新款陀螺仪技术更新简介

5.1.4.1　冷原子陀螺仪

冷原子陀螺仪利用原子干涉的萨奈克效应进行转动角速度的测量,其核心装置是原子干涉仪,原子干涉仪在本质上依赖原子的波动性。1924年,法国物理学家德布罗意提出了实物粒子具有波动性的假设,认为粒子具有类波行为,即所谓的波粒二象性。因为原子的德布罗意波短,所以原子干涉仪可以进行很多高精度的测量。在原子干涉的实验中,经常将原子干涉仪与激光干涉仪进行类比,以得出相应的实验结论。

冷原子陀螺仪的基本结构主要包括：原子光源及其控制系统、原子干涉的萨奈克环及其控制系统、干涉信号的光电检测系统、信号的调质/解调与反馈系统、装载工作原子的真空机械系统等,如图5.12所示。

图5.12　冷原子陀螺仪的结构组成

根据原子干涉所需的分束器和反射镜不同,冷原子陀螺仪可以分为两种：一种是采用机械光栅,利用光栅的衍射进行原子分束；另一种是采用激光,利用光子和原子的动量传递来完成原子分束。

根据分束器是否可以改变原子的内部能态,原子干涉可以分为德布罗意干涉方法和原子能态干涉方法。德布罗意干涉方法包括采用机械光栅分束器和激光布拉格衍射分束器；原子能态干涉方法包括采用受激拉曼跃迁的激光分束器和一般的单光子激光分束器等。

目前采用得最广泛的是受激拉曼跃迁的激光分束器,又称拉曼激光分束器。其优点包括：只需要求两束激光的频差稳定,而不需要求单个激光,因此具有很高的稳定性；原子跃迁发生在两个寿命很长的超精细基态能级,使得激光调制到远离激发态的频率,可以有效地避免自发辐射的影响；激光束的频率和相位可以调制,方便干涉信号的获取和转动的偏置；等等。

图5.13　原子干涉仪的工作原理示意

图5.13所示为原子干涉仪的工作原理示意,原子束中的原子被泵浦到点A。通过拉曼脉冲实现原子的分束,拉曼脉冲由两束沿着相反方向传播并重叠在一起的激光光束组成。通过控制两束脉冲的频率和持续时间,就可以使原子处于叠加态或者分离态。第一束拉曼脉冲将原子束制备在叠加态；第二束拉曼脉冲(π光)改变两束原子的运动轨迹；第三束拉曼脉冲重组了两个态的原子,并产生干涉。旋转将引起两束原子间的相对相位移动,干涉信号通过测量处于其中一种状态的原子数就可以进行检测。所以说,该光脉冲序列是一把可以准确测量原子团位移的尺子。

冷原子陀螺仪的工作原理与激光陀螺仪的工作原理相似,都是利用萨奈克效应。当相对于转动空间在垂直干涉面上有一个转动角速度ω时,干涉仪的相移为

式中,λ——波长；

A——干涉面积。

对于物质粒子来说,波长为德布罗意波长,即

式中,h——普朗克常数；

m——粒子质量；

v——粒子速度。

对于物质粒子,有

式中,ΔΦatom——物质粒子相移量；

——约化的普朗克常数。

如果将He-Ne激光与铯原子进行比较,在闭合干涉仪面积和角速度相同的情况下,原子干涉相移是激光干涉相移的6×1010倍,即对应的冷原子陀螺仪灵敏度是激光陀螺仪的6×1010倍。冷原子陀螺仪达到的性能指标如表5.6所示。

表5.6　冷原子陀螺仪达到的性能指标

冷原子陀螺仪的精度和灵敏度高,采用冷原子陀螺仪有可能实现具有高精度的、重力梯度补偿和高精度时频标的集成惯性导航系统。例如,冷原子陀螺仪可以应用在惯性导航、地球观测、基础物理学等一些对精度要求较高的惯性测量的领域。

5.1.4.2　核磁共振陀螺仪(www.xing528.com)

核磁共振陀螺仪是一种利用核磁共振原理工作的全固态陀螺仪。近年来,随着量子原理和微机电等技术飞速发展,核磁共振陀螺仪也在原有基础上取得显著进展,同时出现了一批新型核磁共振陀螺仪。

核磁共振陀螺仪通过探测原子自旋在外磁场中的拉莫尔进动的频率移动来确定转速。在惯性空间里,原子自旋可以始终保持其原始的指向,所以可以借助原子自旋来敏感转动。核磁共振陀螺仪的基本结构包括泵浦光源、检测激光、气室、无磁加热系统、磁补偿线圈、磁屏蔽装置、光电探测器,以及外围信号处理电路等。

图5.14　核磁共振陀螺仪原理示意

核自旋会产生磁矩μ,磁矩方向与自旋轴方向一致,在自然状态下具有随机性,无宏观指向。如图5.14所示,将核自旋置于静磁场B0中,核自旋将在静磁场作用下以拉莫尔角频率绕B0方向进动(ωL＝γB0,ωL为拉莫尔角频率,γ为原子的旋磁比)。

当作用于与磁场方向相同的泵浦光后,原子被极化赋予核自旋宏观指向。施加射频磁场B1(t)是一个均匀的交变电磁场,其与已有稳定静磁场B0方向正交,并且其外加频率与原子进动频率相等。这时,核自旋会产生核磁共振,且共振频率等于拉莫尔角频率。

检测激光与载体系固联并随其共同旋转,用于检测共振频率,通过检测宏观核自旋的拉莫尔进动频率,就能够获得载体旋转角速率。

载体在惯性参考系中绕B0方向转速为ωr时,探测光观察到核磁共振频率为

在确定核自旋元素后,γn为物理常量,能够通过磁场强度B0来确定拉莫尔角频率,即

由式(5.22)和式(5.23)可知,只要已知B0,就可以通过检测载体的核磁共振频率来求出载体的转速ωr。然而,在静磁场的磁场强度B0未知的情况下,上述方法包含两个待求解量。通过检测同一装置中两个具有旋磁比γa和γb的不同原子核的核磁共振信号,根据观测到的共振频率为ωa和ωb,可知

由此可解算出载体的实际转速ωr和静磁场的磁场强度B0,从而实现角运动的测量。

核磁共振陀螺仪利用核磁共振技术工作,兼顾功耗低、体积小、成本低、精度高、抗振动等综合优势,目前已经发展得比较成熟。核磁共振陀螺仪的研究与开发得到了国内外的广泛关注,在微小型敏感单元应用中具有突出潜力,现已逐渐从实验室测试转向工程化与装备化,并最终得到广泛应用。

在未来,核磁共振陀螺仪将应用于无人机、水下潜航器、地面车辆、临近空间飞行器以及单兵装备等任何需要小尺寸和低功率、高精度导航的领域。在民用方面,精度高、体积小、成本低这些要求对于传统的惯性导航系统来说,已经很难取得突破性进展,核磁共振陀螺仪的使用将为民用领域带来革命性变化。在军事领域,微小型武器装备能具有高精度的自主导航能力,在很大程度上依靠核磁共振陀螺仪的发展,这对自主导航技术来说具有重大的意义。

5.1.4.3　静电悬浮陀螺仪

静电悬浮陀螺仪(Electrostatically Suspended Gyroscope,ESG)示意如图5.15所示,其研制目的就是借助电场的作用将陀螺球悬浮在真空腔中。

图5.15　静电悬浮陀螺仪示意

通过静电,将高速自转的精密球体悬浮在真空中,使这个球体靠惯性旋转。假设装置理想,则球体自转轴在惯性空间内维持固定方向。以自转轴为基准,测定这条基准轴相对于当地基准方向(如当地铅垂线)的角度变化,即可实现导航的目的。

静电悬浮陀螺仪的精度很高,其漂移可达0.000 1(°)/h的量级。这种敏感器可用于稳定平台,其给出的导航精度可达0.1 n mile。其主要难点在于：

(1)消除惯性元件由于制造精度而产生的质量不平衡问题。

(2)制造不干扰球体运动的读出装置。

(3)避免球体坠落。

(4)避免停电带来的自我损坏。

在进行陀螺仪设计时,必须保持球体高速旋转,一般要达到150 000 r/min,这时球形惯性元件的加工误差就会导致振荡、章动和涡动。由于陀螺仪的内部为高真空,因而很难向这种有害的扰动提供阻尼。另外,这种陀螺仪还需要一些特殊的方法来提供冲击和振动保护,因为这种陀螺仪没有任何内在机构能够消除球体的线扰动。增加防冲击防振装置将导致陀螺仪的尺寸增大。

静电悬浮陀螺仪是设计和制造的最精密的常规陀螺仪之一,在飞机、舰船等领域已经有了很广泛的应用。静电悬浮陀螺仪虽然原理简单,但其设计非常复杂,且体积庞大、成本高昂,因此在未来的设计制造中仍然面临巨大挑战。