SERF陀螺仪研究进展及关键技术

石 猛，阚宝玺，刘院省，王学锋

（1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.中国航天科技集团量子工程中心，北京100094）

SERF陀螺仪研究进展及关键技术

石 猛1，2，阚宝玺1，2，刘院省1，2，王学锋1，2

（1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.中国航天科技集团量子工程中心，北京100094）

SERF（Spin Exchange Relaxation Free）陀螺仪利用电子自旋在惯性空间的定轴性敏感载体转动信息，具有超高精度、小体积的特点，已成为国内外惯性技术领域的研究热点之一。本文介绍了SERF陀螺仪的基本原理，回顾了SERF陀螺仪的国内外发展历程，指出SERF陀螺仪发展需要解决原子气室抗弛豫、核自旋磁场补偿闭环和高精度的信号检测三个关键技术，并展望了SERF陀螺仪在未来潜在的应用前景。

惯性导航；陀螺仪；SERF；原子自旋

0　引言

陀螺仪是一种测量载体转动信息的惯性器件，其性能决定了惯性导航系统的精度［1-2］。陀螺仪的种类很多，如基于牛顿力学的机械转子式陀螺仪［3］、基于光子Sagnac效应的光纤陀螺仪和激光陀螺仪［4-5］、基于MEMS制造工艺的微型机械振动陀螺仪［6］、基于原子Sagnac效应的原子干涉陀螺仪、基于原子自旋效应的核磁共振陀螺仪和SERF陀螺仪［7-10］。在陀螺仪的发展过程中，人们一直在追求高精度和小体积。液浮陀螺仪、挠性陀螺仪和静电陀螺仪技术上比较成熟，小型化困难［1］；MEMS陀螺仪体积小，精度低［11］；光纤陀螺仪和激光陀螺仪的精度正比于光子干涉环路的面积，很难兼顾高精度与小体积［1］；原子干涉陀螺仪理论精度高，技术难度大，难以小型化［7］；核磁共振陀螺仪和无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）陀螺仪均属于新型陀螺仪，利用原子自旋代替机械转子，能够兼顾高精度与小体积。SERF陀螺仪连续多年获得美国DARPA的资助，目前处于工程化阶段。国内SERF陀螺仪的研究投入也在逐渐增强，已成为新型惯性器件的研究热点之一。

1　SERF陀螺仪工作原理

SERF陀螺仪利用碱金属原子和惰性气体原子作为工作介质，工作原理如图1所示。

图1　SERF陀螺仪工作原理Fig.1 The working principle of the SERF gyroscope

在高压、高密、弱磁场条件下，碱金属原子之间的碰撞会很频繁，当碰撞频率远高于碱金属原子的Larmor进动频率时，碱金属原子自旋的分布通过相互碰撞保持在稳定的状态，碰撞导致的自旋弛豫效应消失，此时原子处于无自旋交换弛豫状态（SERF态）。

碱金属的电子自旋处在SERF态，电子自旋和惰性气体核自旋发生强烈耦合［12-13］。惰性气体核自旋会自动跟踪并补偿外界磁场变化，使得电子自旋感受不到外界磁场，保证了电子自旋处于无干扰的惯性空间［14-16］。

泵浦光极化碱金属原子电子，并使其具有宏观指向性。惰性气体原子通过与碱金属原子间的自旋交换，也被极化［17］。外磁场作用下碱金属原子的电子自旋会绕着磁场进动。线偏振光从垂直于外磁场方向经过时，其偏振面会由于电子自旋的进动而偏转一个角度，这个角度正比于碱金属原子在探测光方向的投影分量［18］。SERF陀螺仪装置如图2所示，泵浦激光经透镜准直，由λ/4波片转换为圆偏振光，用于极化碱金属原子。探测激光经透镜准直，通过λ/2波片调节偏振面方向，经反射镜进入原子气室，出射后由偏振分束棱镜分成s光和p光，分别由探测器接收，并通过差分电路检测出探测光偏振面的偏转角度。无磁电加热片用于加热原子气室。磁屏蔽用于屏蔽地磁场对原子自旋的影响［19］。三维磁场线圈用于核自旋补偿磁场，并抵消外界剩余磁场［20］。

图2　SERF陀螺仪原理装置图Fig.2 The experiment device figure of the SERF gyroscope

原子气室中补偿磁场与泵浦光方向平行。惰性气体原子核自旋由于极化而产生宏观磁矩Mn，该磁矩产生的等效磁场为Bn=λMn。其中，λ是磁场系数。补偿磁场大小合适时，惰性气体核自旋磁矩产生的磁场和补偿磁场相抵消，即有B0+ λMn=0，并且核自旋磁场会随着外界磁场的变化而绝热变化，使得碱金属原子极化方向保持不变。在垂直于碱金属原子极化方向施加探测光，即可探测载体的转动信息。

2　SERF陀螺仪发展历程

2005年，美国普林斯顿大学率先开展了SERF陀螺仪研究，如图3（a）所示。该装置的核心是一个直径为25mm的球形共振腔，内部放置碱金属原子K、惰性气体3He以及缓冲气体N2等。其中，碱金属原子K与惰性气体3He为工作物质［13］，该SERF陀螺仪装置的零偏稳定性达到了0.04（°）/h。2011年普林斯顿大学第二代 SERF陀螺仪装置［16，18］，如图3（b）所示，实现零偏稳定性5×10-4（°）/h。

2009年～2011年，美国Twinleaf公司连续获得美国 DARPA资助，旨在研制高精度小体积SERF陀螺仪工程样机。此外，美国霍尼韦尔公司也开展了芯片级SERF原子自旋陀螺仪的相关研究，设计了相应的结构和工艺实现方法［21］。近几年来，国外关于SERF陀螺仪的报道较少。

国内SERF原子自旋陀螺仪研究起步较晚。2008年，北京航空航天大学开始搭建SERF陀螺仪实验装置，并获得了科技部重大科学仪器装置项目资助。2012年，北京航空航天大学实现了SERF陀螺效应［10］。

图3　普林斯顿大学的SERF陀螺仪研究平台Fig.3 The research platform of the SERF gyroscope in Princeton University

3　SERF陀螺仪关键技术

制约SERF陀螺仪性能的主要因素包括介质种类、气室大小、磁屏蔽性能、无磁加热、核子自旋闭环等。SERF陀螺仪的关键技术主要有原子气室抗弛豫技术、核自旋磁场补偿闭环技术和高精度的信号检测技术。

3.1原子气室抗弛豫技术

抗弛豫膜层能够有效避免原子与器壁碰撞丢失自旋指向，增加电子自旋弛豫时间，提高SERF陀螺仪的性能［22-23］。反弛豫镀膜材料主要包括直链烷烃类、烯烃类、含硅基的有机物和RbH材料。例如，碱金属与石蜡的相互作用很弱，碱金属原子被石蜡器壁弹回上千次不会退极化。但石蜡的熔点通常在60℃～80℃（取决于分子链长度），无法用于高温原子气室［24］。十八烷基三氯硅烷（OTS）和RbH均可用于原子气室高温抗弛豫镀膜［25-26］，它允许碱金属原子2000次碰撞而不丢失极化状态，能承受的最高温度可达170℃。

3.2高精度信号检测

SERF陀螺仪具有超高的精度，要求其在微小角速率输入时仍有信号输出，微弱信号的检测技术就显得尤为重要。微弱信号的检测方法包括：差分偏振法、光弹调制法、法拉第调制法三种。差分偏振法结构简单，易于集成和小型化，但是由于其精度不够高，只适用于SERF陀螺仪的原理样机阶段的信号检测需求。光弹调制法检测灵敏度比差分法要高，但其光路相对复杂，能够满足SERF陀螺仪的信号检测要求。由于其光路复杂性，在SERF陀螺仪研制初期不适宜采用。法拉第调制法需要在原子气室前加一个法拉第调制器，使得检测管的偏振面有调制偏转，在信号检测时通过锁相方法器将信号解调出来，适合应用到SERF原子陀螺仪中。法拉第调制受到光强、法拉第晶体的特性影响，需要保证环境温度和磁场的稳定［27］。

3.3核自旋磁场补偿闭环

核自旋磁场的补偿是SERF原子自旋陀螺仪实现角速率测量的关键步骤，补偿能力的大小决定了碱金属电子自旋能否工作在无干扰的惯性空间。惰性气体原子核自旋磁场一般在几十nT量级，补偿磁场的控制精度需要达到0.1nT，因而需要掌握微弱磁场的控制技术，实现核自旋磁场补偿的高精度闭环。原子核自旋磁场是一个动态磁场，其大小由原子核自旋极化率决定，且受气室温度、激光频率/功率、外界磁场等因素的影响。原子核自旋磁场需要通过外界磁场的抵消使得碱金属原子达到SERF态，因而需要从系统稳态和瞬态输出分析原子核自旋补偿原理，得到核子自旋磁场补偿的条件，采用高精度闭环技术保证原子核自旋磁场能够实时补偿［28］。

4　SERF陀螺仪应用前景

SERF陀螺仪旨在实现高精度、小型化和低成本，有望在海陆空天等军事领域获得应用。具体包括：1）满足新一代中远程导弹及无人机对长航时、全自主高精度导航的需求；2）满足导弹发射车、预警机等为代表的协同指挥平台对战场干扰环境下的高精度、高可靠的导航与授时能力的需求；3）满足水面/水下舰艇在无卫星导航支持环境下长时间进行导航的需求；4）满足火箭、航天飞机等发射任务的需求；5）满足大中小型卫星，长时间在轨运行中导航、定向、姿态调整需求；6）满足深空探测器远离地球，对高精度的自主导航、定位、测姿能力的需求。总的来看，高精度SERF陀螺仪具有广阔的应用前景。

5　结论

SERF陀螺仪是一款能够兼顾超高精度与小体积的新型陀螺仪。美国已经研制成功高精度原理样机。国内仍处于实验室样机阶段，在无磁加热、高性能磁屏蔽、抗弛豫原子气室、高灵敏信号检测和高精度原子核自旋补偿磁场闭环等方面仍有诸多难题需要深入研究。以我国军事领域对小体积、超高精度陀螺仪需求为牵引，整合优势资源，研制出小型高精度SERF陀螺仪，满足我国战略武器装备快速发展的需要。

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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，导航制导与控制专业，博士后，工程师，研究方向为惯性技术与原子陀螺仪。