CN105403211A - 一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其中：核磁共振陀螺仪装置中有填充有碱金属气体和三种工作介质的气室，三种工作介质做Larmor进动；信号分离器和频率比较器得到三种工作介质的Larmor进动频率值ω_a1、ω_a2、ω_a3；运算器计算装置内温度T、静磁场大小B₀和系统角速度ω_R；温度控制器根据T的反馈信号控制加热片保持核磁共振陀螺仪装置的温度T；磁场控制器根据B₀的反馈信号控制静磁场线圈核磁共振陀螺仪装置中的静磁场B₀；信号发生器和加法器根据三种工作介质的Larmor进动频率值ω_a1、ω_a2、ω_a3控制驱动磁场线圈电流大小使三种工作介质保持在共振频率点。本发明同时对静磁场和温度进行闭环控制，得到更高的系统角速度的精度。

Description

一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪闭环控制系统，特别涉及一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统。

背景技术

核磁共振陀螺具有小体积、低功耗、高性能、大动态等特性，已成为新型惯性器件的研究重点。一般情况下，核磁共振陀螺仪利用两种工作介质，例如¹⁹⁹Hg和²⁰¹Hg，在两种工作介质的闭环情况下，系统可以获得稳定的静磁场。

两种工作介质的系统由于没有考虑光位移等效磁场影响，而光位移与温度变化相关，这种方案的静磁场在温度波动时并不能达到理想的效果，因而需要对温度进行闭环。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种三种工作气体同时对静磁场和温度进行闭环控制系统，提高核磁共振陀螺仪角速率信号精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，包括核磁共振陀螺仪装置、信号分离器、频率比较器、运算器、信号发生器、加法器、温度控制器、磁场控制器、加热片、静磁场线圈、驱动磁场线圈，其中：

核磁共振陀螺仪装置：原子气室内填充有碱金属气体和三种工作介质，产生载有三种工作介质Larmor进动频率的陀螺信号并送至信号分离器，所述三种工作介质为¹²⁹Xe、¹³¹Xe、⁸³Kr、²¹Ne、³He、¹⁹⁹Hg和²⁰¹Hg中的任意三种气体，三种工作介质通过与被泵浦光极化的碱金属碰撞而极化绕着由静磁场线圈产生的静磁场做Larmor进动；

信号分离器：包括高通滤波器、带通滤波器和低通滤波器，接收载有三种工作介质Larmor进动频率的陀螺信号，分离出三种工作介质各自对应的Larmor进动频率信号，并送至频率比较器；

频率比较器：接收三种工作介质各自对应的Larmor进动频率信号，得到三种工作介质各自对应的Larmor进动频率值ω_a1、ω_a2、ω_a3，并同时送至运算器和信号发生器；

运算器：根据ω_a1、ω_a2、ω_a3计算核磁共振陀螺仪装置内的温度T和静磁场大小B₀，计算公式为：

$B_0=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)}{({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)},$

$T=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)}{({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)-({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)},$

其中，c₁、c₂、c₃为三种工作介质由泵浦光引起的光位移等效磁场的大小随温度变化在小范围内的线性比，γ₁、γ₂、γ₃为三种工作介质的旋磁比；根据率ω_a1、ω_a2、ω_a3中任一个值，计算系统角速度ω_R，并向外部输出，计算公式为：

ω_R＝γ_i(B₀+c_iT)-ω_ai，

其中，i为1或2或3；

温度控制器接收运算器得到的温度大小T，当T大于或等于预设温度T'时，断开加热片，当T小于T'时接通加热片，所述温度T'应使碱金属保持气体状态；

加热片用于对核磁共振陀螺仪装置中的原子气室进行加热；

磁场控制器接收运算器得到的静磁场大小B₀，当B₀大于预设的静磁场大小B₀'时减小静磁场线圈电流，当B₀小于预设的静磁场大小B₀'时增大静磁场线圈电流，当B₀等于预设的静磁场大小B₀'时保持静磁场线圈电流不变；

静磁场线圈用于产生核磁共振陀螺仪装置中的静磁场B₀；

信号发生器接收频率比较器得到的ω_a1、ω_a2、ω_a3，产生三个频率分别为ω_a1、ω_a2、ω_a3的电流信号，并送至加法器；

加法器将三个电流信号矢量相加，合成为一个驱动电流信号送至驱动磁场线圈；

驱动磁场线圈在驱动电流信号的作用下产生核磁共振陀螺仪装置中的驱动磁场B₁，使三种工作介质保持在共振频率点。

所述碱金属气体为Rb。

所述温度T'为100-150℃。

所述静磁场B₀的量级为10μT。

所述驱动磁场B₁的量级为10nT。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明利用三种工作介质的闭环方案，利用三种工作介质的陀螺信号，计算出静磁场和温度的大小，可以同时对静磁场和温度进行高精度闭环控制。当静磁场和温度的控制精度在更高、更稳定时，探测到的系统角速度的精度也更高。

2)本发明对静磁场进行闭环控制，消除了泵浦光引起的光位移等效磁场对静磁场大小的影响。

3)本发明的系统可直接采用数字信号处理，使得系统更加稳定，测得的角速度精度更高。

4)本发明的系统可选用任意三种核自旋为半整数的惰性气体作为工作气体，选择范围较广。

附图说明

图1为本发明核磁共振陀螺仪闭环控制系统原理示意图；

图2为信号分离器的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明核磁共振陀螺仪闭环控制系统原理示意图。核磁共振陀螺仪装置中有填充有碱金属，本实施例中优选为Rb的气室。在填充有Rb的气室中充入¹²⁹Xe、¹³¹Xe、⁸³Kr、²¹Ne、³He、¹⁹⁹Hg和²⁰¹Hg中的三种气体，要求充入的气体满足核自旋为半整数，和装置中填充的碱金属不反应。此处优选为¹²⁹Xe、¹³¹Xe、⁸³Kr三种稳定的惰性气体作为工作介质。在陀螺仪工作时，三种工作介质会通过与被泵浦光极化的Rb碰撞而极化。极化后三种工作介质开始绕着静磁场做Larmor(拉莫)进动，并由驱动磁场B₁，驱动而保持在稳定的工作状态，即保持在共振频率点。驱动磁场为交变磁场。核磁共振陀螺仪装置输出载有三种工作介质Larmor进动频率陀螺信号的电压，核磁共振陀螺仪装置参见中国专利CN104634339A。

f₀为拉莫频率，指特定自旋在一定主磁场强度B₀下会具有的共振频率。存在自旋的原子核才能发生核磁共振现象。当自旋核处于外加静磁场B₀中时，除自旋外，还会绕B₀运动，这种运动情况称为Larmor(拉莫)进动。自旋核进动的角速度与主磁场强度B₀成正比，比例常数为旋磁比γ。静磁场B₀的量级为10μT。

由于三种工作介质的旋磁比不同，其Larmor进动频率分别为ω_L1＝γ₁(B₀+L_z1)、ω_L2＝γ₂(B₀+L_z2)、ω_L3＝γ₃(B₀+L_z3)，其中L_z1、L_z2、L_z3是与温度相关的光位移等效磁场，分别为L_z1＝c₁·T、L_z2＝c₂·T、L_z3＝c₃·T。光位移等效磁场的大小随温度变化在小范围内为线性关系，比率为c₁、c₂、c₃，可以通过改变气室温度测量。γ₁、γ₂、γ₃为三种工作介质的旋磁比。

信号分离器包括高通滤波器、带通滤波器和低通滤波器，分离出三种工作介质单独的Larmor进动频率信号；

信号分离器输入载有三种工作介质Larmor进动频率陀螺信号的电压，将三种工作介质的进动信号分开。如图2所示，信号分离器包括高通滤波器、带通滤波器和低通滤波器，高通滤波器用于分离高频率进动信号ω_a3，带通滤波器用于分离中频率进动信号ω_a2，低通滤波器用于分离低频率进动信号ω_a1。滤波器截止频率的确定与三种介质的不考虑拉与温度相关的光位移等效磁场的莫进动频率和系统角速度有关，由γ₁B₀、γ₂B₀、γ₃B₀再加上估计系统角速度ω_R的范围和冗余量确定。如本实施例中，B₀＝5T，⁸³Kr、¹²⁹Xe、¹³¹Xe计算得到的的γ₁B₀、γ₂B₀、γ₃B₀分别约为8Hz、18Hz和60Hz，ω_R约为1Hz，低通滤波器的截止频率设为15Hz，带通滤波器的截止频率设为15Hz和25Hz，高通滤波器的截止频率设为25Hz。信号分离器的输出为三种工作介质进动的观测频率值ω_a1、ω_a2、ω_a3。

当系统有角速度ω_R的转动时，三种工作介质的观测频率分别为ω_a1＝γ₁(B₀+L_z1)-ω_R、ω_a2＝γ₂(B₀+L_z2)-ω_R、ω_a3＝γ₃(B₀+L_z3)-ω_R。其中，ω_R为系统角速度。

根据上述公式，可以得到公式：

$B_0=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)}{({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)}$

$T=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)}{({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)-({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)}$

根据测量到的频率ω_a1、ω_a2、ω_a3可以通过运算器计算得到静磁场B₀和温度T。将静磁场B₀和温度T分别反馈到磁场控制器和温度控制器中，再通过磁场控制器控制静场线圈中的电流大小，而保持静磁场B₀稳定，同时温度控制器控制加热片中的电流打下而保持温度稳定。加热片为无磁耐高温电阻。

将观测到的三种频率再分别反馈到三个信号发生器中，产生相应的三个驱动信号A₁sin(ω_a1t)、A₂sin(ω_a2t)、A₃sin(ω_a3t)，频率ω_a1、ω_a2、ω_a3，幅值量级基本一致，再由加法器将三个信号合成为一个信号A₁sin(ω_a1t)+A₂sin(ω_a2t)+A₃sin(ω_a3t)输入到驱动磁场线圈中，控制驱动磁场线圈的电流，得到相应三种频率的驱动磁场，驱动磁场B₁的大小为10nT左右。使得三种气体的工作频率保持在共振频率点。

获得的观测频率ω_a1、ω_a2、ω_a3，任取其中的一个频率，如观测频率ω_a2，当系统有角速度ω_R时，观测频率变为ω_a2＝γ₂(B₀+L_z2)-ω_R，比较频率的变化而获得系统角速度ω_R＝γ₂(B₀+L_z2)-ω_a2，通过运算器直接输出。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其特征在于：包括核磁共振陀螺仪装置、信号分离器、频率比较器、运算器、信号发生器、加法器、温度控制器、磁场控制器、加热片、静磁场线圈、驱动磁场线圈，其中：

核磁共振陀螺仪装置：原子气室内填充有碱金属气体和三种工作介质，产生载有三种工作介质Larmor进动频率的陀螺信号并送至信号分离器，所述三种工作介质为¹²⁹Xe、¹³¹Xe、⁸³Kr、²¹Ne、³He、¹⁹⁹Hg和²⁰¹Hg中的任意三种气体，三种工作介质通过与被泵浦光极化的碱金属碰撞而极化绕着由静磁场线圈产生的静磁场做Larmor进动；

信号分离器：包括高通滤波器、带通滤波器和低通滤波器，接收载有三种工作介质Larmor进动频率的陀螺信号，分离出三种工作介质各自对应的Larmor进动频率信号，并送至频率比较器；

频率比较器：接收三种工作介质各自对应的Larmor进动频率信号，得到三种工作介质各自对应的Larmor进动频率值ω_a1、ω_a2、ω_a3，并同时送至运算器和信号发生器；

运算器：根据ω_a1、ω_a2、ω_a3计算核磁共振陀螺仪装置内的温度T和静磁场大小B₀，计算公式为：

$B_0=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)}{({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)-({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)},$

$T=\frac{({\mathrm{\ω}}_{a1}-{\mathrm{\ω}}_{a2})({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)-({\mathrm{\ω}}_{a2}-{\mathrm{\ω}}_{a3})({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)}{({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_3)({\mathrm{\γ}}_1{c}_1-{\mathrm{\γ}}_2{c}_2)-({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)({\mathrm{\γ}}_2{c}_2-{\mathrm{\γ}}_3{c}_3)},$

其中，c₁、c₂、c₃为三种工作介质由泵浦光引起的光位移等效磁场的大小随温度变化在小范围内的线性比，γ₁、γ₂、γ₃为三种工作介质的旋磁比；根据率ω_a1、ω_a2、ω_a3中任一个值，计算系统角速度ω_R，并向外部输出，计算公式为：

ω_R＝γ_i(B₀+c_iT)-ω_ai，

其中，i为1或2或3；

温度控制器：接收运算器得到的温度大小T，当T大于或等于预设温度T'时，断开加热片，当T小于T'时接通加热片，所述温度T'应使碱金属保持气体状态；

加热片：对核磁共振陀螺仪装置中的原子气室进行加热；

磁场控制器：接收运算器得到的静磁场大小B₀，当B₀大于预设的静磁场大小B₀'时减小静磁场线圈电流，当B₀小于预设的静磁场大小B₀'时增大静磁场线圈电流，当B₀等于预设的静磁场大小B₀'时保持静磁场线圈电流不变；

静磁场线圈：产生核磁共振陀螺仪装置中的静磁场B₀；

信号发生器：接收频率比较器得到的ω_a1、ω_a2、ω_a3，产生三个频率分别为ω_a1、ω_a2、ω_a3的电流信号，并送至加法器；

加法器：将三个电流信号矢量相加，合成为一个驱动电流信号送至驱动磁场线圈；

驱动磁场线圈：在驱动电流信号的作用下产生核磁共振陀螺仪装置中的驱动磁场B₁，使三种工作介质保持在共振频率点。

2.一种如权利要求1所述的三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其特征在于：所述碱金属气体为Rb。

3.一种如权利要求2所述的三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其特征在于：所述温度T'为100-150℃。

4.一种如权利要求1或2或3所述的三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其特征在于：所述静磁场B₀的量级为10μT。

5.一种如权利要求1或2或3所述的三种工作介质的核磁共振陀螺仪闭环控制系统，其特征在于：所述驱动磁场B₁的量级为10nT。