冷原子干涉儀的理論建模與誤差分析.pdf

1、自1991年斯坦福大學朱棣文小組演示了第一臺原子干涉慣性傳感器，利用冷原子干涉儀進行慣性測量因具有極高的靈敏度日益受到重視。國內外許多學者對拉曼脈沖型原子干涉慣性測量系統(tǒng)進行了長期深入的研究，取得了矚目成就。鑒于大部分文獻提出的理論模型都較為簡化，本文以三脈沖冷原子干涉儀為研究對象，研究其精確理論模型并進行誤差分析，為實現高精度慣性測量提供理論指導。
　　本研究主要內容包括：⑴冷原子干涉儀理論建模主要包括：一方面，精確計算原子的經

2、典運動軌跡，考慮原子自由空間演化、外界環(huán)境等，精確求解原子干涉儀的干涉相位，使得相位模型更加精確；另一方面，將拉曼脈沖對原子的作用綜合為與激光頻率、拉比頻率、原子運動狀態(tài)和原子位置等有關的拉曼脈沖作用算子—S和C，并用圖解的方法分析原子干涉過程，可以更為精確簡便地計算干涉儀輸出信號。⑵著重考慮了冷原子干涉儀慣性測量模型中的多普勒效應。通過本文的分析，重力測量或旋轉角速度測量都會因為多普勒效應導致失諧量過大，引起拉比頻率改變，從而導致躍遷

3、概率、干涉相位和干涉對比度的變化。理論分析了利用拉曼光頻率調制的方法補償多普勒頻移的可行性，并針對加速度計和陀螺儀分別提出了線性調制和三角函數調制的方法，有效抑制了多普勒效應。⑶以冷原子干涉重力儀為研究對象，介紹了在不同脈沖周期T下掃描拉曼光頻率變化率來測量重力加速度的方法，并基于本文建立的冷原子干涉儀理論模型，分析了精確模型下該測量方法可能會產生的測量誤差。通過計算原子在重力和地球自轉作用下的經典運動軌跡，以及精確求解干涉相位，分析了

4、科里奧利力會削弱干涉對比度和引入測量誤差，研究了用于減小科里奧利影響的旋轉拉曼光波矢法的可行性。⑷以冷原子干涉陀螺儀為研究對象，介紹了原子速度掃描測量絕對角速度的方法，并分析了該測量方法在原子干涉儀近似模型、精確模型下的適用性。針對其在精確模型下受到的多普勒效應影響，提出了相應的補償修正方法。通過多組數據的仿真分析，驗證了經過多普勒補償、角速度調制搬移后的原子速度掃描法能實現對較大量程（10-5rad/s~3rad/s）旋轉角速度的高精