[发明专利]一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及角速度测量领域，特别是一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测 量方法，可以实现高精度角速度测量，具有高重频，连续测量和矢量测量等优点，能够广泛 用于惯性导航、姿态控制、方位基准、机器人、生物医学和环境检测等高新技术领域。

背景技术

自1910年船载指北陀螺罗经发明以来，陀螺仪的发展有近100多年。纵观陀螺发展 历史，其历程大体可以归结为以下几个最具代表性阶段：20世纪30年代以前，陀螺仪是以滚 珠轴承来支撑陀螺马达和框架的机械式陀螺，其摩擦力矩大、精度低，主要用于测量载体的 姿态角；40年代末到50年代，出现了液浮、气浮支撑陀螺，达到了惯性级别，在此阶段也提出 了静电陀螺、挠性陀螺等一些新概念陀螺；60年代后，发展了动力调谐陀螺；进入70年代以 后，出现了激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺等非转子式的固体陀螺仪；近几年，随着微机 电的发展，出现了硅微陀螺仪、MEMS陀螺仪。近年来，随着原子光学实验技术的进步，出现了 以原子干涉陀螺仪、核磁共振陀螺仪和无自旋交换弛豫(SERF)陀螺仪等几种高精度陀螺为 代表的原子陀螺。

陀螺仪作为角速度敏感元件在惯性导航中占据主导地位，其性能的优劣直接决定 了惯性制导及测量精度的高低。目前可实现的高精度角速度测量方案多种多样，但是在测 量精度和工程实现上都存在各种各样的问题。例如激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺仪等，虽 然体积小，但测量精度较低；原子干涉陀螺测量精度高，但是在工程化方面，成熟度低，体积 庞大且不能实现连续测量。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于空心金属光纤 原子导引的角速度测量方法，可广泛用于惯性导航、姿态控制、方位基准、机器人、生物医学 和环境检测等高新技术领域的新型角速度测量方法。

本发明的技术方案是：一种基于空心金属光纤原子导引的角速度测量方法，步骤 如下：

1)将高斯光束光源放置于2π位相板的前面，固定在待测物体上，用于产生准直的 高斯光束；

2)将2π位相板放置于高斯光束光源后面，固定在待测物体上，产生的高斯光束经 过2π位相板后形成具有高斯轮廓分布的空心光束；

3)将透镜放置于2π位相板的后面，固定在待测物体上，产生的高斯轮廓分布的空 心光束经过透镜汇聚后，形成具有高斯轮廓分布的聚焦的空心光束，用于在空心金属光纤 中产生TE₀₁模式的空心光束；

4)将冷原子源放置于透镜后面，固定在待测物体上，通过激光冷却方法产生冷原 子，聚焦的空心光束将冷原子装载到空心金属光纤中进行传输；

5)空心金属光纤放置于冷原子源后面，固定在待测物体上，将空心金属光纤沿冷 原子传输方向为切线方向向上弯曲成3/4圆弧形状，用于传输冷原子；

6)在空心金属光纤上开有一小口，探测器固定在待测物体上，且放置于空心金属 光纤开口处，用于探测冷原子处在第i个内态的概率P_i，i＝1，2，3…；

7)根据步骤6)探测到的冷原子处在第i个内态的概率P_i，反演并得到角速度。

8)原子气室放置于空心金属光纤末端，用于收集经过3/4圆弧空心金属光纤传输 后的冷原子。

步骤6)中探测的具体方法为：

61)第i探测器响应频率对应第i内态的共振频率，用第i个探测器探测，探测到的 能量为W_i，计算处在第i内态的冷原子数目n＝W_i/E_i，其中E_i为第i内态的本征能量；

62)通过计算P_i＝n/N，得到第i内态的概率P_i，其中N为总的冷原子数目。

步骤7)中反演的具体方法为：