CN104280023A - 一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统 - Google Patents

一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，该系统包括三轴线圈，设于三轴线圈内的原子泡，与三轴线圈连接的信号发生器，设于三轴线圈外用于核磁共振原子陀螺仪的检测光，以及用于核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟的抽运光，用于探测核磁共振原子陀螺仪的光检信号的第二光电探测器，用于探测芯片原子钟的CPT谐振信号的第一光电探测器；所述检测光与抽运光正交，所述第一光电探测器与抽运光之间还连接有第一稳频伺服环路和第二稳频伺服环路。本发明对缩小Micro-PNT的体积、功耗、重量有着极大的意义，并且有利于提高芯片原子钟的性能，具有很高的实用价值。

Description

一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统
技术领域
本发明涉及一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，属于原子钟和核磁共振原子陀螺仪领域。 
背景技术
随着科技的发展，导航定位系统在军事和民用上得到越来越多的应用，但也存在一些问题。卫星导航具有体积小、成本低的特点，但抗干扰能力不足，容易被屏蔽或遮挡；惯性导航抗干扰能力强，但存在体积重量大、预热启动慢、成本高、无时间信息等不足。为了适应现代战争提出的精确打击、快速反应、协同作战、自主生存等需求，研究一种高精度、小体积、低成本、支持协同作战并具有自主保障能力的导航技术势在必行。近年来，一种基于现代量子技术、电子技术、微机械电子系统(MEMS)和3D微组装工艺发展起来的微型定位导航与授时(Micro-Position，Navigation，Timing，Micro-PNT)技术应运而生。 
Micro-PNT是一个将芯片原子钟、高精度微陀螺仪和高精度微加速度计组合集成的微终端。其中，芯片原子钟提供时间信息；微陀螺仪提供角速度信息；加速度计提供加速度信息。Micro-PNT具有体积小，功耗低，成本低，定位精度达到导航级等多种优点，便于灵活集成于各种可移动系统当中，在军事和民用领域具有广阔的应用空间。 
传统的Micro-PNT单元是将芯片原子钟、高精度微陀螺仪和高精度微加速度计作为独立器件组装使用，其体积、功耗、重量必然是三个独立组件之和。相干布局囚禁原子钟是目前芯片原子钟国内外的主流方案，核磁共振原子陀螺仪也是高精度微陀螺的主要备选方案。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，降低Micro-PNT系统的体积、功耗、重量。 
核磁共振原子陀螺仪利用核磁共振原理来测量载体角速度的一种装置。如图1所示，当具有磁矩μ的自旋原子处于磁场强度为B0的静磁场中时，每一个自旋原子都会如陀螺一般绕着B0矢量方向产生进动，称之为拉莫尔进动，其进动角频率ωL称为拉莫尔频率，方向与B0一致，其大小为： 
ωL＝γB0
式中γ为磁旋比，为原子核特征常数，与原子核运动无关。 
在与B0平行的方向入射一束抽运光，再在与B0垂直的方向入射一束探测光。当载体绕B0方向以角速度ωR转动时，探测光光强变化变化频率ωobs为： 
ωobs＝ωL+ωR 
由此可得： 
ωR＝ωobs-ωL＝ωobs-γB0
由于ωobs，γ，B0均为已知，故测量得载体绕B0转动的角速度ωR。此即核磁共振原子陀螺仪的工作原理。 
相干布居囚禁(Coherent Population Trapping)原子钟(下简称CPT原子钟)同样也需要原子泡，原子泡内需要充入缓冲气体(N2和其他惰性气体，如Ne、Xe、CH4等)和碱金属原子87Rb或133Cs。以充入87Rb原子为例，基态MF＝0两态与激发态MF＝1，MF＝-1态构成制备CPT态的Λ型结构，CPT共振发生在D1线。图2和图3是芯片原子钟工作原理图，光源由纵腔面发射半导体激光器(VCSEL)提供。直流电流与频率为ν的微波通过Bias-Tee偏置器合成为供电电流输入VCSEL，使VCSEL输出受微波频率调制的双色光。在原子上作用一静 磁场，使得原子发生塞曼能级分裂。 
当微波的频率刚好等于基态MF＝0两能级差1/2时，透射光的光强最强；当微波的频率变化时，透射光的光强会迅速变弱。根据激光光强的变化将微波的频率锁定在原子的基态能级上，此时，微波频率ν与基态MF＝0两能级差ΔE之间的关系为： 
ν＝ΔE/2h 
式(4)中，h为普朗克常数。这样就把基态MF＝0两能级差ΔE的高稳定性传递给微波频率ν，也就实现了CPT原子钟。 
由核磁共振原子陀螺仪和基于CPT的芯片原子钟的工作原理可知，两者均需使用激光器，原子气泡，磁屏蔽，磁场线圈，温控系统，伺服电路等。核磁共振原子陀螺仪的抽运光偏振状态要求为圆偏光、频率要求与基态5S1/2两态与激发态5P1/2两态频率差相当，这与CPT原子钟的要求是一致的；核磁共振原子钟陀螺仪原子泡内要求充有碱金属原子(Rb或者Cs)、N2、Xe，CPT原子钟原子泡内要求充有碱金属原子(Rb或者Cs)、缓冲气体，而N2和Xe可作为缓冲气体，因此二者对原子泡的要求基本一致；其它的要求例如原子泡的温控、磁屏蔽、静磁场、光电探测等，二者的要求也是一致；不一致的地方是核磁共振原子陀螺仪需要检测光，而CPT原子钟则不需要，但这点不同不会影响CPT原子钟的实现。因此，可利用两者之间的共性，通过同一物理结构同时实现核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟。 
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 
一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，包括三轴线圈，设于三轴线圈内的原子泡，与三轴线圈连接的信号发生器，设于三轴线圈外用于核磁共振原子陀螺仪的检测光，以及用于核磁共振原子陀螺仪和芯片原 子钟的抽运光，用于探测核磁共振原子陀螺仪的光检信号的第二光电探测器，用于探测芯片原子钟的CPT谐振信号的第一光电探测器；所述检测光与抽运光正交，所述第一光电探测器与抽运光之间还连接有第一稳频伺服环路和第二稳频伺服环路。 
具体地，所述信号发生器包括第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器，所述第一信号发生器与三轴线圈的X轴线圈连接，所述第二信号发生器与三轴线圈的Y轴线圈连接，所述第三信号发生器与三轴线圈的Z轴线圈连接。 
进一步地，检测光与抽运光分别由第一半导体激光器和第二半导体激光器产生，或者由一个半导体激光器通过一个偏振分束器产生。 
更进一步地，第一稳频伺服环路包括与第一光电探测器连接的第一锁定放大器，与第一锁定放大器连接的半导体激光器电流源，与半导体激光器电流源连接的Bias-Tee偏置器，所述Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接。所述第二稳频伺服环路包括与第一光电检测器连接的第二锁定放大器，与第二锁定放大器连接的微波综合器，所述微波综合器通过Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接。 
再进一步地，所述Bias-Tee偏置器由电容和电感构成，其中电感与半导体激光器电流源连接，电容与微波综合器连接，电容和电感均连接到第二半导体激光器。 
再进一步地，所述第三信号发生器还与第二锁定放大器连接。所述检测光光束和抽运光光束均通过四分之一波片照射到原子泡上。 
另外，所述原子泡内充有碱性金属蒸气、稀有气体和缓冲气体。 
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果： 
(1)本发明提供相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪共用一个原子泡的系统，对缩小Micro-PNT的体积、功耗、重量有着极大的意义； 
(2)本发明抽运光通过微波综合器和Bias-Tee偏置器调制为双色光，同时实现核磁共振原子陀螺仪中原子的极化和芯片原子钟的CPT谐振，从而实现核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟一体化设计的目的； 
(3)本发明有利于提高CPT原子钟的性能；体现在两个方面：传统的CPT原子钟工作时需要对微波源进行低频调制，这会影响微波源信号质量，进而影响整机的性能指标，本发明可避免对微波信号的影响，通过对三轴线圈电流进行调制以达到相同的效果；传统的CPT原子钟采用基态MF＝0两态与激发态F＝1，MF＝-1态构成制备CPT态的Λ型结构，本发明可采用MF＝+1(或MF＝-1)两态与激发态F＝1，MF＝-1态构成制备CPT态的Λ型结构，这种Λ型结构制备的CPT态信噪比大于传统方案；传统方案中不使用这种Λ型结构的原因是这种原理的CPT原子钟对磁场比较敏感，但核磁共振原子陀螺仪中对磁场进行了严格控制，因此一体化设计的方案可有效避免这个缺点； 
(4)本发明有利于CPT原子钟和核磁共振原子陀螺仪之间的相互耦合校准，便于提高PNT系统的性能，二者的原子泡、激光光源、环境等条件完全相同，其输出结果必然存在一定的关联，可用于二者之间的相互耦合校准； 
(5)本发明不仅适用于传统工艺，也适用于微加工工艺实现芯片级M-PNT系统，本发明可采用传统工艺实现一体化CPT原子钟和核磁共振原子陀螺仪，也可以采用微加工工艺实现一体化芯片级CPT原子钟和核磁共振原子陀螺仪，因此可作为M-PNT整机的一种备选方案，利用本发明实现的M-PNT系统结构简单、体积小、功耗低、重量轻，具有很高的实用价值。 
附图说明
图1为核磁共振原子陀螺仪工作原理图。 
图2为芯片原子钟工作原理图一。 
图3为芯片原子钟工作原理图二。 
图4为本发明的系统结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。 
实施例 
如图4所示，一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，包括三轴线圈，设于三轴线圈内的原子泡，三轴线圈分别连接有第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器，所述第一信号发生器与三轴线圈的X轴线圈连接，产生沿X轴方向的磁场；所述第二信号发生器与三轴线圈的Y轴线圈连接，产生沿Y轴方向的磁场；所述第三信号发生器与三轴线圈的Z轴线圈连接，产生沿Z轴方向的磁场。三轴线圈外设有核磁共振原子陀螺仪的检测光，以及核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟的抽运光，在本发明中，检测光与抽运光正交，检测光与抽运光分别由第一半导体激光器和第二半导体激光器产生，或者由一个半导体激光器通过一个偏振分束器产生，一束线偏振激光经过偏振分束器后会产生两束正交线偏振激光，这两束激光可分别作为抽运光和检测光。三轴线圈外还设有用于探测核磁共振原子陀螺仪的光检信号的第二光电探测器，用于探测芯片原子钟的CPT谐振信号的第一光电探测器，第一光电探测器、原子泡、第二半导体激光器在同一直线上，第二光电探测器、原子泡、第一半导体激光器在同一直线上。 
第一光电探测器分别连接有第一稳频伺服环路和第二稳频伺服环路，第一 稳频伺服环路包括与第一光电探测器连接的第一锁定放大器，与第一锁定放大器连接的半导体激光器电流源，与半导体激光器电流源连接的Bias-Tee偏置器，所述Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接；所述第二稳频伺服环路包括与第一光电检测器连接的第二锁定放大器，与第二锁定放大器连接的微波综合器，所述微波综合器通过Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接。 
在本发明中，第三信号发生器还与第二锁定放大器连接，Bias-Tee偏置器由电容和电感构成，其中电感与半导体激光器电流源连接，电容与微波综合器连接，电容和电感均连接到第二半导体激光器。 
检测光光束和抽运光光束均通过四分之一波片照射到原子泡上，将线偏振光转换为圆偏振光。 
在本发明中，第一半导体激光器产生核磁共振原子陀螺仪的检测光，第二半导体激光器产生核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟的抽运光，第一半导体激光器和第二半导体激光器出射的激光为线偏振光，经过四分之一波片转换为圆偏振光。抽运光通过微波综合器和Bias-Tee偏置器调制为双色光，同时实现核磁共振原子陀螺仪中原子的极化和芯片原子钟的CPT谐振。第一半导体激光器和第二半导体激光器的温度和电流应稳定在某个特定的值，过高或过低的温度或电流将会影响原子陀螺仪和芯片原子钟的性能。激光源的频率可以通过稳频伺服环路稳定。 
半导体激光器电流源，提供第一半导体激光器和第二半导体激光器发光需要的直流电源，调节半导体激光器电流源的电流值可实现对第一半导体激光器和第二半导体激光器频率的调节。 
第一锁定放大器通过接受多普勒背景吸收峰，产生误差信号用以伺服第二半导体激光器的频率；第二锁定放大器通过接受CPT谐振信号，产生误差信号 用以伺服微波综合器。 
微波综合器，包含微波源和晶振，用以调制第二半导体激光器，产生CPT谐振所需的双色光。同时受到第二锁定放大器误差信号的伺服，输出原子钟的频率信号。 
Bias-Tee偏置器，分别接受微波综合器和半导体激光器电流源的输入，用以调制第二半导体激光器产生的双色光。 
第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器，与三轴线圈连接，产生核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟需要的磁场，第三信号发生器产生的正弦波还可同时用于调制第二锁定放大器，实现微波综合器的稳频伺服环路。 
三轴线圈，分别与第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器连接，产生绕X轴，Y轴和Z轴三个轴的磁场，以满足核磁共振原子陀螺仪和芯片钟对于原子气泡内磁场分布的要求。 
原子泡内充有碱性金属蒸气、稀有气体和缓冲气体。原子泡的温度、气压和各种气体的比例应稳定在某个特定的值，过高或过低的温度、气压和气体比例将会影响原子陀螺仪和芯片原子钟的性能。 
第一光电探测器用于探测芯片原子钟的CPT谐振信号，转换为电压信号用以第一稳频伺服环路和第二稳频伺服环路。第二光电探测器用于探测核磁共振原子陀螺仪的光检信号，经过一系列解调后，输出陀螺仪的角速度信号。 
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，包括三轴线圈，设于三轴线圈内的原子泡，与三轴线圈连接的信号发生器，设于三轴线圈外用于核磁共振原子陀螺仪的检测光，以及用于核磁共振原子陀螺仪和芯片原子钟的抽运光，用于探测核磁共振原子陀螺仪的光检信号的第二光电探测器，用于探测芯片原子钟的CPT谐振信号的第一光电探测器；所述检测光与抽运光正交，所述第一光电探测器与抽运光之间还连接有第一稳频伺服环路和第二稳频伺服环路。
2.根据权利要求1所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述信号发生器包括第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器，所述第一信号发生器与三轴线圈的X轴线圈连接，所述第二信号发生器与三轴线圈的Y轴线圈连接，所述第三信号发生器与三轴线圈的Z轴线圈连接。
3.根据权利要求2所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，检测光与抽运光分别由第一半导体激光器和第二半导体激光器产生，或者由一个半导体激光器通过一个偏振分束器产生。
4.根据权利要求3所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，第一稳频伺服环路包括与第一光电探测器连接的第一锁定放大器，与第一锁定放大器连接的半导体激光器电流源，与半导体激光器电流源连接的Bias-Tee偏置器，所述Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接。
5.根据权利要求4所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述第二稳频伺服环路包括与第一光电检测器连接的第二锁定放大器，与第二锁定放大器连接的微波综合器，所述微波综合器通过Bias-Tee偏置器与第二半导体激光器连接。
6.根据权利要求5所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述Bias-Tee偏置器由电容和电感构成，其中电感与半导体激光器电流源连接，电容与微波综合器连接，电容和电感均连接到第二半导体激光器。
7.根据权利要求6所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述第三信号发生器还与第二锁定放大器连接。
8.根据权利要求7所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述检测光光束和抽运光光束均通过四分之一波片照射到原子泡上。
9.根据权利要求1所述的一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，其特征在于，所述原子泡内充有碱性金属蒸气、稀有气体和缓冲气体。
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