惯性导航的新宠——核磁共振陀螺仪

提起核磁共振，恐怕您的脑海中会浮现出医院里那个像太空舱一样带有一系列振动声响的巨大环形机器了。其实，核磁共振成像(MRI)检查利用的正是微观粒子在恒定磁场的作用下产生一系列分立能级的物理现象。随着量子技术的不断发展，除了医学，核磁共振技术也被广泛应用于其他前沿领域中。随着量子传感技术的迅速发展，在惯性导航技术中，利用原子磁共振特性构造的微小型核磁共振陀螺惯性测量装置具有高精度、小体积、纯固态、对加速度不敏感等优势，成为新一代陀螺仪的研究热点方向之一。

一、万千宠爱于一身的家族新秀

要想搞清楚什么是核磁共振陀螺，首先要知道什么是陀螺仪。

陀螺仪是惯性导航和惯性测量的核心部件，在很大程度上能够决定惯性导航系统的性能。当前，陀螺仪大致可以划分动态陀螺仪和固态陀螺仪两类。

核磁共振陀螺摆脱了经典力学中自旋质量陀螺仪的原理，是由电磁、量子力学及微电子等领域中的经典理论结合现代工艺形成的固态陀螺仪。虽然没有陀螺效应，但它能够通过检测原子自旋在外磁场中的拉莫尔进动的频率移动，获得角度变化的信号，从而得知飞行器与预定运动的轨迹偏差，以便于及时修正。

1963年，美国General Precision公司首次利用核磁共振原理研究出研究核磁共振陀螺仪，并成功地实现了惯性测量。由于核磁共振陀螺同时具有光学陀螺仪的精度、微机电系统陀螺仪的体积和成本，使得该陀螺仪成为当时陀螺仪领域的研究热点。

微型核磁共振陀螺原型机

80年代以后，核磁共振陀螺的研究在工程技术上出现困难，于是科学家将研制重心转移到了激光陀螺和光纤陀螺上。

2000年后，随着量子调控、微加工、光电子等技术领域的最新研究成果，突破了核磁共振陀螺仪的历史发展瓶颈。一下子，核磁共振陀螺又成了科学家们炙手可热的研究方向。

2013年，Northrop Grumman公司研制的核磁共振陀螺 在10 cm³整表体积下，实现了零偏稳定性0.01°/h，一举跃为目前世界上达到导航级精度中体积最小的陀螺仪。

Northrop Grumman 公司近年来核磁共振陀螺仪的研究历程与指标

目前在国际上，核磁共振陀螺的相关关键技术都在不断突破和快速发展，核磁共振陀螺仪已经逐步从实验室走向小型化、工程化。

Litton 公司的核磁共振陀螺仪样机（左）及其内部结构图（右）

二、小个子荣膺“火眼金睛”

如何提高陀螺精度，满足远程、长航时运载体对超高精度惯性导航的迫切需求；如何在保持导航级精度的前提下进一步降低陀螺的体积与成本，满足导航级、战术级运载体对小型惯性导航的迫切需求，是陀螺技术领域始终面临的两大核心难题。

在陀螺仪近一个世纪的发展历程中，逐步采用了机械式、光学式、微机电式等技术，形成了以三浮陀螺仪、静电陀螺仪、激光陀螺仪和光纤陀螺仪为代表的传统陀螺仪。

激光陀螺仪

虽然激光陀螺和光纤陀螺已逐渐应用到武器装备、宇航等多个领域，但这两种光学陀螺的精度均与光波环路包围的面积成正比，微小型化会降低陀螺性能。而微机电陀螺虽然具有小体积的优势，但其抗振动能力差，精度低，难以满足高性能导航需求。与此同时，其它新型陀螺仪，如原子干涉陀螺和无自旋交换弛豫陀螺，仍处于原理样机阶段。

相比而言，核磁共振陀螺没有运动部件，性能由原子材料决定，理论上动态测量范围无限，能够兼顾高精度和小体积两种特点，同时具有纯固态、对加速度不敏感等优势，是当前陀螺技术领域两大难题的最优解。用一句通俗的话概括核磁共振陀螺的特点，就是比它小的没它精确，比它精确的没它小。

科学家们至今还在致力于完成核磁共振陀螺向芯片级尺寸、战略级精度的发展，以实现高精度陀螺及系统在当前无法应用或延伸的领域中应用。

斯坦福大学的低温超导核磁共振陀螺仪结构示意图

三、多面手将破茧成蝶

核磁共振陀螺是未来陀螺仪发展的新方向，它的诞生和发展将不断开拓陀螺仪在军事和民用领域的应用。

在未来战场上，核磁共振陀螺有望使小型飞行器、潜航器等小体积武器装备具备高精度自主导航能力，以此实现在恶劣电磁环境下的单兵作战。

民用领域中，核磁共振陀螺以其能够提供高精度运动跟踪的特点足以替代硅加速度计。在生活中，手机里的图片旋转功能、打游戏时的平衡控制器、数码摄像机除震动、笔记本电脑防衰落系统以及汽车的自动控制等等都有望采用核磁共振陀螺。

与此同时，微型核磁共振陀螺具有的高精度也能用于皮、纳卫星等微小型空间飞行器的姿态控制。其小体积、低功耗等特点能减轻飞行器的重量和能源消耗。采用基于核磁共振陀螺的惯性测量组合将提高微小型空间飞行器有效载荷的比重。

Singer 公司的核磁共振陀螺仪工作原理图（左）及内部结构图（右）

总之，微小型空间飞行器的发展、小型导弹、作战平台等武器装备的发展以及民用领域的潜在应用都对惯性设备提出了更高要求，即高精度、小体积、低功耗、低成本，这些需求无疑将促进微型核磁共振陀螺仪的快速发展。

当然，此时的核磁共振微陀螺技术尚不成熟，从研制成功到真正应用的路上仍面临着诸多挑战。其中，微型磁屏蔽罩的设计和制造技术就是阻碍核磁共振微陀螺实际应用的首要难题。

科学家们正在努力突破这一技术难关，相信核磁共振陀螺必定在未来的惯性导航领域大有可为，核磁共振陀螺这一项目研究成果也必将给国防和民用领域带来创新性的改变。

国内磁共振陀螺技术研究历程

THE  END

文字 | 黄春霖（国防科大原本科学员 ，[e-mail]）、郭力源（国防科大硕士研究生）、兰济民（国防科大原本科学员）

图片 | 来源于网络

编辑 | Q

“军事高科技在线”征稿啦！！

详情请戳👇👇👇