[发明专利]小型化组合单轴冷原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、加速度测量和重力梯度测量的惯性导航技术领域， 涉及一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器。

背景技术

原子惯性传感器是目前已知的精度最高的惯性传感器，在同等环绕 面积下，原子陀螺灵敏度比光学陀螺高10个数量级。基于冷原子的惯性 平台，在转动测量、加速度测量、重力梯度测量、精细常数测量、牛顿 引力常数测量以及弱等效原子验证方面有着广泛的应用前景。

然而截至目前，现有技术原子惯性传感器整体结构过于庞大复杂， 特别是其不锈钢腔体限制了冷原子惯性器件的工程化应用，并且狭小的 通光面积也限制了原子器件各项功能的集成，使得实用化比较困难，目 前还停留在实验室样机阶段。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小、结构简单，能够实现原子陀螺、 原子加速度计，原子重力梯度仪组合设计的单轴冷原子惯性传感器。

本发明的另一目的在于提供一种基于小型化组合单轴冷原子惯性传 感器的测量方法。

本发明技术方案：一种小型化组合单轴冷原子惯性传感器，其包括 二维微晶玻璃真空腔体、三维微晶玻璃真空腔体、差分泵浦管道、碱金 属源、所述二维微晶玻璃真空腔体通过差分泵浦管道连接在三维微晶玻 璃真空腔体上，且分别连接有碱金属源，另外，所述差分泵浦管道为与 两个腔体材质一致的微晶玻璃制成，且所述三维微晶玻璃真空腔体内具 有作为原子陀螺、原子加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团。

还包括冷却激光系统、拉曼激光系统、高精度时序控制系统，冷却 激光激光系统包括一组反亥姆霍兹线圈和三对负失谐的圆偏振光，拉曼 激光系统包括从三维微晶玻璃腔体底部射入的三对对射拉曼光，其时间 序列由外置的高精度时序控制系统触发。

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。

所述差分泵浦管道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 术将通过性好的微晶玻璃窗片键合或粘接在微晶玻璃基础框架上制成。

一种基于所述的小型化六参数量子惯性传感器进行测量的方法，其 首先在三维微晶玻璃真空腔体内部利用磁光阱生成作为原子陀螺、原子 加速度计和原子重力梯度仪工作介质的冷原子团，对冷原子团依次通以 π/2-π-π/2拉曼脉冲光束，使冷原子团实现分束、合束，产生带有转速、 加速度、重力梯度的干涉信息。

重力梯度的测量时：先预抛一团原子，利用它在空中飞行的时间冷 却囚禁第一团原子，在预抛的原子回到磁光阱前，将第一团原子抛出去， 等预抛的原子回到磁光阱后，然后上抛第二团原子，使得第一团原子和 第二团原子在同一时刻达到最高点，并在该时刻进行重力梯度测量，其 中，双原子团上抛速度与上抛时间间隔τ之间满足：

ν₁-ν₂＝gτ

g为重力加速度，v₁，v₂分别为第一团原子和第二团原子的上抛初速度。

本发明的技术效果：本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器利用 微晶玻璃构建真空腔，整体结构紧凑，集成度高，体积小，通光性更好， 便于实现基于冷原子的高精度惯性导航系统的工程化实用。本发明的惯 性传感器利用冷原子团对抛方案，结合不同方向拉曼光束对冷原子的操 控，可实现空间惯性参量的测量。

附图说明

图1本发明小型化组合单轴冷原子惯性传感器的结构示意图；

图2本发明所述冷却激光系统结构示意图；

图3是空间域拉曼激光时序示意图；

图4是时域拉曼激光时序示意图；

图5是转速和加速度测量示意图；

图6是双喷泉方案测量重力梯度示意图；

图7是预抛原子方案测量重力梯度示意图；

其中，1-二维微晶玻璃真空腔体，2-三维微晶玻璃真空腔体，3-差分泵浦 管道，4-四通接头，5-离子泵，6-碱金属源，7-真空阀，8-三维冷却光束 对，9-拉曼激光序列，10-时间序列，11-二维冷却光束对，12-冷却原子 团。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：