原子陀螺及其在智能弹药中的应用前景分析*

蒋军彪,王晓章,谭鹏立

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

原子陀螺及其在智能弹药中的应用前景分析*

蒋军彪,王晓章,谭鹏立

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

不依赖于卫星的高精度导航定位技术正逐步受到世界强国的重视,新型高性能惯性传感器是实现该技术的关键要素。基于量子效应的原子陀螺极具高精度潜质,文中介绍了两种原子干涉陀螺仪和两种原子自旋陀螺仪的技术方案和工作原理;根据不同方案的特点及其研究现状,较为深入的分析了各种方案优缺点,认为微型核磁共振原子陀螺仪在智能弹药中有更好的应用前景。

原子干涉陀螺仪;原子自旋陀螺仪;智能弹药

0 引言

由于地缘政治日趋紧张,局部的地缘冲突和反恐将常态化,具有信息获取、目标识别和毁伤可控能力的智能弹药将在这种现代化局部战争中起到决定性作用。针对各类战术目标,陆海空三军一体化作战模式所需的各类智能弹药射程范围将覆盖50 m～1 000 Km,毁伤精度(CEP)达到1～50 m[1],这些弹药普遍机动性强、成本低、装备量大。INS/GPS组合导航技术在这一领域被广泛采用,但卫星信号存在的抗干扰性差问题,已经在数次战争中得到证实。因此,发展不依赖于卫星的高精度导航定位技术,逐步成为世界强国的共识。

随着量子技术和微纳制造技术的进步,原子陀螺仪将在精度、带宽、体积、成本和量产等多个维度满足智能弹药的需求。美国DARPA于2012年启动一项代号为M-PNT的研究计划,即利用微纳加工技术在单个惯性测量单元中同时实现定位、导航和授时服务。主要目标是研发高性能的微型惯性传感器,以满足在没有GPS的情况下实现精确自主惯性导航,主要指标如下:系统体积不大于20 cm3,功耗不大于1 W,转速测量精度为10-4°/h,线性加速度测量精度10-6g,标度因子稳定性为10-6,冷启动时间小于10 s,动态范围分别为15 000°/s和1 000g。2016年,欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》,该计划将量子传感器作为一个重要发展方向。

1 原子陀螺仪的技术方案和工作原理

随着激光冷却和陷俘原子技术等原子光学领域的4次诺奖技术的实现,为原子陀螺仪的发展奠定了物理基础。目前原子陀螺仪研究主要分为两大类:基于物质波干涉的原子干涉陀螺仪(AIG)和基于原子自旋极化的原子自旋陀螺仪(ASG)。

1.1 原子干涉陀螺仪

原子干涉陀螺仪的测量原理与光学中的Sagnac效应类似,冷(热)原子具有明显的物质波特性和较高(低)相干性,利用这种物质波的干涉可以实现对转动的高灵敏度检测。由于原子的物质波波长远小于光波长,且运动速度远低于光速,因此这种陀螺仪理论精度比同样干涉面积下的光学陀螺仪高10个数量级[2]。原子干涉陀螺仪主要包含连续型(图1)和脉冲型(图2)两种方案,工作原理大致相同。首先要制备许多原子,然后利用拉曼激光、布拉格衍射等光学或光栅机械的方法对冷(热)原子进行操控,使其分束、反转和合束,形成原子Sagnac闭合回路。最后,用激光探测复合原子的相移,完成旋转角速率测量。

图1 连续型原子干涉陀螺仪的工作原理

图2 脉冲型冷原子干涉陀螺仪的工作原理

1.2 原子自旋陀螺仪

原子自旋陀螺仪主要包括NMRG核磁共振陀螺仪(nuclear magnetic resonance gyro)和基于SERF(spin exchange relaxation free)的原子自旋陀螺仪。

核磁共振陀螺仪采用磁共振测量频率的技术,提取角速率信号,其工作原理如图3所示。在外磁场的作用下,核自旋会围绕外场进行拉莫尔进动,进动频率ωL与载体相对惯性空间是否转动无关。频率检测系统固定在载体上,采用核磁共振手段测量核自旋的进动频率。当载体相对惯性空间的转动角速率为ωR时,在载体系统上检测得到的核磁共振频率为ωL+ωR。由于ωL仅与外磁场大小和核自旋种类相关,为已知量,因此可以在检测到的频率中扣除掉ωL,实现角运动测量。核磁共振陀螺没有运动部件,又能兼顾高性能、小体积、低功耗等特点。

图3 核磁共振陀螺仪的工作原理

图4 SERF原子自旋陀螺仪的工作原理

SERF原子自旋陀螺仪的工作原理如图4所示。碱金属原子的电子自旋在惯性空间中具有定轴性,为避免电子自旋在磁场作用下产生拉莫尔进动,采用惰性气体原子的核自旋与碱金属原子的电子自旋共同构造耦合磁强计结构。在特定情况下,碱金属原子的电子自旋与惰性气体原子的核自旋发生耦合,此时惰性气体原子的核自旋能够自动跟踪和补偿外界磁场的变化,从而隔离磁场对碱金属原子的电子自旋定轴的影响。当载体转动时,碱金属原子的电子自旋保持定轴,检测激光固连在载体上而随载体转动,其与电子自旋的夹角反映了载体相对惯性空间转动。

2 原子陀螺仪的特点和研究现状

2.1 连续型原子干涉陀螺仪

图5 采用对射束流的原子干涉陀螺仪装置

图6 斯坦福大学冷原子干涉陀螺仪样机

2.2 脉冲型冷原子干涉陀螺仪

2004年,法国巴黎天文台的B.Canuel等人[7]报道了世界上第一个脉冲型冷原子干涉陀螺仪,实验装置如图2所示。

图7 六轴惯性传感器原理图

图8 两个陀螺仪信号的和(红线)与差(蓝线)

2.3 SERF原子自旋陀螺仪

2002年,普林斯顿的T.W.Kornack等人[10]首次提出SERF效应用于转动测量的构想。2005年,该研究小组研制的实验装置(图9)首次实现基于耦合磁强计的SERF原子自旋陀螺仪效应[11]。经过持续改进,2013年研制的SERF原子陀螺仪样机,零偏稳定性达到1.7×10-4°/h。同年,法国航空航天实验室(ONERA The French Aerospace Lab)也开始发展基于Rb-129Xe的SERF原子自旋陀螺仪研究[12]。

图9 普林斯顿大学SERF陀螺仪研究装置

近几年,随着对芯片级原子钟发展的高度重视,相应的微加工技术有了长足的进步。美国在保证器件高精度的条件下,已经研制出了芯片级原子自旋磁强计样机,在此技术基础上,霍尼韦尔公司的研究小组开展了芯片级SERF原子自旋陀螺仪的研究,设计了相应的结构和工艺实现方法,其结构如图10所示[13]。

图10 Honeywell的芯片级SERF陀螺仪

2.4 核磁共振陀螺仪

20世纪60年代,美国开始了NMRG的研究工作。1979年,美国Kearfott公司和Litton公司均研制成功了NMRG原理样机,并取得了专利[14-15]。因光学陀螺发展前景更明朗,两公司于80年代中期停止了核磁共振陀螺仪的研究。

3 原子陀螺仪在智能弹药中的应用前景

综上所述,目前精度最高的是基于连续束流的对射型原子干涉陀螺仪,这种类型的陀螺仪由于采用连续工作模式,带宽较高,体积也较大,可以用在对精度和带宽要求高、体积不受限的平台。脉冲型冷原子干涉陀螺仪由于尺寸较小,束流通量有限,目前的精度和热原子干涉陀螺仪相比相差2～3量级,且带宽窄,可以用在准静态且精度要求不高的平台。芯片式原子干涉陀螺仪的体积小,类似于MOMES陀螺,但仍有BEC转移效率过低、转移速度过慢、容易退相干以及相关的微纳加工等关键技术问题有待突破。

图11 诺·格公司的芯片级NMRG样机

图12 NIST的NMRG芯片级结构

SERF原子自旋陀螺仪的系统信号强度高,测量自旋进动角的检测方式提高了检测的精度,因而SERF原子自旋陀螺仪的精度要高于核磁共振原子自旋陀螺仪。但是,SERF原子自旋陀螺仪的核自旋磁场自补偿能力有限,导致SERF原子自旋陀螺仪的带宽较窄(目前在10 Hz以内),动态范围远小于核磁共振陀螺仪。因此,SERF原子自旋陀螺仪较适合于有超高精度需求且动态范围较小的平台。

核磁共振陀螺仪是一种全固态、可芯片化的陀螺仪,已经达到导航级的精度。目前,Northrop Grumman公司正承担C-SCAN项目,研制体积不大于20 cm3、功耗不大于1W的芯片级核磁共振陀螺惯性测量单元,陀螺零偏稳定性达到1×10-4°/h,测量范围±15 000°/s,标度因数稳定性为1×10-6,启动时间为10 s。2013年5月,美国空军完成了高超音速无人飞行器X-51A“乘波者”的试飞,达到5.1Ma,被美军列入“一小时打遍全球”的武器库中。如果将C-SCAN导航系统应用于X-51A演变出的快速打击导弹中,飞行1 000 km由它引起的综合位置误差将优于100 m(CEP),相比传统惯性系统,它的精度将大幅提高,体积、功耗大幅降低。如果再匹配新型末制导雷达,打击精度将优于3 m(CEP)。

4 结论

原子陀螺仪技术已经取得了突破性进展,为未来惯导系统和武器平台的发展提供了新的技术途径。在几种原子陀螺中,核磁共振陀螺是唯一由工业部门主导研发,目前技术成熟度最高的产品。随着自旋磁共振系综操控技术的发展、微光机电加工技术的进步,核磁共振陀螺仍有进一步提高精度、减小体积、降低成本的潜力,并在智能弹药等需要高动态、高过载的自主导航与制导平台上展现广阔的应用前景。

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Analysis on Atomic Gyroscope and Its Application Prospect Analysis in Intelligent Ammunition

JIANG Junbiao,WANG Xiaozhang,TAN Pengli

(No. 203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

High precision navigation and location technologies without the aid of satellites have attracted great attention of world power, and one key element to fulfill this requirement was new types of high performance inertial sensors. Atomic gyroscopes (AG) based on quantum effect had great potential in the field of high-precision sensor. The technical schemes and operating principles of two types of atom interference gyroscopes and two kinds of atom spin gyroscopes were introduced in this paper. According to the characteristics and research status of different schemes, the advantages and disadvantages of different schemes were analyzed in depth. The micro nuclear magnetic resonance atomic gyroscope was considered as an appropriate candidate for intelligent ammunition.

atom interference gyroscope; atom spin gyroscope; intelligent ammunition

2016-07-04

蒋军彪(1962-),男,浙江余姚人,研究员,博士,研究方向:导航、制导与控制。

TJ765

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