原子陀螺仪

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原子陀螺研究进展及展望

收稿日期：２０２２－１０－０３基金项目：上海航天先进技术联合研究基金（ＵＳＣＡＳＴ２０１９２３）；上海交通大学“深蓝计划”基金项目（ＳＬ２０２１ＺＤ２０２）；“十三五”装备预研领域基金项目（重点）（６１４０５１７０１０３）引用格式：骆曼箬，李绍良，黄艺明，等．原子陀螺研究进展及展望［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（１０）：１－１０．ＬＵＯＭＲ，ＬＩＳＬ，ＨＵＡＮＧＹＭ，ｅｔａｌ．ＲｅｖｉｅｗａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＡｔｏｍｉｃＧｙｒｏｓｃｏｐｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（１０）：１－１０．原子陀螺研究进展及展望骆曼箬１，李绍良２，黄艺明１，张　弛１，吴招才３，刘　华１（１．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海　２００２４０；２．上海航天控制技术研究所，上海　２０１１０９；３．自然资源部第二海洋研究所，浙江杭州　３１００１２）摘要：原子陀螺是基于量子物理原理和量子技术的新型高性能惯性传感器，在国防、军用以及民用等领域均具有广阔的应用前景，已成为国内外惯性技术领域的研究热点。

目前原子陀螺主要分为核磁共振陀螺、无自旋交换弛豫陀螺和原子干涉陀螺，分别对它们的研究历程和现状进行了详细介绍，并对原子陀螺的未来发展趋势方向进行了展望，最后针对国内原子陀螺技术研究提出了一些思考。

关键词：原子陀螺；惯性导航；组合陀螺系统；芯片级陀螺中图分类号：Ｖ２４１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－８８２９（２０２３）１０－０００１－１０ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２３．０１．２１０ＲｅｖｉｅｗａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＡｔｏｍｉｃＧｙｒｏｓｃｏｐｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＬＵＯＭａｎｒｕｏ１牞ＬＩＳｈａｏｌｉａｎｇ２牞ＨＵＡＮＧＹｉｍｉｎｇ１牞ＺＨＡＮＧＣｈｉ１牞ＷＵＺｈａｏｃａｉ３牞ＬＩＵＨｕａ１牗１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ牞ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ牞Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０牞Ｃｈｉｎａ牷２．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ牞Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０９牞Ｃｈｉｎａ牷３．ＳｅｃｏｎｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ牞ＭＮＲ牞Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１２牞Ｃｈｉｎａ牘Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｉｓａｎｅｗｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｅｒｔｉａｌｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｉｓｎｅｗｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎｑｕａｎｔｕｍｐｈｙｓｉｃｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｑｕａｎｔｕｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔｈａｓｂｒｏａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅ牞ｍｉｌｉｔａｒｙａｎｄｃｉｖｉｌｆｉｅｌｄｓ牞ａｎｄｈａｓｂｅｃｏｍｅａｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ牞ａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓａｒｅｍａｉｎｌｙｄｅｖｉｄｅｄｉｎｔｏｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅ牞ｓｐｉｎｅｘｃｈａｎｇｅｒｅｌａｘａｔｉｏｎｆｒｅｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅａｎｄａｔｏｍｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｇｙｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ牞ａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ牞ｓｏｍｅｔｈｏｕｇｈｔｓｏｎｄｏｍｅｓｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｏｆａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ａｔｏｍｉｃｇｙｒｏｓｃｏｐｅ牷ｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ牷ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍ牷ｃｈｉｐｓｃａｌｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅ陀螺仪是惯性导航系统中的核心器件，用于测量载体运动的角加速度。

原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统

ｐｏｔｅｎｔｉ１ａ．Ｈｉｇｈ — ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＡＳＧｉｓｂａｓｅｄｏｎａｈｉｇｈ — ｑｕａｌｉｔｙｓｐｉｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ — ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ — ｆｒｅｅ（ＳＥＲＦ）ｒｅｇｉｍｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅ
ｔｈａｔａｔｔｒａｃｔｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｔｈｉｓｉｅｆｌｄｆｒｏｍｌｌａｔｈｅｃｏｕｎｔｉｅｒｓｔｏｓｔｕｄｙ，ａｎｄｈａｓｇｒｅａｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｖｌｕａｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统术
楚中毅，孙晓光，万双爱，房建成
（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京１００１９１）
摘
要：原子自旋陀螺仪以其超高的理论精度已经成为各国争相研究的新一代陀螺仪，具有极大的开发价值和应用潜力。高
ａｔｏｍｉｃｓｐｉｎｇｙｒｏｓｃｏｐｅ
ＣｈｕＺｈｏｎｇｙｉ，ＳｕｎＸｉａｏｇｕａｎｇ，ＷａｎＳｈｕａｎｇａｉ，ＦａｎｇＪｉａｎｃｈｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＯｐｔｏ — ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＩｅｒｎｔｉａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）

陀螺仪的原理

陀螺仪的原理
陀螺仪的原理是基于角动量守恒定律。

角动量是描述物体转动状态的物理量，守恒定律指的是在没有外力作用下，角动量总是保持不变的。

陀螺仪通常由旋转的转子和支撑结构组成。

转子通过电机驱动高速旋转，在转子中心产生一个很大的角动量。

支撑结构将转子固定在一个特定的方向上，使其成为一个转动的轴。

当陀螺仪发生转动时，由于角动量守恒定律的作用，任何试图改变其方向的外力都会受到抵抗。

这意味着转子会保持在一个固定的方向上旋转，而不会被其他力干扰。

通过测量陀螺仪转动轴相对于参考方向的角度变化，我们可以获得物体的转动状态。

这种测量方法被广泛应用于惯性导航系统、飞行器姿态控制、自动驾驶车辆和虚拟现实等领域。

值得注意的是，陀螺仪仅可以测量物体的角速度（转动速度），而无法直接测量物体的角度。

为了获取物体的角度信息，通常需要进行积分运算，将角速度转换为角度。

然而，由于误差的累积，陀螺仪在长时间使用中可能会出现漂移现象，因此需要配合其他传感器进行校正和补偿，以提高测量的精度和稳定性。

原子陀螺仪用激光稳频技术进展与趋势分析

CJ
CU
吸收光谱稳频法利用同一激光器产生的反向传播的
两束激光通过碱金属气室形成的饱和吸收光谱进行稳频，利用去掉多普勒背景的饱和吸收光谱和外部调制稳频电路能够实现每小时几百千赫兹的频率稳定
-4 000 -2 000 0
2 000
v-p〇MHz
图 3 饱和吸收光谱
4 000
控制。
消多普勒饱和吸收系统原理图如图 4 所示。通
第 42卷第 6 期 2021 年 6 月
激光杂志
LASER JOURNAL
V o l . 4 2 ，No.6 J u n e ,2021
•综合评述•
原子陀螺仪用激光稳频技术进展与趋势分析
庄铭今K2 ,范晓婷i’2 ,王天顺K2 ,刘院省U
‘ 中国航天科技集团有限公司量子工程研究中心，北京 100094; 2北京航天控制仪器研究所，北京 100039
2. 1 工作原理饱和吸收光谱稳频法的基本光路结构如图1 所
示，激光经过分束成为一束较强的泵浦光和一束较弱的探测光。两束激光在原子气室中反向交叉传播，通过光电探测器检测透过气室的探测光信号 [5]。
碱金厲原子气室
过三角波发生器向激光控制器注入电流扫描信号，激光经过分束棱镜后进行分束，分成透射光束和反射光束。透射过分光棱镜的激光功率较大，作为栗浦光; 在分光棱镜前后表面反射的激光功率相对较小，作为探测光。泵浦光与其中一路探测光在原子气室中对射产生饱和吸收光谱，经过光电探测器后将光信号转换成电信号,并且与另外一路参考光做差。将得到的

基于原子干涉的量子陀螺仪

陀螺仪是惯性器件之一由于陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力自问世以来引起了人们极大的关注广泛用于航海航空航天军事等领域而且一直是各国重点发展的技术之一在科学技术突飞猛进的今天与陀螺相关的技术仍然是人们关注的焦年的发展史根据测量原理的不同研制出了各式各样的陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪种类十分繁多液浮陀螺静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三刚钢体转子陀螺仪随着光电技术的发展出现了激光陀螺光纤陀螺c4ca技术的进步使得微机械陀螺应运而量子光学实验技术的进步特别是激光冷却原子技术的发展出现了量子陀螺仪陀螺精度的分布相差约个数量级根据其精度范围可大致分为部分
4/+%)#,% ! G9= Z,6-S,5 BUE’R?’T= [6R=> ’- 6- 6S’5 7-S=EP=E’5=S=E 7R 7-SE’>,?=>) G9= A6B-6? =PP=?S P’E 6S’5 7-S=EP=E’5=SEU 7R >=R?E7[=>) G9= ’T=E6S7’- TE7-?7T(= ’P Z,6-S,5 BUE’R?’T= S96S 7R 56>= ’P 6S’57? C6?9 ! D=9->=E 7-S=EP=E’5=S=E 7R TE=R=-S=>) G9= 5=6R,E=5=-S TE=?7R7’- ’P Z,6-S,5 BUE’R?’T= 7R R=W=E6( ’E>=E 97B9=E S96- S96S ’P SE6>7S7’-6( BUE’R?’T=) QS 7R 6 -=\ B=-=E6S7’- ’P BUE’R?’T=) 5.( 6*)1+7 OUE’R?’T=] IS’5 7-S=EP=E’5=SEU] ^,6-S,5 BUE’R?’T=] Q-=ES76 >=W7?=

【CN209485369U】一种零偏自校准原子陀螺仪【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920627701.6(22)申请日 2019.05.05(73)专利权人中国工程物理研究院总体工程研究所地址 621908 四川省绵阳市绵山路64号(72)发明人舒强　朱明智　汪宝旭　吴文凯　邱勇　邓东阁　杨飞　(74)专利代理机构北京天奇智新知识产权代理有限公司 11340代理人杨春(51)Int.Cl.G01C 19/62(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称一种零偏自校准原子陀螺仪(57)摘要本实用新型公开了一种零偏自校准原子陀螺仪，包括：至少两个传感器、信号处理与控制系统、磁场驱动器；所述传感器包括：原子气室与磁场和磁屏蔽部、泵浦光路与探测光路。

本实用新型能够实现陀螺在动态条件下连续输出，通过计算反转前后两个表头各自双同位素对应的拉莫尔频率差之差可以精确稳定主磁场，而不受碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场闭环控制精度的影响。

权利要求书1页说明书6页附图3页CN 209485369 U 2019.10.11C N 209485369U权　利　要　求　书1/1页CN 209485369 U1.一种零偏自校准原子陀螺仪，其特征在于，包括：至少两个传感器；信号处理与控制系统，用于磁场补偿计算与拉莫尔进动频率调整；所述信号处理与控制系统设置有零偏观测器，用于零偏误差计算；磁场驱动器，用于传感器磁场调节；所述传感器、信号处理与控制系统、磁场驱动器依次相连；所述传感器包括：原子气室与磁场和磁屏蔽部，用于提供工作原子与均匀稳定的磁场环境；泵浦光路，用于制备原子态；探测光路，用于探测原子拉莫尔进动。

2.根据权利要求1所述一种零偏自校准原子陀螺仪，其特征在于，所述原子气室与磁场和磁屏蔽部包括由内而外设置的原子气室、无磁加热片、线圈与磁屏蔽壳体。

新型超高精度惯性传感器-----冷原子陀螺仪

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。

关键词: 原子干涉仪；惯性技术；冷原子；激光冷却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π2−π−π2构型，第一个π2拉曼脉冲和原子相互作用时原子相干分束，π 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π2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ϕ1，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 π 的跃迁,，原子布居数发生交换的同时均获得激光的相位ϕ2，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ϕ3，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：p=[1±cos(ϕ1−ϕ2ϕ2+ϕ3)]/2（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。

干涉型原子陀螺仪研究进展与应用

第５２卷第７期
２１０２年７月
电讯技术
ＴｌｃｍｍｕｉａｉｎＥｇｎｅｎｅｅｏｎｃｔｎｉｅｒｇｏｉ
Ｖ１５Ｎｏ７ｏ．２．
Ｊｌｕｙ．２１０２
文章编号：０１９Ｘ２１｝７２６６１０ —８３（０２０ —１１ —０
ｌｎｅｓｔｉ，ｅａｐｉａｉｎｏｏｄａｏｇｒｓｏｅｉｎｒａａｉａｏｅｔｎｉｖｔｔｐｌｔｆｃｌｔｍｙｏｃｐｎｉｅｔｌｎｖｇｔｎ，ｔｓｓｏｅｅａｒｌｔｉｄｇｏｓｉｙｈｃｏｉｉｅｔｆｎｒｌｅａｉｔａｅ — ｇｖｙｎ
（ＶＣＸｎＦｉｔｕｍｔｏｔｌｅｅｒｓｔｔ，ｉｎ７０６，ｈｎ）ＡＩｉｌｈＡｔａｃＣｎｒｓｃＩｔｕＸ１０５ＣｉａａｇｏｉｏＲａｈｎｉｅａ
Ａｂｔａｃ：ｅｂｓｃｐｉｃｐｅｏｔｍｎｅｆｒｍｅｅｎｅｅｏｍｅｔｉｈｅｄｏｔｍｙｏｃｐｒｎｒ — ｓｒｔＴｈａｉｒｎｉｌｆａｏｉｔｒｅｏｔｒａｄｄｖｌｐｎｎｔｅｆｌｆａｏｇｒｓｏｅａｅｉｔｏｉｄｃｄ，ｉｃｕｉｇｔｒｅ—ｐｌｅｇｒｓｏｅ，ｆｕｕｅｎｌｄｎｅｈｕｓｙｏｃｐｏｒ—ｐｌｅｇｒｓｏｄａｏｃｉｙｏｃｐ．Ｂａｅｎｔｅｅｃｌｕｓｙｏｃｐｅａｔｍｈｐｇｒｓｏｎｅｓｄｏｘｅ — ｈ
２０年由Ｓｎｒ和Ｙｅ００ｔｆｄａｏｌａ大学联合实现第一台实验室陀螺仪＿原子陀螺仪实现了快速的发展，目５，５＿到前

冷原子干涉陀螺仪在惯性导航领域的研究现状及展望

ｂａｓｅｄｏｎｃｏｌｄａｔｏｍｗａｖｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｒａｐｉｄｌｙ，ａｎｄｉｔｐｒｏｍｉｓｅｓｔｏｂｅａｎｏｖｅｌｙｒｇｏｓｃｏｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇｉｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｒｅａｓ．Ｔｈｅ
ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙｙｒｇｏｓｃｏｐｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｂｙｆｏｃｕｓｉｎｇｏｎｉｔｓｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，ａｉｍｉｎｇａｔｉｔｓｗｉｄｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
随时间迅速积累，即导航精度随时间而发散，长期
０引言
惯性导航系统作为一种自主式导航系统，与卫
星导航系统相比具有全天候、全时空、隐蔽性好、不易被干扰、无法被反利用和生存能力强等优点；但是作为一种推算式导航系统，陀螺仪和加速度计误差（特别是陀螺仪误差）将导致其导航参数误差
ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓａｍｏｎｇｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｓｔｉｎｃｔｔｙｐｅｓｏｆｃｏｌｄａｔｏｍｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙｙｒｇｏｓｃｏｐｅｓｉｎＳｔａｎｆｏｒｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

原子惯性器件的基本工作原理及主要特点分解课件

原子陀螺仪的结构组成
原子陀螺仪的工作原理是基于原子波干涉的Sagnac效应的，与激光陀螺原理类似。
这是一个MachZehnder型原子干涉仪，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。
当然，高精度陀螺仪的发展和应用还可以推动地球物理学，尤其是地震学、测地学以及地壳构造物理学等领域的发展。
原子加速度计的工作原理也是基于原子干涉，使用激光冷却等方法使原子实现超级冷却，也称冷原子传感器。原子加速度计通过感受加速度引起的原子干涉相位的变化进行加速度测量，来实现超高灵敏度和超高精度。
冷原子是利用原子而不是宏观物体作为检测质量，所以不仅灵敏度高，一致性好，而且不对温度磁场等环境因素敏感。
据称，原子加速度计可能成为未来20年最高精度的加速度计，精度可达10亿分之一。
由于原子干涉仪可有望做出高精度加速度计、也可有望做出高精度陀螺仪、重力仪/重力梯度仪、原子钟，因此有千里实现超高精度的具有重力梯度补偿和高精度时频标的集成惯性导航系统。
采用原子陀螺的相关技术具有实现超高精度的、具有重力梯度补偿和高精度时频基准的集成惯性导航系统，实现惯性导航的全部功能的潜力，这也是原子惯性导航系统成为未来惯性导航系统首选的主要原因。
原子陀螺仪是一个涉及光、电、磁、真空机械和控制的复杂系统，其关键技术是激光及其稳频控制技术、真空机械技术、信号提取和处理技术以及噪声处理等。
原子干涉图有加速时原子干涉图
当相对转动空间在垂直干涉面积上有一个转动角速度时，干涉仪的相移为
2A
式中，为波长，对于物质粒子该波长为德布罗意波

MEMS原子自旋陀螺气室芯片加工设备与工艺研究

第３卷１
第１期１
仪器仪表学报
ＣｉｅｅＪｕｌｆｃｅｔｉｎｔｍｅｔｈｎｓｏｍａｏｉｎｉｃＩｓｒＳｆｕｎ
Ｖ１Ｎｎ０．３１１１ＮＯ．２０Ｖ０１
２１年１月００１
ＤｎａｅｇＦｎｉｃｅｇＺｏｉｑａ，ｉＪ，ｎＳｕｎａｏｇＨｉｎ，ａｇＪｎｈｎ，ｈｕＢｎｕｎＱｎｉＷａｈａｇｉｆａｅ
（ｃｏｌｆＩｔｍｎｔｎＳｉｃｎｐｏｅｃｏｉｎｉｅｎ，ｅｉｎｅｉＡｒａｔｓｎｓｏａｔｓＮｖｌｎ￣ＳｈｏｏｎｒｅｔｉｃｎｅｄＯｔｌｔｎｓｇｎｒｇＢｌｇＵｗ￣ｔｏｅｏｕｉｄＡｔｎｕｉ，ｏｅＩｅｍｌｓｕａｏｅａ —ｅｒｃＥｅｉｌｎｙｆｎｃａｒｃ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｔｍｉｐｎｇｒｓｏｅｉａｅｎｔｅａｏｃｓｉ — ｌｒｚｄｅｅｔｏｃｓｉｙｏｃｐｓｂｓｄｏｈｔｍｉｐｎｐｏａｉｅｆｃ，ｗｈｃａｈｏｅｔｌｔａｕｅｒ — ｉｈｈｓｔｅｐｔｎｉｏｍｅｓｒｏａ
ｃｍｐｎａｉｎｇｓ，ｗｈｃｓｐｌｒｚｄｂｐｎ—ｘｈｎｅａｄｕｅｏｃｍｐｎａｅｔｅｍａｎｔｅｄ．Ａｐｃａｏｄｒｏｅｓｔａｏｉｈｉｏａｉｅｙｓｉｅｃａｇｎｓｄｔｏｅｓｔｈｇｅｉｆｌｃｉｓｅｉｌｂｎｅ

一种核磁共振陀螺仪激光器驱动电流调制电路及方法[发明专利]

专利名称：一种核磁共振陀螺仪激光器驱动电流调制电路及方法
专利类型：发明专利
发明人：贺宇,刘院省,邓意成,赵连洁,王妍,石猛,王学锋
申请号：CN201810148111.5
申请日：20180213
公开号：CN108400517A
公开日：
20180814
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出了一种核磁共振陀螺仪激光器驱动电流调制电路及方法，包括DDS发生器、16位高速DAC、电压跟随器、激光驱动恒流源电路、瞬态高电流电压保护电路几个部分。

激光器控制电流精度会影响原子极化率，调制电流的波形精度会影响核磁共振陀螺仪激光稳频的精度，而调制频率会影响稳频时的反馈响应速度，进一步影响稳频时激光频率的波动范围。

通过设计高精度高频激光器驱动电流调制电路实现高精度和高调制频率的激光驱动电流输出，进一步提高原子极化率和激光稳频的精度以及响应速度。

申请人：北京航天控制仪器研究所
地址：100854 北京市海淀区北京142信箱403分箱
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：马全亮
更多信息请下载全文后查看。

原子陀螺仪的基本原理

原子陀螺仪的基本原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊原子陀螺仪那神奇的基本原理。

你说这原子陀螺仪啊，就像是一个超级敏锐的小侦探！它能感知到极其微小的变化。

想象一下，就好像它能察觉到一只小蚂蚁在地球上轻轻爬过带来的影响一样。

原子陀螺仪的核心呢，就是利用了原子的特性。

这些小小的原子啊，就像是一群调皮又聪明的小精灵。

它们在特定的条件下，会展现出非常奇妙的行为。

比如说，它们会按照一定的规律运动，而且对周围的环境变化超级敏感。

这不就跟咱人一样嘛，在熟悉的环境里待久了，稍微有点风吹草动就能感觉到。

原子陀螺仪就是利用这些原子的敏感，来精确地测量各种运动和变化。

咱平时走路啊、跑步啊，可能感觉不到自己的方向和角度变化有多大。

但原子陀螺仪能！它就像是有一双超级锐利的眼睛，能把这些细微的变化都看得清清楚楚。

你说这神奇不神奇？它就这么安安静静地工作着，却能给我们提供那么重要的信息。

而且啊，原子陀螺仪在很多领域都大显身手呢！比如在导航系统里，它能帮助我们更准确地找到路，就像有个贴心的小向导一直陪着我们。

在航天领域，那更是少不了它，没有它，那些航天器可能就会像没头苍蝇一样乱撞啦！
你再想想，如果没有原子陀螺仪，我们的生活得变得多混乱呀！出门可能都找不着北了，那些高科技的玩意儿也没法那么精确地工作啦。

所以说啊，原子陀螺仪虽然小小的，可它的作用那真是大大的呀！它就像是一个默默奉献的小英雄，在背后为我们的生活和科技发展贡献着力量。

咱可得好好珍惜这个神奇的小玩意儿，好好利用它给我们带来的便利呀！这就是原子陀螺仪的基本原理，是不是很有意思呢？。

原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统[发明专利]

专利名称：原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统专利类型：发明专利
发明人：万双爱,马锦贵,秦杰,孙晓光
申请号：CN202111329722.8
申请日：20211111
公开号：CN114199277A
公开日：
20220318
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种原子自旋陀螺仪电子极化率测量的测试方法及系统，该方法包括：设置驱动激光沿第一方向依次通过第一起偏器、1/4波片和光路开关进入原子气室以对原子气室内的电子进行抽运；打开光路开关，通过三维磁线圈将环境剩磁补偿到零；关闭光路开关，沿第三方向施加设定磁场，沿第一方向施加第一扫描周期的锯齿波磁场扫描；在第一扫描周期内，打开光路开关并控制驱动激光的抽运时间短于原子气室内碱金属电子与惰性气体原子核的碰撞时间，检测激光的第一检测激光光强；根据第一检测激光光强计算获取电子极化率。

应用本发明的技术方案，以解决现有技术中原子自旋陀螺仪电子极化率测量结构复杂、测量步骤繁琐的技术问题。

申请人：北京自动化控制设备研究所
地址：100074 北京市丰台区云岗北里1号院3号楼
国籍：CN
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陀螺仪的科学原理

陀螺仪的科学原理
量子力学是研究微观世界中粒子的行为和相互作用的物理学理论。

它的诞生可以追溯到20世纪初，由一些著名的物理学家如玻尔、波恩、海森堡和薛定谔等人共同创立。

量子力学具有一些与经典物理学不同的特征，例如粒子的双重性、不确定性原理和量子纠缠等。

量子力学描述了微观粒子的物理性质，如它们的位置、动量、能量和自旋等。

在经典物理学中，粒子的性质可以确定地被测量，而在量子力学中，粒子的性质通常只能以概率的形式给出。

这种概率性描述是由波函数来实现的，波函数可以用来描述一个粒子的状态，以及在测量中可能得到的各种结果的概率。

量子力学中的一个重要原理是不确定性原理，它表明在某些情况下无法同时准确地测量一个粒子的位置和动量。

这个原理被认为是量子世界的基本特征之一，它限制了我们对粒子行为的认识和确定性。

不确定性原理对于解释一些实验结果和理解微观世界的行为起着重要作用。

另一个重要的原理是量子纠缠。

当两个或多个粒子发生相互作用时，它们的状态可以相互关联，这种关联被称为量子纠缠。

纠缠态具有一些非常奇特的性质，例如纠缠粒子之间的相互作用会立即影响到它们的状态，即使它们之间的距离非常遥远。

这种非局域性是量子力学与经典物理学之间的重要区别之一。

总而言之，量子力学是一套描述微观世界中粒子行为的理论，它具有一些与经典
物理学不同的特征，如波粒二象性、不确定性原理和量子纠缠。

量子力学在科学研究和技术应用中具有广泛的应用，如量子计算、量子通信和量子传感器等领域。

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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AbstractThis 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：22hc AE Ω=ϕ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：hAm Ω=2ϕ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。

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