高精度的原子干涉陀螺仪应用方案

高精度转动测量在基础物理、地球物理和惯性导航等精密测量领域有着重要的科学前景和应用价值。原子干涉陀螺仪利用物质波干涉和萨格纳克效应，可实现高精度转动测量，具有灵敏度高、长期稳定性好和无机械磨损等特点。随着近年来原子干涉陀螺仪技术的快速发展，其研究方向正在从实验室向实际应用发展和转换，但这一过程中面临着采样率低和动态范围小等困难与挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学院大学、合肥国家实验室、武汉量子技术研究院的研究团队在《导航与控制》期刊上发表了题为“原子干涉陀螺仪研究现状及应用分析”的综述文章，从原子干涉陀螺仪的基本原理出发，介绍了目前国内外原子干涉陀螺仪的研究现状和进展，以及在惯性导航、地球自转、地震旋转波和广义相对论检验等精密测量方面的初步应用。最后，分析了原子干涉陀螺仪在精密测量应用方面的受限因素以及可能的解决思路，并对其应用前景进行了总结和展望。

原子干涉陀螺仪的基本原理

原子干涉陀螺仪是基于原子干涉和萨格纳克效应、实现高精度转动测量的仪器，是基础物理和应用领域非常重要的工具。转动会导致原子波包在两条路径干涉后产生相移，可以利用相移测量转速。为了提高转动测量分辨率，需要考虑以下几个方面：（1）需要增加原子自由演化时间、原子运动速度和拉曼光的有效波矢，进而增大原子干涉陀螺仪的标度因子；（2）需要降低原子干涉条纹的相位噪声，比如振动噪声、转动噪声和磁场噪声并消除系统误差等；（3）需要考虑系统的稳定性，例如对环境温度引起的物理系统、光学系统、电子控制的漂移等；（4）考虑原子干涉陀螺仪的实际应用，需要提高采样率（1/Tc）；（5）增大原子干涉陀螺仪的动态范围也是重要的研究课题。

图1 光脉冲冷原子干涉仪原理图

原子干涉陀螺仪研究进展

经过三十余年的发展，原子干涉陀螺仪取得了长足进展，根据原子源类型和拉曼光操作方案的不同，可将原子干涉陀螺仪分为热原子束干涉陀螺仪、冷原子束干涉陀螺仪、三脉冲冷原子干涉陀螺仪和四脉冲冷原子干涉陀螺仪等类型。

热原子束干涉陀螺仪是利用连续拉曼光操控原子束流，原子数目多，采样率高，但是原子速度快，不易于控制，在原子干涉时间一定的情况下，需要更长的干涉距离来实现干涉过程，这导致热原子束干涉陀螺仪的物理尺寸一般较大。冷原子束干涉陀螺仪也是连续的原子源，但是原子温度相对热原子束更低，原子数比热原子束少，采样率也可以达到百赫兹水平。冷原子干涉陀螺仪具有更紧凑的结构，原子温度低，可以更好地控制原子轨迹，但是原子数目少，相对采样率较低，只有几赫兹。

图2 热原子束干涉陀螺仪

图3 冷原子束干涉陀螺仪

图4 三脉冲冷原子干涉陀螺仪

图5 四脉冲冷原子干涉陀螺仪

原子干涉陀螺仪应用

从萨格纳克效应的初步演示到地球自转的测量，再到各类构型陀螺仪指标的不断提高，原子干涉陀螺仪在精密测量、地球物理以及惯性导航等领域的应用越来越广泛。

（1）精密测量领域应用

在精密测量领域，转动测量应用广泛。广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论，由于时空弯曲，旋转体和非旋转体有不同的引力场。2004年，美国国家航空航天局（NASA）发射了一颗科学探测卫星——引力探测器（GP-B），探测器上装有四个超导静电陀螺仪和一台望远镜设备，通过测量发现，受地球引力拖曳，超导静电陀螺仪自转轴方向发生了可测量的细微偏移，验证了相关引力理论效应。

图6 GP-B采用四个陀螺仪测量相对漂移率的原理及结果

（2）地球物理领域应用

原子干涉陀螺仪在地球物理领域的应用主要包括地球自转的测量和地震旋转波的监测。陀螺仪可以用来观测地球自转，但是目前原子干涉陀螺仪的测量精度距离测量地球自转变化还存在一定差距。除了测量地球自转，陀螺仪还可以研究地震相关的转动变化。根据连续力学理论，要完备描述固体的运动，需要包括三个部分，平动、旋转和变形。高精度的陀螺仪可以测量地震引起的转动变化。

图7 不同机构测量地球转速引起的相移变化

图8 地震旋转波不同震级理论值和地震垂向旋转速度记录

（3）惯性导航领域应用

惯性导航系统是一种自主式的导航系统，一般是利用陀螺仪和加速度计进行组合来实现推算式导航。原子干涉陀螺仪长期稳定性好，可以改善传统惯性导航系统的精度，但是将原子干涉陀螺仪实际应用于惯性导航系统还存在一些困难与挑战，主要是采样率、动态范围和旋转测量轴指向问题。原子干涉陀螺仪适应惯性导航需求的改进方向主要包括三个方面：第一，在保证测量灵敏度的前提下，提高采样率，达到百赫兹级；第二，在保证测量灵敏度的前提下，提高测量的动态范围；第三，增加转动测量轴，建立矢量空间测量系统来进行定位和姿态校准。

图9 快速采样原子轨迹及干涉条纹图

图10 提高干涉条纹测量动态范围的实验构想

总结与展望

原子干涉陀螺仪在精密测量、地球物理、惯性导航等多个领域都有重要的研究意义和研究价值。目前，量子陀螺仪的转动测量长期稳定性潜在精度最高，具有高精度、无机械磨损、低漂移等优势，目前的测量分辨率优于nrad/s量级。随着近年来的研究，原子干涉陀螺仪正向各个具体应用场景拓展，但仍存在一些亟待解决的问题。

随着原子光学的发展，很多技术正在为解决上述问题提供新的思路和可能性。在高精度方面，美国斯坦福大学提出了大动量转移方案，此后，多个课题组也提出并实现了更多大动量转移（最多可实现上百次转移），同时还有一些课题组利用布洛赫振荡、布拉格衍射等实现大动量转移。在小型化方面，通过发展原子芯片技术能够大幅减小仪器体积。此外，还有一些课题组提出利用玻色-爱因斯坦凝聚态实现惯性传感器，利用压缩态或者量子纠缠等实现量子无损检测，利用机器学习或者滤波等实时信息处理技术反馈优化测量结果。未来，将这些新技术和方法应用于原子干涉陀螺仪，有望解决上述问题，进而提升仪器各项性能指标。