2022年, 第21卷, 第5-6期 刊出日期:2022-12-05
  

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    院士专栏
  • 王巍, 姜杰, 吴志刚, 郭雷, 孟凡琛, 符方舟
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 1-10. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.001
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    多源自主导航系统技术是新一代国家综合定位、导航与授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)体系下终端用户导航系统的技术发展方向。聚焦于多源信息自主感知的可检测性,分析了可检测性理论构建存在的科学技术问题,基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征等,提出了多源自主导航系统模型表征、风险识别和可检测性量化与动态迭代优化的解决方案,为多源自主导航系统技术体系构建打下基础。
  • 王巍, 郭雷, 吴志刚, 陈巍, 孟凡琛, 阚宝玺, 赵东
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 11-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.002
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    多源自主导航系统技术是新一代国家综合定位、导航与授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)体系下终端用户导航系统的技术发展方向。聚焦于多源信息有机融合的可重构性,分析了可重构性理论构建存在的科学技术问题,基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征等,提出了多源自主导航系统抗干扰多源异构信息融合、动静混合风险态势预测、可重构性自主判别与动态迭代优化的解决方案,为多源自主导航系统技术体系构建打下基础。
  • 量子精密测量专辑———原子陀螺仪
  • 孟至欣, 颜培强, 王圣哲, 冯焱颖
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 19-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.003
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    自1991年实验演示以来,利用中性原子的物质波干涉进行惯性传感逐渐成为量子精密测量领域的研究热点。其中,光脉冲原子干涉仪在转动角速率测量方面展示了成为超高灵敏度传感器的潜力,在高精度惯性导航、基础物理学和地球物理学研究等领域具有广阔的应用前景。光脉冲原子干涉陀螺仪历经了第一代原理验证与第二代高性能实验室演示的发展,正处于从实验室向工程应用转化的重要阶段。从原子干涉陀螺仪的测量原理出发,对已有的原子干涉陀螺仪进行了分类介绍,并对近年来制约原子干涉陀螺仪动态环境应用的提高数据更新率、带宽和动态范围等问题的研究现状进行了分析和讨论。
  • 鲁思滨, 蒋敏, 姚战伟, 李少康, 李润兵, 王谨, 詹明生
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 33-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.004
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    原子干涉陀螺具有很高的测量精度,在基础科学研究和惯性导航系统中具有重要的应用。然而,原子干涉陀螺的采样率较低和动态范围较小,限制了其在动态环境中的使用。为解决以上两个问题,提出了一种采用组合陀螺仪和加速度计构建单轴惯性导航系统的技术方案,组合陀螺仪由高精度原子干涉陀螺和高采样率光纤陀螺组成。采用Kalman滤波器,原子干涉陀螺对光纤陀螺进行校准,通过建立组合陀螺仪导航系统的误差模型对惯性导航误差进行仿真。结果表明,导航误差主要由原子干涉陀螺的漂移误差决定,结合两类陀螺仪各自的优点,为解决原子干涉陀螺应用于惯性导航系统提供了重要途径。
  • 陈红辉, 姚战伟, 陆泽茜, 毛寅飞, 李润兵, 王谨, 詹明生
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 42-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.005
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    冷原子干涉陀螺仪具有灵敏度高和长期稳定性好等特点,将在长航时高精度惯性导航等领域具有重要的应用前景。介绍了一种可搬运的高精度冷原子陀螺仪,初步实现了物理系统与光学系统的集成,体积分别为0.24m3和0.04m3,整机测试的角随机游走系数为5.3×10-4(°)/h1/2,零偏稳定性达到了 2.0×10-4(°)/h@23000s。通过对装置整体优化后,实现了从武汉到北京长达1250km的搬运,在长距离运输后陀螺仪具有良好的稳定性。在北京比测结果中,角随机游走系数为3.1×10-4(°)/h1/2,零偏稳定性为3.6×10-4(°)/h@2000s。
  • 汪之国, 江奇渊, 张燚, 陈畅, 罗晖
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 51-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.006
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    核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)具有小体积、轻质化、低功耗等潜在优势,是当前惯性技术领域的热点研究方向之一。然而,目前其灵敏度与光学陀螺相比还有一定差距。为了分析核磁共振陀螺灵敏度(这里指角随机游走)的实际限制,基于Rb-Xe自旋交换光泵浦系统建立了相关模型。在此基础上,获得了NMRG灵敏度的影响因素,并推导了一个可以用来估计其实际灵敏度的公式。然后,分别以内腔体积8mm3和1000mm3的两个原子气室为例,研究了系统参数的影响,优化了NMRG的灵敏度。前者给出的理论灵敏度约为7.3×10-4(°)/h1/2,而后者给出的理论灵敏度约为3.1×10-5(°)/h1/2,表明NMRG具有很大的潜力。
  • 郑建朋, 李新坤, 王天顺, 赵雄, 刘院省
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 60-65. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.007
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    高压原子气室是无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free,SERF)陀螺和SERF磁力仪等量子仪表的核心器件,是量子仪表的共性技术之一。高压原子气室中填充气体的压强和配比将直接影响气室内原子和电子的自旋弛豫特性,进而影响量子仪表的性能。目前,采用液氮/液氦浸泡法进行高压原子气室制备时,存在熔封过程中气体组分偏离、填充压力受限、安全隐患大等问题。首次提出了基于压差控制和激光熔封的高压原子气室制备方法,搭建了包含承压容器和激光熔封模块的实验系统,开展了高压原子气室制备的验证实验。所制备的高压原子气室填充的气体压强达6.5Bar(H2:N2:129Xe=2:350:5),气体质谱分析结果为:以129Xe为基准,H2和N2的填充误差分别为-2.04%和+1.04%。该系统实现了高压原子气室填充气压和配比的精确控制,为进一步通过优化气体组分提高原子气室性能奠定了基础,将支撑SERF陀螺和SERF磁力仪的性能提升。
  • 量子精密测量专辑———原子重力仪
  • 邓小兵, 徐文杰, 程源, 张炯阳, 胡忠坤, 周敏康
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 66-79. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.008
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    重力场是地球基本物理场之一,随时间变化,随空间分布。精密重力测量在资源勘探、地质调查、导航制导、地球物理及基础科学研究等领域都具有重要意义。重力仪是高精度测量重力加速度不可或缺的仪器,可分为绝对和相对重力仪两类。基于物质波干涉技术的原子重力仪是一种新型绝对重力仪,经过30多年的发展,目前已进入小型化研究和实用化演示阶段。首先,简要介绍了精密重力测量的意义、高精度重力测量现状、原子干涉重力测量的基本原理以及高精度原子干涉重力测量的研究现状。然后以应用场景分类详细介绍了当前国内外小型化原子重力仪的研制及应用情况,重点介绍了华中科技大学在小型化原子重力仪研制及应用测试方面所做的工作。最后,对小型化原子重力仪的发展及应用前景进行了展望。
  • 徐炜豪, 吕伟, 仲嘉琪, 王谨, 詹明生
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 80-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.009
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    原子干涉技术是一种新兴的量子技术,基于原子干涉技术的重力梯度仪是一种具有高精度、低漂移、无机械磨损和常温工作等特点的绝对重力梯度仪,在资源勘探、地下目标探测、自主导航和垂线偏差改正等领域具有十分重要的应用前景。从原子干涉重力梯度仪的测量原理出发,介绍了原子干涉重力梯度仪的发展历程以及相关技术方案的分类与演变,特别报告了近期原子干涉重力梯度仪领域在国际上的重要研究进展。最后对原子干涉重力梯度仪后续的研究方向,特别是动态应用场景下有待解决的技术问题进行了梳理和分析。
  • 董琴琴, 刘坤, 涂海波, 柳林涛, 胡明
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 91-100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.010
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    海洋重力仪一般采用强阻尼方案抑制垂直扰动加速度引入的大幅度摆体运动。对CHZ-Ⅱ型海洋重力仪在液体阻尼和电磁阻尼方案下的阻尼系数进行了详细建模,分别得到了两种强阻尼方案下的闭环系统和误差传递模型,并结合设计参数进行了仿真建模分析。在恶劣海况下,外部扰动输入为周期10s、幅度200Gal(1Gal=1cm/s2)正弦加速度时,两种阻尼方案分别将摆体运动幅度抑制到5μm和4μm左右,均能保证仪器的正常工作。进一步研究表明,电磁阻尼方案引入的重力测量误差约0.15mGal,满足测量指标需求,其主要误差来源为阻尼执行器电压漂移;而且,电磁阻尼方案可通过参数切换适应各类重力测试环境,大大提高了重力仪的实用性,极具发展优势。
  • 量子精密测量专辑———原子磁力计
  • 彭翔, 郭弘
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 101-121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.011
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    光泵原子磁力仪利用光与原子相互作用,实现对磁场的高灵敏度测量。介绍了光泵原子磁力仪的基本原理、实现方案及发展过程,探讨了灵敏度、准确度、探测盲区、航向误差、量程、带宽等主要技术指标的概念及影响因素,重点介绍光源和原子气室核心关键技术的发展,特别是高稳原子灯和激光光源技术、抗弛豫镀膜及多反射原子气室技术的进展。最后,讨论光泵原子磁力仪技术在航空、地面、海洋以及空间磁探测中的应用。
  • 蓝子桁, 谢一进, 荣星
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 122-138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.012
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    磁测量技术在诸如地磁测绘与导航、无损检测等领域中都有着重要作用。近些年,量子精密测量技术由于其高灵敏度的优点,已逐渐成为磁测量领域的主流研究方向。与经典的测量方法相比,量子精密测量利用量子系统对环境的敏感性实现对物理量的精确测量,在灵敏度等指标上具有突出优势。金刚石氮-空位色心是金刚石中的一种点缺陷,其对磁场敏感并且能够在室温大气环境下通过光学方法进行初始化和读出。因此,该体系目前已被广泛地应用于磁测量领域。自2008年被提出以来,基于金刚石氮-空位色心体系的磁力计在灵敏度指标和应用潜力等方面的研究都取得了众多进展。目前,金刚石磁力计对低频和高频磁场都能够实现亚皮特斯拉(sub-pT)量级的磁测量灵敏度。同时,金刚石晶格结构的稳定性使得氮-空位色心系综在矢量磁场测量技术方面具有高正交度等方面的优势,这也将推动地磁导航等领域的进步。在应用研究方面,该体系已在生物磁信号测量、涡流磁成像、古地磁学中的矿石检测等诸多领域崭露头角。未来,金刚石磁力计将逐渐在优化灵敏度指标的同时兼顾集成化研究,为磁测量应用提供新方法与新工具。
  • 郑斗斗, 郭浩, 李中豪, 马宗敏, 唐军, 刘俊
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 139-161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.013
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    基于金刚石氮空位(Nitrogen Vacancy,NV)色心的量子传感技术具有高灵敏度、高分辨率、全固态等优势,近年来引起了众多传感器研究机构的广泛关注。就NV色心在量子传感中的磁测量展开论述,首先介绍了NV色心的基本结构与磁测量原理,着重分析了微波天线、荧光高效收集、高灵敏磁测量方法以及集成磁强计设计等关键技术的最新研究进展,并针对当前存在的技术难题提出了技术发展方向。此外,还总结归纳了近些年NV磁强计在地磁探测、无损检测、生物医疗等领域的初步实际应用情况。
  • 量子精密测量专辑———原子天线
  • 仝艳杰, 闫红梅, 景明勇, 张好, 张临杰
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 162-175. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.014
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    随着国防、天文及计量等领域的发展,基于金属天线和电子前端的传统微波电场测量装置的性能逐渐无法满足相关需求。基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量技术因其具有可溯源性良好、超宽带响应、高灵敏度、抗干扰能力强等优势,近年来得到了广泛关注。首先介绍了基于里德堡原子微波电场测量技术的基本原理,在噪声来源、灵敏度及频率选择性等方面比较了里德堡原子电场计与电偶极天线的性能,接着概述了基于缀饰里德堡原子的超外差接收机、基于超冷原子体系多波混频实现的微波-光子高效率转换以及基于微波频率梳实现原子天线瞬时带宽展宽等突破性研究进展,最后讨论了光外差测量技术在里德堡原子微波电场测量中的潜在应用。
  • 蔡明皓, 游书航, 徐子珊, 刘红平
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 176-184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.015
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    微波传感器现广泛应用于商业、军事、勘测等领域,而传统传感器已经无法满足现实的需求,因此需要一种新型微波传感器来实现弱场的测量。针对传统的微波偶极振子传感器灵敏度低、测量时需要校准、自带天线会影响测量、工作频段窄等问题,介绍了一种基于里德堡原子的微波传感器。这种传感器不仅能够更好地对弱场进行探测,还能传递基带信号,达到无线通信的目的。从基本的物理原理对里德堡原子微波传感器进行了详细的介绍,对掌握微波弱电场探测原理与技术基本知识以及进一步推广和应用具有重要的意义。
  • 边武, 李仲启, 梁琼崇, 廖开宇, 张新定, 颜辉
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 185-191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.016
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    基于里德堡原子的微波场强测量可基于量子效应接收和测量微波电场,被认为在微波场强计量领域具备实用化潜力。通过对激光器、激光光路、室温铯原子天线等组件的定制与优化,制作了集成式原子微波场强仪。在微波暗室中,将基于该集成设备的测量方法及结果与现有计量体系下的微波场强计量标准,即标准场及标准场探头方法的结果进行比对。在3.10GHz点频上的比对结果为:1)高功率(4.17V/m~14.85V/m)下,重复性为0.44%~0.71%,非线性度为3.8%,比对误差为-2.61%~3.31%;2)低功率(2.00V/m~4.69V/m)下,重复性为0.28%~0.80%,非线性度为1.7%,比对误差为-5.08%~4.30%。结果表明,该原子微波场强仪的测试结果与现有标准场法测量结果吻合,而在重复性等指标上表现更优。
  • 杜艺杰, 丛楠, 何军, 杨仁福
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 192-198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.017
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    利用室温铯原子里德堡态构建原子天线,研究原子天线对30MHz~40GHz频率范围电磁波信号的响应特性。实验中,通过852nm和509nm的双光子激发方案实现里德堡原子的量子态制备,通过阶梯型电磁感应透明光谱实现电磁波信号测量。实验研究了66S1/2、66D5/2、76D3/2里德堡态的宽频电磁波响应特性,研究发现近共振条件下,原子与电磁场通过电偶极共振跃迁耦合,光谱信号较强,系统的测量灵敏度为-110dBm/Hz±2dBm/Hz,线性动态范围为40dB;失谐条件下,原子与电磁场的相互作用主要是AC Stark频移,光谱信号较弱。对于铯原子,66S1/2与66D5/2里德堡态在30GHz附近存在测量不敏感区;76D3/2量子态在30MHz~40GHz范围的偶极共振跃迁分布均匀,实验没有测量到明显的不敏感区。
  • 量子精密测量专辑———原子光钟
  • 潘多, 刘天宇, 缪健翔, 史田田, 庄伟, 陈景标
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 199-208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.018
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    光频原子钟近几十年取得了飞速进展,其频率不稳定度主要受限于本振激光的频率噪声。主动光钟是一种通过光学谐振腔的弱反馈形成多原子相干受激辐射的新型光钟,原理上可以突破光学谐振腔的热噪声极限,从而实现超窄线宽的光钟信号。综述了主动光钟的机理与优越性,并结合国内外的研究成果,介绍了基于光晶格、冷原子、热原子等体系主动光钟的技术特点和研究进展。
  • 张华青, 黄垚, 张宝林, 郝艳梅, 管桦, 高克林
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 209-220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.019
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    时间单位“秒”是人类计量最为精准的国际单位,目前国际单位制(SI)“秒”的定义是基于微波跃迁的铯原子(133Cs)喷泉钟。光钟的参考跃迁频率为光学频率,理论上精度会比微波钟高4个数量级,因此可能成为未来的国际“秒”定义。可搬运光钟的研制使光钟迈进实际应用,除了在时间基准以及卫星导航方面的应用,也在验证洛伦兹不变性、基本物理常数是否随时间变化、引力波和暗物质探测等方面具有广泛的应用。针对可搬运钙离子光钟,设计了一套集成化激光冷却系统,利用Pound-Drever-Hall方法将钙离子光钟397nm和866nm冷却激光的频率锁定在一个超低热膨胀系数的Fabry-Perot振腔上,以获得窄线宽和低频率漂移的稳频激光。同时,实验中采用了基于FPGA的高分辨率时序控制系统,并采用“预冷和冷却”两步Doppler冷却方式更好地冷却离子。通过以上方法,将可搬运钙离子光钟的宏运动引起的二阶Doppler频移的不确定度抑制到小系数10-18水平。
  • 量子精密测量专辑———光学传感
  • 纪鈜腾, 毛元昊, 陈丁博, 全豫川, 龙兴武, 罗晖, 谭中奇
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 221-240. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.020
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    激光陀螺作为激光器诞生以来最为革命性的应用之一,如今已有近60年的发展历史。它是第一次量子技术革命的典型代表,为超精密惯性导航及姿态控制等领域带来了颠覆性的变革,高性能激光陀螺现已成为从惯性传感控制到基础科学领域不可或缺的核心部件。首先从Sagnac效应基本原理出发,深入浅出地介绍了激光陀螺的核心参数、基本构型以及关键加工工艺,并从惯性导航和基础科学两方面回顾了近几十年来激光陀螺的应用发展历程。此外,以激光全量子理论的视角,深入分析了激光陀螺目前面临的发展困难以及所要解决的主要矛盾。其次,结合当今先进制造发展水平,介绍了微型激光陀螺的发展现状,并指出目前片上光学陀螺发展短板及未来研究趋势。最后,依据光量子基本规律,为进一步优化激光陀螺量子噪声及解决闭锁效应两个重要问题提出研究展望。
  • 刘为任, 李德春, 李茂春, 韦俊新, 赵小明
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 241-249. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.021
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    光纤陀螺基于Sagnac效应,利用环路中沿相反方向传播的两束光来检测惯性空间中的旋转速度,开辟了全固态角速度传感器之路。由于其标度因数稳定性和环境适应性较激光陀螺仪差,制约了其在高精度航海领域的应用。通过分析光纤陀螺,展望了光子晶体光纤材料、空芯微孔结构和窄线宽激光光源等技术在光纤陀螺中的应用前景,这些技术可提高光纤陀螺标度因数稳定性和环境适应性,同时还展望了基于量子纠缠光纤陀螺技术。通过分析光纤陀螺惯性导航系统发展,现阶段通过采用旋转调制、温控、温补等系统技术,有效抑制了光纤陀螺标度因数稳定性和环境适应性的影响,已具备在高精度航海领域应用条件。
  • 汪为, 程学武, 刘林美, 夏媛, 王积勤, 黄忠伟, 史晋森, 李发泉
    导航与控制. 2022, 21(5-6): 250-257. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.022
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    为提升我国中高层大气的三维监测能力,在子午工程二期“井”字形重要节点——兰州台榆中站,完成了中高层风温激光雷达的建设。本激光雷达融合了瑞利散射和钠层共振荧光两种工作机制,并采用了原子饱和吸收激光频率锁定、超窄带原子滤光、激光三频率自动切换等技术,实现了兰州上空25km~80km中层大气密度、80km~110km钠层原子数密度、温度和风场的同时探测。