CN110411434B - 一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法 - Google Patents

一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，将充有碱金属原子和惰性气体的气室进行加热及抽运达到工作状态；使用圆偏振抽运激光极化原子，线偏振激光检测气室内原子产生的法拉第旋转信号；设定抽运方向为z方向，与其正交的检测方向为x方向，与检测方向水平垂直的方向为y方向；使用锯齿波扫描x、y方向磁场，得到x方向和y方向剩磁所需的补偿值，使x、y方向磁场归零；再使用锯齿波扫描x或y方向磁场，调节z方向磁场大小，使产生的法拉第旋转信号不再随扫描信号变化，得到z方向剩磁所需的补偿值，实现z方向磁场归零。该方法能够实现三维磁场原位快速的磁补偿，尤其是当补偿点偏离较大时，可以迅速找到三个方向的磁补偿点。

Description

一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法
技术领域
本发明涉及一种原位磁补偿方法，特别是一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，可以快速将环境磁场主动补偿到弱磁状态，为高精度陀螺仪的使用提供必要条件。
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。随着量子科学与技术的发展，基于原子无自旋交换碰撞弛豫的原子陀螺仪被提出并得到实验验证，它被认为是下一代高精度陀螺仪的发展方向之一。低磁场环境是实现原子无自旋交换弛豫态的必要条件，仅靠被动磁屏蔽难以满足超高灵敏惯性的需求，因此利用原子自旋进动信号进行主动磁补偿能够进一步降低剩磁，提升整体的磁场屏蔽性能。目前多采用交叉调制磁补偿方法，但需要多次交替进行交叉调制才能找到磁补偿点，增加了操作的复杂性，且当偏离补偿点较远时，很难迅速找到磁补偿点，不利于陀螺仪的使用。
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，提出一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，采用顺序扫描磁场的方法，利用原子对磁场信号的响应曲线可以迅速找到三个方向的磁补偿点，使碱金属处于无自旋交换弛豫状态，为高精度原子陀螺仪的使用提供必要条件。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于：将充有碱金属原子和惰性气体的气室进行加热及抽运达到工作状态，使用圆偏振抽运激光极化原子，线偏振激光检测气室内原子产生的法拉第旋转信号；设定抽运方向为z方向，检测方向为x方向，与检测方向水平垂直的方向为y方向；首先使用锯齿波扫描x、y方向磁场，由产生的法拉第旋转信号响应曲线斜率最大值点对应的磁场值，得到x方向和y方向剩磁所需的补偿值，使x、y方向磁场归零；再使用锯齿波扫描x或y方向磁场，调节z方向磁场大小，使产生的法拉第旋转信号不再随扫描信号变化，得到z方向剩磁所需的补偿值，实现z方向磁场归零。
其实现步骤如下：
(1)使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线，曲线斜率最大值点对应的磁补偿线圈产生的磁场即为x方向剩磁所需的补偿值，从而实现了x方向磁场的补偿。
(2)使用锯齿波扫描y方向磁场，得到信号响应曲线，曲线斜率最大值点对应的磁补偿线圈产生的磁场即为y方向剩磁所需的补偿值，从而实现了y方向磁场的补偿。
(3)使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线，调节z方向磁场大小，使信号不再随扫描信号变化，对应的磁补偿线圈产生的磁场即为z方向剩磁所需的补偿值，从而实现了z方向磁场的补偿。
其中，也可以采用先扫描y方向磁场，再扫描x方向磁场，最后扫描y方向磁场的顺序对三维磁场进行归零。
其中，对于x或y方向的磁场归零，使用锯齿波扫描x或y方向磁场时，也可以通过调节x或y方向的磁场，使得信号在一个扫描周期内出现完整的洛伦兹色散曲线线型，则信号中点对应的磁场值即为x或y方向磁场补偿点。
其中，检测光也可以沿y轴方向通过气室，检测气室内原子产生的法拉第旋转信号。
其中，所述陀螺仪也可以使用两束检测光同时沿x和y两个方向通过气室，则对于x或y方向磁场归零，可以通过扫描x或y方向磁场对两个方向磁场同时补偿。
本发明的原理是：电子自旋在x方向的投影对x和y方向的磁场Bx、By相关项分别为：
Figure BDA0002145075270000021
Figure BDA0002145075270000022
其中，γe为电子的旋磁比，L为光频移，B为环境磁场，
Figure BDA0002145075270000026
为电子极化率在z方向的投影,
Figure BDA0002145075270000023
为电子的总弛豫率。
由上式可得电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000027
是关于Bx的洛伦兹色散曲线，曲线的中点即斜率最大值点为Bx为零的点，可以将x方向磁场补偿为零。
由上式可得电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000024
是关于By的洛伦兹色散曲线，曲线的中点即斜率最大值点为By为零的点，可以将y方向磁场补偿为零。
由上式可得电电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000025
是关于Bx的洛伦兹色散曲线。当δBz逐渐减小时，信号幅值逐渐减小直至为零，可以将z方向磁场补偿为零。
本发明与现有技术相比的优点在于：一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，通过顺序扫描磁补偿的方法，实现三维磁场原位快速的磁补偿，尤其是当补偿点偏离较大时，可以迅速找到三个方向的磁补偿点，为原子陀螺仪提供弱磁环境，为高精度原子陀螺仪的使用提供必要条件。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2a为x方向锯齿波扫描曲线和响应曲线示意图。
图2b为y方向锯齿波扫描曲线和响应曲线示意图。
图2c为x方向锯齿波扫描曲线和z方向磁场变化曲线及响应曲线示意图。
图3为实施本发明方法的实验系统示意图。
附图标记含义为：1为抽运激光器，2为抽运激光稳功率模块，3为抽运激光起偏器，4为四分之一波片，5为信号发生器，6为检测激光器，7为检测激光稳功率模块，8为检测激光起偏器，9为磁屏蔽系统，10为三维磁场控制线圈，11为无磁电加热系统，12为气室，13为检测系统。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程图。
本发明的具体实施步骤如下：
(1)如图3实验系统示意图所示，将气室12通过无磁电加热系统11加热到工作温度，使用磁屏蔽系统9屏蔽地磁信号，抽运激光器1通过抽运激光稳功率模块2和起偏器3后，经过四分之一波片4变为圆偏振光，圆偏振抽运激光沿z轴极化原子。检测激光器6经过检测激光稳功率模块7和起偏器8后，沿x轴方向通过气室，通过检测系统13检测气室内原子产生的法拉第旋转信号。信号发生器5与三维磁场控制线圈10连接，用于产生三个方向的磁场控制信号。
(2)通过信号发生器5扫描三维磁场控制线圈10中x方向磁场，使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线为：
Figure BDA0002145075270000031
由上式可知，电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000032
是关于Bx的洛伦兹色散曲线，如图2a所示，曲线的中点(A点)即斜率最大值点为Bx为零的点，可以将x方向磁场归零。因此，记录曲线斜率最大值点对应的x方向的控制线圈的电压值，对应的磁场值为：
Bx＝kxVx
其中kx为x方向的线圈常数。此时对应的磁场值即为x方向剩磁所需的补偿值，可以实现x方向剩磁的补偿。
(3)通过信号发生器5扫描三维磁场控制线圈10中y方向磁场，使用锯齿波扫描y方向磁场，得到信号响应曲线为：
Figure BDA0002145075270000041
由上式可知，电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000042
是关于By的洛伦兹色散曲线，如图2b所示，曲线的中点(B点)即斜率最大值点为By为零的点，可以将y方向磁场归零。因此，记录曲线斜率最大值点对应的y方向的控制线圈的电压值，对应的磁场值为：
By＝kyVy
其中ky为y方向的线圈常数。此时对应的磁场值即为y方向剩磁所需的补偿值，可以实现y方向剩磁的补偿。
(4)通过信号发生器5扫描三维磁场控制线圈10中x方向磁场，使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线为：
Figure BDA0002145075270000043
由上式可知，电子自旋在x方向的投影
Figure BDA0002145075270000044
是关于Bx的洛伦兹色散曲线，调节z方向磁场大小，使信号不再随扫描磁场而变化，信号变化过程如图2c所示，记录此时z方向控制线圈的电压值，对应的磁场值为：
Bz＝kzVz
其中kz为z方向的线圈常数。此时对应的磁场值即为z方向剩磁所需的补偿值，可以实现z方向剩磁的补偿。
在步骤(1)中，检测光也可以沿y轴方向通过气室，检测气室内原子产生的法拉第旋转信号。
在步骤(1)中，由于x、y双轴信号在空间分布上具有完全对称性，因此所述陀螺仪也可以使用两束检测光同时沿x和y两个方向通过气室，则步骤(2)和(3)中，对于x或y方向磁场归零，可以通过扫描x或y方向磁场对两个方向磁场同时补偿。
在步骤(2)和(3)中，对于x或y方向的磁场归零，使用锯齿波扫描x或y方向磁场时，也可以通过调节x或y方向的磁场，使得信号在一个扫描周期内出现完整的洛伦兹色散曲线线型，则信号中点对应的磁场值即为x或y方向磁场补偿点。
在步骤(2)、(3)、(4)中，采用交叉扫描磁补偿方法，也可以采用先扫描y方向磁场，再扫描x方向磁场，最后扫描y方向磁场的顺序对三维磁场进行归零。
本发明说明书中未做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 (6)

1.一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于，将充有碱金属原子和惰性气体的气室进行加热及抽运达到工作状态，使用圆偏振抽运激光极化原子，线偏振激光检测气室内原子产生的法拉第旋转信号；设定抽运方向为z方向，检测方向为x方向，与检测方向水平垂直的方向为y方向；使用锯齿波扫描x、y方向磁场，由产生的法拉第旋转信号响应曲线斜率最大值点对应的磁场值，得到x方向和y方向剩磁所需的补偿值，使x、y方向磁场归零；再使用锯齿波扫描x或y方向磁场，调节z方向磁场大小，使产生的法拉第旋转信号不再随扫描信号变化，得到z方向剩磁所需的补偿值，实现z方向磁场归零。
2.根据权利要求1所述的一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线，曲线斜率最大值点对应的磁补偿线圈产生的磁场即为x方向剩磁所需的补偿值，从而实现了x方向磁场的补偿；
(2)使用锯齿波扫描y方向磁场，得到信号响应曲线，曲线斜率最大值点对应的磁补偿线圈产生的磁场即为y方向剩磁所需的补偿值，从而实现了y方向磁场的补偿；
(3)使用锯齿波扫描x方向磁场，得到信号响应曲线，调节z方向磁场大小，使信号不再随扫描信号变化，对应的磁补偿线圈产生的磁场即为z方向剩磁所需的补偿值，从而实现了z方向磁场的补偿。
3.根据权利要求2所述的一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于：或者采用先扫描y方向磁场，再扫描x方向磁场，最后扫描y方向磁场的顺序对三维磁场进行归零。
4.根据权利要求2或3所述的一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于：当信号响应曲线在一个扫描周期内出现完整的洛伦兹色散曲线线型，则信号中点对应的磁场值即为x或y方向磁场补偿点。
5.根据权利要求4所述的一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于：检测光或者沿y轴方向通过气室，检测气室内原子产生的法拉第旋转信号。
6.根据权利要求4所述的一种原子陀螺仪三维原位快速磁补偿方法，其特征在于：所述陀螺仪或者使用两束检测光同时沿x和y两个方向通过气室实现双轴检测，此时使用锯齿波扫描x或y方向磁场，同时得到x方向和y方向剩磁所需的补偿值，使x和y方向磁场同时归零。
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