基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪实验优化

李连花，徐正一，彭欣欣，周尹敏，裘栩炀，魏梦梦，周 敏，徐信业

(华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062)

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陀螺仪是用来测量物体相对于惯性空间旋转角度或角速度的传感器，是惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)的核心部件之一。与全球定位系统(Global Position System，GPS)相比，惯性导航系统可以在许多特殊环境下工作，如深海和洞穴[1]。核磁共振陀螺仪(Nuclear Magnetic Reson-ance Gyroscope, NMRG)利用原子自旋进动来测量角速度，具有精度高、体积小、功耗低、对加速度不敏感等优点[2-5]。核磁共振陀螺仪也是未来高精度、芯片级陀螺仪的研究热点[6-7]。

1938年，伊西多·拉比成功地进行了第一次核磁共振实验，随后他于1944年获得了诺贝尔物理学奖[8]。1952年，通用电气公司提出了核磁共振陀螺仪的概念，并于1955年获得了名为《角运动测量仪》的专利[9]。从那时起，其他公司和研究机构也开启了自己的核磁共振陀螺仪研究。1979年，美国Litton公司和Singer-Kearfott公司分别研制出光泵浦核磁共振陀螺仪的原理样机。前者陀螺仪的零偏稳定性为0.1(°)/h、角度随机游走为0.01(°)/h1/2，后者的性能指标分别为0.05(°)/h和0.015(°)/h1/2[10-11]。为解决弱信号检测和磁场稳定这一问题，美国斯坦福大学和英国萨赛克斯大学转向研究低温超导核磁共振陀螺仪[2]。然而，由于环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪的快速发展，许多研究机构逐渐放弃了对核磁共振陀螺仪的研究。直到2005年，美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)开始在定位、导航和授时(Positioning, Navigation and Timing, PNT)方面开展micro-PNT项目，核磁共振陀螺仪被列为重点资助项目。在DARPA的资助下，诺格公司(Nor-throp Grumman)在体积为10cm3的物理封装中研制出了角度随机游走为0.001(°)/h1/2、零偏稳定性为0.01(°)/h的核磁共振陀螺仪[12]。……