駱曼箬,李紹良,黃藝明,張 弛,吳招才,劉 華*

(1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院,上海 200240; 2.上海航天控制技術研究所,上海 201109;3.自然資源部 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)

陀螺儀是慣性導航系統(tǒng)中的核心器件,用于測量載體運動的角加速度。自20世紀70年代起,隨著現(xiàn)代物理和量子技術的不斷發(fā)展以及微制造加工技術的不斷突破,出現(xiàn)了繼機械陀螺、光學陀螺和MEMS陀螺之后的第四代陀螺——原子陀螺。原子陀螺以堿金屬和惰性氣體原子為工作介質(zhì),利用原子自旋或波包Sagnac效應敏感載體轉(zhuǎn)動信息,具有精度高、靈敏度高和體積小等特點,在慣性導航和軍民領域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值,已成為國內(nèi)外新型慣性器件的重點研究對象之一。慣性技術作為國防裝備中的關鍵技術,受到世界各國的高度重視,并且投入了大量的人力、物力、財力。在美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的Micro-PNT C-SCAN、PINS HiDRA和A-PhI等項目的大力支持下,原子陀螺的研究獲得了一次又一次的突破性進展。

當前原子陀螺主要分為核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)、無自旋交換弛豫陀螺(Spin Exchange Relaxation Free Gyroscope,SERFG)和原子干涉陀螺(Atom-Interferometer Gyroscope,AIG),本文將對它們國內(nèi)外的研究歷程和現(xiàn)狀進行詳細介紹,并著眼于當前研究領域的相關動態(tài),對原子陀螺的未來發(fā)展趨勢進行展望,最后針對國內(nèi)的原子陀螺技術研究給出一些思考。

1 研究進展

原子自旋陀螺主要包括面向中高精度戰(zhàn)術型應用的磁共振陀螺儀和面向超高精度戰(zhàn)略型應用的無自旋交換弛豫陀螺儀。核磁共振陀螺利用原子核自旋敏感載體轉(zhuǎn)動信息,是工程化程度最高的原子陀螺儀,目前處于工程樣機階段,主要面向中高精度戰(zhàn)術型應用。SERF陀螺儀利用電子自旋敏感載體轉(zhuǎn)動信息,目前還處于原理樣機階段,主要面向超高精度戰(zhàn)略型應用。原子干涉陀螺是目前理論精度最高的原子陀螺,受到世界各國的廣泛關注,目前主要為冷原子干涉陀螺。

核磁共振陀螺基于核磁共振原理,通過檢測惰性氣體原子核自旋磁矩在靜磁場中的拉莫爾頻率變化獲取載體轉(zhuǎn)動角速度,具有精度高、體積小的特點。由于核磁共振陀螺沒有運動部件,對振動不敏感,抗干擾能力強,理論上動態(tài)測量范圍大,是當前發(fā)展最為成熟的原子陀螺?；赟ERF態(tài)原子自旋的進動可以實現(xiàn)超高靈敏度的慣性測量。SERF陀螺儀中堿金屬電子在SERF態(tài)自旋工作,利用堿金屬電子在慣性空間自旋的定軸性敏感載體轉(zhuǎn)動信息,具有10-8(°)/h超高理論精度的特點,但其動態(tài)范圍較小。原子干涉陀螺的工作原理不同于NMRG和SERFG,是基于物質(zhì)波Sagnac效應,通過物質(zhì)波的干涉現(xiàn)象獲取載體的轉(zhuǎn)動信息,其理論精度可達10-13(°)/h,在航空領域有廣闊的應用前景。表1為各原子陀螺的對比。

表1 原子陀螺對比

1.1 核磁共振陀螺

核磁共振陀螺的工作過程包括原子極化、核磁共振及角速度解算,其工作原理如圖1所示。自旋交換光泵浦極化原子核,從而形成宏觀磁矩;閉環(huán)控制的射頻磁場使原子系綜發(fā)生核磁共振,使該宏觀磁矩繞靜磁場做拉莫爾進動,當載體轉(zhuǎn)動時,其轉(zhuǎn)動角頻率將耦合到磁矩進動頻率中,通過檢測該宏觀磁矩的進動頻率即可解算載體轉(zhuǎn)動信息。

圖1 核磁共振陀螺工作原理

歐美國家從20世紀60年代起就對核磁共振陀螺技術展開了研究并取得了階段性成果,主要公司代表為Litton和Singer-Kearfott。之后,由于核磁共振陀螺儀遭遇技術瓶頸,無法再在提高精度、減小體積、降低成本等問題上有更大突破,被認為沒有發(fā)展前景而出現(xiàn)停滯。直到21世紀,量子技術理論體系不斷完善,量子技術、微納米技術和微加工制造工藝等技術快速發(fā)展,核磁共振陀螺儀的研發(fā)又再次成為慣性技術領域的研究熱點,并在原有的基礎上取得了顯著的進展。在美國DARPA的Micro-PNT項目支持下,Northrop Grumman公司(前Litton公司)開展了核磁共振陀螺的相關研究,歷經(jīng)4個階段,在小型化和性能提升上取得了非常顯著的研究成果,于2014年,研制出了體積為5 cm3、零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01(°)/h的核磁共振陀螺,并在2017年建立了相應的慣性導航系統(tǒng)。美國核磁共振陀螺的主要發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 國外核磁共振陀螺主要發(fā)展歷程

此外,美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)和美國加州大學歐文分校的Shkel實驗室基于微加工技術,共同致力于芯片級核磁共振陀螺的研究[1-2],重點探索了微小型核磁共振氣室的加工制造工藝,并通過折疊式結(jié)構和傳統(tǒng)MEMS制造了微型核磁共振陀螺,推動了核磁共振陀螺的工程化實現(xiàn)。Shkel實驗室的研究歷程如圖3所示。

圖3 Shkel實驗室的微型核磁共振陀螺研究歷程

最新研究還包括德國博世公司的Cipolletti等進行的核磁共振陀螺瞬態(tài)特性的建模,并給出了基于自旋的導航級陀螺儀的參數(shù)優(yōu)化方法[3]。德國博世公司的Riedrich-M?ller等[4]開展了在靜磁場條件下微型氣室中Xe原子自旋進動的自由感應衰減測量實驗,并計劃對磁屏蔽、電子器件和激光器件等系統(tǒng)組件進行小型化。俄羅斯圣光機大學的Zavitaev等[5]研究了影響核磁共振陀螺零偏穩(wěn)定性的因素,分析了在振動工作條件下核磁共振陀螺的偏移,并得出了有效設計核磁共振陀螺的方法。俄羅斯聯(lián)邦國家研究中心提出了一種利用核磁共振陀螺儀自激振蕩電路的Q因子實現(xiàn)陀螺儀偏置補償?shù)姆椒?從而提高陀螺精度[6]。

近年來,核磁共振陀螺技術逐漸發(fā)展和成熟,已從實驗室走向工程化、裝備化,其中美國Northrop Grumman公司已研制出面向軍事領域的微小型導航級核磁共振陀螺儀。

我國對核磁共振陀螺的研究,在成本、性能等方面與國際先進水平仍存在較大差距,目前還處于原理樣機階段。國內(nèi)的主要研究單位有北京航空航天大學、國防科技大學、北京自動化控制設備研究所、北京航天控制儀器研究所、西安飛行自動控制研究所等。北京自動化控制設備研究所在“十二五”863計劃中承擔“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺儀關鍵技術”項目,在攻克了相關量子操控技術實現(xiàn)原理驗證后,完成了對氣室、線圈和磁屏蔽裝置的小型化,在2016年研制出零偏穩(wěn)定性優(yōu)于1(°)/h,角度隨機游走優(yōu)于0.2(°)/h1/2,體積50 cm3的原理樣機,其研究進程如圖4所示。

圖4 北京控制設備研究所核磁共振陀螺研究歷程

1.2 無自旋交換弛豫陀螺

無自旋交換弛豫陀螺工作過程主要包括原子SERF態(tài)制備以及原子自旋進動檢測,其工作原理如圖5所示。磁屏蔽裝置使原子處于近零磁環(huán)境,此時堿金屬原子的拉莫爾進動頻率大幅降低,同時由于高密高壓環(huán)境使自旋交換率極大地提高,從而充分抑制原子的自旋交換弛豫,實現(xiàn)SERF態(tài)。當載體轉(zhuǎn)動時,由于電子自旋的定軸性,檢測激光與電子自旋產(chǎn)生的宏觀磁矩M間存在夾角α,通過測量該角度即可得到載體轉(zhuǎn)動信息。

圖5 無自旋交換弛豫陀螺工作原理

21世紀初期,普林斯頓大學的Romalis團隊首次實現(xiàn)了基于SERF效應的超高靈敏度原子磁強計,為實現(xiàn)超高靈敏度的慣性測量提供了良好基礎。隨后,普林斯頓大學物理系[7-8]的研究小組率先開展了SERF陀螺技術研究,并成立Twinleaf公司,實現(xiàn)了研究成果的轉(zhuǎn)化。2009年起,Twinleaf公司連續(xù)獲得美國DARPA資助,旨在研制高精度小體積的SERF陀螺。表2給出了其研究歷程。圖6為其第一代和第二代SERF陀螺儀實驗裝置。

圖6 普林斯頓大學SERF陀螺實驗裝置

表2 普林斯頓大學SERF陀螺研究歷程

除此之外,美國的Honeywell公司也開展了芯片級SERF陀螺的相關研究,設計了相應的結(jié)構和工藝方法[9]。法國航空航天實驗室于2013年開始研究基于Rb-Xe的SERF陀螺[10]。2016年,普林斯頓大學研制出以3He、129Xe和87Rb為工作物質(zhì)的耦合磁強計SERF核自旋陀螺[11-12]。2018年,在C-SCAN項目的支持下,普林斯頓大學Romalis團隊和Twinleaf公司使用π脈沖序列的87Rb磁強計[13]抑制銣原子之間的自旋交換弛豫,在直徑10 mm的氣室情況下,實現(xiàn)了角度隨機游走0.025 (°)/h1/2,零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01 (°)/h[8]。此后,國外關于SERF陀螺的報道較少。

國內(nèi)北京航空航天大學房建成院士團隊的SERF陀螺研究最具代表性。2008年,該團隊在國內(nèi)率先開展了基于原子自旋的超高靈敏度磁場測量與慣性測量技術研究。2013～2018年,在國家自然科學基金委重大儀器專項的支持下,該團隊進行了SERF陀螺原理樣機迭代更新,并于2018年研制了零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.05 (°)/h的雙軸SERF陀螺[14]。北京航空航天大學SERF陀螺研究歷程如表3所示。北航第一代SERF陀螺如圖7所示。

圖7 北航第一代SERF陀螺[25]

表3 北京航空航天大學SERF陀螺研究歷程

隨后,北航團隊為提高SERF陀螺性能以及小型化,圍繞原位磁強計[15-16]、原子氣室加熱[17-19]以及磁屏蔽[20-22]等進行了研究。2017年,該團隊提出一種測量橫向光位移的測量方法,通過布洛赫方程穩(wěn)態(tài)解推導橫向磁場補償與光位移之間的關系,并通過降低光位移來抑制陀螺的低頻漂移,使雙軸SERF陀螺零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01 (°)/h[23]。2019年,該團隊已成功研制出小型化SERF陀螺原理樣機。2020年,該團隊研制的原理樣機的零偏穩(wěn)定性達到0.001 (°)/h量級[24]。

另外,北京航天控制儀器研究所[26-28]也開展了SERF陀螺技術的研究工作,并實現(xiàn)了原理驗證以及原理樣機集成。

1.3 原子干涉陀螺

圖8 原子干涉陀螺原理圖

1997年,美國斯坦福大學Gustavson等首次演示了使用熱原子束的高靈敏度原子干涉陀螺,實現(xiàn)短期靈敏度2×10-8(rad/s)/Hz1/2,隨后在2000年將短期靈敏度提升到6×10-10(rad/s)/Hz1/2,達到當時世界上的最先進水平。

隨著激光冷卻原子技術的發(fā)展,激光操控冷原子系統(tǒng)各功能結(jié)構逐漸模塊化,使得冷原子干涉陀螺不僅具有更高的精度和靈敏度,且在集成化和小型化上更具優(yōu)勢。原子干涉陀螺開始由熱原子束向冷原子團過渡。DARPA于 2003 年制定了“精確慣性導航系統(tǒng)(Precision Inertial Navigation System,PINS)”計劃,與此同時,歐洲航天局(European Space Agency,ESA)制定了“空間中的高精度原子干涉測量技術(Hyper Precision Cold Atom Interferometry in Space,HYPER)”計劃。這些計劃的開展極大地促進了原子慣性技術的發(fā)展。美國的斯坦福大學、法國巴黎天文臺和德國漢諾威大學等研究單位正是在這些計劃的支持下,在原子干涉陀螺的研究上走在了世界的前列[29-32]。

2004年,在DARPA的PINS項目計劃支持下,斯坦福大學團隊成立了衍生公司AOSense,并于2008年研制出集轉(zhuǎn)動、加速度和重力梯度測量于一體的小型集成化可移動的混合傳感器,敏感部分體積小于1 m3。此后,AOSense公司成功地為政府資助的許多項目設計并完成了最先進的冷原子傳感器。斯坦福大學原子干涉陀螺原理樣機如圖9所示。

圖9 斯坦福大學原子干涉陀螺原理樣機

2006年法國巴黎天文臺成功研制出六軸慣性敏感器,并在2009年研制出緊湊型銫原子干涉陀螺,主體尺寸為30 cm×10 cm×50 cm。其后,巴黎天文臺一直致力于冷原子干涉陀螺的小型化和性能提升,在2019年實現(xiàn)零偏穩(wěn)定性優(yōu)于6.2×10-5(°)/h,靈敏度達到3×10-8(rad/s)/Hz1/2,圖10給出了巴黎天文臺冷原子干涉陀螺的主要更新迭代過程[31,33-35]。

德國漢諾威大學Rasel團隊于2008年研制出緊湊型銣原子干涉陀螺,如圖11所示,主體尺寸長度小于1 m,短期靈敏度為2×10-4(rad/s)/Hz1/2。隨后經(jīng)過技術迭代,陀螺的靈敏度及精度不斷提升,表4給出了其主要技術迭代歷程。

圖11 德國漢諾威大學冷原子干涉陀螺

表4 德國漢諾威大學冷原子干涉陀螺研究歷程

除此之外,美國的Sandia國家實驗室[36]、康奈爾大學[37]以及NIST[38-42]也對冷原子干涉陀螺開展了研究工作。其中,NIST在成功實現(xiàn)芯片級原子鐘和原子磁強計后,正致力于冷原子干涉陀螺的小型化研究。NIST的Donley團隊通過對斯坦福大學提出的點源原子干涉技術(Point-Source Interferometry,PSI)進行改善,演示了一種使用厘米級原子氣室的單束冷原子源多軸陀螺[40],如圖12所示,最終實現(xiàn)加速度靈敏度為1.6×10-5/Hz1/2,旋轉(zhuǎn)矢量的長期靈敏度約為5.8×10-4rad/s。NIST研制的系統(tǒng)為加速度計和陀螺儀的組合傳感器,且實現(xiàn)方法比傳統(tǒng)的原子干涉陀螺更為簡單。

圖12 NIST多軸組合慣性傳感器

中國科學院和清華大學是國內(nèi)最早開始研究冷原子干涉陀螺的機構,除此之外,哈爾濱工業(yè)大學[43]、華中科技大學[44-45]等也對原子干涉陀螺展開了研究工作。隨著研究的逐漸深入和細致,我國的冷原子干涉陀螺也躋身世界前列。

中國科學院武漢物數(shù)所利用其從事脈沖型冷原子干涉儀研究中的技術積淀,于2010年在國內(nèi)首次實現(xiàn)原子干涉陀螺Sagnac效應的實驗演示。表5給出了從2016至今中國科學院物數(shù)所原子干涉陀螺的研究歷程[46-48]。

表5 中國科學院物數(shù)所原子干涉陀螺研究歷程

2017年,中國科學院研制的雙原子干涉陀螺實現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)速度測量。在2021年,中國科學院發(fā)表了其最新研究成果,經(jīng)過參數(shù)解耦補償重力效應后,通過拉姆齊-博德干涉儀實現(xiàn)馬赫-曾德爾干涉儀中的拉曼光校準,性能得到極大地提升,為目前M-Z型原子干涉陀螺的國際最高水平,陀螺裝置示意圖如圖13所示。

圖13 中國科學院M-Z型原子干涉陀螺

2017年,清華大學精密儀器系提出了基于連續(xù)冷原子束的干涉陀螺方案[49],利用多普勒敏感的雙光子受激拉曼躍遷進行原子波包的相干操控,實現(xiàn)短期靈敏度7.8×10-5(rad/s)/Hz1/2,系統(tǒng)帶寬190 Hz,在保證系統(tǒng)靈敏度和緊湊型的同時也提高了系統(tǒng)帶寬。2020年,清華大學精密儀器系提出了一種基于光柵芯片的多軸原子干涉陀螺,利用PSI技術和空間分辨檢測,可以通過對干涉儀序列后的最終原子云進行成像,解碼不同輸入軸的空間條紋信息來測量多軸旋轉(zhuǎn),其裝置如圖14所示。

2 關鍵技術

原子陀螺的關鍵技術主要包括磁屏蔽、三軸磁補償技術、原子極化技術、抗弛豫原子氣室制備技術、核自旋磁場閉環(huán)補償技術和冷原子團操控技術等。

從核磁共振陀螺的原理來看,周圍磁場的波動將直接導致原子自旋進動頻率的測量誤差,因此需要使用極高性能的磁屏蔽裝置將地磁場屏蔽到nT量級以下,并通過三軸磁補償進一步降低磁場波動。對于靜磁場的波動,一般使用兩種同位素原子方案,如129Xe和131Xe,通過檢測兩者拉莫爾進動頻率的差值來獲取靜磁場的波動情況并進行實時補償。對于垂直于靜磁場平面上的磁場波動,利用氣室中的堿金屬原子構建三軸原位磁力計,通過在三維線圈上通入一定的電流,補償磁屏蔽后的殘余磁場波動。上海交通大學郭陽等[50]在核磁共振陀螺中基于參數(shù)共振磁強計實現(xiàn)了剩余磁場的閉環(huán)補償,將垂直于靜磁場兩個方向上的磁場補償?shù)搅藀T量級。

除此之外,原子極化是實現(xiàn)自旋式原子陀螺的前提。泵浦激光的頻率的波動和氣室溫度的波動將引起氣室內(nèi)堿金屬原子極化率的穩(wěn)定性而影響陀螺性能。當前常用的激光穩(wěn)頻方案有波長調(diào)制穩(wěn)頻、飽和吸收譜穩(wěn)頻、雙色激光穩(wěn)頻和調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻[51]。原子氣室的溫度控制系統(tǒng)主要由無磁加熱、溫度檢測和反饋電路組成。常用的方案是用雙層平行反向電流柔性加熱片包裹原子氣室,將熱敏電阻置于加熱片和氣室之間,再通過電路檢測溫度并使用控制程序?qū)崟r調(diào)整加熱強度來穩(wěn)定氣室溫度。2019年,國防科技大學許國偉等[52]提出了一種直接利用透過氣室的探測光來控制原子氣室溫度的方案,在不利用其余測溫電阻和測溫電路的同時實現(xiàn)了原子氣室溫度一小時內(nèi)溫度漂移僅為0.02 ℃。

SERF陀螺需要使堿金屬電子在SERF態(tài)自旋工作,因此必須通過核自旋磁場閉環(huán)補償使堿金屬電子在無干擾的慣性空間自旋工作。要實現(xiàn)高質(zhì)量的核自旋磁場補償,首先需要快速找到隨磁場變化而變化的核自旋磁場自補償點。北京航空航天大學在2019年提出了通過鎖定電子共振實現(xiàn)對補償點的閉環(huán)控制[53],使堿金屬電子自旋不受縱向環(huán)境磁場和惰性氣體原子核自旋磁場的影響。

原子氣室作為自旋式原子陀螺的核心敏感部件,從本質(zhì)上決定了儀器所能達到的性能極限。原子氣室的形狀和材料、氣室上的抗弛豫鍍膜以及內(nèi)部氣體的種類和比例都將影響原子自旋弛豫時間,延長氣室內(nèi)原子的自旋態(tài)壽命可以提高儀器的測量精度和靈敏度。氣室形狀影響原子自旋進動磁場的分布,球形氣室中原子進動磁場分布對稱,對原子核自旋弛豫影響較小。氣室內(nèi)壁的抗弛豫鍍膜能夠有效避免原子與氣室壁撞擊后丟失自旋指向,延長電子自旋弛豫時間。目前常用的抗弛豫鍍膜材料有長鏈烷烴類、烯烴類和有機氯硅烷。石蠟是最早用于抗弛豫鍍膜的材料,但熔點較低,無法應用在高溫氣室環(huán)境。有機氯硅烷可應用于較高溫度的原子氣室鍍膜,例如十八烷基三氯硅烷(OTS)可以在高溫條件下允許堿金屬原子發(fā)生2000次碰撞而不退極化。

原子干涉陀螺中,原子的干涉是通過拉曼光對原子的分束、反射和合束來實現(xiàn)的,其性能直接決定原子干涉效果。拉曼光的相位噪聲直接導致干涉條紋的相移,功率噪聲會使原子基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級上的布居數(shù)發(fā)生變化,最終都會引入相位測量噪聲。拉曼光是由一對滿足偏振條件和頻率條件且相位固定的脈沖光組成。當前激光鎖相主要通過光學鎖相環(huán)技術[54]和電學鎖相環(huán)技術[55]實現(xiàn)。電學調(diào)制法利用電光調(diào)制器產(chǎn)生GHz量級的邊帶與其載波形成拉曼光。光學鎖相則是通過兩臺種子光間的拍頻與參考信號源獲取相位誤差,然后調(diào)節(jié)激光器輸出相位,使兩臺種子光的頻差和相位鎖定在高穩(wěn)、低噪聲的參考源上。同時,由于原子干涉陀螺中的原子團制備、原子干涉和相位檢測階段均需要激光的參與,如何使用更少的激光器來搭建整個激光系統(tǒng),通過激光的分時復用實現(xiàn)緊湊型冷原子陀螺也是當前的研究重點。

3 發(fā)展展望

3.1 芯片級原子光子器件

小型化、高精度依然是原子陀螺未來的發(fā)展趨勢。原子陀螺系統(tǒng)通常包含激光系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)等部件,受體積、質(zhì)量和功耗的嚴重制約。受微納加工工藝和集成電路制造的啟發(fā),將原子操控裝置微型化甚至實現(xiàn)片上集成,通過微納結(jié)構或器件產(chǎn)生可調(diào)控的電場、磁場和光場[56],芯片級的原子器件結(jié)合精密原子光譜學、原子氣室硅微加工和先進的激光二極管技術,從而實現(xiàn)緊湊型、低功耗、高精度和穩(wěn)定的測量儀器[57]。2018年,DARPA已經(jīng)發(fā)布了原子-光子集成(Atomic-Photonic Integration,APhI)項目,旨在開發(fā)便攜式光電集成電路(Photonic Integrated Circuit,PIC)替代原子物理期間的光學組件,保持原子俘獲、冷卻和操縱的能力。該項目分為3個階段,并預計在第3階段研制出原子-光電集成陀螺。

3.2 組合陀螺系統(tǒng)

利用傳感器融合建立組合陀螺系統(tǒng)也是原子陀螺未來的發(fā)展方向之一。DARPA已于2012年在Micro-PNT中啟動了芯片級組合原子導航儀(Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigator,C-SCAN)項目[58],旨在探索冷原子陀螺、核磁共振陀螺等高性能原子慣性傳感器的小型化和組合制造,通過組合算法將各陀螺部件組合為一個整體,從而改善單一原子陀螺在長期漂移、動態(tài)范圍和啟動時間上等一系列問題,促進陀螺綜合性能的提升。通過組合陀螺系統(tǒng)和傳感器融合實現(xiàn)優(yōu)勢互補將成為未來原子陀螺儀的主要發(fā)展方向之一。

3.3 新型原子陀螺

基于新的量子原理的原子陀螺將為慣性傳感技術提供新的可能。金剛石NV色心(Nitrogen-Vacancy Center)陀螺就是一種與核磁共振陀螺和SERF陀螺原理大不相同的原子自旋陀螺,因其固態(tài)自旋密度高、基態(tài)與激發(fā)態(tài)能級結(jié)構穩(wěn)定等特點,具有體積小的天然優(yōu)勢,同時可以進行多軸測量,為小型化低成本原子陀螺的實現(xiàn)提供新的研究方向,可以解決原子陀螺在集成與小型化方面的困難。目前已證實了基于金剛石NV色心的慣性測量方案的可行性[59-60]。2020年,俄羅斯列貝德夫物理研究所的Akimov團隊基于動力學相位實現(xiàn)轉(zhuǎn)動測量,實現(xiàn)了對金剛石NV色心陀螺的第一次原理驗證[61]。

4 結(jié)束語

總的來看,原子陀螺技術已經(jīng)逐漸成熟,研究也更加深入和細致。NMRG和SERFG對磁場非常敏感,磁抑制和磁補償技術是制約其精度進一步提高的主要因素之一,可通過超導技術產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的磁場環(huán)境或通過同位素對磁場漂移進行補償。AIG精度的主要制約因素是原子干涉環(huán)路面積小,因此構建大面積干涉環(huán)路是提升AIG精度的重要研究方向。進一步提高原子陀螺測量精度以及長期穩(wěn)定性,并在此基礎上降低功耗、減小體積是當前的主要研究方向。微小原子氣室制備、微小磁屏蔽裝置制造以及芯片半導體激光器制造技術是減小陀螺體積的關鍵。

新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革將給原子陀螺的技術進步和性能提升帶來契機。原子陀螺的精度和長期穩(wěn)定性的提升將有望在國防軍用領域的大型戰(zhàn)略武器平臺得到廣泛應用,同時也將在航空航天航海中的慣性導航系統(tǒng)以及姿態(tài)控制中發(fā)揮重要作用。在實現(xiàn)減小體積和降低成本后,將會極大地擴展其應用領域,在眾多民用商用領域創(chuàng)造更多可能性。