CN109884355A - 一种serf惯性测量自屏蔽三维磁场线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，由两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈，一个圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源构成。圆柱径向和轴向自屏蔽线圈都由两层线圈构成，分别是屏蔽线圈和主线圈。其中圆柱径向自屏蔽线圈采用基于正则化手段的目标场法设计；圆柱轴向自屏蔽线圈采用0‑1整数规划方法设计。电流源对自屏蔽三维磁场线圈中的屏蔽线圈和主线圈同步施加特定比例的电流。本发明降低了磁屏蔽筒与线圈之间的磁场耦合，减小因温度变化带来的耦合磁场噪声，提高SERF惯性测量的精度。

Description

一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈

技术领域

本发明属于自屏蔽线圈领域，具体涉及一种SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，SERF)惯性测量自屏蔽三维磁场线圈。

背景技术

在SERF惯性测量中，三维磁场线圈一方面用于进一步主动补偿屏蔽桶内的剩余磁场以提高磁场屏蔽系统性能；另一方面配合产生各个方向的功能磁场对原子自旋进行调控。为保证原子自旋系综的SERF态，提高惯性测量的精度，三维磁场线圈需要产生大的磁场均匀区，提高磁场的稳定性，因此研究三维磁场线圈具有重要意义。

SERF惯性测量中常用三轴亥姆霍兹线圈、鞍型嵌套线圈来产生三轴均匀磁场。其中三轴亥姆霍兹线圈均匀区较小，体积较大，不利于集成应用。鞍型嵌套线圈达到最优的磁场均匀性时，长度与半径之比达到3.5，冗余体积过多。

常规的惯性测量中，通常采用磁屏蔽筒内套三维磁场线圈的方法，用此方法，磁屏蔽筒与线圈之间会产生磁场耦合，增加了系统的磁场噪声，难以实现惯性测量的高精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为降低SERF惯性测量中磁屏蔽桶与三维磁场线圈耦合引入的磁场噪声，设计一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈。与现有技术相比，具有以下优点：在原子气室附近产生较高均匀度的磁场；自屏蔽三维磁场线圈自身具有屏蔽作用，可将其产生的磁场在磁屏蔽桶与自屏蔽三维磁场线圈之间快速衰减到零，减小磁屏蔽筒与线圈产生的耦合磁场噪声，提高测量精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，包括圆柱径向自屏蔽线圈与圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源，两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈产生x、y方向的磁场，一个圆柱轴向自屏蔽线圈产生z方向的磁场，径向和轴向自屏蔽线圈构成自屏蔽三维磁场线圈。

三维磁场线圈在气室敏感范围内产生高均匀度的磁场，起到主动磁补偿和施加磁场调制信号的作用。本发明中自屏蔽三维磁场线圈一方面为原子气室创造较高均匀度的磁场环境，另一方面，将其产生的磁场在磁屏蔽筒和屏蔽线圈之间快速衰减为零，达到磁屏蔽筒与线圈解耦的效果。

所述的圆柱径向自屏蔽线圈由两层线圈构成，分别是屏蔽线圈和主线圈，将圆柱径向自屏蔽线圈表面分成U×V个子区域，采用基于正则化手段的目标场法设计，设计步骤如下：

1)确定圆柱径向自屏蔽线圈上的表面电流密度表达式。其中，主线圈电流表达式为：

屏蔽线圈电流表达式为：

分别为主线圈和屏蔽线圈电流表达式的高度分量和方位角分量，P_mn和Q_mn为待定系数，L、L_S分别为主线圈和屏蔽线圈高度，a、b为主线圈和屏蔽线圈半径，M、N分别为待定阶次；

2)选定目标场点，所选目标场点为原子气室均匀区内的点以及屏蔽线圈外距离为x的一个圆柱表面上的点。对所选目标场点应用毕奥-萨伐尔定律，求所选目标场点的磁场表达式如下：

其中：

为原子气室均匀区内磁场强度的y分量，为屏蔽线圈外与原点距离为x的一个圆柱表面上磁场强度的y分量，ω为角频率，μ₀为真空磁导率，ε₀为真空介电常数，r_i为原子气室均匀区内的点的位置矢量，r_o为屏蔽线圈外与原点距离为x的一个圆柱表面上的点的位置矢量，r′为主线圈上点的位置矢量，r″为屏蔽线圈上点的位置矢量，R_iP＝|r_i-r′|为r_i和r′的距离，相应的R_is＝|r_i-r″|，R_oP＝|r_o-r′|，R_oS＝|r_o-r″|；

3)对电流密度表达式加入曲率约束，由Tikhonov正则化法则计算电流密度表达式中的待定系数；使用流函数方法得到实际的电路走线。

所述的圆柱轴向自屏蔽线圈同样由屏蔽线圈和主线圈构成，其设计方法为0-1整数规划，设计步骤如下：

1)将屏蔽线圈和主线圈所在的圆柱形区域沿z轴方向分成若干电流圆环。

2)选原子气室均匀区内的点以及屏蔽线圈外距离为x的一个圆柱表面上的点为目标场点。对若干电流圆环在目标场点处产生的磁场求和，对磁场有贡献的电流圆环记为1，无贡献的电流圆环记为0。求出圆柱轴向自屏蔽线圈的电流分布。

3)电流源对自屏蔽三维磁场线圈中的屏蔽线圈和主线圈同步施加特定比例的电流。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明自屏蔽三维磁场线圈在原子气室附近产生较高均匀度的磁场；

(2)本发明自屏蔽三维磁场线圈具有屏蔽作用，可将其自身产生的磁场在磁屏蔽桶与自屏蔽三维磁场线圈之间快速衰减到零，减小磁屏蔽筒与线圈产生的耦合磁场噪声，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈的结构示意图。图1中：1为磁屏蔽筒；2为屏蔽线圈骨架；3为x轴屏蔽线圈；4为y轴屏蔽线圈；5为z轴屏蔽线圈；6为主线圈骨架；7为x轴主线圈；8为y轴主线圈；9为z轴主线圈；10为原子气室；11为原子气室均匀区；12为电流源；13为精密电阻R1；14为精密电阻R2。

图2为本发明所采用的基于正则化手段的目标场法的圆柱径向自屏蔽线圈示意图。

图3为圆柱径向自屏蔽线圈的屏蔽线圈与主线圈电路走线示意图。图3(a)为主线圈走线示意图，图3(b)为屏蔽线圈走线示意图。

图4为本发明所采用的基于0-1整数规划方法设计的圆柱轴向自屏蔽线圈示意图。

图5为本发明的自屏蔽三维磁场线圈所能预期达到的解耦效果(以y轴磁场为例)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细介绍：

图1为本发明一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈的结构示意图。由图可见，本发明包括磁屏蔽筒1、屏蔽线圈骨架2、x轴屏蔽线圈3、y轴屏蔽线圈4、z轴屏蔽线圈5、主线圈骨架6、x轴主线圈7、y轴主线圈8、z轴主线圈9、原子气室10、原子气室均匀区11、电流源12、精密电阻R1 13、精密电阻R2 14。

本发明中自屏蔽三维磁场线圈分为圆柱径向自屏蔽线圈，圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源。两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈产生x、y方向的磁场，一个圆柱轴向自屏蔽线圈产生z方向的磁场。径向和轴向自屏蔽线圈构成自屏蔽三维磁场线圈。

如图1所示，x轴屏蔽线圈3、y轴屏蔽线圈4与z轴屏蔽线圈5均贴在屏蔽线圈骨架2上，x轴主线圈7、y轴主线圈8与z轴主线圈9均贴在主线圈骨架6上。x轴屏蔽线圈3和x轴主线圈7组成圆柱径向自屏蔽线圈，用以产生x轴方向的磁场，y轴屏蔽线圈4和y轴主线圈8组成另外一个圆柱径向自屏蔽线圈，用以产生y轴方向的磁场，z轴屏蔽线圈5和z轴主线圈9组成圆柱轴向自屏蔽线圈，产生z轴方向的磁场。

三维磁场线圈在气室敏感范围内产生高均匀度的磁场，起到主动磁补偿和施加磁场调制信号的作用，本发明中自屏蔽三维磁场线圈一方面为原子气室创造较高均匀度的磁场环境，另一方面，将其产生的磁场在磁屏蔽筒和屏蔽线圈之间快速衰减为零，达到磁屏蔽筒与线圈解耦的效果。

本发明中的圆柱径向自屏蔽线圈采用基于正则化手段的目标场法设计，以产生y方向磁场为例，x方向磁场只需将线圈旋转90°即可。图2中包括，y轴屏蔽线圈4，y轴主线圈8，原子气室10，原子气室均匀区11，外侧虚线圆柱在磁屏蔽筒与y轴屏蔽线圈4之间。

设屏蔽线圈半径为b，主线圈半径为啊a，设计步骤如下：首先，将圆柱径向自屏蔽线圈表面分成U×V个子区域，确定圆柱径向自屏蔽线圈上的表面电流密度表达式。其中，主线圈电流表达式为：

屏蔽线圈电流表达式为：

分别为主线圈和屏蔽线圈电流表达式的高度分量和方位角分量，P_mn和Q_mn为待定系数，L、L_s分别为主线圈和屏蔽线圈高度，a、b为主线圈和屏蔽线圈半径，M、N分别为待定阶次；

然后，选定目标场点，如图2所示，所选目标场点为原子气室均匀区11内的点，以及外侧虚线圆柱上的点。对所选目标场点应用毕奥-萨伐尔定律求所选目标场点的磁场表达式如下：

其中：

为原子气室10均匀区内磁场强度的y分量，为外侧虚线圆柱上磁场强度的y分量，ω为角频率，μ₀为真空磁导率，ε₀为真空介电常数，r_i为原子气室10均匀区内的点的位置矢量，r_o为外侧虚线圆柱上点的位置矢量，r′为主线圈上点的位置矢量，r″为屏蔽线圈上点的位置矢量，R_iP＝|r_i-r′|为r_i和r′的距离，相应的R_is＝|r_i-r″|，R_oP＝|r_o-r′|，R_os＝|r_o-r″|；

之后，求解电流密度表达式中待定系数，要求解的方程在数学上为病态方程组，因此对其加入曲率约束，再由Tikhonov正则化法则计算待定系数。最后使用流函数方法得到实际的电路走线。

如图3所示，选取参数U＝2，V＝3，M＝4，N＝4，主线圈直径40mm，屏蔽线圈直径50mm，采用上述圆柱径向自屏蔽线圈设计方法，得到圆柱径向自屏蔽线圈中屏蔽线圈与主线圈电路走线示意图，其中图3(a)为主线圈走线示意图，图3(b)为屏蔽线圈走线示意图。虚线与实线代表不同的电流走向。中心预留直径为6mm通光孔。

本发明中的圆柱轴向自屏蔽线圈采用0-1整数规划方法设计。图4中包括z轴屏蔽线圈5，z轴主线圈9，原子气室10，原子气室均匀区11，外侧虚线圆柱在磁屏蔽筒与z轴屏蔽线圈5之间。图4中的网格表示，分别沿z轴屏蔽线圈与z轴主线圈的轴向划分若干电流圆环。选取原子气室的均匀区11内的点，以及外侧虚线圆柱上的点为目标场点，对若干电流圆环在目标场点处产生的磁场求和，对磁场有贡献的电流圆环记为1，无贡献的电流圆环记为0。求出圆柱轴向自屏蔽线圈的电流分布。

本发明的自屏蔽三维磁场线圈所能预期达到的解耦效果如图5所示，以产生y轴磁场为例。设主线圈直径40mm，屏蔽线圈直径50mm，中心直径10mm，即原子气室所在区域作为均匀区，可见在主线圈25％范围内，磁场均匀度优于千分之1，在磁屏蔽筒内层，即半径50mm处，磁场迅速衰减100倍，降低了线圈与磁屏蔽筒之间的耦合。

电流源对自屏蔽三维磁场线圈中的屏蔽线圈和主线圈同步施加特定比例的电流。以产生z轴方向磁场为例，如图1所示，通过精密电阻R1 13和R2 14，电流源对圆柱轴向自屏蔽线圈中的z轴屏蔽线圈5和z轴主线圈9同步施加特定比例的电流。

以上所述仅为本发明的一个具体的实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的相关人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围以内。

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的公知技术。

Claims (4)

1.一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，其特征在于：自屏蔽三维磁场线圈分为圆柱径向自屏蔽线圈，圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源(12)；两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈产生x、y方向的磁场，一个圆柱轴向自屏蔽线圈产生z方向的磁场；径向和轴向自屏蔽线圈构成自屏蔽三维磁场线圈，在SERF惯性测量中，三维磁场线圈在气室敏感范围内产生高均匀度的磁场，起到主动磁补偿和施加磁场调制信号的作用；自屏蔽三维磁场线圈一方面为原子气室(10)创造较高均匀度的磁场环境，另一方面，将其产生的磁场在磁屏蔽筒(1)和屏蔽线圈之间快速衰减为零。

2.根据权利要求1所述的一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，其特征在于：圆柱径向自屏蔽线圈由两层线圈构成，分别是屏蔽线圈和主线圈，将圆柱径向自屏蔽线圈表面分成U×V个子区域，采用基于正则化手段的目标场法设计，设计步骤如下：

首先，确定圆柱径向自屏蔽线圈上的表面电流密度表达式，其中，主线圈电流表达式为：

屏蔽线圈电流表达式为：

其中，分别为主线圈和屏蔽线圈电流表达式的高度分量和方位角分量，P_mn和Q_mn为待定系数，L、L_S分别为主线圈和屏蔽线圈高度，a、b为主线圈和屏蔽线圈半径，M、N分别为待定阶次；

然后，选定目标场点，应用毕奥-萨伐尔定律，求所选目标场点的磁场表达式如下：

其中：

为原子气室(10)均匀区内磁场强度的y分量，为屏蔽线圈外与原点距离为x的一个圆柱表面上磁场强度的y分量，ω为角频率，μ₀为真空磁导率，ε₀为真空介电常数，r_i为原子气室(10)均匀区内的点的位置矢量，r_o为屏蔽线圈外与原点距离为x的一个圆柱表面上的点的位置矢量，r′为主线圈上点的位置矢量，r″为屏蔽线圈上点的位置矢量，R_iP＝|r_i-r′|为r_i和r′的距离，相应的R_is＝|r_i-r″|，R_oP＝|r_o-r′|，R_os＝|r_o-r″|；

最后，对电流密度表达式加入曲率约束，由Tikhonov正则化法则计算电流密度表达式中的待定系数，使用流函数方法得到实际的电路走线。

3.根据权利要求1所述的一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，其特征在于：圆柱轴向自屏蔽线圈同样由屏蔽线圈和主线圈构成，其设计方法为0-1整数规划，设计步骤如下：将屏蔽线圈和主线圈所在的圆柱形区域沿z轴方向分成若干电流圆环；选定目标场点，对若干电流圆环在目标场点处产生的磁场求和，对磁场有贡献的电流圆环记为1，无贡献的电流圆环记为0；求出圆柱轴向自屏蔽线圈的电流分布。

4.根据权利要求1所述的一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，其特征在于：电流源对自屏蔽三维磁场线圈中的屏蔽线圈和主线圈同步施加特定比例的电流。