新型超高精度惯性传感器理探索

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1、技术前沿TEcHNoL。GYFRoNT新型超高精度惯性传感器原理探索ResearchonPrincipleofNewHigh—PrecisionInertialSensor南京航空航天大学航天学院盛庆红刘微微王惠南盛庆红工学博士．硕士研究生导师．讲师。毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业．工作单位为南京航空航天大学航天学院。主要研究领域为新型惯性测量技术、高动态目标姿态测量和卫星摄影测量等。以第一作者身份发表学术论文10余篇．其中日收录5篇。惯性传感器是构成惯性导航系统的核心器件，惯性导航系统的精度与性能取决于

2、陀螺仪和加速度计的性能，导航制导技术领域(尤其是国防建设)的需求是该技术拓展新方向的源动力．采用新原理、新技术发+摹金项H：鲴家自然科学基金f60974107教育部博士点基金(M0772-034J资助。100航空制造技术·2011年第2l期惯性传感器是构成惯性导航系统的核心器件。惯性导航系统的精度与性能取决于陀螺仪和加速度计的性能。其在导航制导技术领域(尤其是国防建设)的需求是该技术拓展新方向的源动力。采用新原理、新技术发展新型高精度、小型化惯性传感器是惯性技术研究与发展的重要方向之一。展新型高精度’，J、

3、型化惯性传感器是惯性技术研究与发展的重要方向之一。随着现代物理学研究的深入和技术手段的发展，基于冷原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计已成为可能。基于冷原子物质波萨格纳克效应的量子陀螺，可以获得极高灵敏度的角速度，其理论灵敏度相当于激光陀螺和光纤陀螺的10”倍，冷原子陀螺仪的灵敏度在10min平均时间达到1．4×10-Trad／s，冷原子惯性传感器将成为精度最高的惯性测量器件，并可同时实现三轴线加速度和角速度测量以及全张量重力梯度补偿⋯。由于冷原子惯性传感器的高精度、高性能和巨大的技术潜力，发达国家已投人大量

4、的人力物力，美国制定的以冷原子惯性传感器为核心的“精确惯性导航系统”被视为下一代主导惯性技术”】，欧洲计划根据“空间应用中的高精度原子干涉测量技术”进行空间飞行器的导航⋯。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，加大了冷原予魄性传感器原理的研究力度。超流体陀螺仪的研究对象是基于玻色一爱因斯坦凝聚理论形成的超流体，由于超流体的粘滞系数、流体间以及流体对周围运动产生的阻尼很小，当超流体腔体发生运动时．超流体可以保持其原来的状态，利用这一特性可以制造一个物理的惯性空间，因此基

5、于超流体的新概念陀螺在原理上可以进行高精度的惯性测量．预计精度可达到10-”rad／s，尤其适用于高精度姿态测量场合[31。目前，该方向的工程技术方面的研究尚处于起步阶段，因此探索有效的超流：；。。。立。。。：。。Q。：．jll：!!：lll!L体量子陀螺的高精度测量的实现方案具有重要的科学意义和应用价值。‘埕冷原子陀螺仪1研究进展与发展前景目前，美国斯坦福大学和耶鲁大学的冷原子惯性技术位居世界前列。1991年斯坦福大学和耶鲁大学⋯共同研制了第一台冷原子干涉仪，用激光冷却并冈禁原子的方法在磁光阱中积累了大量

6、冷原子后，拉曼脉冲激发原子，原子相干地分裂、偏转，最后重新会聚成原子波束而产生干涉条纹，通过路径之间相位差测定重力加速度灵敏度是3×10-69／Hz。1998年耶鲁大学的Kasevich小组151发明了第一台原子陀螺仪，用2个在垂直方向分开约1m的冷原子源构成两个铯原子干涉仪，测出2个不同位置处的相位差。2002年，他们叉改善了冷原子源，扩大了2个原子源之间的距离，测得重力加速度灵敏度为4x101,g／Hz目。2006年，Kasevich小组首次设计了噪声时间短并长时稳定的可用于高精度导航的冷原子干涉陀螺仪

7、，其原理是用序列光脉冲进行原子波束相干，惯性改变原子德布罗意波长与光间的相位，提高了反向陀螺输入轴的精确性。陀螺旋转的偏心稳定性小于6×10-Sdeg／h，比例稳定性小于5×10-s，角速度随机游走误差为3×10-Sdeg／h””。同年法国巴黎天文台利用冷原子干涉仪研制了6轴惯性传感器”】，通过在抛物线轨道反向传播的原子束，利用拉曼激光激发形成3种干涉仪，正交于3轴加速度和角速度，从而实现了对转动速率和加速度的测量，转动灵敏度为2．2×10一rad／s，280s后减少到1．8×lO-6rad／s。2009年

8、巴黎天文台从旋转信号中准确地去除了加速度计噪声．灵敏度达到5．5×10-7rag／sHz“4．为超灵敏原子陀螺的研制奠定了基础，模型如图1所示。图1巴黎天文台研制的有纠。磁光陷的超灵敏原子陀螺模型l尺寸为30mmxlomm×50mm)“同年德国汉诺威大学提出了研制一种基于铷激光冷却的紧凑冷原子干涉陀螺仪的设想IlOl，该陀螺仪可提高精度的测量角速度和加速度，通过小型重力计扩展了3个独立的原子激光联合干涉仪，从而用