[发明专利]多轴原子惯性传感器系统

说明书

本申请要求2012年7月12日提交的美国临时申请号的优先权，其公开内容被通过引用结合到本文中。

背景技术

冷原子干涉仪是用于新种类的惯性传感器的基础。类似于光纤或环状激光陀螺仪的功能，惯性力诱发原子的量子机械波函数中的相移，其横穿冷原子干涉仪中的环路。

对于某些工作参数而言，冷原子惯性传感器可以提供比期望的低的更新速率。在这种情况下，可以使用微机电系统（MEMS）惯性传感器作为一种飞轮以提供原子传感器读数之间的连续输出。在这种情况下，可以使用原子惯性传感器来修正MEMS惯性传感器中的偏置和标度因数漂移。

为了使尺寸、重量和功率最小化，期望的是使得原子惯性传感器尽可能小。遗憾的是，灵敏度不利地随着减小的传刚起尺寸而缩放。需要约6cm³的最小原子惯性传感器体积以满足某些性能度量。然而，对于小于20cm³的某些应用而言需要用于六自由度原子惯性测量单元（IMU）的总体积度量。

发明内容

惯性传感系统包括第一多轴原子惯性传感器、第二多轴原子惯性传感器以及被光学地耦合到第一和第二多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光。多个MEMS惯性传感器与第一和第二多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新来自MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。

附图说明

理解了附图仅描绘示例性实施例且因此并不被认为在范围方面是限制性的，将通过使用附图来以附加的特殊性和细节来描述示例性实施例，在所述附图中：

图1是根据一个实施例的采用多轴原子惯性传感器的惯性传感系统的方框图；

图2是根据一个实施例的多轴原子惯性传感器设备的方框图；

图3A是示出了根据一个实施例的多轴原子惯性传感器中的示例性干涉仪轨迹的示意图；以及

图3B是列出了激光取向的可能组合的表格，具有相应的灵敏度轴。

具体实施方式

在以下详细描述中，对构成其一部分的附图进行参考，并且在附图中以图示的方式示出了特定说明性实施例。应理解的是可以利用其他实施例，并且可以进行逻辑、机械以及电气修改。因此不应以限制性意义来理解以下详细描述。

提供了能够在惯性传感系统中实现的多轴原子惯性传感器和帮助常规惯性传感器的误差修正的方法。该多轴原子惯性传感器被配置成使得能够使用开关光学装置来反复地改变其传感轴以顺序地修正常规惯性传感器中的误差。

在一个实施例中，可以用诸如IMU的六自由度惯性传感系统来实现多轴原子惯性传感器，其测量三个轴上的加速度和旋转。来自IMU中的常规惯性传感器的输出被针对原子惯性传感器进行训练，使得从常规惯性传感器去除大部分的偏置和标度因数误差。

虽然在如下的各种实施例中描述了MEMS惯性传感器的使用，但可以以类似方式将其他常规惯性传感器与多轴原子惯性传感器融合。

在一个实施例中，惯性传感系统包括一对多轴原子惯性传感器以及被操作耦合到多轴原子惯性传感器的光学复用器。该光学复用器包括被配置成沿着第一和第二多轴原子惯性传感器的不同轴顺序地指引光的多个光学开关。诸如六个MEMS惯性传感器（例如，三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计）的多个MEMS惯性传感器与多轴原子惯性传感器进行操作通信。通过顺序地更新MEMS惯性传感器的输出信号，来自第一和第二多轴原子惯性传感器的输出信号帮助修正由MEMS惯性传感器产生的误差。

在一个示例中，用于每个原子传感器的循环时间为约20ms。需要约10ms以准备冷原子的样本，并需要另外的约10ms以询问原子以提取惯性信息。应注意的是这些时间是可以根据诸如带宽对比灵敏度的性能权衡而改变的参数。