李明澤，褚鵬蛟，張 超

（1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京100048；2.中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京100089）

冷原子干涉陀螺儀技術(shù)專(zhuān)利分析研究

李明澤1，褚鵬蛟1，張 超2

（1.中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京100048；2.中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京100089）

冷原子干涉陀螺儀是下一代超高精度陀螺儀的重要發(fā)展方向，有望在新一代慣性導(dǎo)航技術(shù)中開(kāi)辟全新的技術(shù)途徑。冷原子干涉陀螺儀在高性能武器和深空探測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，首要應(yīng)用方向是最高價(jià)值的戰(zhàn)略級(jí)大型武器平臺(tái)，包括彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)略核潛艇、遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)等。圍繞冷原子干涉陀螺儀的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)利分析研究，包括技術(shù)分布、申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)區(qū)域和重點(diǎn)申請(qǐng)人分析，旨在了解該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和分布情況，并通過(guò)對(duì)重點(diǎn)專(zhuān)利的解讀，預(yù)測(cè)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)我國(guó)冷原子干涉陀螺儀技術(shù)的發(fā)展提出建議。

超高精度；慣性導(dǎo)航；自主導(dǎo)航；冷原子陀螺儀；專(zhuān)利分析

0 引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比具有全天候、全時(shí)空、隱蔽性好、不易被干擾、無(wú)法被反利用和生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但是作為一種推算式導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺儀和加速度計(jì)誤差（特別是陀螺儀誤差）將導(dǎo)致其導(dǎo)航參數(shù)誤差隨時(shí)間積累，致使導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散。雖然經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，陀螺儀性能有了較大的改進(jìn)和提高，但仍然難以滿(mǎn)足快速發(fā)展的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。隨著原子激光冷卻與陷俘技術(shù)、制備技術(shù)以及原子光學(xué)等現(xiàn)代物理基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)相繼獲得重大突破，以冷原子干涉陀螺儀為代表的高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)得到了相應(yīng)突破。與熱原子干涉儀相比，冷原子的應(yīng)用可以更精確地控制原子速度以及與激光交互作用時(shí)間，使原子干涉儀系統(tǒng)尺寸更小、精度更高，有望大幅提高空間飛行器自主導(dǎo)航及航空姿態(tài)控制的精確性。此外，自主導(dǎo)航設(shè)備在體積、質(zhì)量、功耗和成本的減小上面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為了滿(mǎn)足當(dāng)前戰(zhàn)略乃至戰(zhàn)術(shù)武器的使用要求，冷原子干涉陀螺儀的微小型化技術(shù)也被提上日程。高精度微小型慣性器件可以不依賴(lài)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立導(dǎo)航，這將大大提高精準(zhǔn)武器裝備的應(yīng)用范圍和可靠性。

1 專(zhuān)利趨勢(shì)構(gòu)成分析

本文采用德溫特世界專(zhuān)利索引數(shù)據(jù)庫(kù)（Derwent World Patents Index，簡(jiǎn)稱(chēng)德溫特?cái)?shù)據(jù)庫(kù)或DWPI）對(duì)冷原子干涉陀螺儀及其微系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行專(zhuān)利檢索，檢索截止時(shí)間為2016年12月31日。經(jīng)人工去噪共獲得419件專(zhuān)利文獻(xiàn)，共200項(xiàng)Incopat同族專(zhuān)利，其中包括中國(guó)同族專(zhuān)利81項(xiàng)，外國(guó)同族專(zhuān)利119項(xiàng)。

圖1 冷原子干涉陀螺儀技術(shù)構(gòu)成圖Fig.1 Composition of cold atom interference gyroscope technology

冷原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)包括冷原子干涉陀螺儀總體方案設(shè)計(jì)、集成化激光光源、小型化高真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)研制、陀螺儀表頭的穩(wěn)定集成、冷原子捕獲研究、冷原子初態(tài)制備技術(shù)研究、冷原子干涉陀螺儀干涉效應(yīng)及陀螺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)及檢測(cè)，如圖1所示。冷原子干涉陀螺儀總體方案設(shè)計(jì)的專(zhuān)利申請(qǐng)最多，達(dá)到58項(xiàng)，占總申請(qǐng)量的29%；其次為集成化激光光源技術(shù)，有47項(xiàng)，占到23%。小型化高真空系統(tǒng)和冷原子捕獲技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)位于第二梯度，分別有24項(xiàng)、25項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的12%和13%。冷原子初態(tài)制備技術(shù)和冷原子干涉陀螺儀干涉效應(yīng)及陀螺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)及檢測(cè)的專(zhuān)利申請(qǐng)較少，分別有17項(xiàng)和18項(xiàng)，占比為9%。陀螺儀表頭的穩(wěn)定集成技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)更少，有7項(xiàng)，占比為3%。電控系統(tǒng)的專(zhuān)利申請(qǐng)最少，只有4項(xiàng)，占比僅為2%。

冷原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)從20世紀(jì)60年代中后期開(kāi)始出現(xiàn)，經(jīng)歷了萌芽期（1957年～2002年）、發(fā)展期（2003 年～2010年）和提升期（2011年至今），如圖2所示。

圖2 冷原子干涉陀螺儀技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.2 Patent application trends of cold atom interference gyroscope technology

在萌芽期，年專(zhuān)利申請(qǐng)量不超過(guò)2項(xiàng)，先期技術(shù)發(fā)展比較緩慢，直到20世紀(jì)90年代，激光冷卻技術(shù)的突破使原子干涉技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1991年美國(guó)斯坦福大學(xué)第一臺(tái)原子干涉慣性傳感器演示成功，首次觀察到原子干涉儀的陀螺效應(yīng)，由此基于原子干涉的陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器在慣性測(cè)量領(lǐng)域開(kāi)始顯示出巨大的潛力。2003年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目局（DARPA）制訂了 “高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）”計(jì)劃，同年歐洲啟動(dòng)了“高精度冷原子空間干涉儀計(jì)劃（HYPER）”和 “空間原子干涉計(jì)劃（SAI）”，這些計(jì)劃的推廣實(shí)施有效地促進(jìn)了原子光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，專(zhuān)利申請(qǐng)量開(kāi)始增長(zhǎng)。代表性的專(zhuān)利有斯坦福大學(xué)的Chu Steven和Kasevich Mark A的系列申請(qǐng)US5274231A和US5274232A，美國(guó)諾斯洛普格拉曼公司的US5696514A和航空航天公司的US5696514A，耶魯大學(xué)的Kasevich Mark A和Anderson Brian P的US6314809B1，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所也在這個(gè)時(shí)期加入了原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)的研究行列。這個(gè)階段原子陀螺儀的研究經(jīng)歷了熱原子束向冷原子束的過(guò)渡，冷原子相比熱原子具有線寬窄的特點(diǎn)，在高精度測(cè)量和小型化系統(tǒng)集成方面更具優(yōu)勢(shì)，逐漸成為原子陀螺儀工程化應(yīng)用研究的主要方向。值得注意的是，21世紀(jì)冷原子領(lǐng)域先后取得了多項(xiàng)重大的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)突破，激光冷卻與陷俘技術(shù)、波色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)制備技術(shù)分別于1997年、2001年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，量子光學(xué)基本原理和包括光梳在內(nèi)的精密光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)以及量度和操控個(gè)體量子系統(tǒng)的突破性實(shí)驗(yàn)手法方面于2005年和2012年先后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這些諾貝爾獎(jiǎng)的誕生進(jìn)一步促使以冷原子干涉為基礎(chǔ)的量子精密測(cè)量受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。從圖2中也可以看出，2011年至今，冷原子陀螺儀的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速。這一階段冷原子干涉陀螺儀的研究開(kāi)始面向工程化，瞄準(zhǔn)慣性導(dǎo)航的實(shí)際需求，研究重點(diǎn)集中在降低設(shè)備體積、功耗、提高動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、檢測(cè)帶寬和環(huán)境適應(yīng)性等方面。在此期間，我國(guó)也通過(guò)國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃課題和國(guó)家自然基金項(xiàng)目等方式大力鼓勵(lì)冷原子技術(shù)的發(fā)展，2009年頒布實(shí)施了《國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略實(shí)施推進(jìn)計(jì)劃》，激發(fā)了許多從事原子陀螺和慣性導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)的國(guó)有科研院所和機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)熱情，促使專(zhuān)利申請(qǐng)量大幅增加，進(jìn)而帶動(dòng)了2009之后全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)快速增長(zhǎng)，并在2014年達(dá)到35項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)的高峰。2014年后的專(zhuān)利申請(qǐng)下降，主要是考慮之前申請(qǐng)的專(zhuān)利尚有部分處于未公開(kāi)狀態(tài)。發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)自申請(qǐng)日起18個(gè)月公布，而PCT專(zhuān)利申請(qǐng)可能自申請(qǐng)日起30個(gè)月才進(jìn)入國(guó)家階段，其對(duì)應(yīng)的國(guó)家公布時(shí)間更晚，因此，檢索結(jié)果中包含的2015年和2016年的專(zhuān)利申請(qǐng)量不能代表實(shí)際情況。實(shí)際上，2015年、2016年的專(zhuān)利申請(qǐng)量比圖表中表現(xiàn)出來(lái)的還要多。冷原子干涉陀螺代表了未來(lái)慣性導(dǎo)航和精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)一段時(shí)間該技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量仍將呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)，冷原子干涉陀螺相關(guān)技術(shù)分支發(fā)展態(tài)勢(shì)如表1所示。

表1 各技術(shù)分支的發(fā)展路線Table 1 Development route of each technical branch

由表1可知，冷原子干涉陀螺儀總體方案設(shè)計(jì)、集成化激光光源技術(shù)、小型化高真空系統(tǒng)、冷原子捕獲、冷原子初態(tài)制備技術(shù)研究和冷原子干涉陀螺儀干涉效應(yīng)及陀螺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)及檢測(cè)等6個(gè)技術(shù)分支在最近10年的專(zhuān)利申請(qǐng)都呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明這些關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展前景好。尤其是冷原子干涉陀螺儀總體方案設(shè)計(jì)和集成化激光光源技術(shù)兩個(gè)分支更是增長(zhǎng)突出，這說(shuō)明原子干涉慣性陀螺儀已經(jīng)開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室邁入工程實(shí)用化的研究階段，集成化和小型化以使冷原子陀螺儀在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。隨著冷原子團(tuán)重復(fù)裝載技術(shù)和窄線寬激光穩(wěn)定技術(shù)的發(fā)展，解決了冷原子陀螺儀的帶寬問(wèn)題，使得冷原子團(tuán)陀螺儀在工程化進(jìn)程中更進(jìn)一步，因此陀螺儀總體方案和激光光源的設(shè)計(jì)這兩方面的研究有著十分重要的意義。當(dāng)然，作為冷原子陀螺儀物理實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，小型化高真空系統(tǒng)、冷原子捕獲、冷原子初態(tài)制備技術(shù)研究和冷原子干涉陀螺儀干涉效應(yīng)及陀螺效應(yīng)實(shí)現(xiàn)及檢測(cè)技術(shù)在近十幾年的申請(qǐng)也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。相比而言，電控系統(tǒng)和陀螺儀表頭的穩(wěn)定集成方面，更多是一些工藝設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)改進(jìn)，創(chuàng)新性不高，專(zhuān)利申請(qǐng)量較少。

對(duì)419件專(zhuān)利申請(qǐng)的技術(shù)產(chǎn)出國(guó)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得如圖3所示的專(zhuān)利申請(qǐng)區(qū)域分布圖。其中，美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)最多，達(dá)到202件，占總申請(qǐng)量的48%；歐洲的專(zhuān)利申請(qǐng)量排名第二，有94件專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的22%；中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量居第三位，共產(chǎn)出81件專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的19%；日本有36件專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的9%；韓國(guó)、澳大利亞和蘇聯(lián)等其他國(guó)家專(zhuān)利申請(qǐng)量較少，合起來(lái)占總申請(qǐng)量的2%。

圖3 冷原子干涉陀螺儀技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)區(qū)域分布Fig.3 National distribution of cold atom interference gyroscope technology

美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量排名第一，可見(jiàn)美國(guó)在冷原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)力在世界上是最強(qiáng)的。美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)最早，從20世紀(jì)60年代中后期就開(kāi)始出現(xiàn)。從出現(xiàn)至2002年間，技術(shù)發(fā)展比較平緩，年專(zhuān)利申請(qǐng)量在3項(xiàng)左右；2003年的PINS計(jì)劃掀起了原子干涉陀螺儀的研究熱潮，從2009年起，美國(guó)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)開(kāi)始呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，并在2012年達(dá)到13項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)高峰；2014年以后美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明美國(guó)已經(jīng)基本完成了專(zhuān)利布局，從技術(shù)積累期邁入實(shí)用化應(yīng)用階段。

歐洲的專(zhuān)利申請(qǐng)始于20世紀(jì)末，剛出現(xiàn)時(shí)也處于技術(shù)積累期，年申請(qǐng)量平均在2件左右。2003年～2006年經(jīng)歷了第一個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)的集中期，這與 “高精度冷原子空間干涉儀計(jì)劃（HYPER）”和“空間原子干涉計(jì)劃（SAI）”的實(shí)施不無(wú)關(guān)系，此后幾年申請(qǐng)量略有回落，2010年出現(xiàn)了一個(gè)小的申請(qǐng)高峰，近幾年基本處于穩(wěn)步發(fā)展的階段。

日本由于與美國(guó)的盟友關(guān)系，而且近些年來(lái)在粒子物理等理論物理學(xué)科上積累了較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，在原子干涉陀螺領(lǐng)域也緊跟國(guó)際先進(jìn)步伐，研制原子陀螺的單位主要有精工愛(ài)普生公司、京都大學(xué)、國(guó)立情報(bào)學(xué)研究所和日本電信電話株式會(huì)社。

中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)較晚，從2001年開(kāi)始才有相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，但是從出現(xiàn)至今整體呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且在2014年達(dá)到20項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)高峰。這一方面是由于近年來(lái)我國(guó)高等科研院所積極引進(jìn)和吸引高新人才，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)冷原子量子物理領(lǐng)域的投入和研發(fā)力度，緊跟國(guó)外熱點(diǎn)難點(diǎn)課題，產(chǎn)生了一定的技術(shù)成果；另一方面也與國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)使得國(guó)內(nèi)科研技術(shù)人員的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)逐步增強(qiáng)有關(guān)。但總得來(lái)說(shuō)，我國(guó)擁有的基礎(chǔ)專(zhuān)利和核心專(zhuān)利較少，專(zhuān)利申請(qǐng)人以中科院、計(jì)量院和國(guó)家授時(shí)中心等研究所和高等院校為主。

結(jié)合圖4可知，冷原子干涉陀螺儀總體方案設(shè)計(jì)和集成化激光光源技術(shù)是中美兩國(guó)共同的研究重點(diǎn)。此外，中國(guó)在冷原子捕獲和冷原子初態(tài)制備技術(shù)方面產(chǎn)出的專(zhuān)利申請(qǐng)較多，美國(guó)則更多是集中在冷原子干涉陀螺儀干涉效應(yīng)和陀螺效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)及檢測(cè)方面。這反映了美國(guó)逐步從實(shí)驗(yàn)室步入工程應(yīng)用階段，而我國(guó)仍處于技術(shù)積累期，大多數(shù)的研究處于原理探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。

圖4 中美兩國(guó)的技術(shù)分布Fig.4 Technical distribution in China and America

2 主要專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

選取全球申請(qǐng)進(jìn)行申請(qǐng)人統(tǒng)計(jì)分析，得到如圖5所示的申請(qǐng)人排名。其中，美國(guó)的申請(qǐng)人有4家，歐洲的機(jī)構(gòu)有4家，中國(guó)的機(jī)構(gòu)有2家，日本的申請(qǐng)人有1家。

圖5 全球?qū)＠暾?qǐng)人排名Fig.5 Ranking of global patent applicants

在美國(guó)的申請(qǐng)人中，霍尼韋爾國(guó)際公司（Honeywell）自1954年收購(gòu)了陀螺儀制造商Doelcam公司之后開(kāi)始從事激光和光纖陀螺的研制。近幾年涉足冷原子干涉儀及慣性傳感器系統(tǒng)，并憑借其強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)取得了不小的進(jìn)展，申請(qǐng)了68件專(zhuān)利申請(qǐng)，涉及頻率穩(wěn)定激光系統(tǒng)、芯片級(jí)冷原子鐘、分叉波導(dǎo)原子陀螺儀和具有自適應(yīng)發(fā)射方向和位置的原子干涉儀等多個(gè)方面；西電公司成立于1881年，是美國(guó)電話電報(bào)公司旗下的公司，從成立到1995年，西電公司是貝爾公司的設(shè)備制造商，在原子陀螺儀方面的申請(qǐng)都是在1969年～1972年之間，涉及中性粒子的捕獲和加速以及激光生成等原理性基礎(chǔ)技術(shù)；諾-格公司的申請(qǐng)主要涉及非連續(xù)工作陀螺的信號(hào)數(shù)據(jù)處理、磁光阱冷原子捕獲和探測(cè)束頻率穩(wěn)定等方面，諾-格公司承擔(dān)了DARPA的C-SCAN項(xiàng)目，負(fù)責(zé)研制微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其在激光冷卻原子以及原子干涉相位測(cè)量和控制技術(shù)上擁有自己的專(zhuān)利，此外，諾-格公司還承擔(dān)了美國(guó)microPNT項(xiàng)目的研制，其研制的第4代接近硬幣大小的核磁共振陀螺標(biāo)志著世界范圍高精度、小體積陀螺技術(shù)領(lǐng)域已取得突破性研究進(jìn)展；斯坦福大學(xué)在激光冷卻和原子干涉領(lǐng)域具有深厚的研究背景，尤其是Kasevich研究小組屬于最早從事原子干涉陀螺儀的人員，發(fā)表了眾多有價(jià)值的核心期刊文獻(xiàn)，并在捕獲和加速中性粒子以及原子操縱等方面擁有核心基礎(chǔ)專(zhuān)利。

在歐洲的申請(qǐng)人中，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）成立于1939年，是法國(guó)最大的科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，也是歐洲最大的基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)之一，其下設(shè)有國(guó)家核物理與粒子物理研究所，早在1995年就有原子捕獲相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)，CNRS和巴黎第十一大學(xué)的物理學(xué)家首次成功地讓兩個(gè)獨(dú)立的原子實(shí)現(xiàn)了相關(guān)，近十幾年CNRS在冷原子陀螺方面的專(zhuān)利主要涉及冷原子干涉?zhèn)鞲衅鳌⒃隅娦盘?hào)調(diào)控和中性粒子的放射冷卻等技術(shù)。法國(guó)泰雷茲（Thales）公司長(zhǎng)期研制高性能陀螺儀傳感器和慣性測(cè)量單元，在原子捕獲、冷卻和集成化激光光源技術(shù)等方面申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利。法國(guó)是世界航空技術(shù)的發(fā)祥地之一，由于慣導(dǎo)導(dǎo)航是航空工業(yè)的重要支撐，而陀螺儀是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件，其性能直接決定慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，因此法國(guó)歷來(lái)十分重視陀螺儀方面的研制和生產(chǎn)任務(wù)，擁有一大批現(xiàn)代化科研院所。國(guó)家航空航天研究院（ONERA）是其中的杰出代表，其專(zhuān)利包含差分慣性測(cè)量、應(yīng)用原子干涉儀進(jìn)行重力場(chǎng)的測(cè)量、原子束與激光光束的相關(guān)作用及調(diào)控以及兩組原子對(duì)拋干涉儀的設(shè)計(jì)和集成光源設(shè)計(jì)等方面。值得注意的是，Thales公司的US8385376B2、US20150331142A1和US20090225800A1以及ONERA的US20150090028A1在美國(guó)也進(jìn)行了專(zhuān)利布局，可見(jiàn)其與美國(guó)相關(guān)單位的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系以及對(duì)美國(guó)市場(chǎng)的重視。另外一位歐洲的申請(qǐng)人是意大利的埃尼集團(tuán)，其在原子干涉型重力儀和重力場(chǎng)測(cè)量方法方面申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利，以滿(mǎn)足其石油勘探和開(kāi)采的需要，并在中國(guó)、俄國(guó)、印度和日本等國(guó)家都進(jìn)行了專(zhuān)利布局。

日本精工愛(ài)普生公司成立于1942年，經(jīng)營(yíng)范圍包括電子元器件和精密儀器，在高精度陀螺儀傳感器和小型MEMS陀螺儀方面擁有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，在冷原子技術(shù)方面主要涉及原子電池、量子干涉裝置、原子振蕩器等。

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所是我國(guó)冷原子陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究領(lǐng)域的先頭兵，在王育竹等院士的帶領(lǐng)下建立了我國(guó)第一個(gè)量子光學(xué)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，率先開(kāi)展激光冷卻氣體原子的研究，近些年也取得了一系列的研究成果，申請(qǐng)了17項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)，主要集中在激光冷卻原子裝置和冷原子鐘激光探測(cè)等領(lǐng)域。排名第8位的中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所共有15項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)，包含微型原子陀螺儀和冷原子干涉重力梯度測(cè)試儀等技術(shù)，其中詹明生為首的研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)圍繞冷原子物理與基于原子的量子信息開(kāi)展研究，建立了冷原子實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了冷原子的雙色電磁誘導(dǎo)透明、冷原子Mach-Zehnder干涉儀和Ramsey干涉花樣，實(shí)現(xiàn)了Rb原子的BEC和單個(gè)中性Rb原子的囚禁。

3 重點(diǎn)專(zhuān)利分析

對(duì)近年來(lái)提交的國(guó)外主要申請(qǐng)人的專(zhuān)利進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)如下重點(diǎn)專(zhuān)利：

1）法國(guó)Thales公司在2014年12月30日提交了公開(kāi)號(hào)為WO2016107806A1的專(zhuān)利申請(qǐng)，該專(zhuān)利公開(kāi)了一種冷原子和MEMS相結(jié)合的混合慣性傳感器，通過(guò)將冷原子慣性傳感器和MEMS慣性傳感器混合使用，既利用了冷原子慣性傳感器的高精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，又利用了MEMS慣性傳感器的高數(shù)據(jù)率和大動(dòng)態(tài)范圍，可以兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于冷原子慣性傳感器的應(yīng)用有重要價(jià)值。美國(guó)Honeywell公司在2011年12月15日提交了公開(kāi)號(hào)為US20130152680A1的專(zhuān)利申請(qǐng)，其中公開(kāi)了一種基于原子的加速度計(jì)，器件設(shè)計(jì)為雙阱結(jié)構(gòu)，利用原子芯片進(jìn)行原子的冷卻和捕獲，利用射頻場(chǎng)和雙阱對(duì)原子進(jìn)行分束等相干操控，通過(guò)小尺寸（1mm）的相互作用區(qū)，實(shí)現(xiàn)微型原子加速度計(jì)。

2）美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室于2015年1月26日提交了公開(kāi)號(hào)為US20160216114A1的專(zhuān)利申請(qǐng)，提供了一種大面積原子干涉的方案，通過(guò)使用大的動(dòng)量轉(zhuǎn)移原子干涉測(cè)量與拉曼隔熱通道掃描的慣性感測(cè)，將序列應(yīng)用于原子云產(chǎn)生動(dòng)量分裂，并且對(duì)原子云應(yīng)用至少一個(gè)增強(qiáng)脈沖增加動(dòng)量分裂，從而允許更高的數(shù)據(jù)速率。美國(guó)Sandia公司在2013年5月29日提交了公開(kāi)號(hào)為US9086429B1的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種光脈沖原子干涉測(cè)量裝置，所述裝置包括容器、兩組磁線圈、兩個(gè)磁光阱（MOT）和光學(xué)系統(tǒng)，所述磁光阱被配置為在被激活時(shí)將原子蒸氣磁性地限制在容器內(nèi)，所述光學(xué)系統(tǒng)被配置為用激光照射容器內(nèi)的原子蒸氣輻射，當(dāng)適當(dāng)調(diào)諧時(shí)，可以發(fā)射先前限制在每個(gè)MOT中的原子朝向另一MOT，磁性線圈被配置為產(chǎn)生在陷阱之間的中點(diǎn)處非零的磁場(chǎng)，所發(fā)射的原子從一個(gè)MOT到另一個(gè)MOT的飛行時(shí)間為12ms或更短，所述裝置被配置為根據(jù)特定的時(shí)間磁場(chǎng)梯度分布來(lái)激活磁性線圈，可以形成高速率的原子干涉。

3）法國(guó)國(guó)家航空航天研究院在2014年4月3日提交了公開(kāi)號(hào)為FR3019691A1的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種用于原子干涉儀的光學(xué)激光系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的調(diào)制器中包含調(diào)制輸入控制部分，該部分根據(jù)施加的調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)制接收的激光束，調(diào)制與衍生的激光束的波長(zhǎng)的組合由反饋信號(hào)所基于的后一激光束的波長(zhǎng)組成，允許快速地修改波長(zhǎng)并且減少了空間需求，對(duì)外部噪聲不敏感，在其整個(gè)使用壽命期間具有穩(wěn)定的操作。美國(guó)AOSense公司在2012年9月4日提交了公開(kāi)號(hào)為US8921764B2的專(zhuān)利申請(qǐng)，其中提供一種冷原子捕獲系統(tǒng)，使得激光冷卻的原子蒸氣源耦合到陷阱，以從每個(gè)端部產(chǎn)生離開(kāi)陷阱的原子束，使用永磁體的布置來(lái)形成陷阱，具有捕獲體積內(nèi)部的線性場(chǎng)和捕獲體積外部的小的邊緣場(chǎng)，可以有效地使原子的捕獲體積和負(fù)載速率最大化到捕獲器中。

4 結(jié)論和建議

冷原子干涉陀螺儀技術(shù)作為未來(lái)慣性傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向，得到了世界各國(guó)的普遍重視，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量整體呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，但大多處于

概念階段，各種技術(shù)路線尚有諸多不確定性，大多處于實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)階段。只有美國(guó)、法國(guó)等幾個(gè)國(guó)家逐步解決了系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和集成問(wèn)題，正著力于攻克高動(dòng)態(tài)范圍和微小型化等應(yīng)用難題，說(shuō)明其技術(shù)已進(jìn)入工程實(shí)用化階段。中國(guó)在冷原子干涉陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，尤其是對(duì)于微小型化的研究剛剛起步，理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究經(jīng)驗(yàn)不足。對(duì)于我國(guó)而言，加速開(kāi)展冷原子干涉陀螺儀技術(shù)研究對(duì)未來(lái)高性能武器和宇航領(lǐng)域慣性技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。從國(guó)外近幾年公開(kāi)的專(zhuān)利來(lái)看，大動(dòng)量傳輸、長(zhǎng)基線原子干涉和利用輔助傳感器提高冷原子干涉陀螺儀的測(cè)量精度以及將冷原子慣導(dǎo)系統(tǒng)與傳統(tǒng)INS結(jié)合起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合制導(dǎo)是目前國(guó)外主要的研發(fā)方向。另外，除原子傳感器系統(tǒng)本體部分的微小型化方法和設(shè)計(jì)之外，原子傳感器關(guān)鍵部件及其微小型化設(shè)計(jì)也是冷原子干涉陀螺儀技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要支撐和解決方案。

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Patent Analysis of Cold Atom Interference Gyroscope Technology

LI Ming-ze1，CHU Peng-jiao1，ZHANG Chao2
（1.China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering，Beijing 100048；2.Navigation and Control Technology Research Institute of Norinco Group，Beijing 100089）

The cold atom interference gyroscope is an important development direction of the next generation of ultrahigh precision gyroscope，and it is expected to open up a new technology approach in the new generation of inertial navigation technology.Cold atom interference gyroscope has a wide range of applications in the field of high-performance weapons，deep space exploration and other fields.The main application direction is the most valuable strategic large-scale weapons platform，including ballistic missiles，strategic nuclear submarines and long-range strategic bombers.This paper focuses on the relevant technologies of cold atom interference gyroscope to carry out patent analysis and research work，including technical distribution，application trend，application area and key applicant analysis，to understand the development status and distribution of the technology.Through the interpretation of key patents，the development trend of the technology is forecasted and the proposals for our country are put forward.

ultra-high precision；inertial navigation；autonomous navigation；cold atom gyroscope；patent analysis

V448.2

A

1674-5558（2017）07-01426

10.3969 /j.issn.1674-5558.2017.06.018

2017-06-28

李明澤，女，博士，研究方向?yàn)閷?zhuān)利分析評(píng)議。