CN106525019A - 一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器 - Google Patents

一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，包括：Bragg光失谐控制模块，双内态原子制备模块，双内态原子探测模块和双内态原子干涉模块；Bragg光失谐控制模块用于Bragg光频率的调节；双内态原子制备模块用于产生干涉测量所需要的两种内态原子；双内态原子探测模块用于探测干涉完成后不同动量态的双内态原子；双内态原子干涉模块用于实现两种内态原子的同时干涉测量。本发明针对该型原子干涉仪的缺点，提出在一次测量中同时实现多个不同内态的Bragg原子干涉仪，既可以提高采样率，又具有差分共模特性。

Description

一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器
技术领域
本发明属于原子干涉测量惯性技术领域，更具体地，涉及一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器。
背景技术
原子干涉仪因其潜在高灵敏度和量子属性，在精密测量领域已被用来进行重力、重力梯度、转动、精细结构常数、磁场梯度、万有引力常数等测量，同时也用来检验一些物理学的基本原理。它在基础科学研究、重力测量、资源勘探、重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。原子干涉仪的不断发展，其测量的精度也在不断提高。
在测量重力加速方面，利用基于Bragg衍射的大动量反冲技术，澳大利亚国立大学的N P Robins小组实现了单一内态的Bragg原子干涉重力仪(参考文献：P A Altin etal.Precision atomic gravimeter based on Bragg diffraction，New Journal ofPhysics 15(2013)023009)，该干涉仪不仅较大的转移原子动量，而且原子在干涉过程中始终保持同一内态。该类型原子干涉仪虽然不易受外部电磁场干扰，但是一次只能得到一个测量值，且不是差分测量，因此采样率低、相关噪声不能共模抑制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，旨在解决现有技术中由于一次只能得到一个测量值且不是差分测量导致采样率低、相关噪声不能共模抑制的问题。
本发明提供了一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，包括：Bragg光失谐控制模块，双内态原子制备模块，双内态原子探测模块和双内态原子干涉模块；Bragg光失谐控制模块用于Bragg光频率的调节；双内态原子制备模块用于产生干涉测量所需要的两种内态原子；双内态原子探测模块用于探测干涉完成后不同动量态的双内态原子；双内态原子干涉模块用于实现两种内态原子的同时干涉测量。
本发明针对该型原子干涉仪的缺点，提出在一次测量中同时实现多个不同内态的Bragg原子干涉仪，既可以提高采样率，又具有差分共模特性。
更进一步地，Bragg光失谐控制模块包括：依次连接的DFB种子激光光源，激光放大器，倍频晶体，锁频的外腔半导体激光器，可调微波源和数字鉴频鉴相器；DFB种子激光光源用于产生1560nm种子激光；所述激光放大器用于将种子激光放大；所述倍频晶体用于将放大后的激光倍频；所述锁频的外腔半导体激光器用于和倍频的激光作拍产生拍频信号；所述可调微波源用于产生参考信号；所述数字鉴频鉴相器用于比较拍频信号和参考信号的频率差别得出误差信号。
更进一步地，双内态原子制备模块包括：原子囚禁单元和微波源；所述原子囚禁单元用于制备磁不敏感态的原子团；所述微波源位于探测区窗口，当原子团上抛到达探测区后，所述微波源产生设定频率的微波π/2脉冲，用于将原子团分为两种磁不敏感的内态原子。
更进一步地，双内态原子探测模块包括：原子探测单元，设置于所述原子囚禁单元的正上方，用于探测完成干涉后不同动量态的双内态原子。
更进一步地，原子探测单元包括：探测窗口、探测光和第一反射镜；第一反射镜设置在与所述探测区窗口正对方向上，用于使原子在探测区受到激光两个方向平衡的散射力作用；通过在所述探测区窗口上加入所述探测光，当原子到达探测区的中心后，打开探测光，探测光与原子共振会发射出荧光，通过光电管接收原子发出的荧光获得原子的数目。
更进一步地，双内态原子干涉模块包括：原子干涉单元和Bragg光脉冲产生装置；所述原子干涉单元位于原子探测单元上方，用于提供一个双内态原子干涉区；所述Bragg光脉冲产生装置分别嵌入在原子干涉单元中；用于分别提供3个π/2-π-π/2Bragg光脉冲。
更进一步地，原子干涉单元包括：第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口、第四干涉窗口、第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组；第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口、第四干涉窗口分布于干涉区，第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组分别安装在第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口、第四干涉窗口的相对面，用于形成反向传播的Bragg光脉冲。
更进一步地，第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组结构相同，均包括1/4波片和反射镜，1/4波片安装于反射镜反射光的传播方向。
更进一步地，当需要进行重力加速度测量时，将Bragg光与原子上抛方向平行配置，并利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个马赫-曾德尔干涉仪，实现重力加速度测量；当需要进行转动测量时，将Bragg光与原子上抛方向垂直配置，并利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个三脉冲干涉陀螺仪，实现转动测量。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明在同一干涉装置上，利用两个内态原子在相同的路径上的同时干涉，可以实现一个惯性量的同时测量，提高了测量的采样率；磁不敏感的双内态原子在测量过程中利用Bragg衍射技术而不改变原子内态，减小了外场带来的影响，而且利用双内态原子同时干涉，通过双态干涉相位的共模特性又可以进一步抑制外场带来的影响；此外，双内态Bragg干涉仪仅是在原有Bragg干涉仪基础上加入双内态制备、失谐控制等模块，实验装置简单，而且通过Bragg光的不同配置还能够实现两个惯性量的测量。在双内态的基础上，本发明可以扩展至多个内态的Bragg原子干涉惯性传感器，故多个内态的情况也属于本发明内容。
附图说明
图1为本发明提出的双内态Bragg原子干涉惯性传感器装置示意图；
图2为本发明提出的双内态Bragg干涉流程示意图；
图3为本发明提出的双内态Bragg干涉测量重力加速度示意图；
图4为本发明提出的双内态Bragg干涉测量转动示意图；
图5为87Rb原子D2线精细结构示意图。
其中，100为双内态原子制备模块；101为第一囚禁激光光束；102为第二囚禁激光光束；103为第三囚禁激光光束；104为第四囚禁激光光束；105为第五囚禁激光光束；106为第六囚禁激光光束；107为微波源；200为原子探测单元；201为探测窗口；202为探测光；203为第一反射镜；300为原子干涉单元；301为第一干涉窗口，302为第一Bragg光脉冲；303为包含1/4波片的第一反射镜组；304为第二干涉窗口；305为第二Bragg光脉冲；306为包含1/4波片的第二反射镜组；307为第三干涉窗口；308为第三Bragg光脉冲；309为包含1/4波片的第三反射镜组；310为第四干涉窗口，311为第四Bragg光脉冲，312为包含1/4波片的第四反射镜组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及原子干涉测量惯性技术领域，提供了一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器。本发明以87Rb原子为例并不仅限于87Rb原子，提供了一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其目的在于利用该型Bragg干涉仪既能实现重力加速的测量，又能实现转动的测量，其原理在于在实现87Rb原子F＝1和F＝2两内态原子各自的同时干涉。在Bragg光方向同原子上抛方向上平行配置时，能够实现重力加速度的同时测量；在Bragg光方向与原子上抛方向垂直配置时，能够实现转动的同时测量。旨在解决现有技术中采样率低和易受外部电磁场干扰的问题。
本发明提供了一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，包括：Bragg光失谐控制模块，双内态原子制备模块，双内原子探测模块和双内态原子干涉模块；其中，Bragg光失谐控制模块用于Bragg光频率的调节；双内态原子制备模块用于产生干涉测量所需要的两种内态原子；双内态原子探测模块用于探测干涉完成后不同动量态的双内态原子；双内态原子干涉模块用于实现两种内态原子的同时干涉测量。
当需要进行重力加速度测量时，将Bragg光与原子上抛方向平行配置，然后利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个马赫-曾德尔干涉仪，实现重力加速度测量。
当需要进行转动测量时，将Bragg光与原子上抛方向垂直配置，然后利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个三脉冲干涉陀螺仪，实现转动测量。此外，还可以分别利用四个π/2-π-π-π/2Bragg脉冲构成一个四脉冲干涉陀螺仪，同样实现转动测量。
在本发明实施例中，Bragg光失谐控制模块包括：依次连接的DFB种子激光光源，激光放大器，倍频晶体，锁频的外腔半导体激光器，可调微波源和数字鉴频鉴相器。其中，DFB种子激光光源用于产生1560nm种子激光；激光放大器用于将种子激光放大，倍频晶体用于将放大后的激光倍频，锁频的外腔半导体激光器用于和倍频的激光作拍产生拍频信号，可调微波源用于产生参考信号，数字鉴频鉴相器用于比较拍频信号和参考信号的差别得出误差信号。
具体地，先将DFB种子光经过放大倍频后的一束激光和锁频的外腔半导体激光器输出的一束激光进行拍频，然后将拍频信号和一个可调微波源输出的参考信号经过数字鉴频鉴相器得出误差信号，再将误差信号反馈到DFB种子激光光源上，这样就可以通过设定微波参考信号的频率完成Bragg光失谐的精确控制。
在本发明实施例中，双内态原子制备模块包括：原子囚禁单元和微波源。其中微波源位于探测区窗口，即在原子囚禁单元的正上方。原子囚禁单元用于制备磁不敏感态的原子团；当原子团上抛到达探测区后，微波源产生设定频率的微波π/2脉冲，用于将原子团分为两种磁不敏感的内态原子。
作为本发明的一个实施例，在囚禁单元制备并上抛选态后得到87Rb F＝1,mF＝0磁不敏感态的原子团，当磁不敏感的原子团到达探测区后，通过微波源产生的一个6.83GHz的微波π/2脉冲，将原子分成了F＝1,mF＝0和F＝2,mF＝0两种磁不敏感的内态原子，完成双内态原子的制备。
在本发明实施例中，双内态原子探测模块主要原子探测单元组成，原子的探测单元位于原子囚禁单元的正上方，原子探测单元主要用于探测完成干涉后不同动量态的双内态原子。
具体地，当干涉完成后，双内态原子到达探测区，打开探测光先探测基态处于F＝2态不同动量态原子，由于同一内态的原子动量态的不同，在下落过程中就可以探测到同一内态不同动量态的原子。探测完F＝2态的原子后再将F＝2态原子清除并开始探测F＝1态的原子，将F＝1态原子利用回泵光泵到F＝2态探测，利用上述相同方式探测到F＝1态不同动量态的原子，这样完成双内态原子的探测。
在本发明实施例中，双内态原子干涉模块包括：原子干涉单元和Bragg光脉冲产生装置。原子干涉单元位于原子探测单元上方，Bragg光脉冲产生装置分别嵌入在原子干涉单元中。其中，原子干涉单元主要用于提供一个双内态原子干涉区；Bragg光脉冲装置用于分别提供3个π/2-π-π/2Bragg光脉冲。
具体地，当制备好的双内态原子上抛到干涉区后，开始打开嵌入在干涉单元中的Bragg光脉冲产生装置，首先经过一个π/2Bragg光脉冲，将双内态的原子同时分束，即分成不同动量态的原子团，在此过程中原子各自内态保持不变，然后再经过一个πBragg光脉冲将双内态原子反射，最后经过一个π/2Bragg光脉冲将双内态原子汇聚，其中脉冲之间间隔时间相等，经过三脉冲作用后完成了双内态原子的同时干涉，双内态原子在干涉过程中经过的路径完全相同。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明在同一干涉装置上，利用两个内态原子在相同的路径上的同时干涉，可以实现一个惯性量的同时测量，提高了测量的采样率；磁不敏感的双内态原子在测量过程中利用Bragg衍射技术而不改变原子内态，减小了外场带来的影响，而且利用双内态原子同时干涉，通过双态干涉相位的共模特性又可以进一步抑制外场带来的影响；此外，双内态Bragg干涉仪仅是在原有Bragg干涉仪基础上加入双内态制备、失谐控制等模块，实验装置简单，而且通过Bragg光的不同配置还能够实现两个惯性量的测量。在双内态的基础上，本发明可以扩展至多个内态的Bragg原子干涉惯性传感器，故多个内态的情况也属于本发明内容。
下面结合附图和实施例对传感器详细说明：
图1显示了本发明提出的双内态Bragg原子干涉惯性传感器示意图，包括：Bragg光失谐控制模块，双内态原子制备模块100，原子内态探测模块200和双内态原子干涉模块300。
Bragg光失谐控制模块主要用于控制Bragg光的失谐，精确控制失谐后的Bragg光通过原子干涉模块中的Bragg光脉冲产生装置产生Bragg光脉冲作用原子，Bragg光失谐控制模块主要体现在Bragg光脉冲实现的光路组成部分。
双内态原子制备模块100包括：原子囚禁单元和微波源。其中，囚禁单元是六个囚禁窗口和相应的六束囚禁激光光束组成，囚禁光的窗口在三维空间上对称分布，六个囚禁窗口分别用于接收外部的六束囚禁激光光束101、102、103、104、105、106。在六束囚禁激光光束作用下对原子产生Doppler冷却作用，最终在磁光阱中原子团囚禁到磁光阱的中心，囚禁后的原子团在上抛过程中通过改变囚禁光参数进一步进行冷却。微波源为107，微波源位于探测区窗口，当原子到达探测区开启微波源，产生一个微波π/2脉冲将原子团分为两种磁不敏感的内态原子。
原子探测单元200包括：探测窗口201探测光202和第一反射镜203。在探测区窗口201上加入的探测光202并在其正对方向安装第一反射镜203。当原子到达探测区的中心后，打开探测光202，探测光与原子共振会发射出荧光，通过光电管接收原子发出的荧光就可以得到原子的数目，在探测光的传播的反方向加入反射镜203是为了使原子在探测区受到激光两个方向平衡的散射力作用。
双内态原子干涉模块300包括：原子干涉单元和Bragg光脉冲产生装。其中，原子干涉单元包括：四个干涉窗口(301、304、307、310)，第一反射镜组303，第二反射镜组306，第三反射镜组309和第四反射镜组312。四个干涉窗口分布于干涉区，反射镜组分别安装在四个干涉窗口的对面。反射镜组是由一个1/4波片和一个反射镜组成，1/4波片安装于反射镜反射光的传播方向。反射镜组是为了形成反向传播的Bragg光脉冲，1/4波片是为了使反射回来的Bragg光脉冲偏振改变90°。Bragg光脉冲产生装置主要位于四个干涉窗口，分别是第一Bragg光脉冲302、第二Bragg光脉冲305、第三Bragg光脉冲308、第四Bragg光脉冲311。当原子到达干涉区后，开始利用Bragg光脉冲产生装置发射Bragg光脉冲完成干涉。
当需要进行重力加速度测量时，利用第四干涉窗口310、第四Bragg光脉冲311以及第四反射镜组312完成干涉，此时Bragg光传播方向和原子上抛方向平行配置。首先利用第四Bragg光脉冲311发射一个π/2Bragg光脉冲，将双内态原子进行分束，分束后的原子由于动量态的不同在空间上分离，经过一段时间后再利用第四Bragg光脉冲311发射出一个πBragg光脉冲，将双内态的原子进行反射，再经过脉冲间隔相同的时间后，双内态不同动量态的原子重合，此时再利用第四Bragg光脉冲311发射出一个π/2Bragg光脉冲将双内态原子汇聚，完成双内态原子的同时干涉测量重力加速度。
当需要进行转动测量时，分别利用第一干涉窗口301、第二干涉窗口304、第三干涉窗口307及相对于的第一反射镜组303、第二反射镜组306、第三反射镜组309和第一Bragg光脉冲302、第二Bragg光脉冲305、第三Bragg光脉冲308完成干涉，此时Bragg光传播方向和原子上抛方向垂直配置。首先利用第一Bragg光脉冲302发射一个π/2Bragg光脉冲，将双内态原子进行分束，分束后的原子由于动量态的不同在空间上分离，经过一段时间后再利用第二Bragg光脉冲305发射出一个πBragg光脉冲，将双内态的原子进行反射，再经过脉冲间隔相同的时间后，双内态不同动量态的原子重合，此时再利用第三Bragg光脉冲308发射出一个π/2Bragg光脉冲将双内态原子汇聚，完成双内态原子的同时干涉测量转动角速度。
图2显示了本发明提出的双内态Bragg干涉流程示意图，如图2所示，首先制备磁不敏感态的初态原子1，利用一个微波π/2脉冲2产生1:1的F＝1和F＝2两种内态原子，然后双内态的原子在竖直方向上抛，利用锁定失谐的Bragg光3作用原子，这里Bragg光的频率失谐需要精确的控制来实现87Rb原子两内态F＝1态和F＝2态的原子在作用同一个Bragg光脉冲后感受到相同的Rabi频率。当原子到达干涉区后开始实现双内态的Bragg干涉4，在这里干涉实验装置能够实现两个惯性量的测量，在真空容器干涉区顶端加入Bragg光分别作用三个π/2-π-π/2Bragg光脉冲完成干涉可以实现重力加速的同时测量，在真空容器侧壁三个窗口分别作用三个π/2-π-π/2Bragg光脉冲完成干涉可以实现转动角速度的同时测量。
图3显示了本发明的双内态原子干涉测量重力加速度原理示意图，可以得到在重力场中，处于内态F＝1态原子干涉仪(虚线)所产生的干涉相位为：ΔΦ1＝nkeff(g-α)T2+nΔφ1，其中Δφ1是外场对原子干涉相位的影响，主要是磁场的影响。
可以得到在重力场中，处于内态F＝2态原子干涉仪(实线)所产生的干涉相位为：ΔΦ2＝nkeff(g-α)T2+nΔφ2，其中Δφ2是外场对原子干涉相位的影响，同样主要是磁场的影响。
通过测量两内态原子的干涉相位可以分别得出重力加速度值。通过将两内态原子的干涉相位差分，可以得出外场对原子干涉相位的影响，即：Δφ1-Δφ2＝(ΔΦ1-ΔΦ2)/n。将干涉相位共模，可以很大程度共模掉外场的影响，这样就可以更精确地得出重力加速的值。此外通过评估双内态原子测量加速度的差值，还可以用来检验等效原理等。
图4显示了本发明的双内态原子干涉测量转动原理示意图，可以得到在重力场中，处于内态F＝1态原子干涉仪(虚线)所产生的干涉相位为：其中Δφ1是外场对原子干涉相位的影响，主要是磁场的影响。
可以得到在重力场中，处于内态F＝2态原子干涉仪(实线)所产生的干涉相位为：其中Δφ2是外场对原子干涉相位的影响，同样主要是磁场的影响。
通过测量两内态原子的干涉相位可以分别得出转动角速度值。通过将两内态原子的干涉相位差分，可以得出外场对原子干涉相位的影响，即：将两内态原子干涉相位共模，可以很大程度共模掉外场的影响，这样就可以更精确地得出转动角速度的值。
图5显示了87Rb原子D2线超精细结构，根据理论计算得到Bragg光的失谐相对于87Rb F＝2→F'＝3蓝失谐为3.18GHz。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，本发明还可以将双内态扩展至多个内态的Bragg原子干涉惯性传感器。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，包括：Bragg光失谐控制模块，双内态原子制备模块，双内态原子探测模块和双内态原子干涉模块；
所述Bragg光失谐控制模块用于Bragg光频率的调节；所述双内态原子制备模块用于产生干涉测量所需要的两种内态原子；所述双内态原子探测模块用于探测干涉完成后不同动量态的双内态原子；所述双内态原子干涉模块用于实现两种内态原子的同时干涉测量。
2.如权利要求1所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述Bragg光失谐控制模块包括：依次连接的DFB种子激光光源，激光放大器，倍频晶体，锁频的外腔半导体激光器，可调微波源和数字鉴频鉴相器；
所述DFB种子激光光源用于产生1560nm种子激光；所述激光放大器用于将种子激光放大；所述倍频晶体用于将放大后的激光倍频；所述锁频的外腔半导体激光器用于和倍频的激光作拍产生拍频信号；所述可调微波源用于产生参考信号；所述数字鉴频鉴相器用于比较拍频信号和参考信号的频率差别得出误差信号。
3.如权利要求1或2所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述双内态原子制备模块包括：原子囚禁单元和微波源；
所述原子囚禁单元用于制备磁不敏感态的原子团；
所述微波源位于探测区窗口，当原子团上抛到达探测区后，所述微波源产生设定频率的微波π/2脉冲，用于将原子团分为两种磁不敏感的内态原子。
4.如权利要求3所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述双内态原子探测模块包括：原子探测单元，设置于所述原子囚禁单元的正上方，用于探测完成干涉后不同动量态的双内态原子。
5.如权利要求4所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述原子探测单元包括：探测窗口、探测光和第一反射镜；
所述第一反射镜设置在与所述探测区窗口正对方向上，用于使原子在探测区受到激光两个方向平衡的散射力作用；通过在所述探测区窗口上加入所述探测光，当原子到达探测区的中心后，打开探测光，探测光与原子共振会发射出荧光，通过光电管接收原子发出的荧光获得原子的数目。
6.如权利要求1所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述双内态原子干涉模块包括：原子干涉单元和Bragg光脉冲产生装置；
所述原子干涉单元位于原子探测单元上方，用于提供一个双内态原子干涉区；
所述Bragg光脉冲产生装置分别嵌入在原子干涉单元中；用于分别提供3个π/2-π-π/2Bragg光脉冲。
7.如权利要求6所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，所述原子干涉单元包括：第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口、第四干涉窗口、第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组；
第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口和第四干涉窗口分布于干涉区，第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组分别安装在第一干涉窗口、第二干涉窗口、第三干涉窗口、第四干涉窗口的相对面，用于形成反向传播的Bragg光脉冲。
8.如权利要求7所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，第一反射镜组，第二反射镜组，第三反射镜组和第四反射镜组结构相同，均包括1/4波片和反射镜，1/4波片安装于反射镜反射光的传播方向。
9.如权利要求1-8任一项所述的双内态Bragg原子干涉惯性传感器，其特征在于，当需要进行重力加速度测量时，将Bragg光与原子上抛方向平行配置，并利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个马赫-曾德尔干涉仪，实现重力加速度测量；
当需要进行转动测量时，将Bragg光与原子上抛方向垂直配置，并利用三个π/2-π-π/2Bragg脉冲构成一个三脉冲干涉陀螺仪，实现转动测量。
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