蔣軍彪,王曉章,譚鵬立

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

原子陀螺及其在智能彈藥中的應(yīng)用前景分析*

蔣軍彪,王曉章,譚鵬立

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

不依賴于衛(wèi)星的高精度導(dǎo)航定位技術(shù)正逐步受到世界強(qiáng)國的重視,新型高性能慣性傳感器是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵要素?；诹孔有?yīng)的原子陀螺極具高精度潛質(zhì),文中介紹了兩種原子干涉陀螺儀和兩種原子自旋陀螺儀的技術(shù)方案和工作原理;根據(jù)不同方案的特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀,較為深入的分析了各種方案優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為微型核磁共振原子陀螺儀在智能彈藥中有更好的應(yīng)用前景。

原子干涉陀螺儀;原子自旋陀螺儀;智能彈藥

0 引言

由于地緣政治日趨緊張,局部的地緣沖突和反恐將常態(tài)化,具有信息獲取、目標(biāo)識(shí)別和毀傷可控能力的智能彈藥將在這種現(xiàn)代化局部戰(zhàn)爭(zhēng)中起到?jīng)Q定性作用。針對(duì)各類戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),陸海空三軍一體化作戰(zhàn)模式所需的各類智能彈藥射程范圍將覆蓋50 m～1 000 Km,毀傷精度(CEP)達(dá)到1～50 m[1],這些彈藥普遍機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低、裝備量大。INS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)在這一領(lǐng)域被廣泛采用,但衛(wèi)星信號(hào)存在的抗干擾性差問題,已經(jīng)在數(shù)次戰(zhàn)爭(zhēng)中得到證實(shí)。因此,發(fā)展不依賴于衛(wèi)星的高精度導(dǎo)航定位技術(shù),逐步成為世界強(qiáng)國的共識(shí)。

隨著量子技術(shù)和微納制造技術(shù)的進(jìn)步,原子陀螺儀將在精度、帶寬、體積、成本和量產(chǎn)等多個(gè)維度滿足智能彈藥的需求。美國DARPA于2012年啟動(dòng)一項(xiàng)代號(hào)為M-PNT的研究計(jì)劃,即利用微納加工技術(shù)在單個(gè)慣性測(cè)量單元中同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。主要目標(biāo)是研發(fā)高性能的微型慣性傳感器,以滿足在沒有GPS的情況下實(shí)現(xiàn)精確自主慣性導(dǎo)航,主要指標(biāo)如下:系統(tǒng)體積不大于20 cm3,功耗不大于1 W,轉(zhuǎn)速測(cè)量精度為10-4°/h,線性加速度測(cè)量精度10-6g,標(biāo)度因子穩(wěn)定性為10-6,冷啟動(dòng)時(shí)間小于10 s,動(dòng)態(tài)范圍分別為15 000°/s和1 000g。2016年,歐盟委員會(huì)發(fā)布《量子宣言(草案)》,該計(jì)劃將量子傳感器作為一個(gè)重要發(fā)展方向。

1 原子陀螺儀的技術(shù)方案和工作原理

隨著激光冷卻和陷俘原子技術(shù)等原子光學(xué)領(lǐng)域的4次諾獎(jiǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),為原子陀螺儀的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)。目前原子陀螺儀研究主要分為兩大類:基于物質(zhì)波干涉的原子干涉陀螺儀(AIG)和基于原子自旋極化的原子自旋陀螺儀(ASG)。

1.1 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀的測(cè)量原理與光學(xué)中的Sagnac效應(yīng)類似,冷(熱)原子具有明顯的物質(zhì)波特性和較高(低)相干性,利用這種物質(zhì)波的干涉可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的高靈敏度檢測(cè)。由于原子的物質(zhì)波波長遠(yuǎn)小于光波長,且運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速,因此這種陀螺儀理論精度比同樣干涉面積下的光學(xué)陀螺儀高10個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。原子干涉陀螺儀主要包含連續(xù)型(圖1)和脈沖型(圖2)兩種方案,工作原理大致相同。首先要制備許多原子,然后利用拉曼激光、布拉格衍射等光學(xué)或光柵機(jī)械的方法對(duì)冷(熱)原子進(jìn)行操控,使其分束、反轉(zhuǎn)和合束,形成原子Sagnac閉合回路。最后,用激光探測(cè)復(fù)合原子的相移,完成旋轉(zhuǎn)角速率測(cè)量。

圖1 連續(xù)型原子干涉陀螺儀的工作原理

圖2 脈沖型冷原子干涉陀螺儀的工作原理

1.2 原子自旋陀螺儀

原子自旋陀螺儀主要包括NMRG核磁共振陀螺儀(nuclear magnetic resonance gyro)和基于SERF(spin exchange relaxation free)的原子自旋陀螺儀。

核磁共振陀螺儀采用磁共振測(cè)量頻率的技術(shù),提取角速率信號(hào),其工作原理如圖3所示。在外磁場(chǎng)的作用下,核自旋會(huì)圍繞外場(chǎng)進(jìn)行拉莫爾進(jìn)動(dòng),進(jìn)動(dòng)頻率ωL與載體相對(duì)慣性空間是否轉(zhuǎn)動(dòng)無關(guān)。頻率檢測(cè)系統(tǒng)固定在載體上,采用核磁共振手段測(cè)量核自旋的進(jìn)動(dòng)頻率。當(dāng)載體相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率為ωR時(shí),在載體系統(tǒng)上檢測(cè)得到的核磁共振頻率為ωL+ωR。由于ωL僅與外磁場(chǎng)大小和核自旋種類相關(guān),為已知量,因此可以在檢測(cè)到的頻率中扣除掉ωL,實(shí)現(xiàn)角運(yùn)動(dòng)測(cè)量。核磁共振陀螺沒有運(yùn)動(dòng)部件,又能兼顧高性能、小體積、低功耗等特點(diǎn)。

圖3 核磁共振陀螺儀的工作原理

圖4 SERF原子自旋陀螺儀的工作原理

SERF原子自旋陀螺儀的工作原理如圖4所示。堿金屬原子的電子自旋在慣性空間中具有定軸性,為避免電子自旋在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng),采用惰性氣體原子的核自旋與堿金屬原子的電子自旋共同構(gòu)造耦合磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)。在特定情況下,堿金屬原子的電子自旋與惰性氣體原子的核自旋發(fā)生耦合,此時(shí)惰性氣體原子的核自旋能夠自動(dòng)跟蹤和補(bǔ)償外界磁場(chǎng)的變化,從而隔離磁場(chǎng)對(duì)堿金屬原子的電子自旋定軸的影響。當(dāng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),堿金屬原子的電子自旋保持定軸,檢測(cè)激光固連在載體上而隨載體轉(zhuǎn)動(dòng),其與電子自旋的夾角反映了載體相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 原子陀螺儀的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀

2.1 連續(xù)型原子干涉陀螺儀

圖5 采用對(duì)射束流的原子干涉陀螺儀裝置

圖6 斯坦福大學(xué)冷原子干涉陀螺儀樣機(jī)

2.2 脈沖型冷原子干涉陀螺儀

2004年,法國巴黎天文臺(tái)的B.Canuel等人[7]報(bào)道了世界上第一個(gè)脈沖型冷原子干涉陀螺儀,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖7 六軸慣性傳感器原理圖

圖8 兩個(gè)陀螺儀信號(hào)的和(紅線)與差(藍(lán)線)

2.3 SERF原子自旋陀螺儀

2002年,普林斯頓的T.W.Kornack等人[10]首次提出SERF效應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量的構(gòu)想。2005年,該研究小組研制的實(shí)驗(yàn)裝置(圖9)首次實(shí)現(xiàn)基于耦合磁強(qiáng)計(jì)的SERF原子自旋陀螺儀效應(yīng)[11]。經(jīng)過持續(xù)改進(jìn),2013年研制的SERF原子陀螺儀樣機(jī),零偏穩(wěn)定性達(dá)到1.7×10-4°/h。同年,法國航空航天實(shí)驗(yàn)室(ONERA The French Aerospace Lab)也開始發(fā)展基于Rb-129Xe的SERF原子自旋陀螺儀研究[12]。

圖9 普林斯頓大學(xué)SERF陀螺儀研究裝置

近幾年,隨著對(duì)芯片級(jí)原子鐘發(fā)展的高度重視,相應(yīng)的微加工技術(shù)有了長足的進(jìn)步。美國在保證器件高精度的條件下,已經(jīng)研制出了芯片級(jí)原子自旋磁強(qiáng)計(jì)樣機(jī),在此技術(shù)基礎(chǔ)上,霍尼韋爾公司的研究小組開展了芯片級(jí)SERF原子自旋陀螺儀的研究,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)方法,其結(jié)構(gòu)如圖10所示[13]。

圖10 Honeywell的芯片級(jí)SERF陀螺儀

2.4 核磁共振陀螺儀

20世紀(jì)60年代,美國開始了NMRG的研究工作。1979年,美國Kearfott公司和Litton公司均研制成功了NMRG原理樣機(jī),并取得了專利[14-15]。因光學(xué)陀螺發(fā)展前景更明朗,兩公司于80年代中期停止了核磁共振陀螺儀的研究。

3 原子陀螺儀在智能彈藥中的應(yīng)用前景

綜上所述,目前精度最高的是基于連續(xù)束流的對(duì)射型原子干涉陀螺儀,這種類型的陀螺儀由于采用連續(xù)工作模式,帶寬較高,體積也較大,可以用在對(duì)精度和帶寬要求高、體積不受限的平臺(tái)。脈沖型冷原子干涉陀螺儀由于尺寸較小,束流通量有限,目前的精度和熱原子干涉陀螺儀相比相差2～3量級(jí),且?guī)捳?可以用在準(zhǔn)靜態(tài)且精度要求不高的平臺(tái)。芯片式原子干涉陀螺儀的體積小,類似于MOMES陀螺,但仍有BEC轉(zhuǎn)移效率過低、轉(zhuǎn)移速度過慢、容易退相干以及相關(guān)的微納加工等關(guān)鍵技術(shù)問題有待突破。

圖11 諾·格公司的芯片級(jí)NMRG樣機(jī)

圖12 NIST的NMRG芯片級(jí)結(jié)構(gòu)

SERF原子自旋陀螺儀的系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度高,測(cè)量自旋進(jìn)動(dòng)角的檢測(cè)方式提高了檢測(cè)的精度,因而SERF原子自旋陀螺儀的精度要高于核磁共振原子自旋陀螺儀。但是,SERF原子自旋陀螺儀的核自旋磁場(chǎng)自補(bǔ)償能力有限,導(dǎo)致SERF原子自旋陀螺儀的帶寬較窄(目前在10 Hz以內(nèi)),動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)小于核磁共振陀螺儀。因此,SERF原子自旋陀螺儀較適合于有超高精度需求且動(dòng)態(tài)范圍較小的平臺(tái)。

核磁共振陀螺儀是一種全固態(tài)、可芯片化的陀螺儀,已經(jīng)達(dá)到導(dǎo)航級(jí)的精度。目前,Northrop Grumman公司正承擔(dān)C-SCAN項(xiàng)目,研制體積不大于20 cm3、功耗不大于1W的芯片級(jí)核磁共振陀螺慣性測(cè)量單元,陀螺零偏穩(wěn)定性達(dá)到1×10-4°/h,測(cè)量范圍±15 000°/s,標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為1×10-6,啟動(dòng)時(shí)間為10 s。2013年5月,美國空軍完成了高超音速無人飛行器X-51A“乘波者”的試飛,達(dá)到5.1Ma,被美軍列入“一小時(shí)打遍全球”的武器庫中。如果將C-SCAN導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于X-51A演變出的快速打擊導(dǎo)彈中,飛行1 000 km由它引起的綜合位置誤差將優(yōu)于100 m(CEP),相比傳統(tǒng)慣性系統(tǒng),它的精度將大幅提高,體積、功耗大幅降低。如果再匹配新型末制導(dǎo)雷達(dá),打擊精度將優(yōu)于3 m(CEP)。

4 結(jié)論

原子陀螺儀技術(shù)已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展,為未來慣導(dǎo)系統(tǒng)和武器平臺(tái)的發(fā)展提供了新的技術(shù)途徑。在幾種原子陀螺中,核磁共振陀螺是唯一由工業(yè)部門主導(dǎo)研發(fā),目前技術(shù)成熟度最高的產(chǎn)品。隨著自旋磁共振系綜操控技術(shù)的發(fā)展、微光機(jī)電加工技術(shù)的進(jìn)步,核磁共振陀螺仍有進(jìn)一步提高精度、減小體積、降低成本的潛力,并在智能彈藥等需要高動(dòng)態(tài)、高過載的自主導(dǎo)航與制導(dǎo)平臺(tái)上展現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。

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Analysis on Atomic Gyroscope and Its Application Prospect Analysis in Intelligent Ammunition

JIANG Junbiao,WANG Xiaozhang,TAN Pengli

(No. 203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

High precision navigation and location technologies without the aid of satellites have attracted great attention of world power, and one key element to fulfill this requirement was new types of high performance inertial sensors. Atomic gyroscopes (AG) based on quantum effect had great potential in the field of high-precision sensor. The technical schemes and operating principles of two types of atom interference gyroscopes and two kinds of atom spin gyroscopes were introduced in this paper. According to the characteristics and research status of different schemes, the advantages and disadvantages of different schemes were analyzed in depth. The micro nuclear magnetic resonance atomic gyroscope was considered as an appropriate candidate for intelligent ammunition.

atom interference gyroscope; atom spin gyroscope; intelligent ammunition

2016-07-04

蔣軍彪(1962-),男,浙江余姚人,研究員,博士,研究方向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

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