慣性傳感器的性能直接決定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。基于原子體系的量子慣性傳感器有望在更小體積和更低成本下達(dá)到傳統(tǒng)慣性傳感器的性能，且理論上可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)更高的測量靈敏度和長期穩(wěn)定性。近些年隨著量子精密測量領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子慣性傳感器的實(shí)用化和工程化方面研究進(jìn)展顯著，未來通過替代傳統(tǒng)加速度計(jì)和陀螺儀，有可能形成高度集成、低功耗和低漂移的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域研究，湖南高地光電科技發(fā)展有限公司、國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院、量子信息機(jī)理與技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，簡要介紹了基于原子體系的量子慣性傳感器的基本原理，總結(jié)了以原子干涉陀螺儀、原子自旋陀螺儀、原子干涉加速度計(jì)、原子干涉重力儀和重力梯度儀為主的量子慣性傳感器研究現(xiàn)狀，并對(duì)有待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了梳理和分析，以期為量子慣性傳感器的發(fā)展提供參考。相關(guān)研究內(nèi)容以“基于原子體系的量子慣性傳感器研究現(xiàn)狀”為題發(fā)表在《儀器儀表學(xué)報(bào)》期刊上。

基于原子體系的量子慣性傳感器主要分為干涉式和自旋式兩大類，前者的基本原理類似于光學(xué)干涉儀，主要利用原子的物質(zhì)波干涉來敏感載體的慣性信息，包括原子干涉陀螺儀、原子干涉加速度計(jì)、原子干涉重力儀和原子干涉重力梯度儀；后者利用原子核和電子的自旋來敏感轉(zhuǎn)動(dòng)信息，包括核磁共振陀螺儀、無自旋交換弛豫陀螺儀和金剛石NV色心陀螺儀。

原子干涉式量子慣性傳感器研究進(jìn)展

（1）原子干涉陀螺儀

陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件，原子干涉陀螺儀也是根據(jù)Sagnac效應(yīng)來測量角速度。盡管理論上原子陀螺儀的靈敏度比光學(xué)陀螺儀要高很多，但目前原子干涉陀螺儀的性能指標(biāo)并不比激光陀螺儀（RLG）和半球諧振陀螺儀（HRG）有很大優(yōu)勢，且還處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段。原子干涉陀螺儀未來有望適用于戰(zhàn)略級(jí)潛艇、洲際彈道導(dǎo)彈等場景。

圖1 按工作原理劃分的陀螺儀零偏穩(wěn)定性比較

圖2 斯坦福大學(xué)和巴黎天文臺(tái)研制的冷原子干涉陀螺儀

圖3 中科院精密測量院研制的Mach-Zehnder型原子干涉陀螺儀

圖4 法國巴黎天文臺(tái)實(shí)驗(yàn)室研制的環(huán)形導(dǎo)引原子芯片干涉陀螺儀

圖5 未來高度集成的原子芯片概念圖

（2）原子干涉加速度計(jì)

原子干涉加速度計(jì)同樣有長期穩(wěn)定性好、理論精度高的優(yōu)點(diǎn)（對(duì)重力加速度的測量精度已達(dá)10?? g量級(jí)），但目前和傳統(tǒng)加速度計(jì)相比，依舊存在動(dòng)態(tài)范圍小，體積、質(zhì)量和功耗大的不足。

圖6 按工作原理劃分的加速度計(jì)穩(wěn)定性比較

圖7 英國M Squared公司和法國iXBlue公司研制的兩臺(tái)緊湊型原子干涉加速度計(jì)

（3）原子干涉重力儀和重力梯度儀

實(shí)現(xiàn)高精度慣性導(dǎo)航的解決思路之一是利用重力信息進(jìn)行輔助導(dǎo)航：一是利用高精度的實(shí)測重力信息修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的“模型重力”來提高導(dǎo)航精度，從系統(tǒng)本身角度提高導(dǎo)航定位精度。目前，對(duì)重力加速度的靜態(tài)絕對(duì)測量是原子干涉技術(shù)最成熟的應(yīng)用，已經(jīng)開始商用的原子重力儀產(chǎn)品在測量精度和長期穩(wěn)定性方面都展現(xiàn)出比傳統(tǒng)重力儀更強(qiáng)的性能。二是利用重力場圖形匹配技術(shù)來限制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時(shí)間積累，這種無源重力導(dǎo)航技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的定位精度，延長系統(tǒng)的重調(diào)周期。目前，實(shí)現(xiàn)重力梯度測量的技術(shù)方案有旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)方案、靜電懸浮方案、超導(dǎo)方案和原子干涉方案。其中，旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)方案是技術(shù)成熟度和可靠性最高的方案。

圖8 美國AOSense公司和法國iXblue公司（AQG-B）分別推出的原子重力儀產(chǎn)品

圖9 國內(nèi)部分機(jī)構(gòu)研制的可搬運(yùn)原子干涉重力儀

圖10 加州大學(xué)伯克利分校和國防科技大學(xué)分別研制的車載原子干涉重力儀

原子自旋式量子慣性傳感器研究進(jìn)展

基于原子自旋體系的原子慣性傳感器目前主要應(yīng)用于陀螺儀，它主要利用原子核和電子的自旋來敏感轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

圖11 基于原子自旋的轉(zhuǎn)動(dòng)測量理論與技術(shù)進(jìn)展

（1）核磁共振陀螺儀

核磁共振陀螺儀是通過檢測惰性氣體核自旋在靜磁場中的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率變化來獲得轉(zhuǎn)動(dòng)信息，它具有精度高（理論精度為10??°/h）、體積小和成本低的特點(diǎn)。核磁共振陀螺儀沒有運(yùn)動(dòng)部件，還具有抗振動(dòng)、大動(dòng)態(tài)和高帶寬等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中。因此，在未來小型化的智能設(shè)備和智能軍用裝備領(lǐng)域，核磁共振陀螺儀會(huì)有很好的應(yīng)用潛力，是當(dāng)前發(fā)展最為成熟的原子陀螺儀，也是實(shí)現(xiàn)芯片導(dǎo)航級(jí)陀螺儀的重要技術(shù)途徑之一，受到慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

圖12 核磁共振陀螺儀工作原理和樣機(jī)

圖13 芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航儀（C-SCAN）概念圖和加州大學(xué)歐文分校的MEMS核磁共振陀螺儀原型機(jī)

圖14 北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所核磁共振陀螺儀研究歷程

（2）無自旋交換原子陀螺儀

無自旋交換（SERF）原子陀螺儀是基于堿金屬原子的電子自旋和惰性氣體原子的核自旋檢測來實(shí)現(xiàn)角速度測量，通過選取堿金屬原子的電子自旋角動(dòng)量（ESAM）和惰性氣體原子的原子核自旋角動(dòng)量（NSAM）構(gòu)成如圖15所示結(jié)構(gòu)。由于電子旋磁比更大，因此SERF陀螺儀的測量精度相較于核磁共振陀螺儀更高，其理論精度可達(dá)10??°/h，在海陸空天等軍事領(lǐng)域有比較大的應(yīng)用潛力。

圖15 SERF弛豫原子陀螺儀工作原理

圖16 普林斯頓大學(xué)的第1代和第2代SERF陀螺儀研究平臺(tái)

圖17 北京航空航天大學(xué)第1代SERF陀螺儀

（3）金剛石氮-空位（NV）色心陀螺儀

金剛石NV色心陀螺儀利用慣性轉(zhuǎn)動(dòng)過程中色心自旋態(tài)（包括氮空位中的核自旋或電子自旋）累積的幾何相位變化，來敏感慣性參量。金剛石NV色心陀螺儀因其固態(tài)自旋密度高和能級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特征，不僅具備體積微小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和啟動(dòng)迅速等天然優(yōu)勢，而且能夠進(jìn)行多軸測量。這為研究人員提供了嶄新的方向，有望克服原子陀螺儀在集成和小型化方面所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

研究總結(jié)與展望

基于原子體系的量子慣性傳感器有望在更小體積和更低成本下達(dá)到傳統(tǒng)慣性傳感器的性能，且理論上可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)更高的測量靈敏度和長期穩(wěn)定性，有望開啟下一代量子慣性導(dǎo)航時(shí)代。然而，該領(lǐng)域研究目前正處于從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場部署的過渡階段，依舊面臨高成本、尺寸和重量較大、功耗高等一系列問題。不同原理的傳感器成熟度相差較大，例如原子干涉重力儀和重力梯度儀已經(jīng)逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。易集成、低功耗和抗振動(dòng)強(qiáng)的核磁共振陀螺儀目前處于工程樣機(jī)階段，集成度最高。而超高精度的原子干涉陀螺儀和SERF陀螺儀還處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，金剛石NV色心陀螺儀目前僅有學(xué)術(shù)研究價(jià)值。

展望未來，原子慣性傳感器未來的發(fā)展趨勢依舊是小型化和高精度，通過微納加工工藝和集成電路制造技術(shù)，開發(fā)便攜式光電集成電路替代原先的空間光學(xué)組件，將原子操控裝置微型化甚至實(shí)現(xiàn)片上集成，從而實(shí)現(xiàn)緊湊型、低功耗、高精度和穩(wěn)定的原子慣性傳感器。另外，利用多種慣性傳感器進(jìn)行組合導(dǎo)航，充分利用其不同的優(yōu)勢以提高整體系統(tǒng)性能，也是未來的發(fā)展方向之一。此外，量子壓縮與糾纏、多光子大動(dòng)量轉(zhuǎn)移和光晶格囚禁等前沿量子技術(shù)的發(fā)展和引入有望更進(jìn)一步提升原子慣性傳感器的測量性能并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

論文信息：
DOI: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2311513

審核編輯：劉清