[发明专利]基于冷原子干涉原理的惯性测量设备

说明书

技术领域

本发明涉及原子惯性测量技术领域，特别涉及一种高精度惯性测量设备，适用于隐蔽性高、导航系统重调周期长的平台。

背景技术

惯导系统的定位误差会随时间发散，导致定位误差越来越大。要制造高精度的惯导系统，必须要求惯性器件有高精度。到目前为止，陀螺仪经历了传统的液浮陀螺，静电陀螺、环形激光陀螺、光纤陀螺等里程碑式的发展阶段。随着原子光学的兴起和激光技术的发展，基于物质波干涉的原子陀螺仪和原子加速度计成为目前国内外研究的热点，被认为是下一代高精度惯性导航技术发展的主要方向。

理论计算表明，同样环路面积的原子陀螺仪比光学陀螺仪灵敏度高出10¹⁰倍。考虑到原子陀螺仪干涉回路面积和冷原子数量等制约因素，原子陀螺比光学陀螺仍然有三个数量级的优势。目前实验室已实现的原子陀螺零偏稳定性为7×10^-5°/h，原子加速度计实现的加速度测量分辨率为10^-11g。因此，未来在不使用GPS或其它外部辅助技术的情况下，原子惯导系统可实现精度为5m/h的导航能力。

要实现高精度的原子惯性测量单元，除了需要高精度的角速度和线加速度测量信息，还需要保证三个正交方向上惯性量同时输出。在传统的原子干涉惯性测量方案中，大多是只能测量一个方向的角速率信息和加速度信息，这并不能作为惯性测量单元使用。法国巴黎天文台的B.canel等人在2006年实现基于原子干涉效应的六轴惯性量传感器，使用不同的Raman光构型可以实现三个正交方向上加速度和转动速率的分时测量，由于这六个惯性参量不能同时输出，因此也不满足惯性测量设备的要求。

发明内容

本发明的目的是为了充分利用原子干涉仪测量的高精度惯性参量，提供一种六自由度的惯性参量测量单元，采用该方案能够实现三维角速度和三维线加速度的同步测量，实现高精度的惯性导航。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于冷原子干涉原理的惯性测量设备，其特征在于：

所述惯性测量设备包括3个惯性测量单元、拉曼激光器、可调节分光比的分光设备，每个所述惯性测量单元包括：单模窄线宽激光器、干涉腔、光纤分束器、四个声光调制器AOM和一个电光调制器EOM，所述干涉腔中填充有铷原子蒸汽，

所述拉曼激光器发出的拉曼激光通过可调节分光比的分光设备分成3束拉曼激光，输出给三个惯性测量单元，三束拉曼激光的入射方向彼此正交，

单模窄线宽激光器产生780nm的激光，通过光纤分束器分成5束光：第一光束、第二光束、第三光束、第四光束、第五光束，其中，第一光束、第二光束、第三光束、第四光束分别经过AOM1、AOM2、AOM3、AOM4，第五束光经过EOM，

其中第一光束、第二光束、第三光束经过AOM1、AOM2、AOM3的调节后作为冷却光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝2共振跃迁负失谐12MHz处，第四光束经AOM4调节后作为探测光I和态制备光，频率在87Rb原子5²S_1/2F＝2→5²P_3/2F’＝3的共振跃迁谱线上，第五束光作为回泵光和探测光II频率在87Rb原子5²S_1/2F＝1→5²P_3/2F’＝2的共振跃迁谱线上；

分别对第一光束、第二光束、第三光束的冷却光进一步分光，每束光分成四束，形成12束冷却光，6束作为一组，每组中的6束光两两对射进入干涉腔，并且两两正交；

将作为回泵光的第五光束等分成四束，每两束加入到一组冷却光中，与冷却光中的相应光束合束，射入干涉腔中，对87Rb原子进行冷却和囚禁，在干涉腔中形成两个冷却原子团，

增加AOM1所调整出的光束的频率2.2M，同时减小AOM2所调整出的光束的频率2.2M，实现两个冷却原子团的对抛，

对AOM4出射的激光进行分光，作为两束探测光I和态制备光，将两束态制备光分别与两个冷却原子团相互作用，将两个冷却原子团中的铷原子统一制备到F＝2,m_F＝0的态上；

利用拉曼激光器产生拉曼光，分三次照射对抛原子团，第一次照射使冷原子团分束，第二次照射冷原子团偏转，第三次照射使冷原子团合束，在冷原子团合束的过程中，冷原子团将产生干涉，