張國萬，李嘉華

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.中國航天科技集團量子工程技術(shù)中心，北京 100854）

冷原子干涉技術(shù)原理及其在深空探測中的應(yīng)用展望

張國萬1,2，李嘉華1,2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.中國航天科技集團量子工程技術(shù)中心，北京 100854）

簡要介紹了基于冷原子干涉技術(shù)的陀螺儀與重力儀的特點以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點介紹冷原子制備、冷原子分束、反射以及原子內(nèi)態(tài)探測等冷原子干涉關(guān)鍵技術(shù)的基本原理及其實現(xiàn)方法。結(jié)合深空探測特點，冷原子干涉技術(shù)在深空探測領(lǐng)域潛在的應(yīng)用有兩個方面：一方面可應(yīng)用于深空探測器在飛行、交互、對接以及著陸過程中的自主導(dǎo)航；另一方面可應(yīng)用于深空探測器引力助推過程中的重力以及加速度的精密測量。

冷原子干涉儀；深空探測；自主導(dǎo)航；高精度陀螺儀

0 引 言

干涉是“波”的一個重要屬性，自邁克爾遜和莫雷利用光干涉測量“以太”漂移建立干涉儀以來，干涉儀在光學(xué)、精密測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著激光的出現(xiàn)，干涉技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，極大地拓展了其應(yīng)用范圍。以邁克爾遜干涉為基礎(chǔ)的絕對重力儀，具有精度高、絕對重力測量等優(yōu)點，在石油勘探、地震以及精密測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時，人們以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)研制了激光陀螺儀和光纖陀螺儀，相比機械式陀螺，這種陀螺儀精度高、動態(tài)范圍寬、性能穩(wěn)定且壽命長，目前已經(jīng)在航空航天等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。然而，一方面隨著技術(shù)的發(fā)展與提高，應(yīng)用領(lǐng)域特別是慣性應(yīng)用領(lǐng)域?qū)T性產(chǎn)品的精度要求越來越高；另一方面“提高精度”是慣性技術(shù)領(lǐng)域一個永恒的主題。這些基于經(jīng)典理論（相比量子理論）的慣性儀表在提高精度方面越來越困難，與此同時，對理論與新技術(shù)的探索也從未停止。

根據(jù)量子力學(xué)理論，原子也具有“波”的特性，可以構(gòu)建物質(zhì)波干涉儀，制備物質(zhì)波源，然后使其分束與反射，依據(jù)光學(xué)Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)構(gòu)建物質(zhì)波干涉。理論計算表明，相同幾何條件下，由于原子的質(zhì)量較光子運動質(zhì)量大，其慣性拖曳效應(yīng)明顯，物質(zhì)波干涉儀的精度較光學(xué)干涉儀精度高10個量級[1-2]。而光學(xué)干涉儀在環(huán)路面積一般較物質(zhì)波（原子）干涉儀高4～5個量級，相位測量靈敏性高1～2個量級，綜合考慮物質(zhì)波干涉儀的精度較光學(xué)干涉儀精度高3～4個量級。類似的利用物質(zhì)波干涉也可以實現(xiàn)對重力（加速度）的絕對測量，并且由于重力（加速度）效應(yīng)直接影響干涉的相位（激光絕對重力儀中測量的是物體的位置），因此物質(zhì)波（原子）重力儀相對激光絕對重力儀也具有較高的測量精度?？偠灾?，原子干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)對角速度、加速度的精密測量，由此也可構(gòu)建基于原子干涉技術(shù)的陀螺/重力同時測量儀器。

一般情況下，原子的熱運動速度大，波長非常短，波動性難以體現(xiàn)，而且對原子的分束與反射非常困難，所以很難實現(xiàn)原子的干涉效應(yīng)。直到20世紀80—90年代，隨著原子光學(xué)、量子光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，美國華裔物理學(xué)家朱棣文等人提出了激光冷卻技術(shù)，利用該技術(shù)可以將熱原子溫度降低到百微開量級。隨后，磁光囚禁技術(shù)、亞多普勒冷卻技術(shù)、蒸發(fā)冷卻技術(shù)等一系列技術(shù)被提出并得到發(fā)展，使得人們可以穩(wěn)定地獲得一團溫度極低的原子（小于100 nK），特別是實現(xiàn)了波色–愛因斯坦凝聚（BEC），極大地提高了冷原子的相干性。原子具有極強的“波”屬性，利用激光操控原子技術(shù)，實現(xiàn)對物質(zhì)波的分束和反射，進而實現(xiàn)冷原子的干涉，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對角速度[3-4]、加速度（重力）[5]等慣性參量的精密測量，相繼出現(xiàn)了冷原子重力儀和冷原子陀螺儀。冷原子陀螺儀、冷原子重力儀一出現(xiàn)就展示了其在精度方面的優(yōu)勢，屬于高精度慣性儀表，目前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展一方面致力于在實驗室內(nèi)進一步提高原理樣機的測量精度，同時也在開展小型化、工程實用化產(chǎn)品研制[6]。

本文將首先簡要介紹冷原子干涉技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢；其次著重介紹冷原子干涉技術(shù)原理及所涉關(guān)鍵技術(shù)；接著討論其在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用模式；最后給出全文總結(jié)。

1 冷原子干涉技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展簡介

1991年，斯坦福大學(xué)朱棣文小組通過拉曼（Raman）脈沖對冷的Na原子團實現(xiàn)分束與反射，進而實現(xiàn)脈沖式冷原子干涉儀[7]。次年，該小組通過原子干涉技術(shù)實現(xiàn)了對重力的絕對測量，重力測量靈敏度達，在2 000 s的積分時間下，重力測量分辨率為30 μGal，經(jīng)過改進分辨率進一步達3 μGal，這與當(dāng)時國際上最高精度的激光絕對重力儀指標相當(dāng)。此后，世界各國均啟動了對冷原子干涉儀的研究計劃，使對冷原子干涉儀的研究成為熱點，加快了其發(fā)展速度。2003年，DARPA啟動了“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”（Precision Inertial Navigation System，PINS）研究計劃，“PINS”旨在研究不依賴于GPS信號，利用冷原子干涉儀實現(xiàn)自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。在該計劃的支持下，美國AOSense公司與斯坦福大學(xué)Kasevich小組聯(lián)合研制了一套基于冷原子干涉技術(shù)的可移動慣性傳感系統(tǒng)，此系統(tǒng)集單軸加速度計、單軸陀螺儀和重力梯度儀于一體，該系統(tǒng)以“π/2-π-π-π/2（脈沖間隔T-2T-T）”Raman脈沖冷原子干涉儀為基礎(chǔ)，整個傳感裝置的體積不足 1 m3，如圖1（a）所示。系統(tǒng)中各原子傳感裝置的指標如下：陀螺儀角度隨機游走（Angular Random Walk，ARW）小于100 μ°/Hz，最大角速度測量值為10°/s，絕對精度小于100 ppm，實際測得地球自轉(zhuǎn)角速度，測量值與理論值的比值為1.000 7±0.000 5。通過對重力進行實時補償，這套演示系統(tǒng)漂移僅有5 m/h，比現(xiàn)有的高性能GPS/INS系統(tǒng)提高大約280倍。在重力測量方面，斯坦大學(xué)的冷原子干涉重力儀靈敏度達，后來采用大型10 m噴泉將重力測量的靈敏度提高至。

同期，2003年歐洲航天局（ESA）制定了“空間高精度原子干涉測量技術(shù)（Hyper Precision Cold Atom Interferometry in Space，HYPER）計劃”，該計劃打算利用原子干涉技術(shù)進行精細結(jié)構(gòu)常數(shù)測量并以此驗證愛因斯坦的廣義相對論，同時也利用該技術(shù)對空間飛行器進行姿態(tài)控制與導(dǎo)航。在該計劃前期研究中，法國巴黎天文臺與德國漢諾威大學(xué)分別進行了冷原子干涉技術(shù)的研究。巴黎天文臺于2006年設(shè)計了一個六自由度冷原子陀螺儀，如圖1（b）所示，該陀螺儀采用對拋結(jié)構(gòu)差分方式來消除環(huán)境噪聲帶來的相位改變，從而實現(xiàn)對角速度以及加速度的精確測量。該陀螺儀在一個方向上的干涉條紋對比度達30%，轉(zhuǎn)動測量靈敏度為，2008年其重力儀測量靈敏度達。漢諾威大學(xué)采用“π/2-π-π/2” Raman脈沖序列，也建立了左右對拋的長基線（實驗中90 cm）冷原子干涉裝置，如圖2所示，2012年通過對Raman光路的精準調(diào)節(jié)實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)動角速度的測量，測量靈敏度為，條紋對比度為18.7%。

圖1 冷原子干涉系統(tǒng)Fig.1 Cold atom interferometer systems

圖2 漢諾威大學(xué)冷原子干涉系統(tǒng)Fig.2 Atom interference gyroscope developed by Hannover universiry

此外，德國航天中心空間技術(shù)研究所計劃利用雙色差分原子干涉儀在空間進行弱等效原理的驗證，并將在2022—2024年的某個發(fā)射窗口發(fā)射STE-QUEST（空間時間探索和量子等效原理的空間驗證）衛(wèi)星搭載。此原子干涉儀采用87Rb和85Rb原子，預(yù)期捕獲的冷原子為106個，儀器整體重221 kg，總功耗608 W，峰值功耗819 W。加速度的單次測量精度達2.07×10–12m/s2，差分測量精度達2.92×10–12m/s2。2014年美國圣地亞哥國家實驗室將對拋式冷原子干涉儀放入一個腔內(nèi)，腔體的尺寸為2 cm×3 cm×6 cm，使干涉儀的輸出帶寬到60 Hz，轉(zhuǎn)動測量靈敏度為，加速度測量靈敏度為。

我國在冷原子干涉技術(shù)方面的研究單位主要有華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、浙江大學(xué)、清華大學(xué)以及中國航天科技集團公司第九研究院13所等高校和科研院所。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)所利用上拋式冷原子干涉技術(shù)對重力進行了測量，目前已經(jīng)搭建了10 m高的下落式冷原子干涉重力測量裝置，同時該所還搭建了對拋式冷原子干涉儀，2011年該所冷原子干涉裝置對重力的測量靈敏達。華中科技大學(xué)在超低振動的環(huán)境下，采用上拋式冷原子方案實現(xiàn)對重力的精密測量，測量靈敏度達。浙江大學(xué)與浙江工業(yè)大學(xué)聯(lián)合小組也利用冷原子干涉技術(shù)對當(dāng)?shù)刂亓M行了測量，2014年浙江大學(xué)冷原子干涉系統(tǒng)對重力的測量靈敏度達。清華大學(xué)采用連續(xù)冷原子源進行角速度的測量實驗工作。中國航天科技集團公司第九研究院13所量子工程中心采用芯片冷原子方案進行角速度測量的研究。

2 冷原子干涉原理及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 原理簡介

如圖3所示，設(shè)系統(tǒng)加速度為a，角速度為Ω，整個干涉過程可描述為以下幾個階段。1）初態(tài)制備階段。經(jīng)過初態(tài)制備后冷原子團全部處于基態(tài)，原子團數(shù)量為N，并且具有平動速度v0；2）原子團分束。在時刻t0，作用一個Raman π/2脈沖，在此脈沖的作用下，冷原子團發(fā)生分束；3）自由演化階段。分束后的冷原子團沿兩條路徑自由演化；4）原子反射階段。經(jīng)過T時長的自由演化，在時刻t0+T，作用一個Raman π脈沖，原子發(fā)生反射，兩條路徑的冷原子開始聚攏；5）自由演化階段。兩條路徑的原子自由演化T時長，并逐漸靠攏；6）合束、干涉階段。t0+2T時刻兩條路徑的原子團在空間上重合，作用一個Raman π/2脈沖，此時原子團的路徑信息被擦除，無法區(qū)分冷原子究竟經(jīng)過哪條路徑的演化，原子團發(fā)生干涉；7）探測階段。不同演化路徑經(jīng)歷不同，造成相位不同，這種相位的差別Φ反映在原子的內(nèi)態(tài)上，最終由測量處于另外一個基態(tài)的原子個數(shù)N2（N1）來獲得相位差信息，這樣就能夠反演計算得到引起相位差的角速度Ω和加速度a的精確值，實現(xiàn)冷原子的慣性測量。其中關(guān)系如下。

其中，P2表示干涉后原子處于另外一個內(nèi)態(tài)的概率，式（2）中keff與Raman脈沖有關(guān)，為Raman脈沖有效波矢量，式（2）相位表達式第一項由角速度引起，第二項由加速度引起，第三項由Raman脈沖引起。

圖3 冷原子干涉原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of cold atom interferometer

這樣通過精確控制Raman脈沖有效波矢量keff的方向，通過3個方向以及對拋等組合測量，可以實現(xiàn)對角速度與加速度的同時測量，測量角速度的為冷原子干涉陀螺儀，測量加速度的為冷原子干涉重力儀及加速度計。在重力測量中，Raman光的傳播方向與重力加速度g平行，此時重力加速度引起粒子數(shù)躍遷幾率P2為

只考慮角速度引起的相位改變，設(shè)角速度Ω垂直于干涉環(huán)路，制備冷原子初態(tài)時，使其與Raman光傳播方向垂直，則角速度與粒子數(shù)躍遷幾率P2關(guān)系如下

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

冷原子干涉技術(shù)所涉關(guān)鍵技術(shù)主要有冷原子制備技術(shù)，冷原子分束、反射技術(shù)，冷原子態(tài)探測技術(shù)。

冷原子制備通過磁光阱中的激光冷卻與偏振梯度冷卻技術(shù)實現(xiàn)，磁光阱結(jié)構(gòu)如圖4所示，一對反亥姆霍茲線圈（灰色線圈）通入電流（粉色箭頭）形成中心為零的梯度磁場。6束激光（紫色箭頭）兩兩對射構(gòu)成3束相互垂直的激光對，此時原子的能級結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，原子發(fā)生塞曼（Zeeman）分裂，離中心越近劈裂越小，調(diào)節(jié)激光頻率使其相對相應(yīng)躍遷能級紅失諧，通過偏振器件調(diào)節(jié)激光偏振使其具有圖中所示的偏振狀態(tài)。這樣由于多普勒效應(yīng)，背離中心運動的原子定向吸收與其運動方向相反的光子，而向4π立體角內(nèi)自發(fā)輻射熒光，平均來看，原子獲得一個與運動方向相反的動量，實現(xiàn)減速，并在磁阱中匯集，形成冷原子。為防止原子輻射到暗態(tài)不能參與冷卻，需要一束再泵浦光將其抽回繼續(xù)冷卻。冷原子形成后，可以通過對冷卻光頻率、功率調(diào)節(jié)進一步降溫（偏振梯度冷卻），進一步調(diào)節(jié)使對射激光形成頻率（功率）差，使原子獲得一定的初速度。

圖4 磁光阱（MOT）結(jié)構(gòu)及能級示意圖Fig.4 Schematic diagram of MOT

冷原子的分束、反射和干涉靠Raman脈沖來實現(xiàn)，Raman脈沖包括兩束相互對射的激光，頻率分別為ω1和ω2，與原子能級構(gòu)成如圖5（a）所示的拉曼形式耦合，且滿足雙光子失諧為零，相互耦合的拉比（Rabi）頻率相等為Ωeff，并通過激光鎖相技術(shù)，使兩束激光隨機相位差恒定。這樣當(dāng)脈寬τ滿足時Ωeffτ=π/2，這個脈沖對能夠?qū)⒒鶓B(tài)原子以一半的概率相干地抽運到態(tài)，此脈沖稱為Raman π/2脈沖。如圖5（b）所示，Raman π/2脈沖能夠使冷原子團進行分束，Raman光波矢量與原子運動方向垂直，原子團在脈沖的作用下有一半原子發(fā)生躍遷，根據(jù)動量守恒這部分原子同時在Raman光方向上獲得了一部分動量，從而運動方向發(fā)生改變，造成原子團分束。當(dāng)脈寬滿足時Ωeffτ=π，這個脈沖對能夠?qū)⒒鶓B(tài)|1＞（|2＞）原子都被相干地抽運到態(tài)|2＞（|1＞），此脈沖稱為Raman π脈沖。如圖5（c）所示，π脈沖能夠使冷原子團發(fā)生反射，Raman光波矢量與原子運動方向垂直，原子團在脈沖的作用下發(fā)生躍遷，且獲得一定的動量，運動方向發(fā)生改變，形成反射。

圖5 冷原子分束，反射原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of atomic wave beam splitting and reflecting

原子態(tài)探測，通過熒光法對處于特定能級如|2＞的原子數(shù)進行探測，如圖6所示的探測能級與光路示意圖，探測能級|2＞上的原子數(shù)，首先用一束共振的激光照射原子團，原子團在光的作用下向立體角內(nèi)輻射熒光，通過大口徑透鏡對熒光進行收集，并進行光電探測轉(zhuǎn)化為電信號，根據(jù)信號強度獲得能級上的原子數(shù)，采用Raman躍遷、微波躍遷以及光抽運技術(shù)，使處于|1＞的原子全部躍遷到|2＞，然后重復(fù)上述過程，則獲得處于態(tài)|1＞的原子數(shù)，這樣完成歸一化的態(tài)探測。則原子躍遷幾率為

圖6 熒光法探測示意圖Fig.6 Schematic diagram of fluorescence detection

3 深空探測領(lǐng)域應(yīng)用展望

深空探測是指對月球以及月球以遠空間的探測，具有探測目標遠、飛行時間長、所處環(huán)境動態(tài)多變等特點，使得深空探測難以實時控制和長期安全運行。深空探測的一項關(guān)鍵技術(shù)為自主技術(shù)，同時自主技術(shù)也是深空探測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[8]。自主技術(shù)可理解為深空探測器根據(jù)自身運行狀態(tài)、姿態(tài)、位置、速度、加速度以及角加速度等信息，實現(xiàn)自主管理、自主導(dǎo)航、自主規(guī)劃、自主故障識別與恢復(fù)等功能，確保探測器在遇到突發(fā)事件、地面指令不能及時傳達的情況下，交互對接以及星體著陸時能夠自主運行并完成任務(wù)。此外，大多數(shù)深空探測器如火星探測器在沒有動力的情況下將會逐漸減速，需要助推。一般方法是攜帶燃料助推，但是增加燃料的同時也會增加質(zhì)量，對燃料的要求更高。采用引力助推[9]即所謂的引力彈弓技術(shù)，就是利用行星的重力場來給探測器加速，能夠節(jié)省燃料并壓縮成本。

結(jié)合深空探測上述特點以及冷原子干涉技術(shù)對角速度與加速度的超高精度測量，冷原子干涉技術(shù)在深空探測領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面。

第一，深空探測器在飛行、交互、對接以及著陸過程中的自主導(dǎo)航。深空環(huán)境未知因素多且復(fù)雜，地面通信指揮不能及時到達，而且受觀察站位置、太陽等天體位置阻擋等影響，不利于探測器躲避危險，需要自主導(dǎo)航技術(shù)使探測器具有一定的生存能力。目前研究最廣泛的深空自主導(dǎo)航技術(shù)為天文導(dǎo)航，即靠星敏感器件獲得探測器自身姿態(tài)信息而進行導(dǎo)航，其一個缺點是難以獲得探測器速度與角速度等信息，慣性器件如陀螺儀和加速度計能夠提供這兩個信息，因此天文/慣性組合導(dǎo)航在深空探測中有越來越重要的應(yīng)用?；诶湓痈缮婕夹g(shù)的陀螺儀與加速度計具備對角速度、加速度的精密測量能力，而且在空間特別是深空環(huán)境中，其測量靈敏度將更高[10]，此技術(shù)應(yīng)用于自主導(dǎo)航，將降低慣性導(dǎo)航的時間累積誤差，輔之以星敏感器的位置修正，有望大幅度提升自主導(dǎo)航的導(dǎo)航精度。

第二，引力助推過程中重力及加速度的精密測量。引力助推是指探測器從目標行星飛過，受行星引力作用而獲得加速度，從而改變探測器速度與運動方向，這種技術(shù)已經(jīng)被證明是一種有效的基礎(chǔ)技術(shù)。冷原子干涉技術(shù)有望應(yīng)用于引力助推，將能夠?qū)π行且鸬闹亓ψ兓M行及時準確的測量，實時監(jiān)控探測器各項性能，使探測器能夠成功進行助推并加速。

4 結(jié) 論

利用冷原子干涉儀可進行精密物理測量，例如：測量轉(zhuǎn)動、加速度等，并且具有集陀螺儀、重力儀以及頻率標準等于一體的特點，使得自主導(dǎo)航的精度大幅度提高，同時在深空探測中能夠給探測器在交互對接、著陸以及引力助推過程中提供物理參數(shù)的精確值，具有重要的應(yīng)用價值。制約冷原子干涉技術(shù)精密測量精度的因素主要有：冷原子干涉所圍環(huán)路面積較小、冷原子束難以實現(xiàn)50:50分束以及冷原子探測散粒噪聲極限限制等。因此需進一步理論與實驗探索，提升基于冷原子干涉技術(shù)的測量精度。制約冷原子干涉技術(shù)應(yīng)用的主要因素有：冷原子干涉技術(shù)目前還處于起步階段，工程化水平較低；基于該技術(shù)的精密測量設(shè)備體積較大，難以在中、小型載體上應(yīng)用；冷原子干涉技術(shù)測量帶寬較小，制約其應(yīng)用范圍；特別是對重力和加速度測量的量程較小。針對以上應(yīng)用困難，一方面可通過對所涉及關(guān)鍵部組件的小型化研究，降低整機體積，加快工程化研究進度；另一方面可通過釋放再捕獲或者連續(xù)冷原子源技術(shù)方案來提高其測量帶寬，擴大應(yīng)用范圍。

現(xiàn)在歐美等發(fā)達國家已投入了大量的人力、物力發(fā)展冷原子干涉技術(shù)的工程化應(yīng)用研究，隨著我國科技實力的提升以及在量子通信和空間原子鐘太空實驗方面經(jīng)驗的積累，我們在冷原子干涉技術(shù)方面的研究水平會大幅度提升，推動冷原子技術(shù)的發(fā)展，使其能夠盡快在深空探測領(lǐng)域得到應(yīng)用。

[1]王巍，王學(xué)峰，馬建立，等.原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展[J].導(dǎo)航與控制，2011，10（2）：55-60.Wang W，Wang X F，Ma J L，et al.Key technology and development of atom interferometric gyroscope[J].Navigation and Control，2011，10（2）：55-60.

[2]鄒鵬飛，顏樹華，林存寶，等.冷原子干涉陀螺儀在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2013（4）：263-269.Zou P F，Yan S H，Lin C B，et al.Research status and prospects of cold atom interferometry gyroscope in inertial navigation fields[J].Modern Navigation，2013（4）：263-269.

[3]Gustavson T L，Bouyer P，Kasevich M A.precision rotation measurements with an atom interferometer gyroscope[J].Phys.Rev.Lett., 1997，78：2046-2409.

[4]Stockton J K，Takase K，Kasevich M A.Absolute geodetic rotation measurement using atom interferometry[J].Phys.Rev.Lett.，2011，107：133001-133004.

[5]Peters A，Chung K Y，Chu S.Measurement of gravitational acceleration by dropping atoms[J].Nature ，1999，400：849-852.

[6]吳彬，王肖隆，王河林，等.冷原子干涉重力儀的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].導(dǎo)航與控制，2015，14（2）：1-8.Wu B，Wang X L，Wang H L，et al.The current situation and tread of the gravimeter based on cold atom interferometer[J].Navigation and Control，2015，14（2）：1-8.

[7]Kasevich M，Chu S.Atomic interferometry using stimulated Raman transitions[J].Phys.Rev.Lett.，1991，67：181-184.

[8]王大軼，黃翔宇.深空探測自主導(dǎo)航與控制技術(shù)綜述[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009，35（3）：6-12.Wang D Y，Huang X Y.Survey of autonomous navigation and control for deep space exploration[J].Aerospace Control and Application，2009，35（3）：6-12.

[9]夏炎，湯建仁，倪維斗，等，ASTROD I軌道設(shè)計與模擬[J].紫金山天文臺臺刊，2004，23（Z1）：63-86.Xia Y，Tang J R，Ni W D，et al.The track design and simulation of ASTROD I[J].Publications of Purple Mountain Observatary，2004，23（Z1）：63-86.

[10]侯永利，萬彥輝.慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞與對準綜述[J].導(dǎo)航與控制，2005，4（2）：65-68.Hou Y L，Wan Y H.Review of technology for transfer alignment of inertial navigation systems[J].Navigation and Control，2005，4（2）：65-68.

張國萬（1984– ），男，博士，高級工程師。主要研究方向：冷原子干涉。通信地址：北京市142信箱403分箱（100039）

電話：（010）88104439

E-mail：guowan209@163.com

李嘉華（1986– ），女，碩士，工程師。主要研究方向：冷原子干涉。

通信地址：北京市142信箱403分箱（100039）

電話：（010）88104438

E-mail：jiahuadedipan@126.com

The Principle of Cold Atom Interferometry and Its Potential Applications in Deep Space Exploration

ZHANG Guowan1,2，LI Jiahua1,2

（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100854，China；2.Quantum Engineering Research Center，China Aerospace Science and Technology Corporation，Beijing 100854，China）

In this paper, the characteristics and the development trend of atomic gyroscope and gravimeters based on cold atom interferometer are introduced.The principle of the cold atom interferometry and related key technologies such as atom trapping and cooling, cold atom beam-splitting and reflecting, detecting are presented in detail.In the field of deep space exploration, the cold atom interferometry has two potential applications: autonomous navigation for spacecraft during flying, docking, landing phases and precision measurement of gravity during gravity assisting phase.

cold atom interferometer；deep space exploration；autonomous navigation；high-precision gyroscope

P631

：A

：2095-7777（2017）01-0014-06

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.002

張國萬，李嘉華.冷原子干涉技術(shù)原理及其在深空探測中的應(yīng)用展望[J].深空探測學(xué)報，2017，4（1）：14-19.

Reference format：Zhang G W，Li J H.The principle of cold atom interferometry and its potential applications in deep space exploration [J].Journal of Deep Space Exploration，2017，4（1）：14-19.

[責(zé)任編輯：高莎，英文審校：朱魯青]

2016-11-01

2017-01-09