[发明专利]一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，属于原子钟和核磁共振原子陀螺仪领域。 

背景技术

随着科技的发展，导航定位系统在军事和民用上得到越来越多的应用，但也存在一些问题。卫星导航具有体积小、成本低的特点，但抗干扰能力不足，容易被屏蔽或遮挡；惯性导航抗干扰能力强，但存在体积重量大、预热启动慢、成本高、无时间信息等不足。为了适应现代战争提出的精确打击、快速反应、协同作战、自主生存等需求，研究一种高精度、小体积、低成本、支持协同作战并具有自主保障能力的导航技术势在必行。近年来，一种基于现代量子技术、电子技术、微机械电子系统(MEMS)和3D微组装工艺发展起来的微型定位导航与授时(Micro-Position，Navigation，Timing，Micro-PNT)技术应运而生。 

Micro-PNT是一个将芯片原子钟、高精度微陀螺仪和高精度微加速度计组合集成的微终端。其中，芯片原子钟提供时间信息；微陀螺仪提供角速度信息；加速度计提供加速度信息。Micro-PNT具有体积小，功耗低，成本低，定位精度达到导航级等多种优点，便于灵活集成于各种可移动系统当中，在军事和民用领域具有广阔的应用空间。 

传统的Micro-PNT单元是将芯片原子钟、高精度微陀螺仪和高精度微加速度计作为独立器件组装使用，其体积、功耗、重量必然是三个独立组件之和。相干布局囚禁原子钟是目前芯片原子钟国内外的主流方案，核磁共振原子陀螺仪也是高精度微陀螺的主要备选方案。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，降低Micro-PNT系统的体积、功耗、重量。 

核磁共振原子陀螺仪利用核磁共振原理来测量载体角速度的一种装置。如图1所示，当具有磁矩μ的自旋原子处于磁场强度为B₀的静磁场中时，每一个自旋原子都会如陀螺一般绕着B₀矢量方向产生进动，称之为拉莫尔进动，其进动角频率ω_L称为拉莫尔频率，方向与B₀一致，其大小为： 

ω_L＝γB₀

式中γ为磁旋比，为原子核特征常数，与原子核运动无关。 

在与B₀平行的方向入射一束抽运光，再在与B₀垂直的方向入射一束探测光。当载体绕B₀方向以角速度ω_R转动时，探测光光强变化变化频率ω_obs为： 

ω_obs＝ωL+ωR 

由此可得： 

ω_R＝ω_obs-ω_L＝ω_obs-γB₀

由于ω_obs，γ，B₀均为已知，故测量得载体绕B₀转动的角速度ω_R。此即核磁共振原子陀螺仪的工作原理。 

相干布居囚禁(Coherent Population Trapping)原子钟(下简称CPT原子钟)同样也需要原子泡，原子泡内需要充入缓冲气体(N₂和其他惰性气体，如Ne、Xe、CH₄等)和碱金属原子⁸⁷Rb或¹³³Cs。以充入⁸⁷Rb原子为例，基态M_F＝0两态与激发态M_F＝1，M_F＝-1态构成制备CPT态的Λ型结构，CPT共振发生在D1线。图2和图3是芯片原子钟工作原理图，光源由纵腔面发射半导体激光器(VCSEL)提供。直流电流与频率为ν的微波通过Bias-Tee偏置器合成为供电电流输入VCSEL，使VCSEL输出受微波频率调制的双色光。在原子上作用一静 磁场，使得原子发生塞曼能级分裂。 

当微波的频率刚好等于基态M_F＝0两能级差1/2时，透射光的光强最强；当微波的频率变化时，透射光的光强会迅速变弱。根据激光光强的变化将微波的频率锁定在原子的基态能级上，此时，微波频率ν与基态M_F＝0两能级差ΔE之间的关系为： 

ν＝ΔE/2h