CN105509726A - 一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法。该方法根据加热脉冲对核磁共振陀螺仪的工作磁场进行分时补偿，其中加热脉冲分为有效加热脉冲和非加热脉冲，每一个有效加热脉冲初始时刻的加热功率作为整个脉冲时段内的加热功率，非加热脉冲时间段的加热功率为0，根据加热功率在每一个脉冲时间段选择磁场补偿参数对加热磁场和磁屏蔽后的剩余磁场进行补偿。本发明方法提高核磁共振陀螺仪工作磁场的稳定性以及陀螺仪输出信号的精度，同时也大大延长了核磁共振陀螺仪的工作时长。

Description

一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法

技术领域

本发明涉及一种分时磁场补偿的方法，属于核磁共振陀螺仪的磁场控制领域。

背景技术

微型核磁共振陀螺具有体积小、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺的性能受原子核自旋宏观磁矩的影响，且直接与被极化的碱金属原子密度相关。而测量的陀螺转动信号的精度主要与工作气室所处的环境磁场的稳定性有关。因而，如果磁场变化较大，将给测量结果带来较大误差。

为了实现磁场稳定性控制，需要对工作环境的外界磁场(主要为地磁场)进行屏蔽，并对剩余磁场进行补偿。磁补偿的精度决定了最终工作磁场的稳定性和均匀性。由于环境温度的干扰，工作环境温度会产生波动，为了保持工作温度稳定，加热装置(加热片)的加热功率会在一定范围内波动，而加热片中的加热电流会产生额外磁场，对陀螺仪工作介质产生影响。现今使用的技术是在陀螺仪工作之前对工作磁场进行一次补偿，得到一个较稳定的工作磁场。其缺点是只对磁场进行一次补偿，加热磁场的变化会影响陀螺仪的工作介质，使核磁共振陀螺仪工作磁场的稳定性变差，降低了陀螺仪输出信号的精度，甚至使陀螺仪无法正常工作。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，提高了核磁共振陀螺仪工作磁场的稳定性，有效保证了陀螺仪输出信号的精度。

本发明的技术解决方案是：一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，包括如下步骤：

步骤(一)：对核磁共振陀螺仪工作环境的外界磁场进行磁屏蔽；

步骤(二)：当核磁共振陀螺仪达到工作温度后，使加热功率P从[0,P1]以0.1的步距均匀取值，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P，所述[0,P1]为使陀螺仪工作温度稳定的加热功率范围，其中加热功率为0时陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B₀；所述磁场包括加热磁场和磁屏蔽后的剩余磁场；

步骤(三)：核磁共振陀螺仪实际工作时，控制器通过PWM脉冲信号发生器控制加热装置以使陀螺仪温度稳定，在每一个PWM脉冲时间段内，计算加热功率，然后根据步骤(二)选择加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数，根据磁场补偿参数利用磁场补偿系统对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，从而实现核磁共振陀螺仪磁场的分时补偿。

所述步骤(三)中在每一个PWM脉冲时间段内，计算加热功率，然后根据步骤(二)选择加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数的实现方式为：

(2.1)当PWM脉冲为加热脉冲时，计算该脉冲时间段初始时刻的加热功率作为该脉冲时间段内的加热功率P，然后根据步骤(二)选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P；

(2.2)当PWM脉冲为非加热脉冲时，该脉冲时间段内加热功率为0，选择陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B₀。

所述步骤(二)中，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数的方法如下：

(3.1)在每个加热功率下，在陀螺仪X轴上施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.2)使X轴直流输出步骤(3.1)的零点偏移量，对Y轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.3)使Y轴通过直流输出步骤(3.2)的零点偏移量，然后再在X轴或Y轴上施加1V的直流电压，对Z轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.4)重复步骤(3.1)—(3.3)，其中每个轴施加的锯齿波的零点偏移量均为上一次该轴计算得到的零点偏移量，直到三个轴的零点偏移量均不用调节即能使所施加锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，陀螺仪三个轴磁场补偿完毕，此时每个轴的频率、幅度和零点偏移量即为该轴的磁场补偿参数，从而得到该加热功率下陀螺仪三个轴的磁场补偿参数。

所述磁场补偿系统包括功率计算装置、磁场补偿控制器、信号发生器和三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈的三个轴与核磁共振陀螺仪的三个轴在同一个坐标系内；

功率计算装置接收PWM脉冲信号发生器产生的脉冲信号，实时计算脉冲信号对应的加热功率P，其中非加热脉冲时间段的加热功率为0，有效加热脉冲时间段的加热功率为初始时刻的加热功率，将计算得到的加热功率P输出给磁场补偿控制器；

磁场补偿控制器根据加热功率P选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数输出给信号发生器；

信号发生器将陀螺仪三个轴的磁场补偿参数转换为三个轴的磁补偿信号输出给三轴磁场线圈；

三轴磁场线圈根据接收的三个轴的磁补偿信号，分别在三个轴上产生锯齿波信号，每个轴的锯齿波信号输出给核磁共振陀螺仪的对应轴。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明分时对加热电流带来的加热磁场和磁屏蔽后的剩余地磁场进行补偿，相对于只在陀螺仪工作之前对磁场进行一次补偿的方法，提高了陀螺仪工作环境磁场的稳定性、改善了陀螺仪的工作环境，有效保证了陀螺仪输出信号的精度。

(2)本发明在PWM脉冲为加热脉冲时，计算该脉冲时间段初始时刻的加热功率作为该脉冲时间段内的加热功率P，根据该功率选择对应的陀螺仪磁场补偿参数，这样将一个脉冲时间段用一个功率来表征，既能实现根据不同脉冲时间段进行分时补偿，又避免了在一个脉冲时间段内频繁改变磁场补偿参数，保证了陀螺仪工作环境磁场的稳定性，延长了核磁共振陀螺仪的工作时长。

(3)本发明在陀螺仪三个轴向线圈上分别施加锯齿波信号，通过调整零点偏移量和触发信号的位置关系实现陀螺仪三个轴的磁场补偿，并通过多次重复调整，消除三个轴向线圈之间的耦合，从而将磁场补偿过程可视化、简单化，同时得到了用锯齿波信号的频率、振幅和零点偏移量表征的磁场补偿参数。

(4)本发明设计了磁场补偿系统，该系统在每一个脉冲时间段实时计算加热功率，在三个轴向线圈上施加锯齿波电流信号，从而实现了在每一个脉冲时间段对陀螺仪三个轴的加热磁场和磁屏蔽后的剩余地磁场的补偿，降低了加热磁场和磁屏蔽后剩余磁场对陀螺仪工作介质的影响，提高了陀螺仪工作环境磁场的稳定性，保证了陀螺仪输出信号的精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为分时磁场补偿时序图；

图3为磁场补偿系统组成框图；

图4为磁场线圈示意图；

图5为磁场补偿过程示意图，其中(a)为泵浦光曲线，(b)为补偿之后泵浦光曲线；

具体实施方式

为了保持工作温度稳定，陀螺仪加热装置(加热片)中的加热电流会产生加热磁场，对陀螺仪工作介质产生影响。同时对工作环境的外界磁场(主要为地磁场)进行屏蔽，屏蔽后还存在剩余磁场需要补偿，因此需要对核磁共振陀螺仪进行加热磁场和磁屏蔽后剩余磁场的补偿，从而提高磁场稳定性。

目前核磁共振陀螺仪一般通过控制器控制PWM脉冲信号发生器生成温度控制信号，在相邻两段有效加热信号之间加入非加热信号，控制加热装置以使陀螺仪温度稳定，本发明在此基础上，根据Block方程给出的磁场补偿原理，在有效加热脉冲段和非加热脉冲段分别对磁场进行补偿，改变了现有技术只在陀螺仪工作之前对工作磁场进行一次补偿的缺陷，提高了核磁共振陀螺仪工作磁场的稳定性。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤(一)：对核磁共振陀螺仪工作环境的外界磁场进行屏蔽；

步骤(二)：制作磁场补偿值表。对核磁共振陀螺仪进行加热使其温度达到工作温度。然后保持加热温度。使加热功率P从[0,P1]中以0.1的步距均匀取值，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行磁场(加热磁场和磁屏蔽后的剩余磁场)补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P，所述[0,P1]为使陀螺仪工作温度稳定的加热功率范围，其中加热功率为0时陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B₀，此时仅需对磁屏蔽后的剩余磁场进行补偿；

本发明根据Block方程给出的磁场补偿原理，在有效加热脉冲段和非加热脉冲段分别对磁场进行补偿，其中Block方程的稳态解如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_x=R_{op}{\mathrm{\γ}}_e\frac{-B_y{R}_2+B_x{B}_z{\mathrm{\γ}}_e}{(B_x^2+B_y^2){\mathrm{\γ}}_e^2{R}_2+B_z^2{\mathrm{\γ}}_e^2{R}_1+R_2^2{R}_1}\\ P_y=R_{op}{\mathrm{\γ}}_e\frac{B_x{R}_2+B_y{B}_z{\mathrm{\γ}}_e}{(B_x^2+B_y^2){\mathrm{\γ}}_e^2{R}_2+B_z^2{\mathrm{\γ}}_e^2{R}_1+R_2^2{R}_1}\\ P_z=R_{op}\frac{B_z^2{{\mathrm{\γ}}_e}^2+R_2^2}{(B_x^2+B_y^2){\mathrm{\γ}}_e^2{R}_2+B_z^2{\mathrm{\γ}}_e^2{R}_1+R_2^2{R}_1}\end{array}\right\}$

其中，各参数的物理含义为：

碱金属原子的电子自旋极化率；

R_op：驱动激光的光抽运率，反映驱动激光对电子自旋的极化作用；

γ_e：碱金属原子的电子自旋旋磁比；

环境磁场；

R₁：纵向驰豫率；

R₂：横向驰豫率。

由上述Block方程稳态解描述的环境磁场与泵浦光极化率可以看出，当环境磁场是0的时候，泵浦光极化率达到极值。所以补偿后光电探测器的输出信号的峰(谷)应该处于trigger信号的1/2周期处。基于上述原理，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行加热磁场和磁屏蔽后剩余地磁场的补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数的方法如下：

(3.1)在每个加热功率下，在陀螺仪X轴上施加频率为f、幅度为A、零点偏移量Offset为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号trigger同时接入示波器，则泵浦光曲线如图5中(a)所示，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处(正中间)，如图5中(b)所示，记录此时的零点偏移量，该零点偏移量即为此时X轴的补偿磁场；

(3.2)使X轴直流输出步骤(3.1)的零点偏移量，对Y轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量Offset为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号trigger同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量，该零点偏移量即为此时Y轴的补偿磁场；

(3.3)使Y轴通过直流输出步骤(3.2)的零点偏移量，然后再在X轴或Y轴上施加1V的直流电压，对Z轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量Offset为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号trigger同时接入示波器，如果该锯齿波没有出现波谷或信号很小，则增大X轴或Y轴上施加的直流电压或增大A，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量，该零点偏移量即为此时Z轴的补偿磁场；

(3.4)重复步骤(3.1)—(3.3)，以消除各轴耦合误差，其中每个轴施加的锯齿波的零点偏移量均为上一次该轴计算得到的零点偏移量，直到三个轴的零点偏移量均不用调节即能使所施加锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，陀螺仪三个轴磁场补偿完毕，此时每个轴的零点偏移量即为该轴的补偿磁场，每个轴的频率、幅度和零点偏移量即为该轴的磁场补偿参数，从而得到该加热功率下陀螺仪三个轴的磁场补偿参数。

经过多次试验，锯齿波频率f为10Hz、幅度A为1V达到的补偿效果最好。一般重复重复步骤(3.1)—(3.3)2-3次，即可消除各轴耦合误差。

步骤(三)核磁共振陀螺仪实际工作时，控制器驱动PWM脉冲信号发生器产生用于核磁共振陀螺仪温度控制的脉冲信号控制加热装置以使陀螺仪温度稳定，。加热脉冲信号由有效加热脉冲和非加热脉冲组成。当核磁共振陀螺仪到达工作温度后，陀螺仪开始工作，在每一个有效加热脉冲时间段的初始时刻，计算此时加热功率的大小P，然后根据步骤(二)选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P，利用磁场补偿系统对此脉冲段进行磁场补偿；在非加热脉冲时间段内，利用磁场补偿系统对磁场进行补偿值为B₀的补偿，从而实现核磁共振陀螺仪磁场(加热磁场和磁屏蔽后剩余磁场)的分时补偿，磁场补偿的时序如图2所示。

如图3所示，磁场补偿系统包括功率计算装置、磁场补偿控制器、信号发生器和三轴磁场线圈，三轴磁场线圈的三个轴与核磁共振陀螺仪的三个轴在同一个坐标系内。如图4所示为磁场线圈示意图。在气室(cell)的三个轴向上分别绕上一组线圈(即亥姆赫兹线圈)，通过对亥姆赫兹线圈通入电流，产生磁场，改变通入电流信号对环境磁场进行。

补偿功率计算装置接收PWM脉冲信号发生器产生的脉冲信号，实时计算脉冲信号对应的加热功率P，其中非加热脉冲时间段的加热功率为0，有效加热脉冲时间段的加热功率为初始时刻的加热功率，将计算得到的加热功率P输出给磁场补偿控制器。磁场补偿控制器根据加热功率P选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数输出给信号发生器。信号发生器将陀螺仪X、Y、Z三个轴的磁场补偿参数转换为X、Y、Z三个轴的磁补偿信号输出给三轴磁场线圈。三轴磁场线圈根据接收的X、Y、Z三个轴的磁补偿信号，分别在X、Y、Z三个轴上产生锯齿波信号，每个轴的锯齿波信号输出给核磁共振陀螺仪的对应轴。

利用本发明方法，采用分时磁补偿方法之后，磁场的稳定性提高了两个量级，而磁场的稳定时间从之前的5分钟提高到了十二个小时左右。相对于只对磁场进行一次补偿的方法，提高了陀螺仪工作环境磁场的稳定性，提高了光电探测器的测量精度，改善了陀螺仪的工作环境，大大延长了陀螺仪的工作时长。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(一)：对核磁共振陀螺仪工作环境的外界磁场进行磁屏蔽；

步骤(二)：当核磁共振陀螺仪达到工作温度后，使加热功率P从[0,P1]以0.1的步距均匀取值，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P，所述[0,P1]为使陀螺仪工作温度稳定的加热功率范围，其中加热功率为0时陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B₀；所述磁场包括加热磁场和磁屏蔽后的剩余磁场；

步骤(三)：核磁共振陀螺仪实际工作时，控制器通过PWM脉冲信号发生器控制加热装置以使陀螺仪温度稳定，在每一个PWM脉冲时间段内，计算加热功率，然后根据步骤(二)选择加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数，根据磁场补偿参数利用磁场补偿系统对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，从而实现核磁共振陀螺仪磁场的分时补偿。

2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，其特征在于：所述步骤(三)中在每一个PWM脉冲时间段内，计算加热功率，然后根据步骤(二)选择加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数的实现方式为：

(2.1)当PWM脉冲为加热脉冲时，计算该脉冲时间段初始时刻的加热功率作为该脉冲时间段内的加热功率P，然后根据步骤(二)选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B_P；

(2.2)当PWM脉冲为非加热脉冲时，该脉冲时间段内加热功率为0，选择陀螺仪三个轴的磁场补偿参数B₀。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，其特征在于：所述步骤(二)中，在每个加热功率下对陀螺仪三个轴进行磁场补偿，得到每个加热功率对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数的方法如下：

(3.1)在每个加热功率下，在陀螺仪X轴上施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.2)使X轴直流输出步骤(3.1)的零点偏移量，对Y轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.3)使Y轴通过直流输出步骤(3.2)的零点偏移量，然后再在X轴或Y轴上施加1V的直流电压，对Z轴施加频率为f、幅度为A、零点偏移量为0V的锯齿波，将该锯齿波和该锯齿波的触发信号同时接入示波器，调整零点偏移量使该锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，记录此时的零点偏移量；

(3.4)重复步骤(3.1)—(3.3)，其中每个轴施加的锯齿波的零点偏移量均为上一次该轴计算得到的零点偏移量，直到三个轴的零点偏移量均不用调节即能使所施加锯齿波的峰尖处于触发信号的1/2周期处，陀螺仪三个轴磁场补偿完毕，此时每个轴的频率、幅度和零点偏移量即为该轴的磁场补偿参数，从而得到该加热功率下陀螺仪三个轴的磁场补偿参数。

4.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的分时磁补偿方法，其特征在于：所述磁场补偿系统包括功率计算装置、磁场补偿控制器、信号发生器和三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈的三个轴与核磁共振陀螺仪的三个轴在同一个坐标系内；

功率计算装置接收PWM脉冲信号发生器产生的脉冲信号，实时计算脉冲信号对应的加热功率P，其中非加热脉冲时间段的加热功率为0，有效加热脉冲时间段的加热功率为初始时刻的加热功率，将计算得到的加热功率P输出给磁场补偿控制器；

磁场补偿控制器根据加热功率P选择对应的陀螺仪三个轴的磁场补偿参数输出给信号发生器；

信号发生器将陀螺仪三个轴的磁场补偿参数转换为三个轴的磁补偿信号输出给三轴磁场线圈；

三轴磁场线圈根据接收的三个轴的磁补偿信号，分别在三个轴上产生锯齿波信号，每个轴的锯齿波信号输出给核磁共振陀螺仪的对应轴。