核磁共振陀螺技術(shù)發(fā)展展望

萬雙愛,孫曉光,鄭 辛,秦 杰

(1.北京自動化控制設(shè)備研究所,北京100074；2.航天科工集團三院，北京 100074)

核磁共振陀螺技術(shù)發(fā)展展望

萬雙愛1,孫曉光1,鄭 辛2,秦 杰1

(1.北京自動化控制設(shè)備研究所,北京100074；2.航天科工集團三院，北京 100074)

核磁共振陀螺基于原子操控技術(shù)的前沿研究進展,具有高精度、小體積、純固態(tài)、加速度不敏感等綜合優(yōu)勢,是未來高精度、微小型陀螺技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。介紹了核磁共振陀螺近年來國內(nèi)外取得的研究進展,從工作原理出發(fā)指出了核磁共振陀螺實現(xiàn)涉及的核自旋極化、核自旋進動檢測、核自旋磁共振、磁屏蔽等關(guān)鍵技術(shù),重點分析了核磁共振陀螺向高精度、小型化方向發(fā)展需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)及其可能的解決思路,最后對核磁共振陀螺技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

核磁共振陀螺;原子陀螺;陀螺;慣性導航

0 引言

核磁共振陀螺基于原子操控技術(shù)的前沿研究進展,利用核自旋磁共振頻率在慣性空間的不變性測量角運動,具有高精度、小體積、純固態(tài)、加速度不敏感等綜合優(yōu)勢,已成為當前陀螺技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一[1-3]。該陀螺的研制成功與應(yīng)用,有望使高精度陀螺及系統(tǒng)應(yīng)用到當前無法應(yīng)用或延伸的領(lǐng)域,使得小型飛行器/潛航器等小體積武器裝備具備高精度自主導航能力;另一方面,可以滿足未來武器裝備小型化、輕質(zhì)化等方面的應(yīng)用需求,推動新型慣性導航與制導系統(tǒng)的發(fā)展,從而對未來慣性導航市場帶來重要影響[4-5]。

以下重點介紹核磁共振陀螺近年來的研究進展,分析核磁共振陀螺在高精度、小型化方向發(fā)展需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)及其可能的解決思路,最后對核磁共振陀螺的發(fā)展進行了展望。

1 研究進展

近年來,在美國國防部高級研究計劃局對微小型、高精度陀螺的需求牽引下,隨著原子操控、芯片級原子器件微加工制造等技術(shù)的前沿研究進展,諾斯羅普·格魯門公司近年來取得了積極的研究進展[3, 6],研制的陀螺樣機如圖1所示。

圖1 諾斯羅普·格魯門公司研制的核磁共振陀螺樣機[3, 6]Fig.1 Northrop Grumman NMRG prototype

近年來,國內(nèi)多家單位積極跟蹤了核磁共振陀螺技術(shù)的發(fā)展動態(tài),開展了相關(guān)研究工作[7-13]。北京自動化控制設(shè)備研究所自2011年開展了核磁共振陀螺的探索研究,研究進展如圖2所示。

圖2 核磁共振陀螺技術(shù)研究進展Fig.2 The progresses of NMRG

2013年,研制了核磁共振陀螺的原理試驗裝置,實現(xiàn)了原理驗證;2014年,基于自主研制的小型化磁共振氣室、無磁電加熱片、三維異型線圈等部件,實現(xiàn)了核磁共振陀螺原理樣機的研制[7];2015年,實現(xiàn)了光源與物理表頭的集成、自旋系綜的系統(tǒng)級閉環(huán)控制,研制了表頭體積(含光源)250cm3、零偏穩(wěn)定性優(yōu)于2(°)/h的原理樣機,實現(xiàn)了對地速的敏感測量(如圖3所示),證明了該陀螺在慣性空間的角運動測量能力。

圖3 核磁共振陀螺地速敏感測試曲線Fig.3 The earth rate sensed by NMRG

圖4 研制的核磁共振陀螺原理樣機Fig.4 The developed NMRG prototype

(a)

(b)圖5 核磁共振陀螺零偏穩(wěn)定性(a)與隨機游走測試曲線(b)Fig.5 The measured bias drift (a) and allan deviation(b) of NMRG

從國內(nèi)外發(fā)展情況來看,核磁共振陀螺在微小型敏感單元條件下具有突出的高精度發(fā)展?jié)摿?。隨著自旋系綜操控技術(shù)的發(fā)展、微光機電精密制造技術(shù)的進步,核磁共振陀螺在目前已實現(xiàn)的技術(shù)指標基礎(chǔ)上仍有提高精度、減小體積的潛力,正在向戰(zhàn)略級精度、芯片級尺寸持續(xù)發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)與分析

微小型兼具高精度是核磁共振陀螺的突出優(yōu)點,以下從核磁共振陀螺的工作原理出發(fā),重點分析核磁共振陀螺在高精度、小型化方向發(fā)展需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)及其可能的解決思路。

圖6 核磁共振陀螺的工作原理示意圖Fig.6 The principle of NMRG

根據(jù)核磁共振陀螺的工作原理,該陀螺的實現(xiàn)主要涉及以下四項關(guān)鍵技術(shù):1)核自旋極化技術(shù);2)核自旋進動檢測技術(shù);3)核自旋磁共振技術(shù);4)磁屏蔽技術(shù)。

2.1 核自旋極化技術(shù)

核自旋的指向在自然狀態(tài)下雜亂無章,需要采用驅(qū)動激光賦予核自旋宏觀指向。由于采用光場直接極化核自旋相對困難,可以采用電子自旋這一媒介,通過核自旋-電子自旋的耦合,基于光場對電子自旋的極化[14],最終實現(xiàn)對核自旋的超極化,制備出敏感角運動的自旋系綜。

1)超極化。核自旋極化率越大,越有利于提高陀螺精度,核自旋的極化率主要與電子自旋極化率、電子自旋-核自旋交換速率等參數(shù)相關(guān)[15]。

(1)

式中,Pn為核自旋極化率,Pe為電子自旋極化率,T1為核自旋縱向弛豫時間,Rse為電子自旋-核自旋交換速率。

從式(1)中可以看出,電子自旋-核自旋交換速率增大,有利于提高核自旋極化率;但是,在驅(qū)動激光功率一定的情況下,電子自旋-核自旋交換速率增大會增加電子自旋的總弛豫率[15],從而降低電子自旋極化率,最終降低核自旋極化率。因此,需要綜合考慮電子自旋-核自旋交換速率,根據(jù)驅(qū)動激光功率、堿金屬原子與惰性氣體原子密度等優(yōu)化原子源參數(shù),提高核自旋極化率。

2)氣室內(nèi)壁鍍膜。從式(1)可以得到,提高核自旋縱向弛豫時間有利于提升核自旋極化率。隨著核磁共振陀螺體積的降低,磁共振氣室尺寸大幅減小,核自旋與氣室內(nèi)壁的碰撞速率增加,導致核自旋縱向弛豫時間減少。氣室內(nèi)壁鍍膜是提高核自旋縱向弛豫時間的有效途徑。目前,比較成熟的抗弛豫鍍膜材料是石蠟,但是石蠟的熔點比較低(一般70℃左右)。核磁共振陀螺中磁共振氣室的工作溫度一般在100℃以上,傳統(tǒng)的石蠟?zāi)るy以在該陀螺中應(yīng)用。目前,OTS(Octadecyltrichlorosilane)鍍膜等耐高溫的鍍膜材料與工藝手段已成為研究熱點[16],需要根據(jù)所選擇的核自旋種類、磁共振氣室的制作工藝綜合考慮,探索具有抗弛豫效果的內(nèi)壁鍍膜材料,研究成品率高、一致性好的鍍膜工藝,在小體積條件下提升核磁共振陀螺的精度與工程可用性。

2.2 核自旋進動檢測技術(shù)

角運動信息的獲取,需要在載體系中對核自旋進動進行精密測量。與核自旋極化類似,檢測激光直接與核自旋相互作用以提取進動信息較為困難。核自旋進動產(chǎn)生磁場,能夠被電子自旋感受而引起電子自旋進動。因此,可以通過電子自旋構(gòu)造原子磁強計,測量核自旋的進動磁場從而得到核自旋的進動信息[17-18]。同時,在核磁共振陀螺中,電子自旋與核自旋被混合于同一個磁共振氣室內(nèi),電子自旋與核自旋的耦合會使電子自旋感受到的核自旋進動磁場增強,從而提高對核自旋進動檢測的能力[17，19]。

1)光學檢測。目前,核磁共振陀螺一般采用線偏振光檢測電子自旋進動,構(gòu)造原子磁強計最終獲得核自旋進動信息,檢測方式主要包括法拉第調(diào)制法、光彈調(diào)制法、差分偏振法等[16]。法拉第調(diào)制、光彈調(diào)制法將待測的低頻區(qū)光學信號調(diào)制到高頻區(qū),從而隔離低頻區(qū)1/f等噪聲影響,有利于提高檢測系統(tǒng)的信噪比。但是,法拉第調(diào)制、光彈調(diào)制法的硬件系統(tǒng)構(gòu)成較為復雜,難以在小體積核磁共振陀螺中應(yīng)用。差分偏振法結(jié)構(gòu)簡單,有利于系統(tǒng)的集成化與小型化。但是,由于該方法自身缺乏調(diào)制功能,當待測信號處于低頻區(qū)時,檢測系統(tǒng)的1/f等噪聲較大,會制約系統(tǒng)的信噪比提升。在核磁共振陀螺實際工作中,可以通過提高主磁場的大小,增加核自旋的磁共振頻率,從而提高待測信號的頻率,有效隔離低頻區(qū)的1/f噪聲。但是,核磁共振頻率的增加,擴大了磁共振頻率的測量范圍,不利于提升磁共振頻率的檢測分辨率,又會制約陀螺精度提升。因此,在核磁共振陀螺有限的體積下,當采用差分偏振檢測時,需要綜合考慮主磁場大小與檢測光路設(shè)計,提高系統(tǒng)低頻區(qū)的檢測能力;另一方面,在兼顧小體積與高精度的前提下,設(shè)計新原理與方法也是提升陀螺檢測能力的有效途徑。

2)工作點參數(shù)。核自旋進動檢測工作點參數(shù)優(yōu)化主要涉及檢測激光、縱向磁場及磁共振氣室溫度等參數(shù)優(yōu)化。在檢測激光方面,需重點考慮功率與頻率參數(shù),配合磁共振氣室內(nèi)自旋系綜參數(shù),提高檢測能力。在縱向磁場方面,通過上述分析可知,縱向磁場越大,越有利于抑制低頻噪聲。但是,縱向磁場的增大導致電子自旋總弛豫率增加、測量范圍增大,電子自旋構(gòu)造的原子磁強計檢測靈敏度降低[20-21]。因此,需要綜合考慮信號強度與低頻噪聲,優(yōu)化縱向磁場參數(shù)提升檢測信噪比。在磁共振氣室溫度方面,電子自旋構(gòu)造的原子磁強計靈敏度與電子自旋交換碰撞弛豫率密切相關(guān),該弛豫率越低,檢測靈敏度越高。降低磁共振氣室溫度可以降低電子自旋交換碰撞弛豫率,但是氣室溫度降低導致電子自旋密度降低,檢測信號強度減弱。因此,需要通過綜合考慮與檢測系統(tǒng)相關(guān)的光場、磁場、自旋系綜參數(shù),提升系統(tǒng)的檢測能力,進而提升陀螺的精度。

2.3 核自旋磁共振技術(shù)

核磁共振陀螺的正常工作,不僅需要賦予核自旋宏觀指向,同時也需要維持核自旋始終處于磁共振狀態(tài),從而實現(xiàn)相對慣性空間角運動的精密測量。

1)磁共振閉環(huán)控制。核自旋在縱向主磁場和橫向激勵磁場下發(fā)生磁共振,其中激勵磁場在載體系進行施加,該激勵磁場的頻率相對核自旋而言會隨著載體轉(zhuǎn)動而變化,因此需要對在載體系施加的磁共振頻率進行實時測量并反饋控制,維持核自旋的磁共振狀態(tài)。磁共振閉環(huán)控制的精度、響應(yīng)時間等會直接影響陀螺的精度與測量帶寬。在核磁共振陀螺中,可采用調(diào)整頻率或相位的方式實現(xiàn)磁共振頻率的閉環(huán)控制。從閉環(huán)反饋控制的精度與響應(yīng)時間上看,相位閉環(huán)控制是提高核磁共振陀螺性能的有效途徑,不僅有利于提升陀螺精度與帶寬,而且可實現(xiàn)陀螺輸出從速率工作模式到直接輸出角度工作模式的轉(zhuǎn)變。因此,需要針對基于相位的磁共振閉環(huán)系統(tǒng)開展研究工作,降低閉環(huán)系統(tǒng)誤差,提升控制精度與響應(yīng)速度。

2)電四極矩頻移穩(wěn)定控制。從目前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來看,核磁共振陀螺一般采用同位素129Xe與131Xe的核自旋來實現(xiàn)角運動的敏感。不同于129Xe,131Xe核自旋存在電四極矩,會產(chǎn)生電四極矩弛豫[22],引起131Xe核自旋頻率偏移,產(chǎn)生陀螺誤差,通過兩種核自旋差分方式難以消除該影響,從而制約陀螺精度的提升。電子自旋能感受到核自旋產(chǎn)生的磁場,129Xe、131Xe核自旋也能感受電子自旋產(chǎn)生的磁場,但強度存在差異。國外學者提出采用電子自旋極化率和磁場翻轉(zhuǎn)等方法測量129Xe、131Xe核自旋感受到的不同電子自旋磁場[23-25],利用兩者強度差異補償電四極矩頻移,但是技術(shù)途徑較為復雜。電四極矩頻移與氣室的材料、內(nèi)壁鍍膜、形狀、結(jié)構(gòu)尺度、氣室溫度等多種參數(shù)有關(guān)。因此,需要首先從優(yōu)化氣室材料、形狀、結(jié)構(gòu)尺度等參數(shù)方面降低131Xe的電四極矩頻移。在氣室參數(shù)確定后,需要綜合分析影響電四極矩弛豫頻移的參數(shù),例如溫度、電子自旋極化率等,采取溫度、電子自旋極化率等的閉環(huán)控制手段提高電四極矩頻移的穩(wěn)定性。

2.4 磁屏蔽技術(shù)

角運動會導致觀測的核自旋磁共振頻率改變,磁場也會引起核自旋進動頻率的改變。因此,需要屏蔽環(huán)境磁場,隔離磁場對核自旋進動測量的影響。一般采用基于高導磁材料的被動磁屏蔽+基于原子磁強計的主動磁補償方案實現(xiàn)。被動磁屏蔽在地磁場環(huán)境下一般僅能實現(xiàn)105～106的磁場衰減系數(shù),在此基礎(chǔ)上的進一步磁場衰減,需要采用基于原子磁強計的主動磁補償技術(shù)。

1)被動磁屏蔽。在核磁共振陀螺中,被動磁屏蔽一般需要進行開孔設(shè)計為光路、電路提供傳輸通路。隨著核磁共振陀螺體積降低,被動磁屏蔽的尺寸減小,開孔相對尺寸變大,開孔破壞作用增強,磁屏蔽效果降低。通過優(yōu)化被動磁屏蔽結(jié)構(gòu)、開孔形式與位置、屏蔽層厚度等參數(shù)是實現(xiàn)小型化高效被動磁屏蔽的重要途徑。原子磁強計的發(fā)展為磁場屏蔽帶來了新途徑,被動磁屏蔽結(jié)合主動磁補償可以使磁場屏蔽系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)于1010的磁場衰減能力[6],為實現(xiàn)高精度核磁共振陀螺提供了技術(shù)途徑。另一方面,被動磁屏蔽材料本身會產(chǎn)生磁場噪聲[26-27],制約了主動磁補償性能的提高。因此,針對高精度、小體積核磁共振陀螺的需要,磁屏蔽材料的選擇、結(jié)構(gòu)形式、制造工藝等是小型化高效被動磁屏蔽研究的重點與難點。

(2)

解上述方程組,得到:

(3)

(4)

式中,Pe為電子自旋極化率,δ1與δ2分別為兩種核自旋感受電子自旋磁場的放大系數(shù),與氣室溫度、形狀、原子種類等參數(shù)相關(guān)[28]。

由式(4)可知,核自旋磁共振頻率差分難以去除電子自旋磁場。隨著核磁共振陀螺向高精度發(fā)展,此項誤差不可忽略,是三維主動磁補償技術(shù)需解決的難點。當氣室形狀、原子種類等參數(shù)確定后,可通過氣室溫度、電子自旋極化率穩(wěn)定控制等途徑抑制此項誤差的漂移,從而提升陀螺的零偏穩(wěn)定性。

3)微小型三維磁場線圈。磁場線圈是三維主動磁場補償、磁共振激勵的執(zhí)行機構(gòu),高均勻區(qū)的磁場有利于降低核自旋的弛豫率,提高陀螺的精度。隨著核磁共振陀螺體積降低,磁場線圈的尺寸減小,如何在小體積下實現(xiàn)高均勻區(qū)是三維線圈研究的重點與難點。另一方面,現(xiàn)有線圈設(shè)計理論一般基于自由空間,隨著核磁共振陀螺向小型化發(fā)展,被動磁屏蔽桶與三維線圈會盡可能靠近,磁屏蔽邊界條件會吸引三維線圈的磁力線,從而改變磁場空間分布,破壞線圈磁場均勻性。因此,針對核磁共振陀螺中的小型、高均勻區(qū)三維線圈研究,需要綜合考慮磁屏蔽邊界條件的影響,提升三維線圈的設(shè)計能力。

3 發(fā)展展望

諾斯羅普·格魯門公司已經(jīng)在體積10cm3下實現(xiàn)0.02(°)/h的零偏穩(wěn)定性,隨著自旋系綜操控技術(shù)的發(fā)展、微光機電精密制造技術(shù)的進步,核磁共振陀螺在目前已實現(xiàn)的技術(shù)指標基礎(chǔ)上仍有提高精度、減小體積的潛力。美國國防部C-SCAN項目正在進一步挖掘核磁共振陀螺的潛力,不僅向10-4(°)/h精度發(fā)展,同時也向芯片級尺寸不斷進步。因此,核磁共振陀螺有望成為應(yīng)用較為廣泛的新一代慣性器件,兼具高精度、小體積、純固態(tài)、加速度不敏感等綜合優(yōu)勢。

我國在核磁共振陀螺技術(shù)領(lǐng)域研究起步較晚,雖然取得了積極的研究進展,但在陀螺的精度、體積、技術(shù)成熟度等方面與國外仍有較大差距,需要在自旋系綜的操控機理與方法、高性能的小型核心部件研制、微小型精密制造與集成等方面深入開展研究工作,推動相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,實現(xiàn)高精度、微小型的核磁共振陀螺。

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Prospective Development of Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope

WAN Shuang-ai1, SUN Xiao-guang1, ZHENG Xin2, QIN Jie1

(1.Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074,China； 2.The 3rd Academy of China Aerospace Science & Industry Corp., Beijing 100074,China)

With the rapid progress of frontier technologies such as atomic manipulation, Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope (NMRG), which features high precision, micro scale, insensitive to acceleration and no moving parts, has becoming one of the main developing trends of the high precision and compact gyroscope at present. The recent development of the NMRG were summarized firstly; the key technologies(nuclear polarization, nuclear precession detection, nuclear magnetic resonance, and magnetic shield)to realize the NMRG were introduced from the point of the basic operation principle secondly; the possible approaches to develop high precision and micro scale NMRG in the near further were analyzed; the development of the NMRG in the near future were prospected finally.

Nuclear magnetic resonance gyroscope; Atomic gyroscope; Gyroscope; Inertial navigation

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.002

2016-11-02；

2016-12-07。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2014AA123401)；國家自然科學基金(61473268,61503353)

秦杰(1984-)，男，博士，主要從事量子傳感技術(shù)方面的研究。E-mail: jie.qin@yahoo.com

TN249

A

2095-8110(2017)01-0007-07