石 猛，闞寶璽，劉院省，王學(xué)鋒

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)量子工程中心，北京100094）

SERF陀螺儀研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

石 猛1，2，闞寶璽1，2，劉院省1，2，王學(xué)鋒1，2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)量子工程中心，北京100094）

SERF（Spin Exchange Relaxation Free）陀螺儀利用電子自旋在慣性空間的定軸性敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息，具有超高精度、小體積的特點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文介紹了SERF陀螺儀的基本原理，回顧了SERF陀螺儀的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，指出SERF陀螺儀發(fā)展需要解決原子氣室抗弛豫、核自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)和高精度的信號(hào)檢測(cè)三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并展望了SERF陀螺儀在未來(lái)潛在的應(yīng)用前景。

慣性導(dǎo)航；陀螺儀；SERF；原子自旋

0　引言

陀螺儀是一種測(cè)量載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息的慣性器件，其性能決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度［1-2］。陀螺儀的種類很多，如基于牛頓力學(xué)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀［3］、基于光子Sagnac效應(yīng)的光纖陀螺儀和激光陀螺儀［4-5］、基于MEMS制造工藝的微型機(jī)械振動(dòng)陀螺儀［6］、基于原子Sagnac效應(yīng)的原子干涉陀螺儀、基于原子自旋效應(yīng)的核磁共振陀螺儀和SERF陀螺儀［7-10］。在陀螺儀的發(fā)展過(guò)程中，人們一直在追求高精度和小體積。液浮陀螺儀、撓性陀螺儀和靜電陀螺儀技術(shù)上比較成熟，小型化困難［1］；MEMS陀螺儀體積小，精度低［11］；光纖陀螺儀和激光陀螺儀的精度正比于光子干涉環(huán)路的面積，很難兼顧高精度與小體積［1］；原子干涉陀螺儀理論精度高，技術(shù)難度大，難以小型化［7］；核磁共振陀螺儀和無(wú)自旋交換弛豫（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）陀螺儀均屬于新型陀螺儀，利用原子自旋代替機(jī)械轉(zhuǎn)子，能夠兼顧高精度與小體積。SERF陀螺儀連續(xù)多年獲得美國(guó)DARPA的資助，目前處于工程化階段。國(guó)內(nèi)SERF陀螺儀的研究投入也在逐漸增強(qiáng)，已成為新型慣性器件的研究熱點(diǎn)之一。

1　SERF陀螺儀工作原理

SERF陀螺儀利用堿金屬原子和惰性氣體原子作為工作介質(zhì)，工作原理如圖1所示。

圖1　SERF陀螺儀工作原理Fig.1 The working principle of the SERF gyroscope

在高壓、高密、弱磁場(chǎng)條件下，堿金屬原子之間的碰撞會(huì)很頻繁，當(dāng)碰撞頻率遠(yuǎn)高于堿金屬原子的Larmor進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，堿金屬原子自旋的分布通過(guò)相互碰撞保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，碰撞導(dǎo)致的自旋弛豫效應(yīng)消失，此時(shí)原子處于無(wú)自旋交換弛豫狀態(tài)（SERF態(tài)）。

堿金屬的電子自旋處在SERF態(tài)，電子自旋和惰性氣體核自旋發(fā)生強(qiáng)烈耦合［12-13］。惰性氣體核自旋會(huì)自動(dòng)跟蹤并補(bǔ)償外界磁場(chǎng)變化，使得電子自旋感受不到外界磁場(chǎng)，保證了電子自旋處于無(wú)干擾的慣性空間［14-16］。

泵浦光極化堿金屬原子電子，并使其具有宏觀指向性。惰性氣體原子通過(guò)與堿金屬原子間的自旋交換，也被極化［17］。外磁場(chǎng)作用下堿金屬原子的電子自旋會(huì)繞著磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)。線偏振光從垂直于外磁場(chǎng)方向經(jīng)過(guò)時(shí)，其偏振面會(huì)由于電子自旋的進(jìn)動(dòng)而偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這個(gè)角度正比于堿金屬原子在探測(cè)光方向的投影分量［18］。SERF陀螺儀裝置如圖2所示，泵浦激光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，由λ/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光，用于極化堿金屬原子。探測(cè)激光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，通過(guò)λ/2波片調(diào)節(jié)偏振面方向，經(jīng)反射鏡進(jìn)入原子氣室，出射后由偏振分束棱鏡分成s光和p光，分別由探測(cè)器接收，并通過(guò)差分電路檢測(cè)出探測(cè)光偏振面的偏轉(zhuǎn)角度。無(wú)磁電加熱片用于加熱原子氣室。磁屏蔽用于屏蔽地磁場(chǎng)對(duì)原子自旋的影響［19］。三維磁場(chǎng)線圈用于核自旋補(bǔ)償磁場(chǎng)，并抵消外界剩余磁場(chǎng)［20］。

圖2　SERF陀螺儀原理裝置圖Fig.2 The experiment device figure of the SERF gyroscope

原子氣室中補(bǔ)償磁場(chǎng)與泵浦光方向平行。惰性氣體原子核自旋由于極化而產(chǎn)生宏觀磁矩Mn，該磁矩產(chǎn)生的等效磁場(chǎng)為Bn=λMn。其中，λ是磁場(chǎng)系數(shù)。補(bǔ)償磁場(chǎng)大小合適時(shí)，惰性氣體核自旋磁矩產(chǎn)生的磁場(chǎng)和補(bǔ)償磁場(chǎng)相抵消，即有B0+ λMn=0，并且核自旋磁場(chǎng)會(huì)隨著外界磁場(chǎng)的變化而絕熱變化，使得堿金屬原子極化方向保持不變。在垂直于堿金屬原子極化方向施加探測(cè)光，即可探測(cè)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

2　SERF陀螺儀發(fā)展歷程

2005年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)率先開(kāi)展了SERF陀螺儀研究，如圖3（a）所示。該裝置的核心是一個(gè)直徑為25mm的球形共振腔，內(nèi)部放置堿金屬原子K、惰性氣體3He以及緩沖氣體N2等。其中，堿金屬原子K與惰性氣體3He為工作物質(zhì)［13］，該SERF陀螺儀裝置的零偏穩(wěn)定性達(dá)到了0.04（°）/h。2011年普林斯頓大學(xué)第二代 SERF陀螺儀裝置［16，18］，如圖3（b）所示，實(shí)現(xiàn)零偏穩(wěn)定性5×10-4（°）/h。

2009年～2011年，美國(guó)Twinleaf公司連續(xù)獲得美國(guó) DARPA資助，旨在研制高精度小體積SERF陀螺儀工程樣機(jī)。此外，美國(guó)霍尼韋爾公司也開(kāi)展了芯片級(jí)SERF原子自旋陀螺儀的相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)方法［21］。近幾年來(lái)，國(guó)外關(guān)于SERF陀螺儀的報(bào)道較少。

國(guó)內(nèi)SERF原子自旋陀螺儀研究起步較晚。2008年，北京航空航天大學(xué)開(kāi)始搭建SERF陀螺儀實(shí)驗(yàn)裝置，并獲得了科技部重大科學(xué)儀器裝置項(xiàng)目資助。2012年，北京航空航天大學(xué)實(shí)現(xiàn)了SERF陀螺效應(yīng)［10］。

圖3　普林斯頓大學(xué)的SERF陀螺儀研究平臺(tái)Fig.3 The research platform of the SERF gyroscope in Princeton University

3　SERF陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)

制約SERF陀螺儀性能的主要因素包括介質(zhì)種類、氣室大小、磁屏蔽性能、無(wú)磁加熱、核子自旋閉環(huán)等。SERF陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)主要有原子氣室抗弛豫技術(shù)、核自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)技術(shù)和高精度的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。

3.1原子氣室抗弛豫技術(shù)

抗弛豫膜層能夠有效避免原子與器壁碰撞丟失自旋指向，增加電子自旋弛豫時(shí)間，提高SERF陀螺儀的性能［22-23］。反弛豫鍍膜材料主要包括直鏈烷烴類、烯烴類、含硅基的有機(jī)物和RbH材料。例如，堿金屬與石蠟的相互作用很弱，堿金屬原子被石蠟器壁彈回上千次不會(huì)退極化。但石蠟的熔點(diǎn)通常在60℃～80℃（取決于分子鏈長(zhǎng)度），無(wú)法用于高溫原子氣室［24］。十八烷基三氯硅烷（OTS）和RbH均可用于原子氣室高溫抗弛豫鍍膜［25-26］，它允許堿金屬原子2000次碰撞而不丟失極化狀態(tài)，能承受的最高溫度可達(dá)170℃。

3.2高精度信號(hào)檢測(cè)

SERF陀螺儀具有超高的精度，要求其在微小角速率輸入時(shí)仍有信號(hào)輸出，微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)就顯得尤為重要。微弱信號(hào)的檢測(cè)方法包括：差分偏振法、光彈調(diào)制法、法拉第調(diào)制法三種。差分偏振法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成和小型化，但是由于其精度不夠高，只適用于SERF陀螺儀的原理樣機(jī)階段的信號(hào)檢測(cè)需求。光彈調(diào)制法檢測(cè)靈敏度比差分法要高，但其光路相對(duì)復(fù)雜，能夠滿足SERF陀螺儀的信號(hào)檢測(cè)要求。由于其光路復(fù)雜性，在SERF陀螺儀研制初期不適宜采用。法拉第調(diào)制法需要在原子氣室前加一個(gè)法拉第調(diào)制器，使得檢測(cè)管的偏振面有調(diào)制偏轉(zhuǎn)，在信號(hào)檢測(cè)時(shí)通過(guò)鎖相方法器將信號(hào)解調(diào)出來(lái)，適合應(yīng)用到SERF原子陀螺儀中。法拉第調(diào)制受到光強(qiáng)、法拉第晶體的特性影響，需要保證環(huán)境溫度和磁場(chǎng)的穩(wěn)定［27］。

3.3核自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)

核自旋磁場(chǎng)的補(bǔ)償是SERF原子自旋陀螺儀實(shí)現(xiàn)角速率測(cè)量的關(guān)鍵步驟，補(bǔ)償能力的大小決定了堿金屬電子自旋能否工作在無(wú)干擾的慣性空間。惰性氣體原子核自旋磁場(chǎng)一般在幾十nT量級(jí)，補(bǔ)償磁場(chǎng)的控制精度需要達(dá)到0.1nT，因而需要掌握微弱磁場(chǎng)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)母呔乳]環(huán)。原子核自旋磁場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，其大小由原子核自旋極化率決定，且受氣室溫度、激光頻率/功率、外界磁場(chǎng)等因素的影響。原子核自旋磁場(chǎng)需要通過(guò)外界磁場(chǎng)的抵消使得堿金屬原子達(dá)到SERF態(tài)，因而需要從系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)輸出分析原子核自旋補(bǔ)償原理，得到核子自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)臈l件，采用高精度閉環(huán)技術(shù)保證原子核自旋磁場(chǎng)能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償［28］。

4　SERF陀螺儀應(yīng)用前景

SERF陀螺儀旨在實(shí)現(xiàn)高精度、小型化和低成本，有望在海陸空天等軍事領(lǐng)域獲得應(yīng)用。具體包括：1）滿足新一代中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈及無(wú)人機(jī)對(duì)長(zhǎng)航時(shí)、全自主高精度導(dǎo)航的需求；2）滿足導(dǎo)彈發(fā)射車、預(yù)警機(jī)等為代表的協(xié)同指揮平臺(tái)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)干擾環(huán)境下的高精度、高可靠的導(dǎo)航與授時(shí)能力的需求；3）滿足水面/水下艦艇在無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航支持環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行導(dǎo)航的需求；4）滿足火箭、航天飛機(jī)等發(fā)射任務(wù)的需求；5）滿足大中小型衛(wèi)星，長(zhǎng)時(shí)間在軌運(yùn)行中導(dǎo)航、定向、姿態(tài)調(diào)整需求；6）滿足深空探測(cè)器遠(yuǎn)離地球，對(duì)高精度的自主導(dǎo)航、定位、測(cè)姿能力的需求?？偟膩?lái)看，高精度SERF陀螺儀具有廣闊的應(yīng)用前景。

5　結(jié)論

SERF陀螺儀是一款能夠兼顧超高精度與小體積的新型陀螺儀。美國(guó)已經(jīng)研制成功高精度原理樣機(jī)。國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段，在無(wú)磁加熱、高性能磁屏蔽、抗弛豫原子氣室、高靈敏信號(hào)檢測(cè)和高精度原子核自旋補(bǔ)償磁場(chǎng)閉環(huán)等方面仍有諸多難題需要深入研究。以我國(guó)軍事領(lǐng)域?qū)π◇w積、超高精度陀螺儀需求為牽引，整合優(yōu)勢(shì)資源，研制出小型高精度SERF陀螺儀，滿足我國(guó)戰(zhàn)略武器裝備快速發(fā)展的需要。

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Research Progress and the Key Technology of SERF Gyroscope

SHI Meng1，2，KAN Bao-xi1，2，LIU Yuan-xing1，2，WANG Xue-feng1，2
（1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039；2.Quantum Research Center of CASC，Beijing 100094）

SERF gyroscope utilizes spin of electron to detect the rotation information of system in the inertial space.It can be super sensitive with small size，which has been a research focus in inertial technology.This paper introduces the basic principle of SERF gyroscope and the history of its development at domestic and oversea.The key technologies，reducing the spin relaxation effect of the atomic cell，closed loop of the nuclear spin magnetic field compensation，high sensitive signal detection，are pointed out.We also outlooks the potential applications of the SERF in future.

inertial navigation；gyroscope；SERF；atomic spin

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01285

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.04.018

2016-06-26

石猛，男，導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)，博士后，工程師，研究方向?yàn)閼T性技術(shù)與原子陀螺儀。