CN110068320B - 一种零偏自校准原子陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明一种零偏自校准原子陀螺仪，包括：表头A、表头B、探测光路A、探测光路B、泵浦光路A、泵浦光路B、信号处理与控制系统、磁场驱动器A和磁场驱动器B；表头A和表头B的敏感方向同向，磁场驱动器A和磁场驱动器B依次改变表头中偏置主磁场线圈的电流方向，使得表头标度因子极性反向，信号处理与控制系统内部的零偏观测器实现表头A和表头B的零偏误差计算和主磁场的闭环稳定。本发明能够实现陀螺在动态条件下连续输出，通过计算反转前后两个表头各自双同位素对应的拉莫尔频率差之差可以精确稳定主磁场，而不受碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场闭环控制精度的影响。

Description

一种零偏自校准原子陀螺仪

技术领域

本发明属于原子传感器技术领域，尤其涉及原子陀螺仪。

背景技术

基于原子自旋的原子陀螺仪可以达到当前激光陀螺仪的精度水平，满足战术级精度导航控制的需求，在小型化和低成本上具有很大优势。美国专利(US4157495)介绍了一种基于核磁共振的原子陀螺，利用自旋交换极化使惰性气体原子产生宏观磁矩，在横向施加一个频率等于拉莫尔频率的交变激励磁场维持核自旋进动，横向激励磁场的频率需通过反馈使之始终等于观测的拉莫尔进动频率，观测拉莫尔频率的改变就是载体旋转的角速率。国内专利(申请号201410850412.4、申请号201410785182.8、申请号201310503732.8)基本原理都与国外专利(US4157495)相同。上述专利为了实现高精度角速率测量，采用两种核素，用以消除主磁场漂移引起的角速率漂移，采样此方法可以达到小于0.1°/h的偏置稳定性。该方法建立在两种同位素原子核附近沿敏感方向磁场相等的前提下，实际上除了主磁场B0以外，还存在碱金属原子极化产生的磁场，以及核自旋大于1/2的同位素核的电偶极矩产生的等效磁场。以129Xe、131Xe为例，对应的拉莫尔频率为：

ω₁₂₉＝B₀γ₁₂₉+δ₁₂₉S+ω_r；

ω₁₃₁＝B₀γ₁₃₁+δ₁₃₁S+ω_r+Q；

其中γ₁₂₉、γ₁₃₁分别为两种核素的旋磁比，δ₁₂₉、δ₁₃₁分别为两种核素受到的碱金属极化磁场的系数，ω₁₂₉为载体系旋转角速率，Q为131Xe电四极矩对应的等效磁场。

两种核素的拉莫尔进动频率差为：ω₁₂₉-ω₁₃₁＝(γ₁₂₉-γ₁₃₁)B₀+(δ₁₂₉-δ₁₃₁)S-Q

上式中后两项如果随时间漂移，则通过锁定差频的方式稳定B₀，该漂移量将反映在B₀补偿量中，不能实现B₀的高精度锁定。另一方面，除了B₀漂移引起的零偏误差，其他因素(碱金属场、电四极矩、系统时钟频率等)引起的零偏误差无法消除。

现有陀螺仪为了实现高精度角速率测量，通过采用两种核素用以消除主磁场漂移引起的角速率漂移，达到较好的偏置稳定性，但是两种同位素原子核附近沿敏感方向磁场相等的前提下，实际上除了主磁场以外，还存在碱金属原子极化产生的磁场，以及核自旋大于1/2的同位素核的电偶极矩产生的等效磁场，如果随时间漂移，通过锁定差频的方式稳定磁场，漂移量将出现在补偿量中，不能实现磁场的高精度锁定；此外，由其他因素(碱金属场、电四极矩、系统时钟频率等)引起的零偏误差无法消除。综上所述，现有的技术手段下，陀螺仪的零偏稳定性有待提高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决现有核磁共振陀螺仪在使用双同位素原子核素锁定主磁场时受到碱金属场和电四极矩等效磁场漂移的影响而无法精确稳定主磁场，并且无法实现陀螺零偏误差自校准的问题而提供一种零偏自校准原子陀螺仪。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：本发明一种零偏自校准原子陀螺仪，包括：表头A、表头B、探测光路A、探测光路B、泵浦光路A、泵浦光路B、信号处理与控制系统、磁场驱动器A和磁场驱动器B；表头A和表头B内有双同位素原子气体，表头A和表头B的敏感方向同向，在信号处理与控制系统的控制下，磁场驱动器A和磁场驱动器B依次改变表头A和表头B的中偏置主磁场线圈的电流方向，使得所述表头A和表头B的标度因子极性反向，而表头A和表头B各自的零偏误差大小和方向保持不变，探测光路A与探测光路B输出信号送入信号处理与控制系统，信号处理与控制系统内部的零偏观测器实现表头A和表头B的零偏误差计算和主磁场的闭环稳定。

本发明的有益效果在于：采用同向布置的两个表头，两个表头的主磁场方向依次发生改变，利用主磁场反向前后两个表头的测量数据可以辨识出两个表头各自的零偏误差，实现陀螺在动态条件下连续输出。而且，在实现主磁场闭环稳定的过程中，通过计算反转前后两个表头各自双同位素对应的拉莫尔频率差之差可以精确稳定主磁场，而不受碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场闭环控制精度的影响。

附图说明

图1是本发明原理示意图；

图2是表头的结构示意图；

图3是双表头主磁场控制原理图；

图4是主磁场依次反向的状态图

图5是本发明控制原理图。

图中：1-表头A；2-探测光路B；3-表头B；4-泵浦光路B；5-信号处理与控制系统；6-磁场驱动器B；7-磁场驱动器A；8-泵浦光路A；9-探测光路A；101-磁屏蔽；102-X轴线圈；103-Z轴线圈；104-气室；105-Y轴线圈；106-无磁加热片；801-泵浦激光器；802-扩束准直镜；803-1/4波片；901-探测激光器；902-扩束准直镜；903-偏振镜；904-半波片；905-偏振分光镜；906-差分光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种零偏自校准原子陀螺仪，包括：

包括：表头A、表头B、探测光路A、探测光路B、泵浦光路A、泵浦光路B、信号处理与控制系统、磁场驱动器A和磁场驱动器B；表头A和表头B内有双同位素原子气体，表头A和表头B的敏感方向同向，在信号处理与控制系统的控制下，磁场驱动器A和磁场驱动器B依次改变表头A和表头B的中偏置主磁场线圈的电流方向，使得所述表头A和表头B的标度因子极性反向，而表头A和表头B各自的零偏误差大小和方向保持不变，探测光路A与探测光路B输出信号送入信号处理与控制系统，信号处理与控制系统内部的零偏观测器实现表头A和表头B的零偏误差计算和主磁场的闭环稳定。

表头A和表头B内部气体成分为碱金属原子蒸汽、用于自旋交换极化的双同位素原子气体、缓冲气体He和焠灭气体N2，两个表头敏感方向均沿Z向排布。

原子气室与磁场和磁屏蔽部，用于提供工作原子与均匀稳定的磁场环境；泵浦光路，用于制备原子态；探测光路，用于探测原子拉莫尔进动。所述原子气室与磁场和磁屏蔽部包括由内而外设置的原子气室、无磁加热片、线圈与磁屏蔽壳体。所述泵浦光路包括依次设置的泵浦激光器、扩束准直镜A与波片。所述探测光路包括依次设置的探测激光器、扩束准直镜B、偏振镜。所述原子气室内部存储有碱金属、淬灭气体与两种同位素原子气体。

本实施例零偏自校准陀螺仪包括两个结构组成相同的传感器，包括表头、泵浦光路与探测光路。表头包括由内而外依次设置的玻璃气室、无磁加热片、线圈与磁屏蔽壳体。线圈包括x轴线圈、y轴线圈与z轴线圈，分别用于提供沿X向的激励磁场、沿Z向的主磁场B₀和沿Y向的补偿磁场。玻璃气室内部充有碱金属、淬灭气体N2、缓冲气He与两种同位素原子气体。气室内表面镀有氢化铷膜。磁屏蔽材料采用多层结构，最内层采用高导磁率材料(μ金属)以提供高的磁屏蔽系数，外层采用低导磁材料以具有较高的抗磁饱和强度。

泵浦光由泵浦激光器产生，经扩束准直、1/4波片后形成圆偏振光，沿Z轴进入气室。泵浦光的频率与碱金属D1线略微失谐。探测光由探测激光器产生，经准直扩束、偏振镜沿横向穿过气室，之后经过1/2波片和偏振分光镜，再由差分光电探测器接收并转化为光电信号，光电信号进入信号与处理控制系统。泵浦光路实现将与碱金属D1线共振的激光转变为圆偏振光，经扩束准直后沿z轴进入气室。

碱金属为Cs或Rb。碱金属在无磁加热片的加热下形成饱和碱金属蒸汽，无磁加热片用于将气室温度加热并保持至100～140℃，有利于提高碱金属的极化率。在泵浦光的作用下，碱金属原子产生宏观自旋极化，通过自旋交换作用，宏观自旋极化传递给同位素原子核，同位素原子核自旋极化在z轴偏置主磁场的作用下绕主磁场进行拉莫尔进动，进动的方向与磁场方向和同位素的旋磁比正负性有关，当改变主磁场的方向时，进动方向也发生反向。

横向磁场有两个作用，一是实现横向残余磁场的补偿，二是通过横向x轴磁场的激励作用，实现同位素原子核磁矩的磁共振，横向激励磁场为正弦波，其频率在闭环磁共振控制器的作用下实时调整，使其频率始终等于载体系下的核磁矩的拉莫尔进动频率ω_L。

同位素原子核自旋进动向量在y轴方向的分量K_y可表示为：

其中，K_⊥为核自旋在xy面内的幅度。

碱金属同时起到在位磁强计的作用。碱金属电子自旋除了在偏置主磁场作用下产生拉莫尔进动，同时受到z轴方向高频载波和做拉莫尔进动的同位素原子核自旋的作用，碱金属电子自旋由下式表示：

其中J₀、J_-1为贝塞尔函数，S_z为碱金属电子自旋在z向的分量，γ_A为碱金属旋磁比，B_K为碱金属原子感受到的同位素原子核进动磁场的比例系数，K_y为同位素原子核自旋极化在y向的分量，α为对传感器信号进行相敏检波的相位滞后，B_C为z向正弦载波磁场的幅度，ω_c为载波磁场的频率，Γ为压力增宽常数。

探测光路由一束与碱金属D2线略微失调的线偏振光经扩束准直后沿x向进入气室。在碱金属电子自旋的作用下，探测光中的左旋和右旋偏振成分的折射率产生差别，导致探测光偏振面发生偏转，偏转角度表示为：

其中，l为探测光在气室内的光程，n为折射率系数，r_e为经典电子半径，c为真空光速，f_D1为强度因子常数，F-F’表示碱金属原子D1线跃迁中由基态能级F向激发态能级F’跃迁，A_F-F'为对应F-F’跃迁的强度系数，L为洛伦兹函数。

其中，υ为泵浦光频率，Γ为压力增宽常数，洛伦兹函数：

探测光偏转角度通过差分式光电探测器转化为电信号进入信号处理与控制系统，通过信号解调和滤波可以提取到两种同位素原子核自旋进动信号。在磁共振态时，两种同位素原子核自旋进动的拉莫尔频率为：

ω₁＝B₀γ₁+δ₁S+ω_r；

ω₂＝B₀γ₂+δ₂S+ω_r+Q；

式中：

其中，S为碱金属电子自旋在z轴方向的分量，κ₁、κ₂分别为两种核素超精细作用的磁场增强因子，视为常数，g_s＝2，μ_B为波尔磁子，[A]为碱金属原子数密度，Q为电四极矩产生的拉莫尔进动频率分量。

两种同位素的拉莫尔进动频率差为：

Δω＝ω₁-ω₂＝(γ₁-γ₂)B₀+(δ₁-δ₂)S-Q；

为了实现陀螺主磁场的稳定，通过将z轴线圈中电流反向实现主磁场B₀的方向反向，此时，除了由主磁场产生的拉莫尔频率分量反向外，碱金属场和电四极矩引起的拉莫尔频率分量可视为不变，两种同位素原子核自旋进动的拉莫尔频率为：

ω₁ ^-＝-B₀γ₁+δ₁S-ω_r；

ω₂ ^-＝-B₀γ₂+δ₂S-ω_r-Q；

此时，两种同位素的拉莫尔进动频率差为：

Δω^-＝ω₁ ^--ω₂ ^-＝-(γ₁-γ₂)B₀+(δ₁-δ₂)S-Q；

Δω-Δω^-＝2(γ₁-γ₂)B₀；

因此，消除碱金属磁场和电四极矩引起的频率漂移，通过闭环控制Δω-Δω^-稳定，就能实现B₀的稳定。

此外，主磁场B₀反向后，ω_r极性反向，碱金属场引起的漂移保持不变。若将两个表头的主磁场方向依次先后反转，反转的状态机如图3所示，则每个校准时间段Ti内表头A、B的测量输出ω_m可表示为：

ω_mA(1)＝ω_r(1)+biasA；

ω_mA(2)＝-ω_r(2)+biasA；

ω_mB(1)＝ω_r(1)+biasB；

ω_mB(2)＝ω_r(2)+biasB；

求解得：

可见，通过两个表头依次改变B₀的方向，通过联立方程可以求解各自的零偏和对应的角速率，且可以在动态情况下消除零偏，实现陀螺的连续输出。

为了充分利用反向前一校准时间段内的数据，表头A、B的测量输出ω_m可表示为：

其中，每个校准时间段Ti＝T＝mτ₀，p代表当前时刻在第p个校准时间段内，1≤k≤m，ω_r[p*m+k]为当前时刻的角速率观测值。向量和矩阵依次用字母表示，则上式表示为：

Ω_m＝H*v

H为列满秩。

则上述方程组存在唯一的最小二乘解：

主磁场的稳定控制附图3。一个表头的信号由对应的光电探测器进入信号处理与控制系统，进行解调获得双核素核自旋在y向分量K_y，再由K_y提取双核素的拉莫尔进动频率ω₁、ω₂，根据B₀当前的方向计算双核素正向和反向拉莫尔频率差Δω、Δω^-，计算Δω-Δω^-，与参考值Δω'-Δω^-'比较，通过闭环控制器计算主磁场的补偿量，从而实现主磁场的稳定，同时避免了碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场稳定性的影响。

陀螺表头的零偏自校准如附图4所示，由自校准控制器控制自校准的B₀的正反向周期序列。一个周期序列包括T1、T2、T3、T4四个自校准时间段，每个时间段相等，根据零偏的变化快慢和运算速度，合理设置时间段的长度。在每个时间段内由系统时钟控制角速率原始信号ω_mA、ω_mB的采集，采集的信号存储在计算机缓存中。零偏观测器根据当前自校准时间段和前一个自校准时间段的数据，辨识出消除零偏的角速率输出ω_r-out、零偏biasA和biasB。在相邻的两个时间段之间存在B₀反向的建立期，此间的数据不参与辨识，利用未反向的表头数据减去上一校准时间段的零偏估计值得到ω_r-out。

本发明采用同向布置的两个表头，两个表头的主磁场方向依次发生改变，利用主磁场反向前后两个表头的测量数据可以辨识出两个表头各自的零偏误差，实现陀螺在动态条件下连续输出。而且，在实现主磁场闭环稳定的过程中，通过计算反转前后两个表头各自双同位素对应的拉莫尔频率差之差可以精确稳定主磁场，而不受碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场闭环控制精度的影响。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种零偏自校准原子陀螺仪，其特征在于，包括：表头A、表头B、探测光路A、探测光路B、泵浦光路A、泵浦光路B、信号处理与控制系统、磁场驱动器A和磁场驱动器B；表头A和表头B内有双同位素原子气体，表头A和表头B的敏感方向同向，在信号处理与控制系统的控制下，磁场驱动器A和磁场驱动器B依次改变表头A和表头B的中偏置主磁场线圈的电流方向，使得所述表头A和表头B的标度因子极性反向，而表头A和表头B各自的零偏误差大小和方向保持不变，探测光路A与探测光路B输出信号送入信号处理与控制系统，信号处理与控制系统内部的零偏观测器实现表头A和表头B的零偏误差计算和主磁场的闭环稳定；

所述表头A和表头B内部气体成分为碱金属原子蒸汽，用于自旋交换极化的双同位素原子气体、缓冲气体He和焠灭气体N2，两个表头敏感方向均沿Z向排布；

所述信号处理与控制系统控制主磁场闭环稳定的步骤包括：计算双同位素频率差与偏置主磁场反向前后双同位素对应的拉莫尔频率差之差值；将差值和双同位素频率差之差比较；由闭环控制器稳定主磁场。

2.根据权利要求1所述一种零偏自校准原子陀螺仪，其特征在于，所述表头A和表头B内部极化的同位素核自旋在各自偏置主磁场下做拉莫尔进动，拉莫尔进动的方向与偏置主磁场的方向相同。

3.根据权利要求1所述一种零偏自校准原子陀螺仪，其特征在于，所述信号处理与控制系统控制磁场驱动器A和磁场驱动器B依次先后改变各自的偏置主磁场励磁电流方向，用于保证陀螺仪的连续、动态运行。