原子陀螺及其在智能彈藥中的應用前景分析*

蔣軍彪,王曉章,譚鵬立

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

原子陀螺及其在智能彈藥中的應用前景分析*

蔣軍彪,王曉章,譚鵬立

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

不依賴于衛星的高精度導航定位技術正逐步受到世界強國的重視,新型高性能慣性傳感器是實現該技術的關鍵要素。基于量子效應的原子陀螺極具高精度潛質,文中介紹了兩種原子干涉陀螺儀和兩種原子自旋陀螺儀的技術方案和工作原理;根據不同方案的特點及其研究現狀,較為深入的分析了各種方案優缺點,認為微型核磁共振原子陀螺儀在智能彈藥中有更好的應用前景。

原子干涉陀螺儀;原子自旋陀螺儀;智能彈藥

0 引言

由于地緣政治日趨緊張,局部的地緣沖突和反恐將常態化,具有信息獲取、目標識別和毀傷可控能力的智能彈藥將在這種現代化局部戰爭中起到決定性作用。針對各類戰術目標,陸海空三軍一體化作戰模式所需的各類智能彈藥射程范圍將覆蓋50 m～1 000 Km,毀傷精度(CEP)達到1～50 m[1],這些彈藥普遍機動性強、成本低、裝備量大。INS/GPS組合導航技術在這一領域被廣泛采用,但衛星信號存在的抗干擾性差問題,已經在數次戰爭中得到證實。因此,發展不依賴于衛星的高精度導航定位技術,逐步成為世界強國的共識。

隨著量子技術和微納制造技術的進步,原子陀螺儀將在精度、帶寬、體積、成本和量產等多個維度滿足智能彈藥的需求。美國DARPA于2012年啟動一項代號為M-PNT的研究計劃,即利用微納加工技術在單個慣性測量單元中同時實現定位、導航和授時服務。主要目標是研發高性能的微型慣性傳感器,以滿足在沒有GPS的情況下實現精確自主慣性導航,主要指標如下:系統體積不大于20 cm3,功耗不大于1 W,轉速測量精度為10-4°/h,線性加速度測量精度10-6g,標度因子穩定性為10-6,冷啟動時間小于10 s,動態范圍分別為15 000°/s和1 000g。2016年,歐盟委員會發布《量子宣言(草案)》,該計劃將量子傳感器作為一個重要發展方向。

1 原子陀螺儀的技術方案和工作原理

隨著激光冷卻和陷俘原子技術等原子光學領域的4次諾獎技術的實現,為原子陀螺儀的發展奠定了物理基礎。目前原子陀螺儀研究主要分為兩大類:基于物質波干涉的原子干涉陀螺儀(AIG)和基于原子自旋極化的原子自旋陀螺儀(ASG)。

1.1 原子干涉陀螺儀

原子干涉陀螺儀的測量原理與光學中的Sagnac效應類似,冷(熱)原子具有明顯的物質波特性和較高(低)相干性,利用這種物質波的干涉可以實現對轉動的高靈敏度檢測。由于原子的物質波波長遠小于光波長,且運動速度遠低于光速,因此這種陀螺儀理論精度比同樣干涉面積下的光學陀螺儀高10個數量級[2]。原子干涉陀螺儀主要包含連續型(圖1)和脈沖型(圖2)兩種方案,工作原理大致相同。首先要制備許多原子,然后利用拉曼激光、布拉格衍射等光學或光柵機械的方法對冷(熱)原子進行操控,使其分束、反轉和合束,形成原子Sagnac閉合回路。最后,用激光探測復合原子的相移,完成旋轉角速率測量。

圖1 連續型原子干涉陀螺儀的工作原理

圖2 脈沖型冷原子干涉陀螺儀的工作原理

1.2 原子自旋陀螺儀

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

核磁共振陀螺儀采用磁共振測量頻率的技術,提取角速率信號,其工作原理如圖3所示。在外磁場的作用下,核自旋會圍繞外場進行拉莫爾進動,進動頻率ωL與載體相對慣性空間是否轉動無關。頻率檢測系統固定在載體上,采用核磁共振手段測量核自旋的進動頻率。當載體相對慣性空間的轉動角速率為ωR時,在載體系統上檢測得到的核磁共振頻率為ωL+ωR。由于ωL僅與外磁場大小和核自旋種類相關,為已知量,因此可以在檢測到的頻率中扣除掉ωL,實現角運動測量。核磁共振陀螺沒有運動部件,又能兼顧高性能、小體積、低功耗等特點。

圖3 核磁共振陀螺儀的工作原理

圖4 SERF原子自旋陀螺儀的工作原理

SERF原子自旋陀螺儀的工作原理如圖4所示。堿金屬原子的電子自旋在慣性空間中具有定軸性,為避免電子自旋在磁場作用下產生拉莫爾進動,采用惰性氣體原子的核自旋與堿金屬原子的電子自旋共同構造耦合磁強計結構。在特定情況下,堿金屬原子的電子自旋與惰性氣體原子的核自旋發生耦合,此時惰性氣體原子的核自旋能夠自動跟蹤和補償外界磁場的變化,從而隔離磁場對堿金屬原子的電子自旋定軸的影響。當載體轉動時,堿金屬原子的電子自旋保持定軸,檢測激光固連在載體上而隨載體轉動,其與電子自旋的夾角反映了載體相對慣性空間轉動。

2 原子陀螺儀的特點和研究現狀

2.1 連續型原子干涉陀螺儀

圖5 采用對射束流的原子干涉陀螺儀裝置

圖6 斯坦福大學冷原子干涉陀螺儀樣機

2.2 脈沖型冷原子干涉陀螺儀

2004年,法國巴黎天文臺的B.Canuel等人[7]報道了世界上第一個脈沖型冷原子干涉陀螺儀,實驗裝置如圖2所示。

圖7 六軸慣性傳感器原理圖

圖8 兩個陀螺儀信號的和(紅線)與差(藍線)

2.3 SERF原子自旋陀螺儀

2002年,普林斯頓的T.W.Kornack等人[10]首次提出SERF效應用于轉動測量的構想。2005年,該研究小組研制的實驗裝置(圖9)首次實現基于耦合磁強計的SERF原子自旋陀螺儀效應[11]。經過持續改進,2013年研制的SERF原子陀螺儀樣機,零偏穩定性達到1.7×10-4°/h。同年,法國航空航天實驗室(ONERA The French Aerospace Lab)也開始發展基于Rb-129Xe的SERF原子自旋陀螺儀研究[12]。

圖9 普林斯頓大學SERF陀螺儀研究裝置

近幾年,隨著對芯片級原子鐘發展的高度重視,相應的微加工技術有了長足的進步。美國在保證器件高精度的條件下,已經研制出了芯片級原子自旋磁強計樣機,在此技術基礎上,霍尼韋爾公司的研究小組開展了芯片級SERF原子自旋陀螺儀的研究,設計了相應的結構和工藝實現方法,其結構如圖10所示[13]。

圖10 Honeywell的芯片級SERF陀螺儀

2.4 核磁共振陀螺儀

20世紀60年代,美國開始了NMRG的研究工作。1979年,美國Kearfott公司和Litton公司均研制成功了NMRG原理樣機,并取得了專利[14-15]。因光學陀螺發展前景更明朗,兩公司于80年代中期停止了核磁共振陀螺儀的研究。

3 原子陀螺儀在智能彈藥中的應用前景

綜上所述,目前精度最高的是基于連續束流的對射型原子干涉陀螺儀,這種類型的陀螺儀由于采用連續工作模式,帶寬較高,體積也較大,可以用在對精度和帶寬要求高、體積不受限的平臺。脈沖型冷原子干涉陀螺儀由于尺寸較小,束流通量有限,目前的精度和熱原子干涉陀螺儀相比相差2～3量級,且帶寬窄,可以用在準靜態且精度要求不高的平臺。芯片式原子干涉陀螺儀的體積小,類似于MOMES陀螺,但仍有BEC轉移效率過低、轉移速度過慢、容易退相干以及相關的微納加工等關鍵技術問題有待突破。

圖11 諾·格公司的芯片級NMRG樣機

圖12 NIST的NMRG芯片級結構

SERF原子自旋陀螺儀的系統信號強度高,測量自旋進動角的檢測方式提高了檢測的精度,因而SERF原子自旋陀螺儀的精度要高于核磁共振原子自旋陀螺儀。但是,SERF原子自旋陀螺儀的核自旋磁場自補償能力有限,導致SERF原子自旋陀螺儀的帶寬較窄(目前在10 Hz以內),動態范圍遠小于核磁共振陀螺儀。因此,SERF原子自旋陀螺儀較適合于有超高精度需求且動態范圍較小的平臺。

核磁共振陀螺儀是一種全固態、可芯片化的陀螺儀,已經達到導航級的精度。目前,Northrop Grumman公司正承擔C-SCAN項目,研制體積不大于20 cm3、功耗不大于1W的芯片級核磁共振陀螺慣性測量單元,陀螺零偏穩定性達到1×10-4°/h,測量范圍±15 000°/s,標度因數穩定性為1×10-6,啟動時間為10 s。2013年5月,美國空軍完成了高超音速無人飛行器X-51A“乘波者”的試飛,達到5.1Ma,被美軍列入“一小時打遍全球”的武器庫中。如果將C-SCAN導航系統應用于X-51A演變出的快速打擊導彈中,飛行1 000 km由它引起的綜合位置誤差將優于100 m(CEP),相比傳統慣性系統,它的精度將大幅提高,體積、功耗大幅降低。如果再匹配新型末制導雷達,打擊精度將優于3 m(CEP)。

4 結論

原子陀螺儀技術已經取得了突破性進展,為未來慣導系統和武器平臺的發展提供了新的技術途徑。在幾種原子陀螺中,核磁共振陀螺是唯一由工業部門主導研發,目前技術成熟度最高的產品。隨著自旋磁共振系綜操控技術的發展、微光機電加工技術的進步,核磁共振陀螺仍有進一步提高精度、減小體積、降低成本的潛力,并在智能彈藥等需要高動態、高過載的自主導航與制導平臺上展現廣闊的應用前景。

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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

蔣軍彪(1962-),男,浙江余姚人,研究員,博士,研究方向:導航、制導與控制。

TJ765

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