高精度轉(zhuǎn)動測量在基礎(chǔ)物理、地球物理和慣性導航等精密測量領(lǐng)域有著重要的科學前景和應(yīng)用價值。原子干涉陀螺儀利用物質(zhì)波干涉和薩格納克效應(yīng)，可實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動測量，具有靈敏度高、長期穩(wěn)定性好和無機械磨損等特點。隨著近年來原子干涉陀螺儀技術(shù)的快速發(fā)展，其研究方向正在從實驗室向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展和轉(zhuǎn)換，但這一過程中面臨著采樣率低和動態(tài)范圍小等困難與挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對該領(lǐng)域研究，中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院、中國科學院大學、合肥國家實驗室、武漢量子技術(shù)研究院的研究團隊在《導航與控制》期刊上發(fā)表了題為“原子干涉陀螺儀研究現(xiàn)狀及應(yīng)用分析”的綜述文章，從原子干涉陀螺儀的基本原理出發(fā)，介紹了目前國內(nèi)外原子干涉陀螺儀的研究現(xiàn)狀和進展，以及在慣性導航、地球自轉(zhuǎn)、地震旋轉(zhuǎn)波和廣義相對論檢驗等精密測量方面的初步應(yīng)用。最后，分析了原子干涉陀螺儀在精密測量應(yīng)用方面的受限因素以及可能的解決思路，并對其應(yīng)用前景進行了總結(jié)和展望。

原子干涉陀螺儀的基本原理

原子干涉陀螺儀是基于原子干涉和薩格納克效應(yīng)、實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動測量的儀器，是基礎(chǔ)物理和應(yīng)用領(lǐng)域非常重要的工具。轉(zhuǎn)動會導致原子波包在兩條路徑干涉后產(chǎn)生相移，可以利用相移測量轉(zhuǎn)速。為了提高轉(zhuǎn)動測量分辨率，需要考慮以下幾個方面：（1）需要增加原子自由演化時間、原子運動速度和拉曼光的有效波矢，進而增大原子干涉陀螺儀的標度因子；（2）需要降低原子干涉條紋的相位噪聲，比如振動噪聲、轉(zhuǎn)動噪聲和磁場噪聲并消除系統(tǒng)誤差等；（3）需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如對環(huán)境溫度引起的物理系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、電子控制的漂移等；（4）考慮原子干涉陀螺儀的實際應(yīng)用，需要提高采樣率（1/Tc）；（5）增大原子干涉陀螺儀的動態(tài)范圍也是重要的研究課題。

圖1 光脈沖冷原子干涉儀原理圖

原子干涉陀螺儀研究進展

經(jīng)過三十余年的發(fā)展，原子干涉陀螺儀取得了長足進展，根據(jù)原子源類型和拉曼光操作方案的不同，可將原子干涉陀螺儀分為熱原子束干涉陀螺儀、冷原子束干涉陀螺儀、三脈沖冷原子干涉陀螺儀和四脈沖冷原子干涉陀螺儀等類型。

熱原子束干涉陀螺儀是利用連續(xù)拉曼光操控原子束流，原子數(shù)目多，采樣率高，但是原子速度快，不易于控制，在原子干涉時間一定的情況下，需要更長的干涉距離來實現(xiàn)干涉過程，這導致熱原子束干涉陀螺儀的物理尺寸一般較大。冷原子束干涉陀螺儀也是連續(xù)的原子源，但是原子溫度相對熱原子束更低，原子數(shù)比熱原子束少，采樣率也可以達到百赫茲水平。冷原子干涉陀螺儀具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，原子溫度低，可以更好地控制原子軌跡，但是原子數(shù)目少，相對采樣率較低，只有幾赫茲。

圖2 熱原子束干涉陀螺儀

圖3 冷原子束干涉陀螺儀

圖4 三脈沖冷原子干涉陀螺儀

圖5 四脈沖冷原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀應(yīng)用

從薩格納克效應(yīng)的初步演示到地球自轉(zhuǎn)的測量，再到各類構(gòu)型陀螺儀指標的不斷提高，原子干涉陀螺儀在精密測量、地球物理以及慣性導航等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

（1）精密測量領(lǐng)域應(yīng)用

在精密測量領(lǐng)域，轉(zhuǎn)動測量應(yīng)用廣泛。廣義相對論是描述物質(zhì)間引力相互作用的理論，由于時空彎曲，旋轉(zhuǎn)體和非旋轉(zhuǎn)體有不同的引力場。2004年，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了一顆科學探測衛(wèi)星——引力探測器（GP-B），探測器上裝有四個超導靜電陀螺儀和一臺望遠鏡設(shè)備，通過測量發(fā)現(xiàn)，受地球引力拖曳，超導靜電陀螺儀自轉(zhuǎn)軸方向發(fā)生了可測量的細微偏移，驗證了相關(guān)引力理論效應(yīng)。

圖6 GP-B采用四個陀螺儀測量相對漂移率的原理及結(jié)果

（2）地球物理領(lǐng)域應(yīng)用

原子干涉陀螺儀在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括地球自轉(zhuǎn)的測量和地震旋轉(zhuǎn)波的監(jiān)測。陀螺儀可以用來觀測地球自轉(zhuǎn)，但是目前原子干涉陀螺儀的測量精度距離測量地球自轉(zhuǎn)變化還存在一定差距。除了測量地球自轉(zhuǎn)，陀螺儀還可以研究地震相關(guān)的轉(zhuǎn)動變化。根據(jù)連續(xù)力學理論，要完備描述固體的運動，需要包括三個部分，平動、旋轉(zhuǎn)和變形。高精度的陀螺儀可以測量地震引起的轉(zhuǎn)動變化。

圖7 不同機構(gòu)測量地球轉(zhuǎn)速引起的相移變化

圖8 地震旋轉(zhuǎn)波不同震級理論值和地震垂向旋轉(zhuǎn)速度記錄

（3）慣性導航領(lǐng)域應(yīng)用

慣性導航系統(tǒng)是一種自主式的導航系統(tǒng)，一般是利用陀螺儀和加速度計進行組合來實現(xiàn)推算式導航。原子干涉陀螺儀長期穩(wěn)定性好，可以改善傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)的精度，但是將原子干涉陀螺儀實際應(yīng)用于慣性導航系統(tǒng)還存在一些困難與挑戰(zhàn)，主要是采樣率、動態(tài)范圍和旋轉(zhuǎn)測量軸指向問題。原子干涉陀螺儀適應(yīng)慣性導航需求的改進方向主要包括三個方面：第一，在保證測量靈敏度的前提下，提高采樣率，達到百赫茲級；第二，在保證測量靈敏度的前提下，提高測量的動態(tài)范圍；第三，增加轉(zhuǎn)動測量軸，建立矢量空間測量系統(tǒng)來進行定位和姿態(tài)校準。

圖9 快速采樣原子軌跡及干涉條紋圖

圖10 提高干涉條紋測量動態(tài)范圍的實驗構(gòu)想

總結(jié)與展望

原子干涉陀螺儀在精密測量、地球物理、慣性導航等多個領(lǐng)域都有重要的研究意義和研究價值。目前，量子陀螺儀的轉(zhuǎn)動測量長期穩(wěn)定性潛在精度最高，具有高精度、無機械磨損、低漂移等優(yōu)勢，目前的測量分辨率優(yōu)于nrad/s量級。隨著近年來的研究，原子干涉陀螺儀正向各個具體應(yīng)用場景拓展，但仍存在一些亟待解決的問題。

隨著原子光學的發(fā)展，很多技術(shù)正在為解決上述問題提供新的思路和可能性。在高精度方面，美國斯坦福大學提出了大動量轉(zhuǎn)移方案，此后，多個課題組也提出并實現(xiàn)了更多大動量轉(zhuǎn)移（最多可實現(xiàn)上百次轉(zhuǎn)移），同時還有一些課題組利用布洛赫振蕩、布拉格衍射等實現(xiàn)大動量轉(zhuǎn)移。在小型化方面，通過發(fā)展原子芯片技術(shù)能夠大幅減小儀器體積。此外，還有一些課題組提出利用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)實現(xiàn)慣性傳感器，利用壓縮態(tài)或者量子糾纏等實現(xiàn)量子無損檢測，利用機器學習或者濾波等實時信息處理技術(shù)反饋優(yōu)化測量結(jié)果。未來，將這些新技術(shù)和方法應(yīng)用于原子干涉陀螺儀，有望解決上述問題，進而提升儀器各項性能指標。