CN107702705A - 激光加热核磁共振陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光加热核磁共振陀螺仪，包括：石英真空腔、原子气室、三维正交线圈、加热激光光源、光纤测温模块、泵浦激光光源、检测激光光源、平衡光电放大器、锁相放大器；其中，锁相放大器将平衡光电放大器输出的经过放大的检测光信号和三维正交线圈的参考驱动信号进行分析，得到平衡光电放大器中具有三维正交线圈的参考驱动信号的频率成分信息，将频率成分信息发送给可编程逻辑控制器；可编程逻辑控制器根据原子气室表面的温度控制加热激光光源的功率，并根据频率成分信息解算出核磁共振陀螺仪的拉莫进动频率信息。本发明能够彻底消除电加热和电阻测温引起的附加磁场干扰，能够有效提高核磁共振陀螺仪的检测精度和灵敏度。

Description

激光加热核磁共振陀螺仪

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪技术领域，具体地，涉及激光加热核磁共振陀螺仪。

背景技术

核磁共振陀螺仪工作原理是惰性气体原子核处于核磁共振状态下，检测惰性气体原子核的拉莫进动频率，当检测激光跟随壳体旋转时，检测到的拉莫进动频率偏离理论拉莫进动频率，拉莫进动频率的偏离量即为壳体转速大小。与传统机械式陀螺仪相比，核磁共振陀螺仪敏感物质是原子核，不存在质量部件敏感壳体角速度，因此消除了摩擦力和惯性加速度影响，核磁共振陀螺仪可应用振动、高加速环境，同时核磁共振陀螺仪理论上可达导航级精度，还具有芯片化优势，核磁共振陀螺仪正在成为未来新型陀螺仪的发展方向。

核磁共振陀螺仪敏感角速度的前提是原子核达到核磁共振状态，通过激光泵浦原子气室内磢金属电子自旋极化，极化后的碱金属电子与惰性气体原子核发生自旋交换碰撞，碱金属电子将自旋角动量传递给惰性气体原子核，惰性气体原子核产生超极化，在光泵极化方向上施加静磁场，碱性气体原子核和碱金属电子将绕静磁场方向做拉莫进动，在垂直于静磁场正交方向上施加交变的射频磁场，射频磁场交变频率为惰性气体原子核拉莫进动频率和惰性气体原子核拉莫进动频率，惰性气体原子核将进入核磁共振状态。在核磁共振状态条件下碱金属电子和惰性气体原子核的宏观磁矩在x/y轴上会呈现出交变分量，线偏振检测激光穿过原子气室时，惰性气体原子核宏观磁矩和碱金属电子的宏观磁矩将会对检测激光产生调制作用，利用法拉第旋光解算出惰性气体原子核和拉莫进动频率，即可解算出壳体旋转角速度大小。

从核磁共振陀螺仪上述工作原理可以看出，碱金属电子自旋极化是核磁共振陀螺仪正常工作的必要条件之一，在常温条件下，碱金属电子属于固态，原子气室内的碱金属电子浓度低，导致碱金属电子极化率低，为提高碱金属电子自旋极化率，常用的方法是加热碱金属电子，工程上常用的加热方法有电加热方式，其基本原理是利用电流通过电阻时产生的热量来加热原子气室，利用热传导方式加热原子气室内的碱金属，经对现有技术检索发现以下相关技术文献：专利号US7872473B2，名称为：一种核磁共振陀螺仪，公开了原子气室加热采用电加热方式，这种核磁共振陀螺仪由于电加热过程中产生的扰动磁场会降低核磁共振陀螺仪的检测精度和灵敏度。论文“Predictive thermal model for indirecttemperature measurement inside atomic cell of nuclear magnetic resonancegyroscope”,研制了一种核磁共振陀螺仪，该核磁共振陀螺仪采用电加热方式，同样引入了干扰磁场，电加热直接作用于原子气室，严重影响了核磁共振陀螺仪的检测精度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光加热核磁共振陀螺仪。

根据本发明提供的一种激光加热核磁共振陀螺仪，包括：可编程逻辑控制器、石英真空腔、原子气室、滤光片、三维正交线圈、加热激光光源、光纤测温模块、泵浦激光光源、检测激光光源、平衡光电放大器、锁相放大器、三维正交线圈驱动源；所述原子气室位于所述石英真空腔内，所述加热激光光源发出的激光通过所述石英真空腔内部的滤光片后转化为热量，用于对所述原子气室进行加热；且所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的磁场影响范围内；所述泵浦激光光源和检测激光光源发出的激光穿过所述石英真空腔内的原子气室，并被所述平衡光电放大器接收；所述平衡光电放大器将将接收到的检测光信号转换为相应的电信号后传输给锁相放大器；其中：

所述光纤测温模块，用于检测所述原子气室表面的温度，并将检测到的温度结果发送给所述可编程逻辑控制器；

所述加热激光光源发出的激光，用于对所述石英真空腔内的原子气室进行加热；

所述三维正交线圈驱动源，用于向所述三维正交线圈提供电能；

所述锁相放大器，用于将所述平衡光电放大器输出的经过放大的检测光信号和所述三维正交线圈的参考驱动信号进行分析，得到具有相同频率成分的参考信息；并将所述参考信息进行倍频和滤波处理，得到所述平衡光电放大器中具有三维正交线圈的参考驱动信号的频率成分信息，将所述频率成分信息发送给所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器，用于根据所述原子气室表面的温度控制所述加热激光光源的功率，并根据所述频率成分信息解算出所述核磁共振陀螺仪的拉莫进动频率信息。

可选地，所述原子气室为正方体形，所述原子气室内含有碱金属电子和惰性气体原子核；所述原子气室底部通过多个石棉柱支撑并固定在所述石英真空腔的中心位置。

可选地，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及检测激光光源发出的激光通过同一光纤导入所述石英真空腔，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及所述检测激光光源发出的激光通过分束镜后分成垂直正交的两路激光，其中：

所述加热激光光源和泵浦激光光源发出的激光构成第一路激光，所述第一路激光直接进入所述石英真空腔；

所述检测激光光源发出的激光构成第二路激光，所述第二路激光此次经过两个反射镜后形成与所述第一路激光传播方向垂直的激光，所述第二路激光从所述石英真空腔的侧面进入所述原子气室，并从所述原子气室、石英真空腔中穿出后通过反射镜改变传输方向，最后被所述平衡光电放大器接收。

可选地，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和第二滤光片分别安装在所述石英真空腔的两个正对的内壁平面上，且位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度大于位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度。

可选地，所述加热激光光源发出的激光经过所述第一滤光片后被所述第一滤光片吸收部分热能；被第一片滤光片吸收后剩余的激光透过原子气室后被所述第二片滤光片吸收，所述第一滤光片和第二滤光片吸收的热能均用于加热所述原子气室。

可选地，所述光纤测温模块包括光纤测温探头，所述光纤测温探头穿过所述石英真空腔并固定在所述原子气室表面，所述光纤测温探头将检测到的温度数据发送给位于核磁共振陀螺仪外部的可编程逻辑控制器。

可选地，所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的中心位置，所述三维正交线圈通电后形成的静磁场和射频交变磁场，用于对所述原子气室内的碱金属电子和惰性气体原子核进行磁调制；所述三维正交线圈与三维正交线圈驱动源电连接，所述三维正交线圈驱动源用于向所述三维正交线圈提供不同的电流。

可选地，还包括磁屏蔽筒，所述石英真空腔、原子气室、三维正交线圈均安装在所述磁屏蔽筒内；且所述磁屏蔽筒设置有电线连接通孔、光路通孔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的激光加热核磁共振陀螺仪，基于激光加热原子气室的核磁共振陀螺仪，利用激光加热和光纤测温，能够完全消除电加热原子气室和电阻测温过程中产生的扰动磁场，从而大幅度提高核磁共振陀螺仪的灵敏度和检测精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的一实施例的激光加热核磁共振陀螺仪的结构示意图；

图2为本发明提供的一实施例的激光加热核磁共振陀螺仪的光路结构示意图；

图中：

1-可编程逻辑控制器；

2-锁相放大器；

3-平衡光电放大器；

4-三维正交线圈驱动源；

5-光纤测温模块；

6-三光源(泵浦激光光源、检测激光光源、加热激光光源)；

7-磁屏蔽筒；

8-分束镜；

9-左侧反射镜；

10-石英真空腔；

11-右侧反射镜；

12-原子气室；

13-三维正交线圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的激光加热核磁共振陀螺仪，包括：可编程逻辑控制器、石英真空腔、原子气室、滤光片、三维正交线圈、加热激光光源、光纤测温模块、泵浦激光光源、检测激光光源、平衡光电放大器、锁相放大器、三维正交线圈驱动源；所述原子气室位于所述石英真空腔内，所述加热激光光源发出的激光通过所述石英真空腔内部的滤光片后转化为热量，用于对所述原子气室进行加热；且所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的磁场影响范围内；所述泵浦激光光源和检测激光光源发出的激光穿过所述石英真空腔内的原子气室，并被所述平衡光电放大器接收；所述平衡光电放大器将将接收到的检测光信号转换为相应的电信号后传输给锁相放大器；其中：

所述光纤测温模块，用于检测所述原子气室表面的温度，并将检测到的温度结果发送给所述可编程逻辑控制器；

所述加热激光光源发出的激光，用于对所述石英真空腔内的原子气室进行加热；

所述三维正交线圈驱动源，用于向所述三维正交线圈提供电能；

所述锁相放大器，用于将所述平衡光电放大器输出的经过放大的检测光信号和所述三维正交线圈的参考驱动信号进行分析，得到具有相同频率成分的参考信息；并将所述参考信息进行倍频和滤波处理，得到所述平衡光电放大器中具有三维正交线圈的参考驱动信号的频率成分信息，将所述频率成分信息发送给所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器，用于根据所述原子气室表面的温度控制所述加热激光光源的功率，并根据所述频率成分信息解算出所述核磁共振陀螺仪的拉莫进动频率信息。

可选地，所述原子气室为正方体形，所述原子气室内含有碱金属电子和惰性气体原子核；所述原子气室底部通过多个石棉柱支撑并固定在所述石英真空腔的中心位置。

本实施例中，可以在原子气室底部四个角之处用四个石棉柱将原子气室支撑并固定在石英真空腔中心，确保原子气室与石英真空腔不发生直接接触，降低原子气室与石英真空腔直接接触的热传导。

可选地，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及检测激光光源发出的激光通过同一光纤导入所述石英真空腔，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及所述检测激光光源发出的激光通过分束镜后分成垂直正交的两路激光，其中：

所述加热激光光源和泵浦激光光源发出的激光构成第一路激光，所述第一路激光直接进入所述石英真空腔；

所述检测激光光源发出的激光构成第二路激光，所述第二路激光此次经过两个反射镜后形成与所述第一路激光传播方向垂直的激光，所述第二路激光从所述石英真空腔的侧面进入所述原子气室，并从所述原子气室、石英真空腔中穿出后通过反射镜改变传输方向，最后被所述平衡光电放大器接收。

本实施例中，泵浦激光光源、检测激光光源、激光加热光源通过光纤融合在一起，运用一根光纤即可将上述三种光源融合在一起，减小了三种激光光源的安装空间，克服了核磁共振陀螺仪在光路设计过程中受到的空间尺寸带来的困难。

可选地，所述滤光片安装在石英真空腔的两个正对的内壁平面上，且位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度大于位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度。

具体的，加热激光光源发出的激光通过光纤直接传播至所述石英真空腔，石英真空腔具有高透明性，加热激光没有损失的到达原子气室的滤光片。滤光片能够吸收加热激光的光子能量，并转化为热量，滤光片与原子气室直接接触，产生的热量会传导至原子气室达到加热原子气室。其中，被第一片滤光片吸收后剩余的激光继续穿透过原子气室之后，到达第二片滤光片，第二片滤光片将剩余的加热激光完全吸收并转化为热量，也用来加热原子气室。由于原子气室与石英真空腔只有石棉支支柱接触，原子气室温度升高之后，只能通过传热率非常低的石棉支柱传热至石英真空腔，同时，石英真空腔属于真空，没有空气介质，阻断了原子气室通过空气直接传热至石英真空腔壁的途径，上述两个设计结构有效了防止了温度升高之后的原子气室热量损失。

本实施例中，两侧滤光片厚度不相同，在靠近加热激光光源的近端滤光片厚度大于远端滤光片的厚度，确保加热激光在进入原子气室之内即滤光片被吸收。滤光片吸收激光之后将光子能量转化为热能，两片滤光片可以与原子气室直接接触，受热之后的滤光片将热量直接传递给原子气室，对原子气室进行直接加热。

可选地，所述石英真空腔内是真空，能够有效防止滤光片通过空气将热量散失。理论上，滤光片的热量全部用于加热原子气室，能够迅速加热原子气室，原子气室内温度快速升高，光纤测温传感器可以测量原子气室温度，并传递给光电转换器转化为电压信号，该电压信号最后传递给可编辑逻辑控制器。可编程逻辑控制器根据原子气室内温度大小，实时调节加热激光光源的功率，实现将原子气室温度稳定控制在110摄氏度，确保原子气室内更多的碱金属由固态转变为气态，增加原子气室内碱金属电子的含量，提高碱金属电子的极化率。同时，还可以提高惰性气体原子核的极化率，最终提高核磁共振陀螺仪的检测精度和灵敏度。

可选地，所述光纤测温模块包括光纤测温探头，所述光纤测温探头穿过所述石英真空腔并固定在所述原子气室表面，所述光纤测温探头将检测到的温度数据发送给位于核磁共振陀螺仪外部的可编程逻辑控制器。

本实施例中的光纤测温模块可以采用光纤测温传感器，所述光纤测温传感器的端部可以穿过石英真空腔与原子气室直接接触，从而确保光纤测温传感器能够直接测量原子气室壁的温度，该温度信息作为可编辑逻辑控制器对加热激光光源的功率进行调节的参考依据。

可选地，所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的中心位置，所述三维正交线圈通电后形成的静磁场和射频交变磁场，用于对所述原子气室内的碱金属电子和惰性气体原子核进行磁调制；所述三维正交线圈与三维正交线圈驱动源电连接，所述三维正交线圈驱动源用于向所述三维正交线圈提供不同的电流。

如图1、图2所示，所述三维正交线圈可以采用三维核磁共振线圈，石英真空腔安装在三维核磁共振线圈的中心点，激光加热光源、泵浦激光光源以及检测激光光源发出的激光的光路设置在三维核磁共振线圈内部。具体的，利用一片分束镜和两片反射镜将检测激光传播方向改变成为与泵浦激光、加热激光方向垂直的传播方向。检测激光穿透过原子气室之后，通过一片反射镜将检测激光传播方向改变为与加热激光、泵浦激光相同的传播方向，并传输道核磁线圈外。检测激光最后被平衡光电放大器接收，并转化为电压信号，所述电压信号被传输至锁相放大器，作为所述锁相放大器的一个输入信号。所述锁相放大器的输入信号为三维正交线圈励磁电流交变信号，锁相放大器根据输入的两路信号能够鉴别出核磁共振陀螺仪产生拉莫进动的频率信息，利用该频率信息，可以计算出核磁共振陀螺仪敏感到的壳体相对于惯性空间的旋转角速度。

可选地，还包括磁屏蔽筒，所述石英真空腔、原子气室、三维正交线圈均安装在所述磁屏蔽筒内；且所述磁屏蔽筒设置有电线连接通孔、光路通孔。

本实施例中，通过磁屏蔽筒屏蔽地磁和环境磁场对核磁共振陀螺仪精度和影响，使得核磁共振陀螺仪的精度更高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，包括：可编程逻辑控制器、石英真空腔、原子气室、滤光片、三维正交线圈、加热激光光源、光纤测温模块、泵浦激光光源、检测激光光源、平衡光电放大器、锁相放大器、三维正交线圈驱动源；所述原子气室位于所述石英真空腔内，所述加热激光光源发出的激光通过所述石英真空腔内部的滤光片后转化为热量，用于对所述原子气室进行加热；且所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的磁场影响范围内；所述泵浦激光光源和检测激光光源发出的激光穿过所述石英真空腔内的原子气室，并被所述平衡光电放大器接收；所述平衡光电放大器将将接收到的检测光信号转换为相应的电信号后传输给锁相放大器；其中：

所述光纤测温模块，用于检测所述原子气室表面的温度，并将检测到的温度结果发送给所述可编程逻辑控制器；

所述加热激光光源发出的激光，用于对所述石英真空腔内的原子气室进行加热；

所述三维正交线圈驱动源，用于向所述三维正交线圈提供电能；

所述锁相放大器，用于将所述平衡光电放大器输出的经过放大的检测光信号和所述三维正交线圈的参考驱动信号进行分析，得到具有相同频率成分的参考信息；并将所述参考信息进行倍频和滤波处理，得到所述平衡光电放大器中具有三维正交线圈的参考驱动信号的频率成分信息，将所述频率成分信息发送给所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器，用于根据所述原子气室表面的温度控制所述加热激光光源的功率，并根据所述频率成分信息解算出所述核磁共振陀螺仪的拉莫进动频率信息。

2.根据权利要求1所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述原子气室为正方体形，所述原子气室内含有碱金属电子和惰性气体原子核；所述原子气室底部通过多个石棉柱支撑并固定在所述石英真空腔的中心位置。

3.根据权利要求1所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及检测激光光源发出的激光通过同一光纤导入所述石英真空腔，所述加热激光光源、泵浦激光光源以及所述检测激光光源发出的激光通过分束镜后分成垂直正交的两路激光，其中：

所述加热激光光源和泵浦激光光源发出的激光构成第一路激光，所述第一路激光直接进入所述石英真空腔；

所述检测激光光源发出的激光构成第二路激光，所述第二路激光此次经过两个反射镜后形成与所述第一路激光传播方向垂直的激光，所述第二路激光从所述石英真空腔的侧面进入所述原子气室，并从所述原子气室、石英真空腔中穿出后通过反射镜改变传输方向，最后被所述平衡光电放大器接收。

4.根据权利要求1所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和第二滤光片分别安装在所述石英真空腔的两个正对的内壁平面上，且位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度大于位于所述加热激光光源近端的滤光片的厚度。

5.根据权利要求4所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述加热激光光源发出的激光经过所述第一滤光片后被所述第一滤光片吸收部分热能；被第一片滤光片吸收后剩余的激光透过原子气室后被所述第二片滤光片吸收，所述第一滤光片和第二滤光片吸收的热能均用于加热所述原子气室。

6.根据权利要求1所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述光纤测温模块包括光纤测温探头，所述光纤测温探头穿过所述石英真空腔并固定在所述原子气室表面，所述光纤测温探头将检测到的温度数据发送给位于核磁共振陀螺仪外部的可编程逻辑控制器。

7.根据权利要求1所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述石英真空腔安装在所述三维正交线圈的中心位置，所述三维正交线圈通电后形成的静磁场和射频交变磁场，用于对所述原子气室内的碱金属电子和惰性气体原子核进行磁调制；所述三维正交线圈与三维正交线圈驱动源电连接，所述三维正交线圈驱动源用于向所述三维正交线圈提供不同的电流。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的激光加热核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括磁屏蔽筒，所述石英真空腔、原子气室、三维正交线圈均安装在所述磁屏蔽筒内；且所述磁屏蔽筒设置有电线连接通孔、光路通孔。