CN107727089A - 一种适用于serf原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法 - Google Patents

一种适用于serf原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法 Download PDF

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张红
刘刚
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Abstract

本发明公开了一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法，属于光学检测、磁场探测与分析技术领域。本发明针对SERF原子自旋陀螺仪桶内剩余磁场影响输出信号稳定性问题，提出了基于超级化21Ne气体拉莫尔进动理论的三轴剩余磁场补偿方法。本发明填补了无便捷、高精度的原子陀螺仪三轴剩余磁场测试与补偿方法的缺憾，可为SERF原子自旋陀螺仪信号稳定度提升提供基础保障，并为三轴剩余磁场的自动化补偿提供方法支撑。

Description

一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿 方法
技术领域
本发明旨在提出一种适用于无自旋交换弛豫(Spin exchange relaxation free，SERF)原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场测量与补偿方法，属于光学检测、磁场探测与分析技术领域。
背景技术
几年来，基于无自旋交换弛豫的原子自旋陀螺仪(以下简称SERF原子陀螺仪)得到大力发展。该类型原子陀螺仪需要工作在SERF态环境，而磁场是限制SERF态实现的关键因素之一。因此，需要尽可能将环境磁场隔离。通常情况，利用由高导磁材料制成的多层磁屏蔽桶隔离环境磁场。然而，要实现完全隔离磁场是不可能的，总有一些磁场会漏进磁屏蔽桶内，对于桶内的这一部分剩余磁场，就需要结合主动磁补偿技术进行抵消。
为确保原子陀螺仪操控在SERF态，普林斯顿大学的S.J.Seltzer和M.V.Romalis提出了一种三轴剩余磁场补偿方法。该方法需要在x、y方向施加一个小幅值的调制磁场，然后，通过调节施加在三轴线圈三个方向上的电流实现磁场归零目的。这种补偿方法操作过程较为繁琐，且在没有实现自动化补偿之前，因受人为因素影响较大补偿精度不高。北京航空航天大学的王涛提出了一种同时考虑抽运光和检测光抽运效果的三轴剩余磁场补偿方法。该方法与普林斯顿大学的方法近似，因此存在类似不足。
超极化的惰性气体，例如，3He和21Ne等，已被广泛应用于磁共振成像(MRI)、材料科学、以及基础科学研究等领域。由于超极化的惰性气体对磁场即为敏感，那么，基于这一特点，可以利用超极化的惰性气体来测定原子陀螺仪的三轴剩余磁场。
为解决上述问题、弥补不足，本发明提出一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场补偿方法。本发明针对原子自旋陀螺仪桶内剩余磁场影响输出信号稳定性问题，提出了基于超级化21Ne气体拉莫尔进动理论的三轴剩余磁场补偿方法。本发明填补了无便捷、高精度的SERF原子陀螺仪三轴剩余磁场补偿方法的缺憾，可为SERF原子自旋陀螺仪提升灵敏度和降低漂移提供基础保障，并为三轴剩余磁场的自动化补偿提供理论参考和方法支撑。
发明内容
本发明目的在于：为了弥补现有方法的不足，本发明立足于全光学SERF原子陀螺仪本身，提出一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场补偿方法，本方将为SERF原子自旋陀螺仪提升灵敏度和降低漂移提供基础保障，并为三轴剩余磁场的自动化补偿提供理论参考和方法支撑。
本发明采用的技术方案为：一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)自旋极化的碱金属原子通过自旋交换碰撞将惰性气体超极化，当超极化惰性气体的自旋极化率达到饱和态后，关闭抽运激光，实现“暗态”环境，将“暗态”定义为：在关闭抽运光的情况下，一个原子或分子不吸收或释放光子；
步骤(2)在“暗态”环境下，当施加应用磁场的情况下，超极化的惰性气体会绕着此应用磁场进行拉莫尔进动，且进动频率ω与应用磁场B幅值成正比，
ω＝γn|B| (1)
式中，γn为核子旋磁比；
步骤(3)沿某一轴施加幅值相等方向相反的两个应用磁场和在剩余磁场Brem的作用下，这两个剩余磁场分别与剩余磁场形成两个幅值不同、方向不同的合磁场和
步骤(4)在这两个合磁场和下，超极化惰性气体的拉莫尔进动频率ω-和ω+分别为：
式中，γn为核子旋磁比；
步骤(5)碱金属原子可以反映出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动过程，一束线偏振检测光用于探测包含惰性气体拉莫尔进动信息的碱金属原子，将检测信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，FFT)以分别提取出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率；
步骤(6)分别将提取出的超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率带入公式(1)，即可得出两个合磁场的幅值；
步骤(7)由公式(2)和公式(3)得出的两个合磁场幅值相减再除以2，即为此轴向上的剩余磁场幅值，
步骤(8)剩余磁场方向与合磁场幅值较大的一个同向；
步骤(9)在获得一个轴向上的剩余磁场幅值和方向后，利用步骤1至步骤8可以获得其它两个轴向上的剩余磁场幅值和方向。
本发明的有益效果如下：
(1)弥补现有三轴磁补偿方法存在的不足；
(2)为原子陀螺仪工作在SERF态、提升灵敏度和降低漂移提供基础保障；
(3)为三轴剩余磁场的自动化补偿提供理论基础和技术支撑。
附图说明
图1为21Ne超极化过程示意图，其中：101为抽运光；102为偏置磁场；103为淬灭气体(一般为N2)；104为自旋交换碰撞；105为开关；
图2为外磁场下超极化的21Ne进行拉莫尔进动示意图，其中：201为超极化的21Ne；202为抽运光；203为开关；204为应用磁场；
图3为剩余磁场补偿基本原理示意图，其中，301为沿z轴负向施加的磁场；302为拉莫尔进动；303为磁矩1；304为剩余磁场；305为磁矩2；306为沿z轴正向施加的磁场；
图4为实验装置示意图，其中：401为函数发生器；402为检测激光器；403为第一起偏器；404为烤箱；405为碱金属气室；406为三轴线圈；407为磁屏蔽桶；408为抽运激光器；409为第一反射镜；410为扩束镜；411为第二起偏器；412为四分之一波片；413为示波器；414为平衡放大光电探测器；415为第二反射镜；416为凸透镜；417为偏振分光棱镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
以铯铷混合抽运SERF原子陀螺仪为例具体说明利用本发明测量三轴剩余磁场的过程。
一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法，其步骤为：
(1)光路调节与连线。按照附图4所示的光路进行精细调节与接线。包括函数发生器401、检测激光器402、第一起偏器403、烤箱404、碱金属气室405、三轴线圈406、磁屏蔽桶407、抽运激光器408、第一反射镜409、扩束镜410、第二起偏器411、四分之一波片412、示波器413、平衡放大光电探测器414、第二反射镜415、凸透镜416与偏振分光棱镜417，碱金属气室405安装于烤箱404中；随后碱金属气室405和烤箱404一同安装于三轴线圈406中；三轴线圈406外部为磁屏蔽桶407；抽运激光器408产生的激光经过第一反射镜409进入扩束镜410，第一起偏器411起偏后经由四分之一波片412变为圆偏振光后，照射碱金属气室405。检测激光器402产生的激光经由第二起偏器411后为线偏振光，并与抽运光正交与碱金属气室405内部；穿过碱金属气室后的检测激光经过凸透镜416汇聚，随后被分光棱镜417分为两束光，一束直接被平衡放大光电探测器414接收，另一束经反射镜后被平衡放大光电探测器414接收。
(2)系统准备。开启无磁电加热系统，将碱金属气室405内部加热至170℃。
(3)开始测试。将抽抽运光202功率调至50mW，检测激光器的功率调至50μW。当超极化的21Ne201达饱和后，关闭抽运运激光器408，实现“暗态”环境。
(4)按照附图3所示，沿z轴负向施加磁场301和沿z轴正向施加磁场306的幅值均为20.97nT，这两个磁场与剩余磁场304形成的合磁场分别为：
式中，和分贝为沿z轴正方向和负方向的合磁场；|Brem|为z轴剩余操场。
(5)在这两个合磁场作用下，超极化的21Ne201进行拉莫尔进动302，其进动频率ω+、ω-可由快速傅里叶变换分别提取出来，并根据下式分别获得合磁场幅值，
式中，为21Ne核子旋磁比，γn＝0.0036Hz/nT。磁场和的幅值分别为19.3651nT和23.8591nT。
(6)z轴剩余磁场幅值即为两个合磁场幅值之差再除以2，
则，z轴剩余磁场幅值约为2.241nT。
(7)z方向剩余磁场方向为沿z轴的正方向。
(8)x、y轴的剩余磁场测量方法与z轴剩余磁场测量方法完全相同。
(9)利用本发明专利测得的三轴剩余磁场结果如下，
三轴剩余磁场测量结果
利用本发明方法获得的x、y、z三轴剩余磁场幅值分别为：1.471nT，2.252nT，2.241nT；对应的方向依次为：沿x轴负向，沿y轴正向，沿z轴负向。

Claims (1)

1.一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤(1)自旋极化的碱金属原子通过自旋交换碰撞将惰性气体超极化，当超极化惰性气体的自旋极化率达到饱和态后，关闭抽运激光，实现“暗态”环境，将“暗态”定义为：在关闭抽运光的情况下，一个原子或分子不吸收或释放光子；
步骤(2)在“暗态”环境下，当施加应用磁场的情况下，超极化的惰性气体会绕着此应用磁场进行拉莫尔进动，且进动频率ω与应用磁场B幅值成正比，
ω＝γn|B| (1)
式中，γn为核子旋磁比；
步骤(3)沿某一轴施加幅值相等方向相反的两个应用磁场和在剩余磁场Brem的作用下，这两个剩余磁场分别与剩余磁场形成两个幅值不同、方向不同的合磁场和
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步骤(4)在这两个合磁场和下，超极化惰性气体的拉莫尔进动频率ω-和ω+分别为：
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式中，γn为核子旋磁比；
步骤(5)碱金属原子可以反映出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动过程，一束线偏振检测光用于探测包含惰性气体拉莫尔进动信息的碱金属原子，将检测信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，FFT)以分别提取出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率；
步骤(6)分别将提取出的超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率带入公式(1)，即可得出两个合磁场的幅值；
步骤(7)由公式(2)和公式(3)得出的两个合磁场幅值相减再除以2，即为此轴向上的剩余磁场幅值，
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步骤(8)剩余磁场方向与合磁场幅值较大的一个同向；
步骤(9)在获得一个轴向上的剩余磁场幅值和方向后，利用步骤1至步骤8可以获得其它两个轴向上的剩余磁场幅值和方向。
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