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冷原子干涉陀螺仪技术专利分析研究

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发表于 2020-9-16 14:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 fish1352 于 2020-9-16 14:08 编辑 . \2 P- j# i8 e" Z( n

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  冷原子陀螺仪是未来高精度惯性导航系统的核心器件,是提升导弹武器装备精确打击能力的关键技术。本文围绕冷原子干涉陀螺仪的相关技术进行专利分析研究,包括技术分布、申请趋势、申请区域和重点申请人分析,旨在了解该技术领域的技术发展现状和分布情况。
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引言. E  X9 C6 ]; g* i& o& g
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  惯性导航系统作为一种自主式导航系统,与卫星导航系统相比具有全天候、全时空、隐蔽性好、不易被干扰、无法被反利用和生存能力强等优点;但是作为一种推算式导航系统,陀螺仪和加速度计误差(特别是陀螺仪误差)将导致其导航参数误差随时间积累,致使导航精度随时间而发散。虽然经过几十年的发展,陀螺仪性能有了较大的改进和提高,但仍然难以满足快速发展的高精度惯性导航系统的需求。随着原子激光冷却与陷俘技术、制备技术以及原子光学等现代物理基础理论和关键技术相继获得重大突破,以冷原子干涉陀螺仪为代表的高精度惯性导航技术得到了相应突破。与热原子干涉仪相比,冷原子的应用可以更精确地控制原子速度以及与激光交互作用时间,使原子干涉仪系统尺寸更小、精度更高,有望大幅提高空间飞行器自主导航及航空姿态控制的精确性。此外,自主导航设备在体积、重量、功耗和成本的减小上面临着严峻的挑战,为了满足当前战略乃至战术武器的使用要求,冷原子干涉陀螺仪的微小型化技术也被提上日程。高精度微小型惯性器件可以不依赖卫星信号进行独立导航,这将大大提高精准武器装备的应用范围和可靠性。
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专利趋势构成分析
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  本文采用德温特世界专利索引数据库(Derwent World Patents Index,简称:德温特数据库或DWPI)对冷原子干涉陀螺仪及其微系统技术进行专利检索,检索截止时间为2016年12月31日,经人工去噪共获得419件专利文献,共200项Incopat同族专利。
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图1 冷原子干涉陀螺仪技术构成图
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' ]3 ]( X" S4 ^ 技术发展路线
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表1 各技术分支的发展路线
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: X6 `( f. }" U' O  由表1可以看出,冷原子干涉陀螺仪总体方案设计、集成化激光光源技术、小型化高真空系统、冷原子捕获、冷原子初态制备技术研究和冷原子干涉陀螺仪干涉效应及陀螺效应实现及检测等六个技术分支在最近十年的专利申请都呈快速增长趋势,说明这些关键技术发展前景看好,尤其是冷原子干涉陀螺仪总体方案设计和集成化激光光源技术两个分支更是增长突出,这说明原子干涉惯性陀螺仪已经开始从实验室迈入工程实用化的研究阶段,集成化和小型化以使冷原子陀螺仪在惯性导航领域的应用更具优势,随着冷原子团重复装载技术和窄线宽激光稳定技术的发展,解决了冷原子陀螺仪的带宽问题,使得冷原子团陀螺仪在工程化进程中更进一步,因此陀螺仪总体方案和激光光源的设计这两方面的研究有着十分重要的意义。当然,作为冷原子陀螺仪物理实现的基础和关键技术,小型化高真空系统、冷原子捕获、冷原子初态制备技术研究和冷原子干涉陀螺仪干涉效应及陀螺效应实现及检测技术在近十几年的申请也呈现稳步增长的趋势,相比而言,电控系统和陀螺仪表头的稳定集成方面,更多是一些工艺设计和细节改进,创新性不高,专利申请量较少。
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% G6 f! b  D; m# w  b' h; U 专利申请区域分布$ T1 D/ T7 S/ I# z' j) I' g/ O/ u4 O

7 x* M$ U! Q  D  对419件专利申请的技术产出国进行统计,获得如图2所示的专利申请区域分布图。其中,美国的专利申请最多,达到202件,占总申请量的48%;欧洲的专利申请量排名第二,有94件专利申请,占总申请量的22%;中国的专利申请量居第三位,共产出81件专利申请,占总申请量的19%;日本也有36件专利申请,占总申请量的9%,韩国、澳大利亚等其他国家专利申请量较少,合起来占总申请量的2%。. E& B1 y' `: z3 W+ c, J

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图2 冷原子干涉陀螺仪技术专利申请区域分布
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图3 中美两国的技术分布" g9 }8 G. z6 c4 {8 w5 ~3 Z

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; {$ i1 p1 V3 o2 Q' c2 K 主要申请人分析
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( y! D4 r; {$ ~- e  选取全球申请进行申请人统计分析,得到如图5所示的申请人排名。其中,美国的申请人有4家,欧洲的机构有4家,日本的申请人有1家。
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图4 全球专利申请人排名" k5 _' h6 e% P: {) w$ S

9 K- P/ _5 j$ p  在美国的申请人中,霍尼韦尔国际公司申请了68件专利申请,涉及频率稳定激光系统、芯片级冷原子钟、分叉波导原子陀螺仪和具有自适应发射方向和位置的原子干涉仪等多个方面;西电公司在原子陀螺仪方面的申请都集中在1969-1972年之间,涉及中性粒子的捕获和加速以及激光生成等原理性基础技术;诺·格公司的申请主要涉及非连续工作陀螺的信号数据处理、磁光阱冷原子捕获和探测束频率稳定等方面;斯坦福大学发表了众多有价值的核心期刊文献,并在捕获和加速中性粒子,以及原子操纵等方面拥有核心基础专利。
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  在欧洲的申请人中,法国国家科学研究中心(CNRS)在冷原子陀螺方面的专利主要涉及冷原子干涉传感器、原子钟信号调控和中性粒子的放射冷却等技术;Thales公司在原子捕获、冷却和集成化激光光源技术等方面申请了相关专利;法国国家航空航天研究院(ONERA)申请的专利包含差分惯性测量、应用原子干涉仪进行重力场的测量、原子束与激光光束的相关作用及调控以及两组原子对抛干涉仪的设计和集成光源设计等方面。( u" n# n# d; Y8 d1 F
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  日本精工爱普生公司 在高精度陀螺仪传感器和小型MEMS陀螺仪方面拥有较强的技术实力,在冷原子技术方面主要涉及原子电池,量子干涉装置,原子振荡器等。
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