導(dǎo)航級(jí)微型核磁共振陀螺儀技術(shù)綜述*

龔云鵬，高雁翎

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854;2.中國航天科工集團(tuán)二院二O八所，北京 100854)

0 引言

近30年來美軍依賴全球定位系統(tǒng)(GPS)在各類制導(dǎo)彈藥的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用，取得了良好的效果;但當(dāng)GPS受到強(qiáng)干擾或GPS星座安全受到威脅時(shí)，依賴于GPS精確定位的制導(dǎo)武器作戰(zhàn)效能將大大下降。美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目局(defence advanced research projects agency，DARPA)在定位(positioning)、導(dǎo)航(navigation)和授時(shí)(timing)方面的微技術(shù)(micro-PNT)項(xiàng)目開發(fā)的初衷正是為了克服GPS在受到強(qiáng)干擾或GPS星座受損而失效的潛在威脅而設(shè)置的［1］;看起來似乎又回到了研發(fā)自主式(self-contained)慣性導(dǎo)航和精確制導(dǎo)的技術(shù)途徑上來了;其實(shí)不然，DARPA對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的要求是通過微制造技術(shù)將所有必須的組件封裝成為一個(gè)的小型的、低功耗的、片式(chip-scale)的、高精度的慣性測量組合。這種片上(on-chip)IMU的標(biāo)定要考慮常值誤差修正以提高精度;而為了解決對(duì)自標(biāo)定所要求的超低漂移敏感器的問題，也都需要?jiǎng)?chuàng)新［2］。

DARPA的某項(xiàng)目負(fù)責(zé)人安德瑞(Andrei Shkel)談到了最新的研發(fā)進(jìn)展時(shí)說:“微型核磁共振陀螺利用核子在磁場中的陀螺式的自旋確定指向。這種陀螺沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分，且對(duì)過載和振動(dòng)不敏感。其它種類的，諸如基于硅片的MEMS陀螺，對(duì)振動(dòng)太敏感，難以滿足性能要求。DARPA對(duì)微型核磁共振陀螺儀的研發(fā)與應(yīng)用有很高的期待。”

1 基本原理

核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)陀螺儀的技術(shù)基礎(chǔ)是核磁共振;核磁共振基本原理清楚了，核磁共振陀螺儀的基本原理就容易理解了。

1．1 核磁共振原理

所有具有自旋特質(zhì)的原子核所產(chǎn)生的磁矩μ(是矢量，相當(dāng)于機(jī)械陀螺體的動(dòng)量矩H)其取向與自旋軸的方向一致，是任意的，如圖1a)所示。

圖1 核磁共振原理示意圖Fig．1 Schematic diagram of NMR

而當(dāng)它們處于磁場強(qiáng)度為B0的靜磁場中時(shí)，每一個(gè)具有磁矩的自旋原子核都像一個(gè)個(gè)小陀螺一樣繞B0矢量方向進(jìn)動(dòng)，稱該進(jìn)動(dòng)為RLarmor進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角頻率ωL稱為RLarmor頻率，是矢量;其方向與B0一致，大小為

式中:γ為磁旋比，是核的特征常數(shù)，與核的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，不同的原子核 γ 值不同［3－4］。

雖然這些自旋原子核進(jìn)動(dòng)角頻率ωL大小和方向相同，但它們的自旋軸方向，即各自的磁矩μ的方向與B0的夾角?是不同的，如圖1b)所示。

根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核磁矩μ與外加磁場B0之間的夾角?不是連續(xù)變化的，而是量子化的;正是夾角?的量子化的“跳變”反映了自旋原子核能量的躍遷。由經(jīng)典力學(xué)原理

式中:L為磁矩μ和磁場B0相互作用產(chǎn)生的力矩。

此力矩L使自旋角動(dòng)量P變化，即

可見夾角?越大，自旋原子核能量越大。

這時(shí)，如果在已有的靜磁場B0的基礎(chǔ)上再加上一個(gè)與靜磁場方向正交、角頻率為ω0的交變電磁場B1(t)，這些自旋方向各不相同，但進(jìn)動(dòng)方向一致的核子會(huì)吸收該特定頻率的電磁能量，產(chǎn)生能級(jí)躍遷，從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。稱這一物理過程為核磁共振。

簡言之，處于靜磁場中的磁矩不為零的原子核在另一特定頻率交變電磁場作用下，會(huì)吸收該特定頻率的電磁波能量，從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí);這一過程稱為核磁共振，這就是核磁共振基本原理［5］。

1．2 核磁共振陀螺儀原理

基于核磁共振的原理設(shè)計(jì)、制造而成的陀螺儀稱之為核磁共振陀螺儀(nuclear magnetic resonance gyro，NMRG)［6－7］。

如上所述，原子核進(jìn)動(dòng)的頻率ωL是由外加磁場強(qiáng)度B0和原子核本身的性質(zhì)決定的;也就是說，對(duì)于某一特定原子，在一定強(qiáng)度的外加磁場B0中，其原子核自旋進(jìn)動(dòng)頻率ωL的方向與B0一致，大小是固定不變的。如果核磁共振陀螺儀本體坐標(biāo)系的x軸與B0取向一致，當(dāng)陀螺儀繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω時(shí)，核磁共振陀螺儀的光電探測器檢測到的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ωj為

由此可得

這就是利用核磁共振原理測量繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω的核磁共振陀螺儀工作原理，原理示意圖如圖2所示?？梢姡舜殴舱裢勇輧x是單軸速率陀螺儀［8］。

圖2 核磁共振陀螺儀原理示意圖Fig．2 Schematic diagram of NMRG

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，核磁共振技術(shù)已在物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。核磁共振陀螺儀技術(shù)在美國等西方發(fā)達(dá)國家受到相當(dāng)?shù)闹匾?。早?0世紀(jì)60年代美國的一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)即開始研究 NMRG;1979年 Litton和Singger-Kearfott成功研制出樣機(jī)，并取得了專利;精度達(dá)到了導(dǎo)航級(jí)［9］。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著微米、納米技術(shù)和MEMS制造工藝的快速發(fā)展，微型核磁共振陀螺儀的研發(fā)成為慣性技術(shù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，很自然地成為美國DARPA的主抓項(xiàng)目之一。

DARPA與諾斯羅普·格魯曼公司簽約為DARPA的Micro-PNT項(xiàng)目研發(fā)微型、導(dǎo)航級(jí)核磁共振陀螺儀，為高精度導(dǎo)航而體積、功耗受限的軍事裝備中應(yīng)用［10］。

諾斯羅普·格魯曼公司研發(fā)核磁共振陀螺的第一階段始于2005年10月。最終將確定可獨(dú)立(stand-alone)工作的核磁共振陀螺的結(jié)構(gòu)。所研發(fā)的核磁共振陀螺儀，其性能與體積、功耗相當(dāng)?shù)膶?dǎo)航級(jí)光纖陀螺相比是相當(dāng)?shù)?見圖3)。

近年來，加州大學(xué)伯克利分校，電子工程系以Andrei Shkel教授(也是DARPA的NMRG項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)為帶頭人的Shkel實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)微型NMRG進(jìn)行了較深入的研究，做了大量的實(shí)驗(yàn)，取得了多項(xiàng)技術(shù)成果，并于2009年底申報(bào)了專利［11］。

圖3 諾斯羅普·格魯曼公司研制的微核磁共振陀螺儀Fig．3 NMRG designed by company Northrop Grumman

Shkel實(shí)驗(yàn)室研制的微型NMRG就結(jié)構(gòu)而言，其基本組成有3部分［12］:

(1)裝有1個(gè)垂直腔表面發(fā)射激光(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)光源和4個(gè)光電探測器的底板;

(2)1/4波長(晶)片;

(3)NMR腔。

NMRG結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Shkel實(shí)驗(yàn)室研制的微核磁共振陀螺儀結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Schematic diagram of NMRG designed by Shkel lab

該微型NMRG的VCSEL光源發(fā)出線偏振光，通過位于VCSEL上方的1/4波長(晶)片變成圓偏振光;該偏振光射入封裝有核子氣化物的NMR腔內(nèi)，核子氣化物處于NMR腔內(nèi)的2個(gè)玻璃極板之間，為核磁共振的發(fā)生提供了條件。

在靜磁場B0和脈沖磁場B1作用下(如圖4)圓偏振光強(qiáng)被調(diào)制在NMR腔內(nèi)氣化物的RLarmor頻率ωL上。NMR腔的4個(gè)面作為微反射器使調(diào)制光返回到光電探測器。當(dāng)陀螺儀以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電探測器檢測到的光強(qiáng)變化圓頻率為ωj。

利用光電探測器獲取的ωj和已知產(chǎn)生NMR的核子氣化物的RLarmor頻率ωL，即可得

目前，研發(fā)的微型NMRG樣機(jī)精度已達(dá)到導(dǎo)航級(jí)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

要研制微小型、高精度的NMRG須突破以下技術(shù)關(guān)鍵:

(1)微加工技術(shù)

將已有的NMRG技術(shù)成果微小型化，首先要突破微加工技術(shù)。例如 Shkel實(shí)驗(yàn)室研制的微型NMRG，其主要的技術(shù)關(guān)鍵之一是NMR腔的刻蝕。在1 mm厚疊合而成的硅基片上刻蝕出一個(gè)底邊長1.8 mm見方的‘金字塔’形的空腔(如圖5)，且對(duì)腔體內(nèi)的4個(gè)面及其角度的加工精度要求很高，因?yàn)檫@4個(gè)面均為圓偏振光的反射面，且要經(jīng)過2次反射(如圖6)。

置于VCSEL光源上方的1/4波長(晶)片的加工精度是確保線偏振光轉(zhuǎn)為圓偏振的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。微加工的缺陷對(duì)光反射率和極化狀態(tài)均會(huì)造成不良的影響。

(2)包層的設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)

為了提高NMRG的靈敏度、分辨率和精度，須減少光在NMR腔內(nèi)兩次反射的能量損失;為此，在NMR空腔的4個(gè)內(nèi)壁上需加高反射率包層。該包層設(shè)計(jì)成由一摞厚度不等，分別為LH和LL、反射率不同，分別為nH和nL的多個(gè)薄層相間配置而成(如圖7)，且滿足

式中:λ0為波長。

圖7 色層結(jié)構(gòu)示意圖Fig．7 Schematic diagram of color layer

注意到，層數(shù)越多，nH和nL之差越大，反射率R則越高。這一方法可將無包層的裸硅反射面在腔體內(nèi)經(jīng)過兩次反射近造成的90%的光功率損失減少到小于10%。維持高的光強(qiáng)，可抑制光電探測器的噪聲;實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的制作工藝難度很大。

(3)規(guī)避對(duì)靜磁場的苛刻要求

由式(1)可見，RLarmor頻率ωL與B0直接相關(guān)，為了提高NMRG的測量精度，要求B0有很高的穩(wěn)定性;且ωL的選取應(yīng)與NMRG的測量范圍相匹配，為此要求B0有極低的數(shù)量級(jí)。要滿足對(duì)靜磁場B0的這些苛刻要求是很困難的。解決這一難題的技術(shù)途徑之一是選用兩種核子的氣化物作為NMR腔的工作物。例如Shkel實(shí)驗(yàn)室研制的微NMRG，就選用了銣和氙。于是有

式中:ωLr，ωLx分別為銣、氙的 RLarmor頻率;ωjr，ωjx分別為光電探測器檢測到的光通過銣、氙2種工作物后光強(qiáng)變化圓頻率;γr，γx分別為銣和氙的磁旋比。

聯(lián)立(7)、(8)兩式，求解可得

由式(9)可見，ω 只與 γr，γx和 ωjr，ωjx有關(guān)，而與靜磁場強(qiáng)度B0無關(guān)。

(4)微型NMRG的標(biāo)定技術(shù)

是NMRG實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)束語

為該項(xiàng)目最近研發(fā)出的微型核磁共振陀螺性能指標(biāo)已達(dá)到慣導(dǎo)級(jí)，與目前所用的慣導(dǎo)級(jí)慣性測量組合相比在尺寸、質(zhì)量、功耗等方面小2個(gè)數(shù)量級(jí)，這就使其應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS不受用(GPSDenied)導(dǎo)航系統(tǒng)和微－UVA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。微型NMRG技術(shù)走向成熟，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，必將在慣性技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)出革命性的變化。

［1］ Micro-PNT program．［EB/OL］．［2011 －09 －27］．http://www．darpa．mil/Our_Work/MTO/Programs/Micro-PNT_program．a(chǎn)spx．

［2］ DARPA的定位導(dǎo)航技術(shù)取得突破進(jìn)展［EB/OL］．［2011－08－06］．http://www．81tech．com/2011/0806/43243．html．

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