论文摘要
自1991年斯坦福大学朱棣文小组演示了第一台原子干涉惯性传感器,利用冷原子干涉仪进行惯性测量因具有极高的灵敏度日益受到重视。国内外许多学者对拉曼脉冲型原子干涉惯性测量系统进行了长期深入的研究,取得了瞩目成就。鉴于大部分文献提出的理论模型都较为简化,本文以三脉冲冷原子干涉仪为研究对象,研究其精确理论模型并进行误差分析,为实现高精度惯性测量提供理论指导。论文完成的具体工作主要体现在以下几个方面:1.冷原子干涉仪理论建模主要包括:一方面,精确计算原子的经典运动轨迹,考虑原子自由空间演化、外界环境等,精确求解原子干涉仪的干涉相位,使得相位模型更加精确;另一方面,将拉曼脉冲对原子的作用综合为与激光频率、拉比频率、原子运动状态和原子位置等有关的拉曼脉冲作用算子—S和C,并用图解的方法分析原子干涉过程,可以更为精确简便地计算干涉仪输出信号。2.着重考虑了冷原子干涉仪惯性测量模型中的多普勒效应。通过本文的分析,重力测量或旋转角速度测量都会因为多普勒效应导致失谐量过大,引起拉比频率改变,从而导致跃迁概率、干涉相位和干涉对比度的变化。理论分析了利用拉曼光频率调制的方法补偿多普勒频移的可行性,并针对加速度计和陀螺仪分别提出了线性调制和三角函数调制的方法,有效抑制了多普勒效应。3.以冷原子干涉重力仪为研究对象,介绍了在不同脉冲周期T下扫描拉曼光频率变化率来测量重力加速度的方法,并基于本文建立的冷原子干涉仪理论模型,分析了精确模型下该测量方法可能会产生的测量误差。通过计算原子在重力和地球自转作用下的经典运动轨迹,以及精确求解干涉相位,分析了科里奥利力会削弱干涉对比度和引入测量误差,研究了用于减小科里奥利影响的旋转拉曼光波矢法的可行性。4.以冷原子干涉陀螺仪为研究对象,介绍了原子速度扫描测量绝对角速度的方法,并分析了该测量方法在原子干涉仪近似模型、精确模型下的适用性。针对其在精确模型下受到的多普勒效应影响,提出了相应的补偿修正方法。通过多组数据的仿真分析,验证了经过多普勒补偿、角速度调制搬移后的原子速度扫描法能实现对较大量程（10-5rad/s3rad/s）旋转角速度的高精度测量。