪的紧凑性和长时稳定性将使其在惯性测量领域获得更广泛的工程应用。 1.引言 原子和光子、中子一样，具有波粒二像性，利用其波动性，可以实现跟光学干涉仪类似的原子干涉仪。它是近20年发展起来的激光冷却与操控原子技术的一个重要应用[1]。原子干涉仪能精确测量旋转角速度[2-3]和线性加速度[4-5]，从而用作原子陀螺、原子绝对重力仪和原子重力梯度仪，其短时灵敏度已超过目前的光学干涉仪，可以用作下一代高精度惯性敏感器。在实际应用中,冷原子较热原子具有更小的速度及其速度分布,利用冷原子实现的冷原子陀螺仪在小型集成化及其惯性导航领域的应用中更具有优势, 因此, 冷原子陀螺仪的实验研究有着重要的意义。冷原子惯性器件正在从实验室研究逐步向实用化转化，因此我国紧跟国际先进研究方向，加大了冷原子惯性传感器原理的研究力度。 2.原子干涉仪基本原理 拉曼型原子干涉仪通常采用构型，第一个拉曼脉冲和原子相互作用时原子相干分束，拉曼脉冲和原子相互作用时, 两个态的原子发生布居数互换的同时都获得了双光子反冲动量，原子相干反射，第二个拉曼脉冲和原子相互作用时原子合束发生干涉。在原子干涉过程中，初始态的原子经过第一个拉曼脉冲实现分束时，原子有一半的几率继续呆在初态，有一半的几率发生跃迁而呆在激发态，在激发态的原子同时获得激光的相位，形成一个相干叠加态，当原子与第二个拉曼光脉冲作用时，原子正好感受到一个的跃迁,，原子布居数发生交换的同时均获得激光的相位，当原子与第三个拉曼光脉冲作用时，初态的原子有一半的几率继续呆在初态，有一半的几率发生跃迁而呆在激发态，同样，激发态的原子有一半的几率继续呆在激发态，有一半的几率发生跃迁而呆在初态,他们均获得激光的相位，因此，原子经过三个拉曼脉冲作用后原子内态为初态和激发态的相干叠加态，原子在初态或激发态的几率为： （1） 从公式(1)可以看出, 拉曼光的相位参与到原子内态的布居数变化上，当扫描任意一个拉曼光相位时，可以得到原子干涉条纹。如图1 所示为原子干涉仪示图。