CN107515000B - 一种调制式双轴原子自旋陀螺仪 - Google Patents

一种调制式双轴原子自旋陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，由气室、无磁加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场控制线圈、抽运系统、电路系统、检测系统组成。气室内充有碱金属和惰性气体，无磁加热系统、磁屏蔽系统和三轴磁场控制线圈提供高温和弱磁环境，使碱金属原子处于无自旋交换弛豫态。抽运系统极化碱金属原子，进而实现惰性气体超极化。惰性气体核子极化矢量初始沿抽运方向，当垂直抽运方向有角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，在抽运方向垂直面上产生投影磁场。电路系统调制碱金属电子极化矢量构成原位双轴磁强计，检测系统读出磁场测量信息，再经电路系统放大、解调，解算出双轴角速率信息。本发明实现双轴角速率测量，具有高精度、易集成等优点。

Description

一种调制式双轴原子自旋陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，采用主磁场调制方式可同时获取双轴矢量角速率信息，是一种新型惯性器件，可广泛应用到惯性导航系统中。
背景技术
惯性导航具有自主性强、导航信息完整等优点，是运动信息获取的最重要手段。陀螺仪作为惯性导航系统的核心敏感器，决定了惯性导航系统的总体性能。随着科学技术的发展，对陀螺仪性能的要求越来越高，高精度、高可靠性、微型化和多轴测量成为未来陀螺仪的发展方向。近年来，随着原子光学领域重大科学发现和量子调控技术的飞速发展，原子陀螺仪成为新一代高精度陀螺仪的发展方向。其中无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪因其理论精度大幅超越现有相关测量手段而受到广泛关注。目前无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪大多是单轴陀螺仪，或采用两路检测光实现双轴角速率测量。采用两路检测光的方案大大增加了光学系统的复杂度，降低了光学系统的稳定性，不利于陀螺仪的系统集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，采用主磁场调制碱金属电子极化矢量构成载波，通过单束检测激光即可实现高精度双轴矢量角速率信息的获取，降低了系统的复杂度，便于陀螺仪系统集成和惯性导航系统构建。
本发明采用的技术方案如下：一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，包括气室、无磁加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场控制线圈、抽运系统、电路系统和检测系统；气室中充有碱金属和惰性气体；无磁加热系统将气室加热到原子工作温度，磁屏蔽系统和三轴磁场控制线圈将外界磁场屏蔽和补偿到弱磁状态，保证碱金属原子处于无自旋交换弛豫态；抽运系统由抽运激光器模块、抽运激光功率稳定模块、抽运激光起偏器、四分之一波片组成，使入射气室的激光为圆偏振光，圆偏振抽运激光沿z轴极化碱金属原子，碱金属原子和惰性气体核子发生超精细相互作用，进而实现惰性气体核子超极化；超极化的惰性气体核子极化矢量初始沿z轴方向，当x-y平面有角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，达到新的稳态，偏离z轴方向，在x-y平面产生投影，通过超精细相互作用使碱金属原子感受到正比于投影极化矢量的等效磁场，该磁场与输入角速率大小成正比；电路系统由x轴线圈驱动、y轴线圈驱动、z轴线圈驱动、锁相放大模块、角速率解算模块组成，x轴线圈驱动和y轴线圈驱动分别对x轴和y轴线圈进行供电，补偿x轴和y轴方向的环境磁场，z轴线圈驱动一方面产生直流信号驱动z轴线圈补偿z轴方向的环境磁场，另一方面产生正弦调制磁场载波信号，调制碱金属电子极化矢量构成双轴原位磁强计，测量核子产生的x-y平面投影磁场；检测系统由检测激光器模块、检测激光功率稳定模块、检测激光起偏器、偏振分束器、平衡探测器组成，沿y轴方向通过气室，构成差分偏振检测方式，检测气室内原子产生的法拉第旋转信号；其中平衡探测器输出一倍频信号包含y轴方向角速率信息，二倍频信号包含x轴方向角速率信息；电路系统中锁相放大模块对平衡探测器输出信号进行放大、解调，最终由角速率解算模块解算出双轴角速率信息。
进一步地，所述检测系统产生的检测激光也可以沿x轴方向通过气室，此时平衡探测器输出的一倍频信号包含x轴方向角速率信息，二倍频信号包含y轴方向角速率信息。
进一步地，所述抽运系统产生的抽运激光通过气室的方向，与电路系统施加正弦调制磁场载波信号于三轴磁场控制线圈的方向一致；检测系统产生的通过气室的检测激光与抽运激光方向垂直，且单束检测激光通过气室实现抽运激光垂直面内双轴角速率测量。
本发明的原理是：一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，包括气室、无磁加热系统、磁屏蔽系统、三轴磁场控制线圈、抽运系统、电路系统和检测系统；气室中充有碱金属和惰性气体；无磁加热系统将气室加热到原子工作温度，磁屏蔽系统和三轴磁场控制线圈将外界磁场屏蔽和补偿到弱磁状态，保证碱金属原子处于无自旋交换弛豫态；抽运系统由抽运激光器模块、抽运激光功率稳定模块、抽运激光起偏器、四分之一波片组成，使入射气室的激光为圆偏振光，圆偏振抽运激光沿z轴极化碱金属原子，碱金属原子和惰性气体核子发生超精细相互作用，进而实现惰性气体核子超极化；超极化的惰性气体核子极化矢量初始沿z轴方向，当x-y平面有角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，达到新的稳态，偏离z轴方向，在x-y平面产生投影，投影极化矢量正比于输入角速率：
其中为惰性气体核子极化矢量沿载体坐标系下的分量，Bn为惰性气体核子沿z轴方向的磁场，γn为惰性气体核子旋磁比，Ωx、Ωy为沿x轴和y轴方向输入的角速率。
通过超精细相互作用碱金属原子感受到正比于投影极化矢量的等效磁场，该磁场与输入角速率大小成正比：
其中和为惰性气体核子产生的x轴和y轴方向的磁场，κ0为费米接触常数，Mn为惰性气体核子完全极化时的磁化强度。
电路系统由x轴线圈驱动、y轴线圈驱动、z轴线圈驱动、锁相放大模块、角速率解算模块组成，x轴线圈驱动和y轴线圈驱动分别对x轴和y轴线圈进行供电，补偿x轴和y轴方向的环境磁场，z轴线圈驱动一方面产生直流信号驱动z轴线圈补偿z轴方向的环境磁场和惰性气体核子磁场，使碱金属电子工作在无自旋交换弛豫态，另一方面产生正弦调制载波信号Bcsin(ωct)，调制碱金属电子极化矢量构成双轴原位磁强计，测量惰性气体核子产生的x-y平面投影磁场；检测系统由检测激光器模块、检测激光功率稳定模块、检测激光起偏器、偏振分束器、平衡探测器组成，沿y轴方向通过气室，构成差分偏振检测方式，检测气室内原子产生的法拉第旋转信号，读出角速率测量信息；其中平衡探测器输出的一倍频信号包含y轴方向角速率信息，二倍频信号包含x轴方向角速率信息：
其中和分别为碱金属电子极化矢量沿y轴的一倍频分量和二倍频分量，为碱金属电子极化矢量沿z轴的分量，为碱金属电子总弛豫率，J0(u)、J1(u)、J2(u)分别为变量为u的零阶、一阶、二阶第一类贝塞尔函数，Bc和ωc分别为正弦调制载波信号的幅度和角频率，γe为碱金属电子旋磁比，Q为减速因子。
电路系统中锁相放大模块对平衡探测器输出信号进行放大、解调，最终由角速率解算模块解算出双轴角速率信息：
其中A1f和A2f分别为一倍频和二倍频信号放大倍数，X1f和X2f分别为一倍频信号和二倍频信号锁相放大器解调结果。
其中检测系统产生的检测激光也可沿x轴方向通过气室，此时平衡探测器输出一倍频信号包含x轴方向角速率信息，二倍频信号包含y轴方向角速率信息，双轴角速率测量结果为：
其中检测系统为差分偏振检测方式，也可由光弹调制检测方式和法拉第调制检测方式等其他可检测气室内原子产生的法拉第旋转信号的检测方式替代。
其中抽运系统产生的抽运激光通过气室的方向，与电路系统施加正弦调制磁场载波信号于三轴磁场控制线圈的方向一致；检测系统产生通过气室的检测激光与抽运激光方向垂直，且单束检测激光通过气室实现抽运激光垂直面内双轴矢量角速率测量。
调制式双轴原子自旋陀螺仪利用惰性气体核子和碱金属电子强耦合实现角速率测量，当垂直抽运方向存在角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，到达新的稳态，在抽运方向垂直面上产生投影，通过超精细相互作用使碱金属电子感受到与输入角速率成正比的等效磁场；电路系统调制碱金属电子极化矢量构成原位双轴磁强计，通过检测系统读出磁场测量信息，经过电路系统放大、解调，解算出双轴角速率信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：基于无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪，利用单束检测激光实现高精度双轴矢量角速率测量，降低了陀螺仪光学系统的复杂度，便于原子自旋陀螺仪的集成和基于原子自旋陀螺仪的惯性导航系统的构建；此外，通过磁场调制电子极化矢量作为载波进行信号检测，可有效抑制系统低频1/f噪声，降低漂移，提高原子自旋陀螺仪的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪的结构示意图；
图2为本发明的电路系统内部结构及与其他系统连接示意图。
图中附图标记含义为：1为气室，2为无磁加热系统，3为磁屏蔽系统，4为三轴磁场控制线圈，5为抽运系统，6为电路系统，7为检测系统，51为抽运激光器模块，52为抽运激光功率稳定模块，53为抽运激光起偏器，54为四分之一波片，71为检测激光器模块，72为检测激光功率稳定模块，73为检测激光起偏器，74为偏振分束器，75为平衡探测器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，包括气室1、无磁加热系统2、磁屏蔽系统3、三轴磁场控制线圈4、抽运系统5、电路系统6和检测系统7；气室1中充有碱金属单质和惰性气体；无磁加热系统2将气室1加热到原子工作温度，保证实现高原子密度，磁屏蔽系统3和三轴磁场控制线圈4将外界磁场屏蔽和补偿到弱磁状态，保证碱金属原子处于无自旋交换弛豫态；抽运系统5由抽运激光器模块51、抽运激光功率稳定模块52、抽运激光起偏器53、四分之一波片54组成，使入射气室1的激光为圆偏振光，圆偏振抽运激光沿z轴极化碱金属原子，碱金属原子和惰性气体核子发生超精细相互作用，进而实现惰性气体核子超极化；超极化的惰性气体核子极化矢量初始沿z轴方向，当x-y平面有角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，达到新的稳态，偏离z轴方向，在x-y平面产生投影，该投影正比于输入角速率：
其中为惰性气体核子极化矢量沿载体坐标系下的分量，Bn为惰性气体核子沿z轴方向的磁场，γn为惰性气体核子旋磁比，Ωx、Ωy为沿x轴和y轴方向输入的角速率。
惰性气体核子通过超精细相互作用使碱金属电子感受到与输入角速率成正比的等效磁场：
其中和为惰性气体核子产生的x轴和y轴方向的磁场，κ0为费米接触因子，Mn为惰性气体完全极化时的磁化强度。
如图2所示，一种调制式双轴原子自旋陀螺仪电路系统及与其他系统连接示意图，电路系统6由x轴线圈驱动、y轴线圈驱动、z轴线圈驱动、锁相放大模块、角速率解算模块组成，x轴线圈驱动和y轴线圈驱动分别对x轴和y轴线圈进行供电，输出Bx0和By0补偿x轴和y轴方向的环境磁场，z轴线圈驱动一方面产生直流信号驱动z轴线圈，输出Bz0补偿z轴方向的环境磁场和惰性气体核子磁场，使碱金属电子处于无自旋交换弛豫态，另一方面产生正弦调制磁场载波信号Bcsin(ωct)，调制碱金属电子极化矢量构成双轴原位磁强计，测量核子产生的x-y平面投影磁场。检测系统7由检测激光器模块71、检测激光功率稳定模块72、检测激光起偏器73、偏振分束器74、平衡探测器75组成，沿y轴方向通过气室，构成差分偏振检测方式，检测气室1内原子产生的法拉第旋转信号；其中平衡探测器75输出的一倍频信号包含y轴方向角速率信息，二倍频信号包含x轴方向角速率信息：
其中和分别为碱金属电子极化矢量沿y轴的一倍频分量和二倍频分量，为碱金属电子极化矢量沿z轴的分量，为碱金属电子总弛豫率，J0(u)、J1(u)、J2(u)分别为变量为u的零阶、一阶、二阶第一类贝塞尔函数，Bc和ωc分别为正弦调制载波信号的幅度和角频率，γe为碱金属电子旋磁比，Q为减速因子。
电路系统6中锁相放大模块对平衡探测器5输出信号进行放大、解调，最终由角速率解算模块解算出双轴角速率信息：
其中A1f和A2f分别为一倍频和二倍频信号放大倍数，X1f和X2f分别为一倍频信号和二倍频信号锁相放大器解调结果。
图1和图2所示的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，所述检测系统7产生的检测激光也可沿x轴方向通过气室1，此时平衡探测器75输出的一倍频信号包含x轴方向角速率信息，二倍频信号包含y轴方向角速率信息，最终由角速率解算模块解算出双轴角速率信息为：
图1和图2所示的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，所述检测系统7为差分偏振检测方式，也可由光弹调制检测方式和法拉第调制检测方式等其他可检测气室1内原子产生的法拉第旋转信号的检测方式替代。
图1和图2所示的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，所述抽运系统5产生的抽运激光通过气室1的方向，与电路系统6施加正弦调制磁场载波信号于三轴磁场控制线圈4的方向一致；检测系统7产生的通过气室1的检测激光与抽运激光方向垂直，且单束检测激光通过气室1实现抽运激光垂直面内双轴矢量角速率测量。
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 (3)

1.一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，其特征在于：包括气室(1)、无磁加热系统(2)、磁屏蔽系统(3)、三轴磁场控制线圈(4)、抽运系统(5)、电路系统(6)和检测系统(7)；气室(1)中充有碱金属和惰性气体；无磁加热系统(2)将气室(1)加热到原子工作温度，磁屏蔽系统(3)和三轴磁场控制线圈(4)将外界磁场屏蔽和补偿到弱磁状态，保证碱金属原子处于无自旋交换弛豫态；抽运系统(5)由抽运激光器模块(51)、抽运激光功率稳定模块(52)、抽运激光起偏器(53)、四分之一波片(54)组成，使入射气室(1)的激光为圆偏振光，圆偏振抽运激光沿z轴极化碱金属原子，碱金属原子和惰性气体核子发生超精细相互作用，进而实现惰性气体核子超极化；超极化的惰性气体核子极化矢量初始沿z轴方向，当x-y平面有角速率输入时，惰性气体核子极化矢量发生进动，达到新的稳态，偏离z轴方向，在x-y平面产生投影，通过超精细相互作用使碱金属原子感受到正比于投影极化矢量的等效磁场，该磁场与输入角速率大小成正比；电路系统(6)由x轴线圈驱动、y轴线圈驱动、z轴线圈驱动、锁相放大模块、角速率解算模块组成，x轴线圈驱动和y轴线圈驱动分别对x轴和y轴线圈进行供电，补偿x轴和y轴方向的环境磁场，z轴线圈驱动一方面产生直流信号驱动z轴线圈补偿z轴方向的环境磁场和惰性气体核子磁场，另一方面产生正弦调制磁场载波信号，调制碱金属电子极化矢量构成双轴原位磁强计，测量核子产生的x-y平面投影磁场；检测系统(7)由检测激光器模块(71)、检测激光功率稳定模块(72)、检测激光起偏器(73)、偏振分束器(74)、平衡探测器(75)组成，沿y轴方向通过气室(1)，构成差分偏振检测方式，检测气室(1)内原子产生的法拉第旋转信号；其中平衡探测器(75)输出一倍频信号包含y轴方向角速率信息，二倍频信号包含x轴方向角速率信息；电路系统(6)中锁相放大模块对平衡探测器(75)输出信号进行放大、解调，最终由角速率解算模块解算出双轴角速率信息。
2.根据权利要求1所述的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，其特征在于：所述检测系统(7)产生的检测激光也可以沿x轴方向通过气室(1)，此时平衡探测器(75)输出的一倍频信号包含x轴方向角速率信息，二倍频信号包含y轴方向角速率信息。
3.根据权利要求1所述的一种调制式双轴原子自旋陀螺仪，其特征在于：所述抽运系统(5)产生的抽运激光通过气室(1)的方向，与电路系统(6)施加正弦调制磁场载波信号于三轴磁场控制线圈(4)的方向一致；检测系统(7)产生的通过气室(1)的检测激光与抽运激光方向垂直，且单束检测激光通过气室(1)实现抽运激光垂直面内双轴角速率测量。
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