原子陀螺研究進(jìn)展及展望

駱曼箬,李紹良,黃藝明,張 弛,吳招才,劉 華*

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240; 2.上海航天控制技術(shù)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(dǎo)航系統(tǒng)中的核心器件,用于測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的角加速度。自20世紀(jì)70年代起,隨著現(xiàn)代物理和量子技術(shù)的不斷發(fā)展以及微制造加工技術(shù)的不斷突破,出現(xiàn)了繼機(jī)械陀螺、光學(xué)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(yīng)敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息,具有精度高、靈敏度高和體積小等特點(diǎn),在慣性導(dǎo)航和軍民領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值,已成為國(guó)內(nèi)外新型慣性器件的重點(diǎn)研究對(duì)象之一。慣性技術(shù)作為國(guó)防裝備中的關(guān)鍵技術(shù),受到世界各國(guó)的高度重視,并且投入了大量的人力、物力、財(cái)力。在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的Micro-PNT C-SCAN、PINS HiDRA和A-PhI等項(xiàng)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(jìn)展。

當(dāng)前原子陀螺主要分為核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)、無(wú)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(duì)它們國(guó)內(nèi)外的研究歷程和現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)介紹,并著眼于當(dāng)前研究領(lǐng)域的相關(guān)動(dòng)態(tài),對(duì)原子陀螺的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望,最后針對(duì)國(guó)內(nèi)的原子陀螺技術(shù)研究給出一些思考。

1 研究進(jìn)展

原子自旋陀螺主要包括面向中高精度戰(zhàn)術(shù)型應(yīng)用的磁共振陀螺儀和面向超高精度戰(zhàn)略型應(yīng)用的無(wú)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(dòng)信息,是工程化程度最高的原子陀螺儀,目前處于工程樣機(jī)階段,主要面向中高精度戰(zhàn)術(shù)型應(yīng)用。SERF陀螺儀利用電子自旋敏感載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息,目前還處于原理樣機(jī)階段,主要面向超高精度戰(zhàn)略型應(yīng)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(guó)的廣泛關(guān)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(guò)檢測(cè)惰性氣體原子核自旋磁矩在靜磁場(chǎng)中的拉莫爾頻率變化獲取載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,具有精度高、體積小的特點(diǎn)。由于核磁共振陀螺沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,對(duì)振動(dòng)不敏感,抗干擾能力強(qiáng),理論上動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大,是當(dāng)前發(fā)展最為成熟的原子陀螺?；赟ERF態(tài)原子自旋的進(jìn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測(cè)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(dòng)信息,具有10-8(°)/h超高理論精度的特點(diǎn),但其動(dòng)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(yīng),通過(guò)物質(zhì)波的干涉現(xiàn)象獲取載體的轉(zhuǎn)動(dòng)信息,其理論精度可達(dá)10-13(°)/h,在航空領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。表1為各原子陀螺的對(duì)比。

表1 原子陀螺對(duì)比

1.1 核磁共振陀螺

核磁共振陀螺的工作過(guò)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(chǎng)使原子系綜發(fā)生核磁共振,使該宏觀磁矩繞靜磁場(chǎng)做拉莫爾進(jìn)動(dòng),當(dāng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)角頻率將耦合到磁矩進(jìn)動(dòng)頻率中,通過(guò)檢測(cè)該宏觀磁矩的進(jìn)動(dòng)頻率即可解算載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

圖1 核磁共振陀螺工作原理

歐美國(guó)家從20世紀(jì)60年代起就對(duì)核磁共振陀螺技術(shù)展開了研究并取得了階段性成果,主要公司代表為L(zhǎng)itton和Singer-Kearfott。之后,由于核磁共振陀螺儀遭遇技術(shù)瓶頸,無(wú)法再在提高精度、減小體積、降低成本等問(wèn)題上有更大突破,被認(rèn)為沒(méi)有發(fā)展前景而出現(xiàn)停滯。直到21世紀(jì),量子技術(shù)理論體系不斷完善,量子技術(shù)、微納米技術(shù)和微加工制造工藝等技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并在原有的基礎(chǔ)上取得了顯著的進(jìn)展。在美國(guó)DARPA的Micro-PNT項(xiàng)目支持下,Northrop Grumman公司(前Litton公司)開展了核磁共振陀螺的相關(guān)研究,歷經(jīng)4個(gè)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(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)核磁共振陀螺的主要發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 國(guó)外核磁共振陀螺主要發(fā)展歷程

此外,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)和美國(guó)加州大學(xué)歐文分校的Shkel實(shí)驗(yàn)室基于微加工技術(shù),共同致力于芯片級(jí)核磁共振陀螺的研究[1-2],重點(diǎn)探索了微小型核磁共振氣室的加工制造工藝,并通過(guò)折疊式結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)MEMS制造了微型核磁共振陀螺,推動(dòng)了核磁共振陀螺的工程化實(shí)現(xiàn)。Shkel實(shí)驗(yàn)室的研究歷程如圖3所示。

圖3 Shkel實(shí)驗(yàn)室的微型核磁共振陀螺研究歷程

最新研究還包括德國(guó)博世公司的Cipolletti等進(jìn)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(dǎo)航級(jí)陀螺儀的參數(shù)優(yōu)化方法[3]。德國(guó)博世公司的Riedrich-M?ller等[4]開展了在靜磁場(chǎng)條件下微型氣室中Xe原子自旋進(jìn)動(dòng)的自由感應(yīng)衰減測(cè)量實(shí)驗(yàn),并計(jì)劃對(duì)磁屏蔽、電子器件和激光器件等系統(tǒng)組件進(jìn)行小型化。俄羅斯圣光機(jī)大學(xué)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(dòng)工作條件下核磁共振陀螺的偏移,并得出了有效設(shè)計(jì)核磁共振陀螺的方法。俄羅斯聯(lián)邦國(guó)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(shí)現(xiàn)陀螺儀偏置補(bǔ)償?shù)姆椒?從而提高陀螺精度[6]。

近年來(lái),核磁共振陀螺技術(shù)逐漸發(fā)展和成熟,已從實(shí)驗(yàn)室走向工程化、裝備化,其中美國(guó)Northrop Grumman公司已研制出面向軍事領(lǐng)域的微小型導(dǎo)航級(jí)核磁共振陀螺儀。

我國(guó)對(duì)核磁共振陀螺的研究,在成本、性能等方面與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在較大差距,目前還處于原理樣機(jī)階段。國(guó)內(nèi)的主要研究單位有北京航空航天大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所、北京航天控制儀器研究所、西安飛行自動(dòng)控制研究所等。北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所在“十二五”863計(jì)劃中承擔(dān)“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目,在攻克了相關(guān)量子操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理驗(yàn)證后,完成了對(duì)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(jī)游走優(yōu)于0.2(°)/h1/2,體積50 cm3的原理樣機(jī),其研究進(jìn)程如圖4所示。

圖4 北京控制設(shè)備研究所核磁共振陀螺研究歷程

1.2 無(wú)自旋交換弛豫陀螺

無(wú)自旋交換弛豫陀螺工作過(guò)程主要包括原子SERF態(tài)制備以及原子自旋進(jìn)動(dòng)檢測(cè),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(shí)堿金屬原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率大幅降低,同時(shí)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(shí)現(xiàn)SERF態(tài)。當(dāng)載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于電子自旋的定軸性,檢測(cè)激光與電子自旋產(chǎn)生的宏觀磁矩M間存在夾角α,通過(guò)測(cè)量該角度即可得到載體轉(zhuǎn)動(dòng)信息。

圖5 無(wú)自旋交換弛豫陀螺工作原理

21世紀(jì)初期,普林斯頓大學(xué)的Romalis團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于SERF效應(yīng)的超高靈敏度原子磁強(qiáng)計(jì),為實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測(cè)量提供了良好基礎(chǔ)。隨后,普林斯頓大學(xué)物理系[7-8]的研究小組率先開展了SERF陀螺技術(shù)研究,并成立Twinleaf公司,實(shí)現(xiàn)了研究成果的轉(zhuǎn)化。2009年起,Twinleaf公司連續(xù)獲得美國(guó)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(shí)驗(yàn)裝置。

圖6 普林斯頓大學(xué)SERF陀螺實(shí)驗(yàn)裝置

表2 普林斯頓大學(xué)SERF陀螺研究歷程

除此之外,美國(guó)的Honeywell公司也開展了芯片級(jí)SERF陀螺的相關(guān)研究,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和工藝方法[9]。法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)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(xué)研制出以3He、129Xe和87Rb為工作物質(zhì)的耦合磁強(qiáng)計(jì)SERF核自旋陀螺[11-12]。2018年,在C-SCAN項(xiàng)目的支持下,普林斯頓大學(xué)Romalis團(tuán)隊(duì)和Twinleaf公司使用π脈沖序列的87Rb磁強(qiáng)計(jì)[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(shí)現(xiàn)了角度隨機(jī)游走0.025 (°)/h1/2,零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01 (°)/h[8]。此后,國(guó)外關(guān)于SERF陀螺的報(bào)道較少。

國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)房建成院士團(tuán)隊(duì)的SERF陀螺研究最具代表性。2008年,該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開展了基于原子自旋的超高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量與慣性測(cè)量技術(shù)研究。2013～2018年,在國(guó)家自然科學(xué)基金委重大儀器專項(xiàng)的支持下,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了SERF陀螺原理樣機(jī)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(xué)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(xué)SERF陀螺研究歷程

隨后,北航團(tuán)隊(duì)為提高SERF陀螺性能以及小型化,圍繞原位磁強(qiáng)計(jì)[15-16]、原子氣室加熱[17-19]以及磁屏蔽[20-22]等進(jìn)行了研究。2017年,該團(tuán)隊(duì)提出一種測(cè)量橫向光位移的測(cè)量方法,通過(guò)布洛赫方程穩(wěn)態(tài)解推導(dǎo)橫向磁場(chǎng)補(bǔ)償與光位移之間的關(guān)系,并通過(guò)降低光位移來(lái)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(tuán)隊(duì)已成功研制出小型化SERF陀螺原理樣機(jī)。2020年,該團(tuán)隊(duì)研制的原理樣機(jī)的零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.001 (°)/h量級(jí)[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(shù)的研究工作,并實(shí)現(xiàn)了原理驗(yàn)證以及原理樣機(jī)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(guó)斯坦福大學(xué)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(shí)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(dá)到當(dāng)時(shí)世界上的最先進(jìn)水平。

隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展,激光操控冷原子系統(tǒng)各功能結(jié)構(gòu)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(shì)。原子干涉陀螺開始由熱原子束向冷原子團(tuán)過(guò)渡。DARPA于 2003 年制定了“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Precision Inertial Navigation System,PINS)”計(jì)劃,與此同時(shí),歐洲航天局(European Space Agency,ESA)制定了“空間中的高精度原子干涉測(cè)量技術(shù)(Hyper Precision Cold Atom Interferometry in Space,HYPER)”計(jì)劃。這些計(jì)劃的開展極大地促進(jìn)了原子慣性技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)的斯坦福大學(xué)、法國(guó)巴黎天文臺(tái)和德國(guó)漢諾威大學(xué)等研究單位正是在這些計(jì)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(xiàng)目計(jì)劃支持下,斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)成立了衍生公司AOSense,并于2008年研制出集轉(zhuǎn)動(dòng)、加速度和重力梯度測(cè)量于一體的小型集成化可移動(dòng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)并完成了最先進(jìn)的冷原子傳感器。斯坦福大學(xué)原子干涉陀螺原理樣機(jī)如圖9所示。

圖9 斯坦福大學(xué)原子干涉陀螺原理樣機(jī)

2006年法國(guó)巴黎天文臺(tái)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(tái)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(shí)現(xiàn)零偏穩(wěn)定性優(yōu)于6.2×10-5(°)/h,靈敏度達(dá)到3×10-8(rad/s)/Hz1/2,圖10給出了巴黎天文臺(tái)冷原子干涉陀螺的主要更新迭代過(guò)程[31,33-35]。

德國(guó)漢諾威大學(xué)Rasel團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)度小于1 m,短期靈敏度為2×10-4(rad/s)/Hz1/2。隨后經(jīng)過(guò)技術(shù)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(shù)迭代歷程。

圖11 德國(guó)漢諾威大學(xué)冷原子干涉陀螺

表4 德國(guó)漢諾威大學(xué)冷原子干涉陀螺研究歷程

除此之外,美國(guó)的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[36]、康奈爾大學(xué)[37]以及NIST[38-42]也對(duì)冷原子干涉陀螺開展了研究工作。其中,NIST在成功實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)原子鐘和原子磁強(qiáng)計(jì)后,正致力于冷原子干涉陀螺的小型化研究。NIST的Donley團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)斯坦福大學(xué)提出的點(diǎn)源原子干涉技術(shù)(Point-Source Interferometry,PSI)進(jìn)行改善,演示了一種使用厘米級(jí)原子氣室的單束冷原子源多軸陀螺[40],如圖12所示,最終實(shí)現(xiàn)加速度靈敏度為1.6×10-5/Hz1/2,旋轉(zhuǎn)矢量的長(zhǎng)期靈敏度約為5.8×10-4rad/s。NIST研制的系統(tǒng)為加速度計(jì)和陀螺儀的組合傳感器,且實(shí)現(xiàn)方法比傳統(tǒng)的原子干涉陀螺更為簡(jiǎn)單。

圖12 NIST多軸組合慣性傳感器

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

中國(guó)科學(xué)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(shù)積淀,于2010年在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)原子干涉陀螺Sagnac效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)演示。表5給出了從2016至今中國(guó)科學(xué)院物數(shù)所原子干涉陀螺的研究歷程[46-48]。

表5 中國(guó)科學(xué)院物數(shù)所原子干涉陀螺研究歷程

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

圖13 中國(guó)科學(xué)院M-Z型原子干涉陀螺

2017年,清華大學(xué)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(jìn)行原子波包的相干操控,實(shí)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(shí)也提高了系統(tǒng)帶寬。2020年,清華大學(xué)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(shù)和空間分辨檢測(cè),可以通過(guò)對(duì)干涉儀序列后的最終原子云進(jìn)行成像,解碼不同輸入軸的空間條紋信息來(lái)測(cè)量多軸旋轉(zhuǎn),其裝置如圖14所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

原子陀螺的關(guān)鍵技術(shù)主要包括磁屏蔽、三軸磁補(bǔ)償技術(shù)、原子極化技術(shù)、抗弛豫原子氣室制備技術(shù)、核自旋磁場(chǎng)閉環(huán)補(bǔ)償技術(shù)和冷原子團(tuán)操控技術(shù)等。

從核磁共振陀螺的原理來(lái)看,周圍磁場(chǎng)的波動(dòng)將直接導(dǎo)致原子自旋進(jìn)動(dòng)頻率的測(cè)量誤差,因此需要使用極高性能的磁屏蔽裝置將地磁場(chǎng)屏蔽到nT量級(jí)以下,并通過(guò)三軸磁補(bǔ)償進(jìn)一步降低磁場(chǎng)波動(dòng)。對(duì)于靜磁場(chǎng)的波動(dòng),一般使用兩種同位素原子方案,如129Xe和131Xe,通過(guò)檢測(cè)兩者拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率的差值來(lái)獲取靜磁場(chǎng)的波動(dòng)情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。對(duì)于垂直于靜磁場(chǎng)平面上的磁場(chǎng)波動(dòng),利用氣室中的堿金屬原子構(gòu)建三軸原位磁力計(jì),通過(guò)在三維線圈上通入一定的電流,補(bǔ)償磁屏蔽后的殘余磁場(chǎng)波動(dòng)。上海交通大學(xué)郭陽(yáng)等[50]在核磁共振陀螺中基于參數(shù)共振磁強(qiáng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了剩余磁場(chǎng)的閉環(huán)補(bǔ)償,將垂直于靜磁場(chǎng)兩個(gè)方向上的磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)搅藀T量級(jí)。

除此之外,原子極化是實(shí)現(xiàn)自旋式原子陀螺的前提。泵浦激光的頻率的波動(dòng)和氣室溫度的波動(dòng)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(dāng)前常用的激光穩(wěn)頻方案有波長(zhǎng)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(wú)磁加熱、溫度檢測(cè)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(guò)電路檢測(cè)溫度并使用控制程序?qū)崟r(shí)調(diào)整加熱強(qiáng)度來(lái)穩(wěn)定氣室溫度。2019年,國(guó)防科技大學(xué)許國(guó)偉等[52]提出了一種直接利用透過(guò)氣室的探測(cè)光來(lái)控制原子氣室溫度的方案,在不利用其余測(cè)溫電阻和測(cè)溫電路的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原子氣室溫度一小時(shí)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(guò)核自旋磁場(chǎng)閉環(huán)補(bǔ)償使堿金屬電子在無(wú)干擾的慣性空間自旋工作。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的核自旋磁場(chǎng)補(bǔ)償,首先需要快速找到隨磁場(chǎng)變化而變化的核自旋磁場(chǎng)自補(bǔ)償點(diǎn)。北京航空航天大學(xué)在2019年提出了通過(guò)鎖定電子共振實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)的閉環(huán)控制[53],使堿金屬電子自旋不受縱向環(huán)境磁場(chǎng)和惰性氣體原子核自旋磁場(chǎng)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(dá)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(shí)間,延長(zhǎng)氣室內(nèi)原子的自旋態(tài)壽命可以提高儀器的測(cè)量精度和靈敏度。氣室形狀影響原子自旋進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)的分布,球形氣室中原子進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)分布對(duì)稱,對(duì)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(zhǎng)電子自旋弛豫時(shí)間。目前常用的抗弛豫鍍膜材料有長(zhǎng)鏈烷烴類、烯烴類和有機(jī)氯硅烷。石蠟是最早用于抗弛豫鍍膜的材料,但熔點(diǎn)較低,無(wú)法應(yīng)用在高溫氣室環(huán)境。有機(jī)氯硅烷可應(yīng)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(guò)拉曼光對(duì)原子的分束、反射和合束來(lái)實(shí)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(dǎo)致干涉條紋的相移,功率噪聲會(huì)使原子基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級(jí)上的布居數(shù)發(fā)生變化,最終都會(huì)引入相位測(cè)量噪聲。拉曼光是由一對(duì)滿足偏振條件和頻率條件且相位固定的脈沖光組成。當(dāng)前激光鎖相主要通過(guò)光學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)[54]和電學(xué)鎖相環(huán)技術(shù)[55]實(shí)現(xiàn)。電學(xué)調(diào)制法利用電光調(diào)制器產(chǎn)生GHz量級(jí)的邊帶與其載波形成拉曼光。光學(xué)鎖相則是通過(guò)兩臺(tái)種子光間的拍頻與參考信號(hào)源獲取相位誤差,然后調(diào)節(jié)激光器輸出相位,使兩臺(tái)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(shí),由于原子干涉陀螺中的原子團(tuán)制備、原子干涉和相位檢測(cè)階段均需要激光的參與,如何使用更少的激光器來(lái)搭建整個(gè)激光系統(tǒng),通過(guò)激光的分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)緊湊型冷原子陀螺也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

3 發(fā)展展望

3.1 芯片級(jí)原子光子器件

小型化、高精度依然是原子陀螺未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。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(yán)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(shí)現(xiàn)片上集成,通過(guò)微納結(jié)構(gòu)或器件產(chǎn)生可調(diào)控的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和光場(chǎng)[56],芯片級(jí)的原子器件結(jié)合精密原子光譜學(xué)、原子氣室硅微加工和先進(jìn)的激光二極管技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)緊湊型、低功耗、高精度和穩(wěn)定的測(cè)量?jī)x器[57]。2018年,DARPA已經(jīng)發(fā)布了原子-光子集成(Atomic-Photonic Integration,APhI)項(xiàng)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(xué)組件,保持原子俘獲、冷卻和操縱的能力。該項(xiàng)目分為3個(gè)階段,并預(yù)計(jì)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(lái)的發(fā)展方向之一。DARPA已于2012年在Micro-PNT中啟動(dòng)了芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航儀(Chip-Scale Combinatorial Atomic Navigator,C-SCAN)項(xiàng)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(guò)組合算法將各陀螺部件組合為一個(gè)整體,從而改善單一原子陀螺在長(zhǎng)期漂移、動(dòng)態(tài)范圍和啟動(dòng)時(shí)間上等一系列問(wèn)題,促進(jìn)陀螺綜合性能的提升。通過(guò)組合陀螺系統(tǒng)和傳感器融合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)將成為未來(lái)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(shù)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(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn),具有體積小的天然優(yōu)勢(shì),同時(shí)可以進(jìn)行多軸測(cè)量,為小型化低成本原子陀螺的實(shí)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(shí)了基于金剛石NV色心的慣性測(cè)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(tuán)隊(duì)基于動(dòng)力學(xué)相位實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石NV色心陀螺的第一次原理驗(yàn)證[61]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)看,原子陀螺技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟,研究也更加深入和細(xì)致。NMRG和SERFG對(duì)磁場(chǎng)非常敏感,磁抑制和磁補(bǔ)償技術(shù)是制約其精度進(jìn)一步提高的主要因素之一,可通過(guò)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的磁場(chǎng)環(huán)境或通過(guò)同位素對(duì)磁場(chǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)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(gòu)建大面積干涉環(huán)路是提升AIG精度的重要研究方向。進(jìn)一步提高原子陀螺測(cè)量精度以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上降低功耗、減小體積是當(dāng)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(dǎo)體激光器制造技術(shù)是減小陀螺體積的關(guān)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(shù)進(jìn)步和性能提升帶來(lái)契機(jī)。原子陀螺的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的提升將有望在國(guó)防軍用領(lǐng)域的大型戰(zhàn)略武器平臺(tái)得到廣泛應(yīng)用,同時(shí)也將在航空航天航海中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及姿態(tài)控制中發(fā)揮重要作用。在實(shí)現(xiàn)減小體積和降低成本后,將會(huì)極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域,在眾多民用商用領(lǐng)域創(chuàng)造更多可能性。