一种六参数量子惯性传感器及其测量方法技术

本发明专利技术属于转速、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。本发明专利技术六参数量子惯性传感器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。本发明专利技术的量子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，可实现六轴空间惯性参量的测量。本发明专利技术量子惯性传感器基于低温键合技术，利用微晶玻璃构建真空腔体，通光性更好，结构更紧凑，热、磁稳定性以及抗冲击能力更高，更有利于实现小型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于转速、加速度测量和惯性导航
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是：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。本专利技术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。本专利技术技术方案：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：az＝(Δφ11+Δφ21)/2keffT2(15)Ωy＝(Δφ21-Δφ11)/4vxkeffT2(16)y方向加速度和z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y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：式中为y方向加速度，为z方向转速，经过信号相加、相减处理，可得到传感器在y方向加速度和z方向转速：ay＝(Δφ12+Δφ22)/2keffT2(19)Ωz＝(Δφ22-Δφ12)/4vxkeffT2(20)x方向加速度测量：在冷原子团抛射过程中，沿着x方向，依次作用三对沿x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：式中为x方向加速度，因此，可得到传感器在x方向加速度：ax＝(Δφ13+Δφ23)/2keffT2(23)x方向转速测量：在冷原子团抛射过程中，沿着x方向，依次作用四对沿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、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依次为T/2、T和T/2，由于两冷原子团对抛，在操作过程中可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：利用x方向加速度和y方向加速度，得到x方向的转速。本专利技术的技术效果：本专利技术的量子惯性传感器基于低温键合技术，利用微晶玻璃构建真空腔体，通光性更好，结构更紧凑，热、磁稳定性以及抗冲击能力更高，更有利于实现小型化。本专利技术的量子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，可实现六轴空间惯性参量的测量。另外，本专利技术的量子惯性传感器整体结构简单，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。附图说明图1六参数量子惯性传感器结构示意图；图2六参数量子惯性传感器二维真空腔结构示意图图3六参数量子惯性传感器三维真空腔内原子冷却示意图图4六参数量子惯性传感器三维腔体内冷原子团抛射示意图图5六参数量子惯性传感器z方向加速度和y方向转速测量示意图图6六参数量子惯性传感器y方向加速度和z方向转速测量示意图图7六参数量子惯性传感器x方向加速度测量示意图图8六参数量子惯性传感器x方向转速测量示意图其中，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，4-四通接头，5-离子泵，6-碱金属源，7-真空阀，8-二维冷却光束对，9-三维冷却光束对，10-冷却原子团，11-抛射光束对，12-π/2拉曼脉冲光<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六参数量子惯性传感器，其特征在于，包括二维微晶玻璃真空腔体(1)、三维微晶玻璃真空腔体(2)、差分泵浦管(3)、碱金属源(6)，两个二维微晶玻璃真空腔体(1)通过差分泵浦管(3)连接在三维微晶玻璃真空腔体(2)上，且分别连接有碱金属源(6)，另外，所述差分泵浦管(3)为与三个腔体材质一致的微晶玻璃制成。

【技术特征摘要】
1.一种六参数量子惯性传感器，其特征在于，包括二维微晶玻璃真空腔体(1)、三维微晶玻璃真空腔体(2)、差分泵浦管(3)、碱金属源(6)，两个二维微晶玻璃真空腔体(1)通过差分泵浦管(3)连接在三维微晶玻璃真空腔体(2)上，且分别连接有碱金属源(6)，另外，所述差分泵浦管(3)为与三个腔体材质一致的微晶玻璃制成。
2.根据权利要求1所述的六参数量子惯性传感器，其特征在于，所述碱金属源(6)通过四通接头(4)与二维微晶玻璃真空腔体(1)连接。
3.根据权利要求2所述的六参数量子惯性传感器，其特征在于，所述四通接头(4)上分别连接有离子泵(5)和真空阀(7)。
4.根据权利要求3所述的六参数量子惯性传感器，其特征在于：所述差分泵浦管(3)与二维微晶玻璃真空腔体(1)以及三维玻璃真空腔体(2)之间均通过低温键合技术连接。
5.根据权利要求4所述的小型化六参数量子惯性传感器，其特征在于：所述二维微晶玻璃真空腔体(1)和三维玻璃真空腔体(2)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。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的六参数量子惯性传感器进行测量的方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的六参数量子惯性传感器测量方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊，刘元正，李攀，雷兴，闻茗萱，
申请(专利权)人：中国航空工业第六一八研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61