CN111337019B - 一种用于组合导航的量子传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于组合导航的量子传感装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、陀螺仪表头、磁力仪表头、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；陀螺仪表头包括第一原子气室；磁力仪表头包括第二原子气室；泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室和第二原子气室中的介质；探测光路模块用于产生探测激光，探测激光分别经过陀螺仪表头和磁力仪表头，经过陀螺仪表头的探测激光实现转动信号探测，经过磁力仪表头的探测激光实现地磁信号探测；温度控制模块用于控制温度；磁场控制模块用于产生陀螺仪和磁力仪的功能磁场；信号分析控制模块用于解算探测的转动信号和磁场信号。本发明的装置同时具备转动惯性测量和地磁测量功能。

Description

一种用于组合导航的量子传感装置

技术领域

本发明涉及惯性导航和定位技术领域，具体涉及一种用于组合导航的量子传感装置。

背景技术

高精度的自主导航定位技术尤其是GPS拒止条件下的自主导航定位技术在天基对地观测、长航时运载体自主定姿、武器精确打击以及空间、水下探索开发等领域有迫切需求。目前，纯惯性导航系统短时精度高，但其误差随工作时间积累，难以满足长时间高精度导航定位需求；地磁匹配导航可实时测量地磁场强度实现载体的定位，且误差不随时间积累，但受限于地磁匹配精度以及磁场测量精度等，目前地磁匹配导航定位精度仍然相对较低。

因此，如何将惯性导航和地磁匹配导航两者的优点相结合是现有技术中急需解决的问题。

综上所述，急需一种用于组合导航的量子传感装置以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于组合导航的量子传感装置，具体技术方案如下：

一种用于组合导航的量子传感装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、陀螺仪表头、磁力仪表头、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；

所述陀螺仪表头包括第一原子气室；

所述磁力仪表头包括第二原子气室；

所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室和第二原子气室中的介质；

所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光分别经过陀螺仪表头和磁力仪表头，经过陀螺仪表头的探测激光实现转动信号探测，经过磁力仪表头的探测激光实现地磁信号探测；

所述温度控制模块用于分别控制第一原子气室处和第二原子气室处的温度；

所述磁场控制模块用于产生陀螺仪表头和磁力仪表头的功能磁场；

所述信号分析控制模块分别连接磁场控制模块、探测光路模块以及泵浦光路模块，所述信号分析控制模块用于解算探测的转动信号和磁场信号。

以上技术方案中优选的，所述泵浦光路模块包括泵浦激光控制器、泵浦激光器、第一二分之一波片、第一偏振分光镜、第一光功率调制元件、第一反射镜、扩束镜、四分之一波片和第二光功率调制元件；

所述泵浦激光器、第一二分之一波片、第一偏振分光镜、第一光功率调制元件、第一反射镜、扩束镜、四分之一波片、第一原子气室、第二光功率调制元件和第二原子气室沿光路传播方向依次设置；

所述泵浦激光器用于发射泵浦激光，所述第一偏振分光镜用于将泵浦激光分为泵浦主光束和泵浦参考光束，所述第一二分之一波片用于调整泵浦主光束和泵浦参考光束的光功率，所述泵浦激光控制器设置在泵浦参考光束光路上并用于实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定，所述第一光功率调制元件和第二光功率调制元件用于以不同频率调制进入第一原子气室和第二原子气室的光束的光功率，所述扩束镜用于扩大泵浦主光束的光斑尺寸，所述四分之一波片用于调整进入第一原子气室的光束的偏振状态。

以上技术方案中优选的，所述探测光路模块包括探测激光控制器、探测激光器、第二二分之一波片、第二偏振分光镜、第三二分之一波片、第三偏振分光镜、第二反射镜、第三反射镜、分光镜、聚焦透镜、第四二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器；

所述探测激光器发射探测激光，第二偏振分光镜用于将探测激光分为探测主光束和探测参考光束，所述第二二分之一波片位于探测激光器和第二偏振分光镜之间，用于调整探测主光束和探测参考光束的光功率；所述探测激光控制器设置在探测参考光束光路上并用于实现对探测激光频率和功率的选择及稳定；所述第三偏振分光镜用于将探测主光束分为第一探测光束和第二探测光束；所述第三二分之一波片位于第三偏振分光镜和第二偏振分光镜之间，用于调整第一探测光束和第二探测光束的光功率，所述第一探测光束用于经过陀螺仪表头中第一原子气室实现转动信号探测，所述第二探测光束用于经过磁力仪表头中第二原子气室实现地磁信号探测；所述分光镜用于汇聚第一探测光束和第二探测光束，汇聚后的第一探测光束和第二探测光束依次经过聚焦透镜、第四二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第四二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测第一探测光束和第二探测光束偏振方向的变化。

以上技术方案中优选的，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的反射方向均能单独调节，实现对激光行进路线和光束直径的调整。

以上技术方案中优选的，所述陀螺仪表头还包括第一无磁温度传感器、第一电加热片、第一三维亥姆霍兹线圈和磁屏蔽桶；所述第一原子气室为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、惰性气体、氢气和氮气，所述第一三维亥姆霍兹线圈产生陀螺仪表头运行所需偏置静磁场和交变激励磁场，所述磁屏蔽桶用于屏蔽外部环境磁场，所述第一无磁温度传感器用于监测第一原子气室处的温度，第一电加热片用于加热第一原子气室；第一无磁温度传感器和第一电加热片均与温度控制模块连接。

以上技术方案中优选的，所述磁力仪表头还包括第二无磁温度传感器、第二电加热片和第二三维亥姆霍兹线圈，所述第二原子气室为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、氢气和氮气，所述第二三维亥姆霍兹线圈产生磁力仪表头运行所需射频激励磁场，所述第二无磁温度传感器用于监测第二原子气室处的温度，第二电加热片用于加热第二原子气室；第二无磁温度传感器和第二电加热片均与温度控制模块连接。

以上技术方案中优选的，所述磁场控制模块包括陀螺仪磁场控制器和磁力仪磁场控制器，所述陀螺仪磁场控制器接收信号分析控制模块的信号并向第一三维亥姆霍兹线圈输出偏置静磁场和交变激励磁场驱动电流，所述磁力仪磁场控制器用于接收信号分析控制模块的信号并向第二三维亥姆霍兹线圈输出射频激励磁场驱动电流。

以上技术方案中优选的，所述信号分析控制模块包括第一光功率调制控制器、第二光功率调制控制器、锁相放大器、数模/模数转换电路和数据处理服务器；

所述第一光功率调制控制器的输出端与第一光功率调制元件相连，用于产生一级光功率调制驱动信号，所述第二光功率调制控制器的输出端与第二光功率调制元件相连，用于产生二级光功率调制驱动信号；所述锁相放大器的参考信号输入端与第一光功率调制控制器和第二光功率调制控制器相连，所述锁相放大器的信号输入端与平衡探测器的差分输出端相连；所述数模/模数转换电路的模数转换输入端与锁相放大器解调输出端连接，所述数模/模数转换电路的数模转换输出端分别与陀螺仪磁场控制器的输入端和磁力仪磁场控制器的输入端连接；所述数据处理服务器通过数模/模数转换电路与锁相放大器、陀螺仪磁场控制器和磁力仪磁场控制器分别连接，并用于接收来自陀螺仪表头和磁力仪表头的解调信号进行转动信息和磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。

以上技术方案中优选的，所述一级光功率调制驱动信号和二级光功率调制驱动信号频率不同，用于隔绝陀螺仪表头信号与磁力仪表头信号之间的耦合。

以上技术方案中优选的，所述温度控制模块包括陀螺仪温度控制器和磁力仪温度控制器；所述陀螺仪温度控制器同时与第一无磁温度传感器和第一电加热片连接，用于接收来自第一无磁温度传感器的温度信号并向第一电加热片发出对应的温度控制信号；所述磁力仪温度控制器同时与第二无磁温度传感器和第二电加热片连接，用于接收来自第二无磁温度传感器的温度信号并向第二电加热片发出对应的温度控制信号。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出一种用于组合导航的量子传感装置，根据原子自旋在磁场中进动特性，以惰性气体原子核自旋和碱金属原子电子自旋作为探针分别检测载体转速和磁场强度。同时，利用自旋交换光泵浦效应，以碱金属原子电子自旋为媒介实现惰性气体原子核自旋的极化和进动检测。该装置在不增加光源和探测系统的前提下，同时具备转动惯性测量和地磁测量功能，利用惰性气体原子核自旋可以实现高精度惯性测量(对应转动信号探测)，利用碱金属原子电子自旋可以实现高灵敏度磁场测量(对应地磁信号探测)；充分利用量子磁场探测和量子惯性探测系统的相似性，以一套系统实现两种物理量的测量；将惯性导航与地磁匹配导航两者相结合、优势互补，可以自主、实时提供连续、全面的导航定位信息，且不受气候、地域、时间等影响。

(2)本发明采用两级光功率调制和解调装置，可以用一束泵浦光同时实现核磁共振陀螺仪中惰性气体原子核自旋的超极化与光泵碱金属原子磁力仪中碱金属原子电子自旋的极化，同时利用光调制和定向解调技术，有效隔绝核磁共振陀螺仪表头信号与光泵碱金属原子磁力仪表头信号之间的耦合。

(3)本发明通过设置方位可调的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，可实现对激光行进路线和光束直径的调整，使激光覆盖第一原子气室和第二原子气室，使得本发明构造的用于组合导航的量子传感装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室，实现高精度转动信息测量和高灵敏度磁场测量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明用于组合导航的量子传感装置的模块连接示意图；

图2是本发明用于组合导航的量子传感装置的结构示意图；

其中，101、泵浦激光控制器，102、泵浦激光器，103、第一二分之一波片，104、第一偏振分光镜，105、第一光功率调制元件，106、第一反射镜，107、扩束镜，108、四分之一波片，109、第二光功率调制元件，201、探测激光控制器，202、探测激光器，203、第二二分之一波片，204、第二偏振分光镜，205、第三二分之一波片，206、第三偏振分光镜，207、第二反射镜，208、第三反射镜，209、分光镜，210、聚焦透镜，211、第四二分之一波片，212、沃拉斯顿棱镜，213、平衡探测器，3a、第一原子气室，3b、第二原子气室，401、磁屏蔽桶，402、第一三维亥姆霍兹线圈，403、陀螺仪磁场控制器，404、第二三维亥姆霍兹线圈，405、磁力仪磁场控制器，501、第一无磁温度传感器，502、第一电加热片，503、陀螺仪温度控制器，504、第二无磁温度传感器，505、第二电加热片，506、磁力仪温度控制器，601、第一光功率调制控制器，602、第二光功率调制控制器，603、锁相放大器，604、数模/模数转换电路，605、数据处理服务器；

1A、泵浦主光束，1B、泵浦参考光束，2A、探测主光束，2B、探测参考光束，2C、第一探测光束，2D、第二探测光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1-2，一种用于组合导航的量子传感装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、陀螺仪表头、磁力仪表头、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；所述陀螺仪表头包括第一原子气室3a，所述磁力仪表头包括第二原子气室3b，所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室3a和第二原子气室3b中的介质；所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光分别经过陀螺仪表头和磁力仪表头，经过陀螺仪表头的探测激光实现转动信号探测，经过磁力仪表头的探测激光实现地磁信号探测；

所述温度控制模块用于分别控制第一原子气室3a处和第二原子气室3b处的温度；所述磁场控制模块用于产生陀螺仪表头和磁力仪表头的功能磁场，所述信号分析控制模块分别连接磁场控制模块、探测光路模块以及泵浦光路模块，所述信号分析控制模块用于解算探测的转动信号和磁场信号。

所述泵浦光路模块包括泵浦激光控制器101、泵浦激光器102、第一二分之一波片103、第一偏振分光镜104、第一光功率调制元件105、第一反射镜106、扩束镜107、四分之一波片108和第二光功率调制元件109；

所述泵浦激光器102、第一二分之一波片103、第一偏振分光镜104、第一光功率调制元件105、第一反射镜106、扩束镜107、四分之一波片108、第一原子气室3a、第二光功率调制元件109和第二原子气室3b沿光路传播方向依次设置；

所述泵浦激光器102用于发射泵浦激光，所述第一偏振分光镜104用于将泵浦激光分为泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B，所述第一二分之一波片103用于调整泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B的光功率，所述泵浦激光控制器101设置在泵浦参考光束1B光路上并用于实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定，所述第一光功率调制元件105和第二光功率调制元件109用于以不同频率调制进入第一原子气室3a和第二原子气室3b的光束(泵浦主光束1A)的光功率，所述扩束镜107用于扩大泵浦主光束1A的光斑尺寸，所述四分之一波片108用于调整进入第一原子气室3a的光束的偏振状态。

所述探测光路模块包括探测激光控制器201、探测激光器202、第二二分之一波片203、第二偏振分光镜204、第三二分之一波片205、第三偏振分光镜206、第二反射镜207、第三反射镜208、分光镜209、聚焦透镜210、第四二分之一波片211、沃拉斯顿棱镜212和平衡探测器213；

所述探测激光器202发射探测激光，第二偏振分光镜204用于将探测激光分为探测主光束2A和探测参考光束2B，所述第二二分之一波片203位于探测激光器202和第二偏振分光镜204之间，用于调整探测主光束2A和探测参考光束2B的光功率；所述探测激光控制器201设置在探测参考光束2B光路上并用于实现对探测激光频率和功率的选择及稳定，所述第三偏振分光镜206用于将探测主光束2A分为第一探测光束2C和第二探测光束2D，所述第三二分之一波片205位于第三偏振分光镜206和第二偏振分光镜204之间，用于调整第一探测光束2C和第二探测光束2D的光功率，所述第一探测光束2C用于经过陀螺仪表头中第一原子气室3a实现转动信号探测，所述第二探测光束2D用于经过磁力仪表头中第二原子气室3b实现地磁信号探测，所述分光镜209用于汇聚第一探测光束2C和第二探测光束2D，汇聚后的第一探测光束2C和第二探测光束2D依次经过聚焦透镜210、第四二分之一波片211和沃拉斯顿棱镜212后被平衡探测器213接收，所述第四二分之一波片211、沃拉斯顿棱镜212和平衡探测器213用于检测第一探测光束2C和第二探测光束2D偏振方向的变化。

优选地，所述平衡探测器输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

所述第一反射镜106、第二反射镜207和第三反射镜208的反射方向均能单独调节，实现对激光行进路线和光束直径的调整。

所述陀螺仪表头还包括第一无磁温度传感器501、第一电加热片502、第一三维亥姆霍兹线圈402和磁屏蔽桶401；所述第一原子气室3a为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、惰性气体(可优选氙气)、氢气和氮气，所述第一三维亥姆霍兹线圈402产生陀螺仪表头运行所需偏置静磁场和交变激励磁场，所述磁屏蔽桶401用于屏蔽外部环境磁场，例如地磁场。所述第一无磁温度传感器501用于监测第一原子气室处的温度，第一电加热片502用于加热第一原子气室；第一无磁温度传感器501和第一电加热片502均与温度控制模块连接。

优选地，所述磁屏蔽桶在轴线方向和柱面中央有两组正交开孔，用于通光，开孔直径略大于气室最大尺寸。

所述磁力仪表头还包括第二无磁温度传感器504、第二电加热片505和第二三维亥姆霍兹线圈404，所述第二原子气室3b为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、氢气和氮气，所述第二三维亥姆霍兹线圈404产生磁力仪表头运行所需射频激励磁场。所述第二无磁温度传感器504用于监测第二原子气室处的温度，第二电加热片505用于加热第二原子气室；第二无磁温度传感器504和第二电加热片505均与温度控制模块连接。

优选地，所述第二三维亥姆霍兹线圈还用于抵消环境磁场噪声。

优选地，所述第一原子气室3a和第二原子气室3b外形尺寸相同，且充有同种等量的碱金属蒸汽、氢气和氮气，第一原子气室3a中另外充有惰性气体。

所述磁场控制模块包括陀螺仪磁场控制器403和磁力仪磁场控制器405，所述陀螺仪磁场控制器403接收信号分析控制模块的信号并向第一三维亥姆霍兹线圈402输出偏置静磁场和交变激励磁场驱动电流，所述磁力仪磁场控制器405用于接收信号分析控制模块的信号并向第二三维亥姆霍兹线圈404输出射频激励磁场驱动电流。

优选地，所述陀螺仪磁场控制器可以产生三组独立的驱动电流，分别控制第一三维亥姆霍兹线圈三组正交的磁场；所述磁力仪磁场控制器可以产生三组独立的驱动电流，分别控制第二三维亥姆霍兹线圈三组正交的磁场。

所述信号分析控制模块包括第一光功率调制控制器601、第二光功率调制控制器602、锁相放大器603、数模/模数转换电路604和数据处理服务器605；

所述第一光功率调制控制器601的输出端与第一光功率调制元件105相连，用于产生一级光功率调制驱动信号，所述第二光功率调制控制器602的输出端与第二光功率调制元件109相连，用于产生二级光功率调制驱动信号；所述锁相放大器603的参考信号输入端与第一光功率调制控制器601和第二光功率调制控制器602相连，所述锁相放大器603的信号输入端与平衡探测器213的差分输出端相连；所述数模/模数转换电路604的模数转换输入端与锁相放大器603解调输出端连接，所述数模/模数转换电路604的数模转换输出端分别与陀螺仪磁场控制器403的输入端和磁力仪磁场控制器405的输入端连接；所述数据处理服务器605通过数模/模数转换电路604与锁相放大器603、陀螺仪磁场控制器403和磁力仪磁场控制器405分别连接，并用于接收来自陀螺仪表头和磁力仪表头的解调信号进行转动信息和磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。

所述一级光功率调制驱动信号和二级光功率调制驱动信号频率不同，用于隔绝陀螺仪表头信号与磁力仪表头信号之间的耦合。

所述温度控制模块包括陀螺仪温度控制器503和磁力仪温度控制器506，所述陀螺仪温度控制器503同时与第一无磁温度传感器501和第一电加热片502连接，用于接收来自第一无磁温度传感器501的温度信号并向第一电加热片502发出对应的温度控制信号，所述磁力仪温度控制器506同时与第二无磁温度传感器504和第二电加热片505连接，用于接收来自第二无磁温度传感器504的温度信号并向第二电加热片505发出对应的温度控制信号。

本实施例中优选地，所述数据处理服务器605与数模/模数转换电路604之间、所述数模/模数转换电路604与陀螺仪磁场控制器403之间、所述数模/模数转换电路604与磁力仪磁场控制器405之间、所述数模/模数转换电路604与锁相放大器603之间、所述锁相放大器603与第一光功率调制控制器601之间、所述锁相放大器603与第二光功率调制控制器602之间、所述锁相放大器603与平衡探测器213之间、所述第一光功率调制控制器601与第一光功率调制元件105之间、所述第二光功率调制控制器602与第二光功率调制元件109之间、所述陀螺仪磁场控制器403与第一三维亥姆霍兹线圈402之间、所述磁力仪磁场控制器405与第二三维亥姆霍兹线圈404之间、所述第一无磁温度传感器501与第一温度控制器之间503、所述第一电加热片502与第一温度控制器503之间、所述第二无磁温度传感器504与第二温度控制器506之间、所述第二电加热片505与第二温度控制器506之间通过数据传输线连接。所述数据处理服务器605为计算机。

本实施例中一种用于组合导航的量子传感装置，其工作过程如下：

1)按照激光经过顺序以及设备间连接关系将用于组合导航的量子传感装置组装好；

2)所述泵浦激光器102出射的泵浦激光经过第一二分之一波片103和第一偏振分光镜104分为泵浦主光束1A和泵浦参考光束1B，其中泵浦参考光束1B反馈给泵浦激光控制器101，用于实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定，泵浦主光束1A经过第一光功率调制元件105、第一反射镜106、扩束镜107、四分之一波片108后，由线偏振激光转化为圆偏振激光，辐照第一原子气室3a，穿过第一原子气室3a的泵浦光束经过第二光功率调制元件109辐照第二原子气室3b；

3)所述探测激光器202出射的探测激光经过第二二分之一波片203和第二偏振分光镜204分为探测主光束2A和探测参考光束2B，其中探测参考光束2B反馈给探测激光控制器201，用于实现对探测激光频率和功率的选择及稳定，探测主光束2A在第三二分之一波片205和第三偏振分光镜206作用下分为功率相等的第一探测光束2C和第二探测光束2D，所述第一探测光束2C穿过第一原子气室3a，用于实现转动信号探测；所述第二探测光束2D穿过第二原子气室3b，用于实现地磁信号探测；从第一原子气室3a和第二原子气室3b透射的第一探测光束2C和第二探测光束2D在第三反射镜208和分光镜209调控下合束，合束后的激光经过聚焦透镜210、第四二分之一波片211、沃拉斯顿棱镜212和平衡探测器213实现偏振方向变化频率的检测；

4)一级光功率调制驱动信号和二级光功率调制驱动信号频率不同，锁相放大器603以一级光功率调制驱动信号和二级光功率调制驱动信号为参考信号对平衡探测器213输出信号进行解调，其中以一级光功率调制驱动信号解调的结果对应陀螺仪表头的输出信号，二级光功率调制驱动信号解调的结果对应磁力仪表头的输出信号；

5)所述数据处理服务器605通过数模/模数转换电路604接收锁相放大器603的解调信号，解算探测的转动信号和磁场信号，其中转动信号和磁场信号可以为导航定位提供数据；

6)所述数据处理服务器605通过数模/模数转换电路604控制陀螺仪磁场控制器403和磁力仪磁场控制器405输出的磁场驱动信号，所述陀螺仪磁场控制器403输出的交变激励磁场频率对应于惰性气体原子核自旋的进动频率，所述磁力仪磁场控制器405输出的射频激励磁场频率对应于碱金属原子电子自旋的进动频率；

7)所述陀螺仪温度控制器503接收来自第一无磁温度传感器501的温度信号并向第一电加热片502发出对应的温度控制信号，所述磁力仪温度控制器506接收来自第二无磁温度传感器504的温度信号并向第二电加热片505发出对应的温度控制信号，所述陀螺仪温度控制器和磁力仪温度控制器内设闭环控制方式。

应用本发明的技术方案，效果是：

本发明提出一种用于组合导航的量子传感装置，在不增加光源和探测系统的前提下，同时具备转动惯性测量和地磁测量功能，将惯性导航与地磁匹配导航两者相结合、优势互补；本发明采用两级光功率调制和解调装置，可以用一束泵浦光同时实现核磁共振陀螺仪中惰性气体原子核自旋的超极化与光泵碱金属原子磁力仪中碱金属原子电子自旋的极化，同时有效隔绝核磁共振陀螺仪信号与光泵碱金属原子磁力仪信号之间的耦合；本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，包括泵浦光路模块、探测光路模块、陀螺仪表头、磁力仪表头、磁场控制模块、温度控制模块和信号分析控制模块；

所述陀螺仪表头包括第一原子气室(3a)；

所述磁力仪表头包括第二原子气室(3b)；

所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室(3a)和第二原子气室(3b)中的介质；

所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光分别经过陀螺仪表头和磁力仪表头，经过陀螺仪表头的探测激光实现转动信号探测，经过磁力仪表头的探测激光实现地磁信号探测；

所述温度控制模块用于分别控制第一原子气室(3a)处和第二原子气室(3b)处的温度；

所述磁场控制模块用于产生陀螺仪表头和磁力仪表头的功能磁场；

所述信号分析控制模块分别连接磁场控制模块、探测光路模块以及泵浦光路模块，所述信号分析控制模块用于解算探测的转动信号和磁场信号。

2.根据权利要求1所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述泵浦光路模块包括泵浦激光控制器(101)、泵浦激光器(102)、第一二分之一波片(103)、第一偏振分光镜(104)、第一光功率调制元件(105)、第一反射镜(106)、扩束镜(107)、四分之一波片(108)和第二光功率调制元件(109)；

所述泵浦激光器(102)、第一二分之一波片(103)、第一偏振分光镜(104)、第一光功率调制元件(105)、第一反射镜(106)、扩束镜(107)、四分之一波片(108)、第一原子气室(3a)、第二光功率调制元件(109)和第二原子气室(3b)沿光路传播方向依次设置；

所述泵浦激光器(102)用于发射泵浦激光，所述第一偏振分光镜(104)用于将泵浦激光分为泵浦主光束(1A)和泵浦参考光束(1B)，所述第一二分之一波片(103)用于调整泵浦主光束(1A)和泵浦参考光束(1B)的光功率，所述泵浦激光控制器(101)设置在泵浦参考光束(1B)光路上并用于实现对泵浦激光频率和功率的选择及稳定，所述第一光功率调制元件(105)和第二光功率调制元件(109)用于以不同频率调制进入第一原子气室(3a)和第二原子气室(3b)的光束的光功率，所述扩束镜(107)用于扩大泵浦主光束(1A)的光斑尺寸，所述四分之一波片(108)用于调整进入第一原子气室(3a)的光束的偏振状态。

3.根据权利要求2所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述探测光路模块包括探测激光控制器(201)、探测激光器(202)、第二二分之一波片(203)、第二偏振分光镜(204)、第三二分之一波片(205)、第三偏振分光镜(206)、第二反射镜(207)、第三反射镜(208)、分光镜(209)、聚焦透镜(210)、第四二分之一波片(211)、沃拉斯顿棱镜(212)和平衡探测器(213)；

所述探测激光器(202)发射探测激光，第二偏振分光镜(204)用于将探测激光分为探测主光束(2A)和探测参考光束(2B)，所述第二二分之一波片(203)位于探测激光器(202)和第二偏振分光镜(204)之间，用于调整探测主光束(2A)和探测参考光束(2B)的光功率；所述探测激光控制器(201)设置在探测参考光束(2B)光路上并用于实现对探测激光频率和功率的选择及稳定；所述第三偏振分光镜(206)用于将探测主光束(2A)分为第一探测光束(2C)和第二探测光束(2D)；所述第三二分之一波片(205)位于第三偏振分光镜(206)和第二偏振分光镜(204)之间，用于调整第一探测光束(2C)和第二探测光束(2D)的光功率，所述第一探测光束(2C)用于经过陀螺仪表头中第一原子气室(3a)实现转动信号探测，所述第二探测光束(2D)用于经过磁力仪表头中第二原子气室(3b)实现地磁信号探测；所述分光镜(209)用于汇聚第一探测光束(2C)和第二探测光束(2D)，汇聚后的第一探测光束(2C)和第二探测光束(2D)依次经过聚焦透镜(210)、第四二分之一波片(211)和沃拉斯顿棱镜(212)后被平衡探测器(213)接收，所述第四二分之一波片(211)、沃拉斯顿棱镜(212)和平衡探测器(213)用于检测第一探测光束(2C)和第二探测光束(2D)偏振方向的变化。

4.根据权利要求3所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述第一反射镜(106)、第二反射镜(207)和第三反射镜(208)的反射方向均能单独调节，实现对激光行进路线和光束直径的调整。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述陀螺仪表头还包括第一无磁温度传感器(501)、第一电加热片(502)、第一三维亥姆霍兹线圈(402)和磁屏蔽桶(401)；所述第一原子气室(3a)为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、惰性气体、氢气和氮气，所述第一三维亥姆霍兹线圈(402)产生陀螺仪表头运行所需偏置静磁场和交变激励磁场，所述磁屏蔽桶(401)用于屏蔽外部环境磁场，所述第一无磁温度传感器(501)用于监测第一原子气室(3a)处的温度，第一电加热片(502)用于加热第一原子气室(3a)；第一无磁温度传感器(501)和第一电加热片(502)均与温度控制模块连接。

6.根据权利要求5所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述磁力仪表头还包括第二无磁温度传感器(504)、第二电加热片(505)和第二三维亥姆霍兹线圈(404)，所述第二原子气室(3b)为密闭的透光气室，其内部封装的介质为碱金属原子蒸汽、氢气和氮气，所述第二三维亥姆霍兹线圈(404)产生磁力仪表头运行所需射频激励磁场，所述第二无磁温度传感器(504)用于监测第二原子气室(3b)处的温度，第二电加热片(505)用于加热第二原子气室(3b)；第二无磁温度传感器(504)和第二电加热片(505)均与温度控制模块连接。

7.根据权利要求6所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述磁场控制模块包括陀螺仪磁场控制器(403)和磁力仪磁场控制器(405)，所述陀螺仪磁场控制器(403)接收信号分析控制模块的信号并向第一三维亥姆霍兹线圈(402)输出偏置静磁场和交变激励磁场驱动电流，所述磁力仪磁场控制器(405)用于接收信号分析控制模块的信号并向第二三维亥姆霍兹线圈(404)输出射频激励磁场驱动电流。

8.根据权利要求7所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述信号分析控制模块包括第一光功率调制控制器(601)、第二光功率调制控制器(602)、锁相放大器(603)、数模/模数转换电路(604)和数据处理服务器(605)；

所述第一光功率调制控制器(601)的输出端与第一光功率调制元件(105)相连，用于产生一级光功率调制驱动信号，所述第二光功率调制控制器(602)的输出端与第二光功率调制元件(109)相连，用于产生二级光功率调制驱动信号；所述锁相放大器(603)的参考信号输入端与第一光功率调制控制器(601)和第二光功率调制控制器(602)相连，所述锁相放大器(603)的信号输入端与平衡探测器(213)的差分输出端相连；所述数模/模数转换电路(604)的模数转换输入端与锁相放大器(603)解调输出端连接，所述数模/模数转换电路(604)的数模转换输出端分别与陀螺仪磁场控制器(403)的输入端和磁力仪磁场控制器(405)的输入端连接；所述数据处理服务器(605)通过数模/模数转换电路(604)与锁相放大器(603)、陀螺仪磁场控制器(403)和磁力仪磁场控制器(405)分别连接，并用于接收来自陀螺仪表头和磁力仪表头的解调信号进行转动信号和磁场信号解算且发出对应的磁场控制信号。

9.根据权利要求8所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述一级光功率调制驱动信号和二级光功率调制驱动信号频率不同，用于隔绝陀螺仪表头信号与磁力仪表头信号之间的耦合。

10.根据权利要求9所述的用于组合导航的量子传感装置，其特征在于，所述温度控制模块包括陀螺仪温度控制器(503)和磁力仪温度控制器(506)；所述陀螺仪温度控制器(503)同时与第一无磁温度传感器(501)和第一电加热片(502)连接，用于接收来自第一无磁温度传感器(501)的温度信号并向第一电加热片(502)发出对应的温度控制信号；所述磁力仪温度控制器(506)同时与第二无磁温度传感器(504)和第二电加热片(505)连接，用于接收来自第二无磁温度传感器(504)的温度信号并向第二电加热片(505)发出对应的温度控制信号。

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