[发明专利]一种六参数量子惯性传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于转速、加速度测量和惯性导航技术领域，涉及一种能测 量六参数惯性参量的量子传感器及其测量方法。

背景技术

量子干涉仪对加速度和转速具有极高的分辨率和精度，尤其经过数 年的研究和发展，量子干涉仪器件由于其惯性参量测量的稳定性和精确 性，已经在惯性导航、地球物理学以及基础物理参数检测领域展现了巨 大优势以及广阔的应用前景。

目前，性能最好的量子干涉仪是通过光学拉曼跃迁实现原子束流控 制，形成闭合环路，得到相应的干涉条纹。基于该类量子干涉仪，形成 了冷原子陀螺仪以及冷原子加速度计等高精度惯性器件。但是该类器件 需要冷却原子并有足够空间实现原子操控，导致冷原子陀螺仪、冷原子 加速度计的体积偏大，同时，由于惯性导航等领域一般要求测量三轴转 速以及三轴加速度，因此，由冷原子陀螺仪和冷原子加速度计构建的惯 性系统虽然测量精度高出其他惯性系统好几个数量级，但是由于整体结 构过于庞大复杂，实用化比较困难。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小、集成度高，能够实现三轴加速 度和三轴转速测量的六参数集成加速度计陀螺仪的量子惯性传感器。

本发明的另一目的在于提供一种量子惯性传感器测量六参数惯性参 量的方法。

本发明技术方案：一种六参数量子惯性传感器，其包括二维微晶玻 璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、差分泵浦管、碱金属源，两个二 维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管连接在三维微晶玻璃真空腔体上， 且分别连接有碱金属源，另外，所述差分泵浦管为与三个腔体材质一致 的微晶玻璃制成。

所述碱金属源通过四通接头与二维微晶玻璃真空腔体连接。

所述四通接头上分别连接有离子泵和真空阀。

所述差分泵浦管与二维微晶玻璃真空腔体以及三维玻璃真空腔体之 间均通过低温键合技术连接。

所述二维微晶玻璃真空腔体和三维玻璃真空腔体均通过低温键合技 术将微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

一种基于所述的六参数量子惯性传感器进行测量的方法，其在三维 微晶玻璃腔内两侧施加三对正交冷却光束，获得两个陷俘冷原子团，再 将两个冷原子团相对抛射，在冷原子团抛射过程中，沿着x方向，依次 作用相向传输的π/2拉曼脉冲光束对、π拉曼脉冲光束对，形成两套冷原 子团闭合运动轨迹，实现两组原子干涉仪，得到两相位差信号，然后对 相位差信号进行处理能够得到六参数三轴转速和加速度。

所述的六参数量子惯性传感器测量方法，其具体步骤如下：

步骤1：将两个二维微晶玻璃真空腔内真空阀分别与前级真空泵连 接，将二维微晶玻璃真空腔内部抽到超高真空后，关闭真空阀，利用离 子泵维持超高真空状态；

步骤2：打开碱金属源，维持二维微晶玻璃腔体内碱金属原子的数 量；

步骤3：在二维微晶玻璃真空腔内施加两对正交冷却光束，实现碱 金属原子在二维腔体内y，z方向上的冷却；

步骤4：在三维微晶玻璃腔内两个不同位置施加三对正交冷却光束， 获得两个陷俘冷原子团；

步骤5：关闭冷却光束对，分别对冷原子团施加斜向上的抛射光束 对，实现两对冷原子团的对抛；

步骤6：确定六参数三轴转速和加速度

z方向加速度和y方向转速测量：

在冷原子团抛射过程中，沿着x方向，依次作用三对沿z方向相向 传输的π/2拉曼脉冲光束对、π拉曼脉冲光束对以及π/2拉曼脉冲光束对， 拉曼脉冲对时间间隔均为T，形成两套冷原子团闭合运动轨迹，实现两 组原子干涉仪，得到两相位差信号，分别为：

和

式中为拉曼光束对有效波矢，为z方向加速度，为y方向转速，为冷原子x方向运动速度，经过两组相位差信号相加以及相减就能分别获得传感器在z方向加速度和y方向转速：

a_z＝(Δφ₁₁+Δφ₂₁)/2k_effT²(15)

Ω_y＝(Δφ₂₁-Δφ₁₁)/4v_xk_effT²(16)

y方向加速度和z方向转速测量：