CN104457728A - 一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原子陀螺仪装置，特别是一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置。碱金属气室位于磁屏蔽筒内部，磁屏蔽筒为气室提供弱磁环境，抽运激光器产生的光束经起偏器、λ/4波片后变为圆偏振光，照射在碱金属气室上用于极化气室中的碱金属原子及惰性气体原子，检测激光器产生的光束经起偏器、反射镜、碱金属气室、λ/4波片、相位调制器及检偏器后进入光电探测器变为电信号，用于探测原子敏感到的载体角速度。本发明中采用原子进行载体角速度的测量，光、电等信号仅从屏蔽筒底面进出，有效缩小了光路结构，具有体积小、精度高、稳定可靠等优点。

Description

一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置
技术领域
本发明涉及一种原子陀螺仪技术领域，特别涉及一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪，它是一种导航仪器，可实现载体角速度的精密测量。
背景技术
高精度惯性导航领域，近年来随着无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)技术的实现，基于SERF的原子陀螺仪因其理论精度大幅超越现有相关测量手段而广受关注。
目前广泛研究的无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置中通常采用圆柱形磁屏蔽筒，一束激光从磁屏蔽筒底面的通光孔穿过、沿轴向传播，另外一束激光从磁屏蔽筒侧面的通光孔穿过、沿径向传播。如此而言，侧面通光孔的存在加大了磁屏蔽筒的制造、装配难度，而侧面通光孔外对应的光学器件又会使装原子陀螺仪装置的结构变得更加庞大，不利于无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置结构的稳定及进一步小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决目前无自旋交换弛豫原子陀螺仪装置结构庞大不适合小型化的应用需求，提出了一种结构紧凑的无自旋交换弛豫原子陀螺仪方案。
为了解决上述问题，本发明采取的解决方案如下：
一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，包括第一起偏器、检测激光器、第一激光光束、抽运激光器、第二起偏器、检偏器、光电探测器、数字处理器、第一信号线、第二信号线、第三信号线、相位调制器、第一λ/4波片、第二λ/4波片、磁屏蔽筒、磁补偿线圈、第一反射镜、第二反射镜、碱金属气室、电加热丝、第二激光光束；第一激光光束中心波长为碱金属原子的D1线；第二激光光束中心波长为碱金属原子的D2线；碱金属气室位于磁补偿线圈的中心；电加热丝用于给碱金属气室加热；磁屏蔽筒为碱金属气室提供弱磁环境；第二激光光束经第二反射镜反射后与第一激光光束交汇且保持正交；数字处理器通过第一信号线、第二信号线、第三信号线进行信号的提取与系统控制；第一信号线用于控制磁补偿线圈及电加热丝的电流；光电探测器的输出端通过第二信号线与数字处理器的输入端相连；第三信号线将相位调制器的调制频率信息传递给数字处理器；抽运激光器产生的第一激光光束经第二起偏器及第二λ/4波片后变为圆偏振光进入碱金属气室，用于极化碱金属气室中的碱金属原子及惰性气体原子；第一λ/4波片、相位调制器的主轴方向、检偏器的透光方向与第一起偏器的透光方向之间的夹角分别为0°、45°、90°；检测激光器产生的第二激光光束依次经过第一起偏器、第二反射镜、碱金属气室、第一反射镜、第一λ/4波片、相位调制器以及检偏器后进入光电探测器转变为电信号，用于探测碱金属气室中原子敏感到的载体角速度。
所述第一激光光束、第二激光光束以及第一信号线均从磁屏蔽筒底面进出。
所述磁补偿线圈由金属线绕制而成，或由含金属丝的柔性膜构成。
所述碱金属气室由玻璃烧制而成，或由基于MEMS技术的微机械结构气体腔构成。
所述检测激光器为半导体激光器或光纤激光器。
所述抽运激光器为半导体激光器或光纤激光器。
所述相位调制器为光弹调制器、电光调制器或声光调制器中可以对第一激光光束相位进行调制的光学器件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明装置中利用无自旋交换弛豫状态下的原子敏感载体角速度信息，具有精度高、结构简单等优点；
(2)本发明装置中激光光束与电信号线均从屏蔽筒底面进出，使无自旋交换弛豫的原子陀螺仪结构更加紧凑，可提高系统的可靠性，符合实际应用小型化的需求；
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，包括第一起偏器1、检测激光器2、第一激光光束3、抽运激光器4、第二起偏器5、检偏器6、光电探测器7、数字处理器8、第一信号线9、第二信号线10、第三信号线11、相位调制器12、第一λ/4波片13、第二λ/4波片14、磁屏蔽筒15、磁补偿线圈16、第一反射镜17、第二反射镜18、碱金属气室19、电加热丝20、第二激光光束21；第一激光光束3中心波长为碱金属原子的D1线；第二激光光束21中心波长为碱金属原子的D2线；碱金属气室19位于磁补偿线圈16的中心；电加热丝20用于给碱金属气室19加热；磁屏蔽筒15为碱金属气室19提供弱磁环境；第二激光光束21经第二反射镜18反射后与第一激光光束3交汇且保持正交；数字处理器8通过第一信号线9、第二信号线10、第三信号线11进行信号的提取与系统控制；第一信号线9用于控制磁补偿线圈16及电加热丝20的电流；光电探测器7的输出端通过第二信号线10与数字处理器8的输入端相连；第三信号线11将相位调制器12的调制频率信息传递给数字处理器8；抽运激光器4产生的第一激光光束3经第二起偏器5及第二λ/4波片14后变为圆偏振光进入碱金属气室19，用于极化碱金属气室19中的碱金属原子及惰性气体原子；第一λ/4波片13、相位调制器12的主轴方向、检偏器6的透光方向与第一起偏器1的透光方向之间的夹角分别为0°、45°、90°；检测激光器2产生的第二激光光束21依次经过第一起偏器1、第二反射镜18、碱金属气室19、第一反射镜17、第一λ/4波片13、相位调制器12以及检偏器6后进入光电探测器7转变为电信号，用于探测碱金属气室19中原子敏感到的载体角速度。
所述第一激光光束3、第二激光光束21以及第一信号线9均从磁屏蔽筒15底面进出。
所述磁补偿线圈16由金属线绕制而成，或由含金属丝的柔性膜构成。
所述碱金属气室19由玻璃烧制而成，或由基于MEMS技术的微机械结构气体腔构成。
所述检测激光器2为半导体激光器或光纤激光器，处于系统稳定性及结构小型化方面的考虑应优选光纤激光器。
所述抽运激光器4为半导体激光器或光纤激光器，处于系统稳定性及结构小型化方面的考虑应优选光纤激光器。
所述相位调制器12为光弹调制器、电光调制器或声光调制器中可以对第一激光光束3相位进行调制的光学器件，处于原子陀螺仪长期稳定性的考虑应优选光弹调制器。
碱金属气室19位于磁补偿线圈16的中心，碱金属气室19内部充有以下原子或气体分子：K、Rb、Cs等中的一种或多种碱金属元素，3He、21Ne、129Xe等中的一种惰性气体元素，以及淬灭气体N2；磁补偿线圈16由相互正交的三组线圈构成，且应采用无磁材料，用于补偿原子感受到的磁场；电加热丝20用于给碱金属气室19加热。
数字处理器8通过第一信号线9、第二信号线10、第三信号线11进行碱金属气室所感受到磁场及温度的稳定控制、载体转动角速度信号的提取以及相位调制器参考频率的获取。数字处理器8中包含PID控制模块、锁相放大器模块等多种控制、运算处理单元：PID控制模块通过第一信号线9用于维持碱金属气室19温度及磁场的恒定；锁相放大器模块用于提取原子敏感到的角速度信息，光电探测器7输出的电信号通过第二信号线10接入锁相放大器模块的输入端；相位调制器12通过第三信号线11与锁相放大器模块的参考频率端口保持一致。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：包括第一起偏器(1)、检测激光器(2)、第一激光光束(3)、抽运激光器(4)、第二起偏器(5)、检偏器(6)、光电探测器(7)、数字处理器(8)、第一信号线(9)、第二信号线(10)、第三信号线(11)、相位调制器(12)、第一λ/4波片(13)、第二λ/4波片(14)、磁屏蔽筒(15)、磁补偿线圈(16)、第一反射镜(17)、第二反射镜(18)、碱金属气室(19)、电加热丝(20)、第二激光光束(21)；第一激光光束(3)中心波长为碱金属原子的D1线；第二激光光束(21)中心波长为碱金属原子的D2线；碱金属气室(19)位于磁补偿线圈(16)的中心；电加热丝(20)用于给碱金属气室(19)加热；磁屏蔽筒(15)为碱金属气室(19)提供弱磁环境；第二激光光束(21)经第二反射镜(18)反射后与第一激光光束(3)交汇且保持正交；数字处理器(8)通过第一信号线(9)、第二信号线(10)、第三信号线(11)进行信号的提取与系统控制；第一信号线(9)用于控制磁补偿线圈(16)及电加热丝(20)的电流；光电探测器(7)的输出端通过第二信号线(10)与数字处理器(8)的输入端相连；第三信号线(11)将相位调制器(12)的调制频率信息传递给数字处理器(8)；抽运激光器(4)产生的第一激光光束(3)经第二起偏器(5)及第二λ/4波片(14)后变为圆偏振光进入碱金属气室(19)，用于极化碱金属气室(19)中的碱金属原子及惰性气体原子；第一λ/4波片(13)、相位调制器(12)的主轴方向、检偏器(6)的透光方向与第一起偏器(1)的透光方向之间的夹角分别为0°、45°、90°；检测激光器(2)产生的第二激光光束(21)依次经过第一起偏器(1)、第二反射镜(18)、碱金属气室(19)、第一反射镜(17)、第一λ/4波片(13)、相位调制器(12)以及检偏器(6)后进入光电探测器(7)转变为电信号，用于探测碱金属气室(19)中原子敏感到的载体角速度。 
2.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述第一激光光束(3)、第二激光光束(21)以及第一信号线(9)均从磁屏蔽筒(15)底面进出。 
3.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述磁补偿线圈(16)由金属线绕制而成，或由含金属丝的柔性膜构成。 
4.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述碱金属气室(19)由玻璃烧制而成，或由基于MEMS技术的微机械结构气体腔构成。 
5.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述检测激光器(2)为半导体激光器或光纤激光器。 
6.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述抽运激光器(4)为半导体激光器或光纤激光器。 
7.根据权利要求1所述的一种无自旋交换弛豫的原子陀螺仪装置，其特征在于：所述相位调制器(12)为光弹调制器、电光调制器或声光调制器中可以对第一激光光束(3)相位进行调制的光学器件。 
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