黃勇軍，李昕蔚，吳江波，閆 興，陳鼎威，李 建，文光俊

(電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成都 611731)

0 引言

微慣性測量技術(shù)是指利用微納尺寸的慣性傳感器件，對運(yùn)載體的加速度、角速度等慣性參數(shù)進(jìn)行測量的技術(shù)，其在產(chǎn)品級應(yīng)用的主要表現(xiàn)形式是基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的微慣性測量單元(Micro Inertial Me-asurement Unit，MIMU)。MEMS MIMU是微慣性導(dǎo)航技術(shù)的核心，同時(shí)也是微定位導(dǎo)航授時(shí)(Micro-technology for Positioning, Navigation and Timing, μ-PNT)技術(shù)的重要組成部分。而PNT技術(shù)可以彌補(bǔ)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)信號脆弱性的不利影響，實(shí)施全空域目標(biāo)的PNT服務(wù)是國家級的戰(zhàn)略技術(shù)，已受到各個(gè)國家的高度重視。美國于2005年開始研究PNT系統(tǒng)，并在2010年發(fā)布了PNT系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃，目標(biāo)是“發(fā)展獨(dú)立于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的綜合性國家PNT系統(tǒng)，預(yù)期在2025年前后為美國提供更高效的PNT能力”；中國則提出以北斗系統(tǒng)為核心，計(jì)劃于2035年前建立和完善一個(gè)更加普遍化、集成化和智能化的綜合PNT系統(tǒng)，旨在為全球用戶提供更統(tǒng)一、更準(zhǔn)確、更可靠的時(shí)空信息服務(wù)。在綜合PNT系統(tǒng)中，慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種不依賴外部信息，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，早已滲透到人類生活的方方面面，小至智能手機(jī)、機(jī)動車、機(jī)器人、無人機(jī)，大至飛機(jī)、導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域，而這都離不開基礎(chǔ)的IMU技術(shù)的發(fā)展，因此相關(guān)研究是十分有必要的。

IMU根據(jù)其在慣性導(dǎo)航應(yīng)用場景中的性能和精度需求進(jìn)行分級，可分為戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級和消費(fèi)級，如表1所示。傳統(tǒng)的MEMS MIMU主要集中在消費(fèi)級和戰(zhàn)術(shù)級，目前世界上精度最高的MEMS MIMU 已突破導(dǎo)航級，但受制于校準(zhǔn)方法和各類電學(xué)噪聲、熱噪聲以及分辨率極限等，很難再進(jìn)一步提高性能。近年來，微光機(jī)電系統(tǒng)(Micro Opto-Electro-Mechanical System，MOEMS)技術(shù)得到快速發(fā)展，特別是其中基于腔光力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，使該問題有了新的解決思路。

表1 慣性測量單元性能等級分類[9]

鑒于此，本文對近年來微慣性測量技術(shù)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對未來可能出現(xiàn)的新型MIMU技術(shù)進(jìn)行了展望。本文的主要框架如下：第一部分介紹了MEMS MIMU，分析了其存在的問題，并提出了解決方案；第二部分介紹了MOEMS 加速度計(jì)、陀螺儀等新型慣性傳感器，特別是基于腔光力系統(tǒng)的加速度計(jì)和陀螺儀的最新研究成果，提出了將腔光力系統(tǒng)用于設(shè)計(jì)MIMU的構(gòu)想；第三部分介紹了基于壓縮光源的量子增強(qiáng)型傳感技術(shù)，并提出了一種使用壓縮光源以進(jìn)一步降低腔光力系統(tǒng)噪聲的創(chuàng)新思路。

1 MEMS微慣性測量技術(shù)

在各式各樣的MIMU中，MEMS MIMU因體積小、質(zhì)量小、成本低、功耗少而占據(jù)大量市場，被廣泛應(yīng)用于定位與導(dǎo)航等眾多場合，如智能手機(jī)導(dǎo)航、城市環(huán)境定位、汽車自動導(dǎo)航、行人室內(nèi)導(dǎo)航等。MIMU一般由正交的三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀構(gòu)成，很多情況下也會使用三軸磁力計(jì)提供輔助信息。其中微加速度計(jì)可以測量運(yùn)載體的加速度，陀螺儀可以測量運(yùn)載體的角速度。兩者結(jié)合，根據(jù)陀螺儀輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系，根據(jù)加速度計(jì)輸出解算出運(yùn)載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置，所形成的系統(tǒng)便是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)，進(jìn)而可以與GNSS集成，提供低成本的導(dǎo)航解決方案。

2021年，K.Borodacz等對2020年上半年的IMU市場進(jìn)行了綜合調(diào)研，得出目前MEMS MIMU雖占據(jù)大量市場，但其性能仍無法滿足高精度的技術(shù)需求。隨著軍事武器等領(lǐng)域?qū)EMS MIMU性能的要求越來越高，如何提高其精度將是科研工作者們接下來要關(guān)注的難題。近年來，專家學(xué)者們提出了諸如校準(zhǔn)算法、旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)、去噪方法等方案，以試圖在不同程度上提高M(jìn)EMS MIMU的性能，現(xiàn)階段部分MEMS MIMU技術(shù)已實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級性能。例如，2020年S.Zotov等對美國SDI(Systron Donner Inertial)公司的SDI500 IMU產(chǎn)品中的陀螺儀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)(如圖1(a)所示)，并改進(jìn)前端電子器件以優(yōu)化噪聲參數(shù)，最終得到陀螺儀的角度隨機(jī)游走(Angle Random Walk, ARW)優(yōu)于0.001(°)/h，零偏不穩(wěn)定性約為0.005(°)/h，達(dá)到導(dǎo)航級性能。同年，中國研制出一種新型高精度MEMS IMU，其產(chǎn)品圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1(c)、圖1(d)所示，其角度隨機(jī)游走達(dá)到0.003(°)/h，零偏不穩(wěn)定性達(dá)到0.006(°)/h，代表當(dāng)時(shí)商用空間應(yīng)用的最高精度MEMS IMU。2021年，Honeywell公司基于HG1930 MEMS IMU進(jìn)一步開發(fā)了HG7930 MEMS IMU，產(chǎn)品圖如圖1(b)所示，實(shí)現(xiàn)了約1個(gè)數(shù)量級的性能提升，其角度隨機(jī)游走達(dá)到0.0035(°)/h。然而，受制于校準(zhǔn)方法和分辨率極限，特別是各類電學(xué)噪聲、機(jī)械熱噪聲(如式(1)所示)，導(dǎo)致MEMS IMU的進(jìn)一步提升空間很小，而且再度提升也將導(dǎo)致其失去低成本的優(yōu)勢。

(a)

(1)

2 MOEMS和腔光力慣性測量技術(shù)

2.1 MOEMS慣性測量技術(shù)

MOEMS技術(shù)是將MEMS技術(shù)與微光學(xué)技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的多學(xué)科交叉性技術(shù)，它兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)低成本、小型化、可集成、可大批量生產(chǎn)，同時(shí)滿足高精度、高靈敏度、高熱穩(wěn)定性，以及強(qiáng)抗電磁干擾能力的微光學(xué)慣性傳感和測量。它可以克服傳統(tǒng)MEMS MIMU基于電容傳感的一些缺點(diǎn)，如輸入加速度引起小電容變化、寄生電容、卷曲效應(yīng)、易受電磁干擾、窄帶寬等，同時(shí)解決了傳統(tǒng)光學(xué)陀螺儀尺寸、質(zhì)量、功耗和成本大的問題，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榛贛OEMS制造的小型化芯片級器件。將MOEMS技術(shù)用于研制新型MIMU中，有望以較低成本大幅提高M(jìn)IMU產(chǎn)品的性能。雖然當(dāng)前產(chǎn)品級的MOEMS MIMU還未研制出，但MOEMS微加速度計(jì)和陀螺儀方面已有許多成果不斷涌現(xiàn)。

現(xiàn)階段MOEMS微加速度計(jì)主要有三種方案。其一是基于光強(qiáng)的幾何光學(xué)方案，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其中質(zhì)量塊通過懸掛元件附接到基板，質(zhì)量塊的凸起部分位于輸入、輸出光纖之間。施加的加速度導(dǎo)致質(zhì)量塊發(fā)生位移，輸出光纖中透射光強(qiáng)度隨之產(chǎn)生變化，據(jù)此通過測量透射光強(qiáng)度變化量可得到施加的加速度大小。這種加速度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，一般在m級精度，但對加速度的敏感度差。其二是基于波動光學(xué)的方案，加速度計(jì)中的質(zhì)量塊受外部加速度作用發(fā)生位移，從而引起激光波長(或頻率/相位)的變化，通過測量該變化量可得到施加的加速度大小。根據(jù)光學(xué)位移測量單元的形式和測量原理，又可細(xì)分為光柵干涉腔、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating， FBG)、法布里-珀羅腔(Fabry-Perot cavity)和光子晶體等方法，這類加速度計(jì)研究較為廣泛，比第一類更精確，可達(dá)到μ級精度，且具有更大的工作帶寬。其三是基于光-物質(zhì)相互作用的新的光力學(xué)/量子光力學(xué)方案，如圖2(b)所示，這種加速度計(jì)的精度有望達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)量子極限(Standard Quantum Limit，SQL)，目前還在研究發(fā)展階段。

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基于光強(qiáng)調(diào)制的原理，2008年美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室N. A. Hall等提出了一種新型光學(xué)微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，檢測電極相對于剛性衍射光柵背板電極垂直移動，以提供在用相干光照射時(shí)質(zhì)量塊位移的干涉檢測分辨率，其加速度探測分辨率理論可達(dá)到43.7n/Hz。2012年，加拿大蒙特利爾工程學(xué)院K. Zandi等通過集成法布里-珀羅腔以及片上光波導(dǎo)方式，實(shí)現(xiàn)了一種高性能光學(xué)加速度計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，其測試獲得的加速度探測分辨率達(dá)到111μ/Hz。2016年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)A.Sheikhaleh等利用一維(1D)光子晶體,提出了一種基于強(qiáng)度調(diào)制的MOEMS加速度計(jì)的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示，可用于從消費(fèi)電子產(chǎn)品到慣性導(dǎo)航的各種應(yīng)用，具有119.21nm/的機(jī)械靈敏度和0.32%/的光學(xué)靈敏度?；陬愃圃恚?019年國內(nèi)華中科技大學(xué)Tang S.等在傳統(tǒng)MEMS加速度質(zhì)量塊中心刻蝕出一條微縫隙，并通過檢測透過該縫隙的光斑位置因重力加速度變化產(chǎn)生的位移來測量加速度大小，實(shí)現(xiàn)了約8.16n/Hz的測量精度。

基于波動光學(xué)的原理，2017年浙江大學(xué)Lu Q.等提出了一種基于光柵干涉腔的MOEMS加速度計(jì)，并進(jìn)行傳感結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原理如圖3(d)所示，圖中包含一個(gè)光柵干涉測量腔和一個(gè)由檢測質(zhì)量、彈簧懸架和支撐結(jié)構(gòu)組成的機(jī)械傳感結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)超高靈敏度、低跨軸靈敏度和低頻應(yīng)用，噪聲水平為185.8n/Hz。2019年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)M.Ahmadian等基于波長調(diào)制，并利用石墨烯的特性，提出了一種高靈敏度、寬帶寬、大線性測量范圍的石墨烯MOEMS加速度計(jì)，如圖3(e)所示，光學(xué)靈敏度為0.2111nm/，機(jī)械靈敏度為0.4617nm/。同年，A.K.N.Shotorban等提出了一種基于微環(huán)諧振器的MOEMS加速度計(jì)，如圖3(f)所示，該加速度計(jì)的機(jī)械部分由2個(gè)彈簧和1個(gè)質(zhì)量塊組成，微環(huán)連接到質(zhì)量塊上。當(dāng)對系統(tǒng)施加加速度時(shí)微環(huán)移動，這會導(dǎo)致下降端口的波長響應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而可通過光電探測器進(jìn)行檢測以測量施加的加速度。該加速度計(jì)具有0.0025nm/的光學(xué)靈敏度和1.56nm/的機(jī)械靈敏度。2020年，中北大學(xué)Huang K.等提出了基于一維光子晶體波長調(diào)制的新型MOEMS加速度計(jì)，如圖3(g)所示，其由4個(gè)彈簧連接的可移動檢測質(zhì)量塊感知振動信號，一維光子晶體系統(tǒng)則可以調(diào)制光信號，該加速度計(jì)的靈敏度達(dá)到2.06nm/。2021年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)M.Taghavi等基于法布里-珀羅腔，提出了一種雙軸MOEMS加速度計(jì)，如圖3(h)所示，外部輸入加速度會導(dǎo)致法布里-珀羅腔在每個(gè)方向上的長度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉儀的輸出光譜發(fā)生變化，通過測量頻譜偏移量可以計(jì)算出加速度的值和方向，得到的和兩個(gè)方向的精度分別為309μ和313μ。同年，我國Yao Y.等提出了一種基于光柵干涉腔的改進(jìn)型MOEMS加速度計(jì)，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到加速度靈敏度約為60V/，噪聲為15n/Hz。

MOEMS陀螺儀由于同時(shí)具有高精度、低成本和易于制造的優(yōu)勢，亦受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。2019年，東南大學(xué)Shen X.等提出了一種基于波導(dǎo)微環(huán)諧振器的MOEMS諧振陀螺儀，通過測量透射光譜的移動來工作。該陀螺儀的角度隨機(jī)游走可達(dá)0.09(°)/h，使其成為低成本、批量制造、小尺寸慣性級MOEMS陀螺儀的理想選擇。同年，東南大學(xué)Xia D.等提出了一種基于回音壁模式(Whispe-ring Gallery Mode，WGM)微盤諧振器和MEMS諧振器的MOEMS陀螺儀。MOEMS諧振器在電極輸入信號的驅(qū)動模式下工作時(shí)，若受到旋轉(zhuǎn)作用，將激活其感應(yīng)模式，產(chǎn)生與角速度有關(guān)的形變，從而引起WGM諧振器透射譜的位移。通過測量該位移，就可以確定外部輸入的角速度。2021年，中北大學(xué)Xie K.等設(shè)計(jì)了一種新型基于單層近場衍射光柵塔爾博特(Talbot)效應(yīng)的MOEMS陀螺儀，其結(jié)構(gòu)如圖3(i)所示，微位移檢測靈敏度可達(dá)0.09%/nm，諧振頻率為7048Hz，品質(zhì)因數(shù)為700，與電容檢測相比，該結(jié)構(gòu)更簡單、性能更可靠。

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2.2 腔光力系統(tǒng)慣性測量技術(shù)

腔光力系統(tǒng)(Cavity optomechanical system)慣性測量技術(shù)是一種基于光-物質(zhì)相互作用的新型光力學(xué)/量子光力學(xué)精密測量方案。隨著高精度光學(xué)微納加工技術(shù)的快速發(fā)展，腔光力系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用研究受到了廣泛關(guān)注。它能夠?qū)崿F(xiàn)光和機(jī)械諧振器之間的相互作用，為宏觀量子系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理和精密傳感的實(shí)際應(yīng)用提供一個(gè)平臺。在腔光力系統(tǒng)中，機(jī)械運(yùn)動與光的耦合通過光學(xué)腔(法布里-珀羅腔、WGM球形腔、光子晶體等)實(shí)現(xiàn)共振增強(qiáng)，使得其能夠精確感測多個(gè)物理量，包括位移、質(zhì)量、力、加速度、磁場和超聲波等。腔光力系統(tǒng)應(yīng)用于加速度和角速度傳感具有巨大優(yōu)勢，使其有很大潛力應(yīng)用在高精度慣性測量及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。

如圖2(b)所示，經(jīng)典腔光力系統(tǒng)中存在兩種物理諧振模式，分別為光學(xué)微腔的光學(xué)諧振模式和機(jī)械振子(質(zhì)量塊)的機(jī)械振蕩模式。對于設(shè)計(jì)研制完成的腔光力系統(tǒng)，其質(zhì)量塊質(zhì)量、光學(xué)諧振特性、機(jī)械諧振特性、光機(jī)械耦合率等便可確定。因此，在固定激光波長和幅度的情況下，光學(xué)微腔或機(jī)械振子最終的諧振/振蕩特性(頻率、幅度、相位等)僅隨外加加速度大小及方向的變化而變化，故而通過檢測光學(xué)微腔諧振特性或機(jī)械振子振蕩特性變化即可表征出加速度大小和方向。

腔光力系統(tǒng)運(yùn)用在加速度傳感上已有了許多顯著成果。2012年，美國加州理工學(xué)院A.G.Kra-use 等設(shè)計(jì)了一種基于平面集成氮化硅(SiN)光子晶體腔的腔光力系統(tǒng)加速度計(jì)，如圖4(a)所示，采用鏈接有大質(zhì)量塊的光子晶體微腔感知因加速度作用產(chǎn)生的位移導(dǎo)致光學(xué)諧振腔特性的變化，進(jìn)而通過測試光學(xué)特性及腔光力耦合特性的變化，以實(shí)現(xiàn)高帶寬和高分辨率的加速度傳感，其分辨率達(dá)到10μ/Hz。2014年，美國馬里蘭大學(xué) C.F.Guz-mán等采用尺寸更大的可移動機(jī)械振蕩器，研制出探測精度為100n/Hz的腔光力加速度計(jì)。2016年，美國Y.Bao等設(shè)計(jì)了一種具有半球形空腔的平均取向的腔光力加速度計(jì)，采用法布里-珀羅干涉測量法和高精度光學(xué)腔轉(zhuǎn)換加速度，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1μ/Hz的分辨率。同年，國內(nèi)浙江大學(xué)Lu Q.等提出了基于光柵的腔光力加速度計(jì)，如圖4(b)所示，該加速度計(jì)由1個(gè)基于光柵的腔體和1個(gè)由4個(gè)蟹形懸臂與1個(gè)質(zhì)量塊組成的加速度傳感芯片組成。光柵平行地安裝在傳感芯片的頂部，當(dāng)準(zhǔn)直激光束垂直入射光柵時(shí)，基于光柵的腔的輸出光強(qiáng)度隨腔的長度而變化，通過檢測其位置和入射光利用率，可計(jì)算出光柵和質(zhì)量塊之間的位移，進(jìn)而得出輸入的外部加速度。通過實(shí)驗(yàn)測試獲得該加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性達(dá)到 1.325μ。2018 年，英國倫敦大學(xué)學(xué)院Li Y.L.等提出了基于 WGM 光力結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)，利用光學(xué)WGM諧振器與波導(dǎo)的運(yùn)動的色散和耗散耦合。其中二氧化硅微球懸臂梁同時(shí)用作光學(xué)腔和慣性測試質(zhì)量。輸入加速度引起懸臂梁的偏轉(zhuǎn)，將改變微球和波導(dǎo)之間的倏逝耦合，進(jìn)而可測量頻移，實(shí)現(xiàn) WGM 共振的展寬。該加速度計(jì)原理如圖4(c)所示，其探測精度可達(dá) 4.5μ/Hz，偏置不穩(wěn)定性為 31.8μ。2020年，國內(nèi)電子科技大學(xué)Huang Y.等設(shè)計(jì)研制出一種硅基腔光力加速度計(jì)芯片結(jié)構(gòu)，在光子晶體腔光機(jī)械結(jié)構(gòu)上連接了質(zhì)量較大的硅懸臂，可通過光學(xué)彈性效應(yīng)測量機(jī)械振蕩頻率的偏移，以探測微弱加速度的變化量。重點(diǎn)提出了基于腔光力系統(tǒng)的參數(shù)光機(jī)械放大原理，以提高靈敏度和抑制機(jī)械熱噪聲特性，從而獲得了接近熱噪聲極限的 8.2μ/Hz探測精度，以及 50.9μ的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)，結(jié)構(gòu)如圖4(d)所示。

(a)

綜上所述，基于腔光力系統(tǒng)的加速度計(jì)和陀螺儀具有極高的精度與性能(部分陀螺儀、加速度計(jì)性能匯總?cè)鐖D5所示)，若能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單、制造簡易、可大規(guī)模生產(chǎn)的新型腔光力系統(tǒng)光學(xué)加速度計(jì)和陀螺儀，將有望替代MEMS技術(shù)，運(yùn)用至超高精度慣性測量當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)新型戰(zhàn)略級的MIMU產(chǎn)品。

圖5 加速度計(jì)和陀螺儀性能參數(shù)

3 量子及量子增強(qiáng)型高精度測量技術(shù)

雖然MOMES及腔光力系統(tǒng)相比MEMS大幅度提高了慣性測量性能，但仍存在一些激光源引入的噪聲，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。腔光力系統(tǒng)加速度計(jì)和陀螺儀的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、量子反作用噪聲等。為了降低噪聲，可在基態(tài)下準(zhǔn)備機(jī)械諧振器，即降低其溫度，以減小熱噪聲；可以用不同的輸入功率重新配置，通過光學(xué)彈簧和阻尼效應(yīng)進(jìn)行調(diào)諧，以減小散粒噪聲和量子反作用噪聲。對于腔光力加速度計(jì)，可以通過較大的光學(xué)模式體積來減小熱折射噪聲；而對于腔光力陀螺儀，則可以通過增大光學(xué)功率和提高光學(xué)品質(zhì)因數(shù)來減小光學(xué)散粒噪聲。然而，這些方法對減小噪聲的作用十分有限。

隨著量子精密測量技術(shù)的快速突破和發(fā)展，出現(xiàn)了一些基于量子效應(yīng)的陀螺儀，大大降低了上述噪聲的影響，如較為典型的冷原子干涉陀螺儀、核磁共振陀螺儀，以及新型的金剛石自旋陀螺儀、原子-光混合量子陀螺儀等。量子陀螺的出現(xiàn)，引領(lǐng)慣性導(dǎo)航技術(shù)迎來一場新的革命，已經(jīng)成為當(dāng)今導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域最為前沿的研究課題之一。量子陀螺具有很多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、分辨率高、環(huán)境適應(yīng)性好、尺寸小等；不過成本較高，難以大批量生產(chǎn)。相比之下，基于壓縮光源的量子增強(qiáng)型傳感技術(shù)成本較低，且提供了一種降低腔光力系統(tǒng)慣性器件噪聲的新途徑。

此外，近年來使用壓縮光源實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)傳感的應(yīng)用已十分廣泛，例如壓縮光源可應(yīng)用于穩(wěn)定激光功率(圖6(a))、光譜測量(圖6(b))、引力波探測(圖6(c))、光學(xué)頻率梳測量(圖6(d))、等離子體傳感(圖6(e))、測磁(圖6(f)、圖6(g))等。其中，美國A.Kumar等用強(qiáng)度差為9dB的壓縮光源實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)等離子體傳感器，當(dāng)用于檢測超聲波時(shí)，其靈敏度相對于散粒噪聲極限提高了56%。Li B.B.等將壓縮光源運(yùn)用至腔光力磁力計(jì)中，本底噪聲被抑制了約40%，在散粒噪聲占主導(dǎo)地位的頻率下，靈敏度提高了約20%。

(a)

在已報(bào)道的各種基于壓縮光源的量子增強(qiáng)型精密測量技術(shù)方案中，均利用壓縮光源抑制傳統(tǒng)激光源中存在的散粒噪聲等噪聲源，從而獲得接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的探測精度。由此，若將壓縮光源用于腔光力系統(tǒng)慣性傳感技術(shù)中，將進(jìn)一步提高腔光力系統(tǒng)慣性傳感器件的性能，這將是未來的熱點(diǎn)研究方向之一。

4 結(jié)論及展望

本文針對微慣性測量技術(shù)的最新研究進(jìn)展情況展開論述，首先指出當(dāng)前MIMU市場的主要構(gòu)成是基于MEMS的產(chǎn)品，進(jìn)而對這類MIMU結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)進(jìn)行了簡要分析；接著重點(diǎn)總結(jié)分析了近年來快速發(fā)展的MOEMS慣性傳感、微腔光力系統(tǒng)慣性傳感、量子及量子增強(qiáng)傳感技術(shù)等方面的研究進(jìn)展情況；最后，針對目前新型微慣性測量技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的特點(diǎn)及存在的技術(shù)瓶頸，對一種新型微慣性測量方案進(jìn)行了展望，總結(jié)如下：

1)IMU對于INS乃至PNT都非常重要，目前市場上的IMU大多是基于MEMS的，但傳統(tǒng)MEMS IMU的精度無法滿足高性能需求，主要受限于各種電子噪聲和機(jī)械熱噪聲等，可通過校準(zhǔn)算法、旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)、去噪方法等方案，在一定程度上提升MEMS IMU的精度等性能指標(biāo)。

2)另一方面，采用快速發(fā)展的MOEMS技術(shù)能夠降低MIMU的部分電學(xué)噪聲特性，但MOEMS采用激光源作為激勵(lì)，仍存在因激光源引入的散粒噪聲和量子反作用噪聲等噪聲源，以及機(jī)械振子存在的固有機(jī)械熱噪聲。為此，可通過MOEMS系統(tǒng)本身的光機(jī)械互作用效應(yīng)，例如本文提出的腔光力系統(tǒng)的參數(shù)光機(jī)械放大原理，抑制機(jī)械噪聲；在此基礎(chǔ)上，通過壓縮光源技術(shù)、量子噪聲消除技術(shù)等途徑，抑制散粒噪聲和量子反作用噪聲，最終實(shí)現(xiàn)高精度的慣性測量。

3)如上所述，基于壓縮光源的量子增強(qiáng)型精密測量技術(shù)得到快速發(fā)展并產(chǎn)生大量應(yīng)用，使用壓縮光源能進(jìn)一步降低MOEMS慣性傳感器的散粒噪聲，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)量子噪聲極限(海森堡不確定性極限)，將是未來的熱點(diǎn)研究方向之一。為此，本文末尾提出了一種基于腔光力系統(tǒng)的量子增強(qiáng)型IMU的慣性測量技術(shù)方案設(shè)想，有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、可集成化、大批量生產(chǎn)的新型MIMU產(chǎn)品。

4)然而，目前報(bào)道的各種新型MOEMS慣性測量技術(shù)，包括前述基于腔光力系統(tǒng)及量子增強(qiáng)型的慣性傳感技術(shù)，其系統(tǒng)級集成還處在起步階段，大部分的MOEMS慣性傳感器系統(tǒng)采用板級電路，因此針對MOEMS慣性測量技術(shù)的專用集成電路亦是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)利用MOEMS技術(shù)提高慣性測量精度，各種新材料、新工藝的發(fā)展亦將成為未來重點(diǎn)關(guān)注的方向。

綜上，基于新型MOEMS技術(shù)的高精度微慣性測量技術(shù)的發(fā)展，離不開基礎(chǔ)的材料制備、成熟的加工工藝，以及對各種噪聲源產(chǎn)生機(jī)理的揭示和有效抑制途徑的實(shí)現(xiàn)，還有針對MOEMS技術(shù)的專用集成電路的發(fā)展與成熟。