SERF陀螺儀研究進展及關(guān)鍵技術(shù)

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.中國航天科技集團量子工程中心，北京100094）

SERF陀螺儀研究進展及關(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.中國航天科技集團量子工程中心，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)動信息，具有超高精度、小體積的特點，已成為國內(nèi)外慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。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、核自旋磁場補償閉環(huán)和高精度的信號檢測三個關(guān)鍵技術(shù)，并展望了SERF陀螺儀在未來潛在的應(yīng)用前景。

慣性導(dǎo)航；陀螺儀；SERF；原子自旋

0　引言

陀螺儀是一種測量載體轉(zhuǎn)動信息的慣性器件，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制造工藝的微型機械振動陀螺儀［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DARPA的資助，目前處于工程化階段。國內(nèi)SERF陀螺儀的研究投入也在逐漸增強，已成為新型慣性器件的研究熱點之一。

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、弱磁場條件下，堿金屬原子之間的碰撞會很頻繁，當(dāng)碰撞頻率遠高于堿金屬原子的Larmor進動頻率時，堿金屬原子自旋的分布通過相互碰撞保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，碰撞導(dǎo)致的自旋弛豫效應(yīng)消失，此時原子處于無自旋交換弛豫狀態(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)生強烈耦合［12-13］。惰性氣體核自旋會自動跟蹤并補償外界磁場變化，使得電子自旋感受不到外界磁場，保證了電子自旋處于無干擾的慣性空間［14-16］。

泵浦光極化堿金屬原子電子，并使其具有宏觀指向性。惰性氣體原子通過與堿金屬原子間的自旋交換，也被極化［17］。外磁場作用下堿金屬原子的電子自旋會繞著磁場進動。線偏振光從垂直于外磁場方向經(jīng)過時，其偏振面會由于電子自旋的進動而偏轉(zhuǎn)一個角度，這個角度正比于堿金屬原子在探測光方向的投影分量［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。探測激光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直，通過λ/2波片調(diào)節(jié)偏振面方向，經(jīng)反射鏡進入原子氣室，出射后由偏振分束棱鏡分成s光和p光，分別由探測器接收，并通過差分電路檢測出探測光偏振面的偏轉(zhuǎn)角度。無磁電加熱片用于加熱原子氣室。磁屏蔽用于屏蔽地磁場對原子自旋的影響［19］。三維磁場線圈用于核自旋補償磁場，并抵消外界剩余磁場［20］。

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

原子氣室中補償磁場與泵浦光方向平行。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)生的等效磁場為Bn=λMn。其中，λ是磁場系數(shù)。補償磁場大小合適時，惰性氣體核自旋磁矩產(chǎn)生的磁場和補償磁場相抵消，即有B0+ λMn=0，并且核自旋磁場會隨著外界磁場的變化而絕熱變化，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光，即可探測載體的轉(zhuǎn)動信息。

2　SERF陀螺儀發(fā)展歷程

2005年，美國普林斯頓大學(xué)率先開展了SERF陀螺儀研究，如圖3（a）所示。該裝置的核心是一個直徑為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，實現(xiàn)零偏穩(wěn)定性5×10-4（°）/h。

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

國內(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)開始搭建SERF陀螺儀實驗裝置，并獲得了科技部重大科學(xué)儀器裝置項目資助。2012年，北京航空航天大學(xué)實現(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)、核自旋磁場補償閉環(huán)技術(shù)和高精度的信號檢測技術(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退極化。但石蠟的熔點通常在60℃～80℃（取決于分子鏈長度），無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170℃。

3.2高精度信號檢測

SERF陀螺儀具有超高的精度，要求其在微小角速率輸入時仍有信號輸出，微弱信號的檢測技術(shù)就顯得尤為重要。微弱信號的檢測方法包括：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陀螺儀的原理樣機階段的信號檢測需求。光彈調(diào)制法檢測靈敏度比差分法要高，但其光路相對復(fù)雜，能夠滿足SERF陀螺儀的信號檢測要求。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法拉第調(diào)制器，使得檢測管的偏振面有調(diào)制偏轉(zhuǎn)，在信號檢測時通過鎖相方法器將信號解調(diào)出來，適合應(yīng)用到SERF原子陀螺儀中。法拉第調(diào)制受到光強、法拉第晶體的特性影響，需要保證環(huán)境溫度和磁場的穩(wěn)定［27］。

3.3核自旋磁場補償閉環(huán)

核自旋磁場的補償是SERF原子自旋陀螺儀實現(xiàn)角速率測量的關(guān)鍵步驟，補償能力的大小決定了堿金屬電子自旋能否工作在無干擾的慣性空間。惰性氣體原子核自旋磁場一般在幾十nT量級，補償磁場的控制精度需要達到0.1nT，因而需要掌握微弱磁場的控制技術(shù)，實現(xiàn)核自旋磁場補償?shù)母呔乳]環(huán)。原子核自旋磁場是一個動態(tài)磁場，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、外界磁場等因素的影響。原子核自旋磁場需要通過外界磁場的抵消使得堿金屬原子達到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償原理，得到核子自旋磁場補償?shù)臈l件，采用高精度閉環(huán)技術(shù)保證原子核自旋磁場能夠?qū)崟r補償［28］。

4　SERF陀螺儀應(yīng)用前景

SERF陀螺儀旨在實現(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）滿足新一代中遠程導(dǎo)彈及無人機對長航時、全自主高精度導(dǎo)航的需求；2）滿足導(dǎo)彈發(fā)射車、預(yù)警機等為代表的協(xié)同指揮平臺對戰(zhàn)場干擾環(huán)境下的高精度、高可靠的導(dǎo)航與授時能力的需求；3）滿足水面/水下艦艇在無衛(wèi)星導(dǎo)航支持環(huán)境下長時間進行導(dǎo)航的需求；4）滿足火箭、航天飛機等發(fā)射任務(wù)的需求；5）滿足大中小型衛(wèi)星，長時間在軌運行中導(dǎo)航、定向、姿態(tài)調(diào)整需求；6）滿足深空探測器遠離地球，對高精度的自主導(dǎo)航、定位、測姿能力的需求。總的來看，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。美國已經(jīng)研制成功高精度原理樣機。國內(nèi)仍處于實驗室樣機階段，在無磁加熱、高性能磁屏蔽、抗弛豫原子氣室、高靈敏信號檢測和高精度原子核自旋補償磁場閉環(huán)等方面仍有諸多難題需要深入研究。以我國軍事領(lǐng)域?qū)π◇w積、超高精度陀螺儀需求為牽引，整合優(yōu)勢資源，研制出小型高精度SERF陀螺儀，滿足我國戰(zhàn)略武器裝備快速發(fā)展的需要。

［1］ 王巍.慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.自動化學(xué)報，2013，39（6）：723-729. WANG Wei.Status anddevelopment trend of inertial technology［J］.ActaAutomaticaSinica，2013，39（6）：723-729.

［2］ Barbour N，Schmidt G.Inertial sensor technology trends ［J］.IEEE Sensors Journal，2001，1（4）：332-339.

［3］ Yu H，Yang T C，Rigas D，Jayawant B V.Modelling and control of magnetic suspension systems［C］.Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Control Applications，Glasgow，UK，IEEE，2002：944-949.

［4］ 王巍.干涉型光纖陀螺儀技術(shù)［M］.北京：中國宇航出版社，2010. WANG Wei.Technology of interferometric fiber optic gyroscope［M］.Beijing：China Aerospace Press，2010.

［5］ 曾慶化，劉建業(yè)，賴際舟，熊智.環(huán)形激光陀螺的最新發(fā)展［J］.傳感器技術(shù)，2004，23（11）：1-4. ZENG Qing-hua，LIU Jian-ye，LAI Ji-zhou，XIONG Zhi. Newest developments of ring laser gyro［J］.Journal of Transducer Technology，2004，23（11）：1-4.

［6］ Benedict Olivier.The SiREUS MEMS rate sensor program ［C］.Proceedings of the 59thIAC International Astronautical，Congress，Glasgow，Scotland，UK，2008.

［7］ 鄧建輝，鄭孝天.冷原子干涉陀螺儀發(fā)展綜述［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2014，12（5）：94-98. DENG Jian-hui，ZHENG Xiao-tian.Development of cold atom interferometic gyroscope［J］.Optics&Optoelectronic Technology，2014，12（5）：94-98.

［8］ 劉院省，王巍，王學(xué)鋒.微型核磁共振陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.導(dǎo)航與控制，2014，13（4）：1-6. LIU Yuan-xing，WANG Wei，WANG Xue-feng.Key technologyanddevelopmenttendencyofmicronuclear magnetic resonance gyroscope［J］.Navigation and Control，2014，13（4）：1-6.

［9］ Ledbetter M P，Jensen K，F(xiàn)ischer R，Budker D.Gyroscopes based on nitrogenvacancy centers in diamond［J］. Physical Review A，2012，86（5）：052116.

［10］ Fang J，Qin J.Advances in atomic gyroscopes：a view from inertial navigation applications［J］.Sensors，2012，12（5）：6331-6346.

［11］ 王巍，何勝.MEMS慣性儀表技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2009（3）：23-28. WANG Wei，HE Sheng.Development of MEMS inertial instrument technology［J］.Missiles and Space Vehicles，2009（3）：23-28.

［12］ Kornack TW，RomalisMV.Dynamicsoftwo overlapping spin ensembles interacting by spin exchange ［J］.Physical Review Letters，2002，89（25）：253002.

［13］ Kornack T W，Ghosh R K，Romalis M V.Nuclear spin gyroscope based on an atomic comagnetometer［J］. Physical Review Letters，2005，89（25）：587-590.

［14］ Kornack T W.A test of CPT and Lorentz symmetry usinga K-3He co-magnetometer［D］.Princeton University，Princeton，NJ，USA，2005.

［15］ Seltzer S J.Developments in alkali-metal atomic magnetometry［D］.PrincetonUniversity，Princeton，NJ，USA，2008.

［16］ Brown J M.A new limit on Lorentz and CPT-violating neutron spin interactions using a K-3He comagnetometer ［D］.Princeton University，Princeton，NJ，USA，2011.

［17］ Walker T G，Happer W.Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei［J］.Review of Modern Physics，1997，69：629-642.

［18］ Vasilakis G.Precision measurements of spin interactions withhighdensityatomicvapors［D］.Princeton University，Princeton，NJ，USA，2012.

［19］ Kornack T W，Smullin S J，Lee S K，Romalis M V.A low-noise ferrite magnetic shield［J］.Applied Physics Letters，2007，90（22）：223501.

［20］ 楚中毅，孫曉光，萬雙愛，房建成.無自旋交換弛豫原子磁強計的主動磁補償［J］.光學(xué)精密工程，2014，22（7）：1808-1813. CHU Zhong-yi，SUN Xiao-guang，WAN Shuang-ai，F(xiàn)ANG Jian-cheng.Active magnetic compenstation of spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer［J］. OpticsandPrecisionEngineering，2014，22（7）：1808-1013.

［21］ Lust L M，Youngner D W.Chip scale atomic gyroscope ［P］.U.S.Patent 7359059，2008.

［22］ Seltzer S J，Romalis M V.High-temperature alkali vapor cells with anti-relaxation surface coatings［J］.Journal of Applied Physics，2009，106（11）：114905.

［23］ Balabas M V，Jensen K，Wasilewski W，et al.High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells［J］.Optics Express，2010，18（6）：5825-5830.

［24］ Balabas M V，Budker D，Kitching J，et al.Magnetometry with millimeter-scal anti-relaxation-coated alkali metal vapor cells［J］.Journal of the Optical Society of America B，2005，23（6）：1001.

［25］ Rohrbaugh S，Wang H T J，Singh J，et al.Magnetic decoupling of129Xe nuclear spin relaxation due to wall collisions with RbH and RbD coatings［J］.Physical Review A，2012，86（4）：043413.

［26］ Yi Y W，Robinson H G，Knappe S，et al.Method for characterizingself-assembledmonolayersasantirelaxation wall coatings for alkali vapor cells［J］.Journal of Applied Physics，2008，104（2）：023534.

［27］ Gubin W P，Morshnev S K，Starostin N I，et al. Efficient direct magneto-optical phase modulation of light waves in spun microstructures fibers［J］.Quantum Electronics，2011，41（9）：815-820.

［28］ 楚中毅，孫曉光，萬雙愛，房建成.原子自旋陀螺儀核自旋磁場自補償系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報，2013，34 （11）：2579-2584. CHU Zhong-yi，SUN Xiao-guang，WAN Shuang-ai，F(xiàn)ANG Jian-cheng.Nuclear spin magnetic field self-compensation system for atomic spin gyroscope［J］.Chinese JournalofScientificInstrument，2013，34（11）：2579-2584.

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，研究方向為慣性技術(shù)與原子陀螺儀。