CN109373989A - 一种serf原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法 - Google Patents

一种serf原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，该方法首先测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，找到碱金属电子共振峰对应的共振频率和共振相位，然后通过频率闭环方式或相位闭环方式动态调整纵向补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰保持不变，使碱金属电子感受的纵向磁场恒定，从而实现核自旋自补偿点的闭环控制。本发明可降低纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动对碱金属电子的影响，抑制SERF原子自旋陀螺双轴角速率测量的信号波动和耦合误差，提高陀螺仪的精度和刻度系数线性度。

Description

一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，属于SERF原子自旋陀螺精密闭环操控领域，可用于提高SERF原子自旋陀螺的精度和刻度系数线性度。
背景技术
陀螺仪是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。随着量子操控技术的快速发展，原子陀螺成为新一代陀螺仪的重要发展方向。其中，无自旋交换弛豫(Spin-exchange relaxation-free，SERF)原子自旋陀螺具有超高的极限精度和易于集成等优势，成为原子陀螺仪的研究热点。SERF原子自旋陀螺通常在抽运激光方向(纵向)施加偏置补偿磁场来抵消惰性气体核子和碱金属电子产生的纵向等效磁场，操控碱金属原子工作在弱磁场条件下，从而有效降低自旋交换弛豫率，提高测量灵敏度。需施加的补偿磁场称为核自旋自补偿点，是SERF原子自旋陀螺实现精密惯性测量的工作点。但是，目前核自旋自补偿点工作在开环状态，碱金属感受的磁场易受纵向外界环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响，从而引入陀螺漂移；此外，SERF原子自旋陀螺是一种双轴陀螺仪，核自旋自补偿点波动还会引起双轴角速率测量耦合系数波动，引入耦合误差，降低刻度系数线性度。
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SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，对自补偿点进行闭环控制，有效降低纵向磁场波动对SERF原子自旋陀螺输出信号的影响，提高陀螺仪的精度和刻度系数线性度。
本发明采用的技术方案如下：一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，包括下列步骤：
步骤(1)、首先将SERF原子自旋陀螺固定在静止基座上，进行光抽运和磁场补偿后，调试至正常工作状态，在垂直于抽运激光方向(即横向)施加不同频率的交流磁场，测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，找到碱金属电子共振峰对应的共振频率和共振相位。
步骤(2)通过闭环控制系统动态调整平行于抽运激光方向(即纵向)补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰的位置不变，使碱金属电子不受纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响。
所述的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法中锁定碱金属电子共振峰位置的实现方式包括如下两种：
(I)频率闭环控制方式，通过锁相环控制横向线圈驱动，使SERF原子自旋陀螺横向线圈产生交流驱动磁场，跟踪碱金属电子共振频率，锁相环输出的频率与碱金属电子初始共振频率比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，调节陀螺仪纵向线圈产生补偿偏置磁场，使碱金属电子共振频率始终等于初始共振频率，从而使碱金属电子感受的纵向磁场不变；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。
(II)相位闭环控制方式，通过横向线圈驱动控制SERF原子自旋陀螺横线线圈产生频率为碱金属电子初始共振频率的交流磁场，调制碱金属电子极化矢量，锁相放大器参考驱动频率对陀螺仪输出信号进行解调，解调相位与电子共振初始相位比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，使陀螺仪纵向线圈产生补偿偏置磁场，使碱金属电子共振解调相位始终等于初始相位，从而使碱金属电子感受的纵向磁场不变；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。
本发明的原理是：SERF原子自旋陀螺需在纵向施加大小等于惰性气体核子和碱金属电子产生的等效磁场之和，与核子磁场和电子磁场方向相反的补偿偏置磁场，从而使碱金属电子工作在近零磁场条件下，该补偿磁场称为自补偿点。此时碱金属电子感受到的磁场大小等于自身产生的等效磁场，在横向交流磁场激励下会发生共振。若纵向外界环境磁场或惰性气体核子纵向磁场波动，碱金属电子感受到的磁场会发生变化，碱金属电子的共振频率和共振相位会跟随发生变化。通过频率闭环或相位闭环控制方式，控制纵向补偿偏置磁场，锁定碱金属电子共振峰，使其共振频率和共振相位保持不变，从而保证碱金属电子感受到的纵向磁场不变，实现SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明首次实现了SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点由开环工作模式向闭环工作模式转变，降低了纵向磁场波动引起的SERF原子自旋陀螺输出信号波动和双轴角速率测量耦合误差，能够提高陀螺仪的精度和刻度系数线性度。
附图说明
图1为本发明的一种基于频率闭环的SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法系统框图；
图2为本发明的一种基于相位闭环的SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。应理解，具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明实施的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，包括下列步骤：
(1)首先将SERF原子自旋陀螺固定在静止基座上，进行光抽运和磁场补偿后，调试至正常工作状态，在本实施方案中碱金属气室中充入钾原子、铷原子和氖-21气体，抽运激光沿z方向极化原子，检测激光沿x方向检测，SERF原子自旋陀螺敏感y方向的角速率。在y方向施加不同频率的正弦交流磁场，测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，对应的碱金属电子共振频率为ω0，共振相位为θ0。
(2)通过闭环控制系统动态调整z方向的补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰的位置不变，使碱金属电子不受纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响。
本发明的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法中锁定碱金属电子共振峰位置的实现方式包括频率闭环控制方式和相位闭环控制方式两种：
(1)频率闭环控制方式系统框图如图1所示，通过锁相环控制y方向线圈驱动，使SERF原子自旋陀螺y方向线圈产生交流驱动磁场，跟踪碱金属电子共振频率，锁相环输出的频率与碱金属电子初始共振频率ω0比较，通过控制器采用闭环控制算法控制z方向线圈驱动改变驱动信号，调节陀螺仪z方向线圈产生的补偿偏置磁场，使碱金属电子共振频率始终等于初始共振频率；低通滤波器滤除碱金属电子对y方向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。
具体地，根据Bloch方程求解的SERF原子自旋陀螺碱金属电子共振的幅频响应函数如公式(1)所示。
其中为碱金属电子沿x方向(检测激光方向)的极化分量的交流响应幅度，γe为碱金属电子旋磁比，B0为y方向驱动交流磁场的幅度，为碱金属电子纵向极化分量，Q为减速因子，ω为y方向驱动交流磁场的角频率，Be为电子磁场，δBz为z方向碱金属电子感受到的环境磁场，为碱金属电子总弛豫率。
通过闭环控制δBz始终为0，使碱金属电子的共振频率锁定在ω＝γeBe/Q＝ω0，从而实现核自旋自补偿点闭环控制。
(2)相位闭环控制方式系统框图如图2所示，通过y方向线圈驱动控制SERF原子自旋陀螺y方向线圈产生频率为ω0的交流磁场，调制碱金属电子极化矢量，锁相放大器参考该驱动频率对陀螺仪输出信号进行解调，解调相位与碱金属电子初始共振相位θ0比较，通过控制器采用闭环控制算法控制z方向线圈驱动改变驱动信号，使陀螺仪z方向线圈产生补偿偏置磁场，使碱金属电子共振解调相位始终等于初始相位；低通滤波器滤除碱金属电子对y方向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。
具体地，根据Bloch方程求解的SERF原子自旋陀螺碱金属电子共振的相频响应函数如公式(2)所示。
其中θ为SERF原子自旋陀螺y方向交流磁场响应的相位。
通过闭环控制δBz始终为0，使碱金属电子的共振解调相位始终等于从而实现核自旋自补偿点闭环控制。
本发明给出的一种具体实施方式中SERF原子自旋陀螺抽运激光沿z方向极化原子，检测激光沿x方向检测，敏感y方向的角速率，在y方向施加横向交流驱动磁场调制碱金属电子极化矢量，实现本发明的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，在实际应用中不限于该坐标系定义，施加横向交流驱动磁场的方向垂直于抽运激光方向即可。
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 (2)

1.一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤(1)、首先将SERF原子自旋陀螺固定在静止基座上，进行光抽运和磁场补偿后，调试至正常工作状态，在垂直于抽运激光方向(即横向)施加不同频率的交流磁场，测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，找到碱金属电子共振峰对应的共振频率和共振相位；
步骤(2)、通过闭环控制系统动态调整平行于抽运激光方向(即纵向)补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰的位置不变，使碱金属电子不受纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响，从而实现核自旋自补偿点闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，其特征在于，用于控制碱金属电子共振峰位置的实现方式包括如下两种之一：
(I)频率闭环控制方式，通过锁相环控制横向线圈驱动，使SERF原子自旋陀螺横向线圈产生交流驱动磁场，跟踪碱金属电子共振频率，锁相环输出的频率与碱金属电子初始共振频率比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，调节陀螺仪纵向线圈产生的补偿偏置磁场，使碱金属电子共振频率始终等于初始共振频率；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号；
(II)相位闭环控制方式，通过横向线圈驱动控制SERF原子自旋陀螺横线线圈产生频率为碱金属电子初始共振频率的交流磁场，调制碱金属电子极化矢量，锁相放大器参考驱动频率对陀螺仪输出信号进行解调，解调相位与碱金属电子初始共振相位比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，调节陀螺仪纵向线圈产生的补偿偏置磁场，使碱金属电子共振解调相位始终等于初始共振相位；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。
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