CN110514193B - 核磁共振陀螺及探测方法 - Google Patents

核磁共振陀螺及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种核磁共振陀螺及核磁共振陀螺探测方法，该核磁共振陀螺探测方法通过监测抽运光光强的变化，监控并调节原子气室的温度，通过监测共振光强变化，实现对陀螺核磁共振点的监测，通过对探测光的直流部分变化的监测实现对陀螺信号的探测。本发明的核磁共振陀螺克服现有核磁共振陀螺方案中应用热敏传感器件导致系统难以小心化以及核磁共振陀螺工作点确定时存在误差的问题。

Description

核磁共振陀螺及探测方法
技术领域
本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种原子核磁共振陀螺(Nuclear MagneticResonance gyroscope，or NMRG)及探测方法。
背景技术
核磁共振陀螺概念起源于20世纪60年代，由于其小型化、高精度的优势近年来愈受学界的重视。一般的核磁共振陀螺主要包含磁场系统、光源系统、加热系统以及气室系统以及信号检测系统。其中气室系统是陀螺系统的核心部件。
原子气室系统内包含，碱金属原子、惰性气体、缓冲气体原子蒸汽以及若干淬灭气体。主要工作流程是通过光抽运极化碱金属原子，在经过自旋碰撞交换作用，将碱金属原子的极化状态传递给惰性气体原子，通过惰性气体原子的拉莫尔进动频移得到载体转动信息。在这其中淬灭气体用于提升碱金属原子极化率，而缓冲气体则用降低碱金属原子以及惰性气体原子碰壁退极化的概率，进而提升陀螺信号。
核磁共振陀螺的基本原理为：
惰性气体原子核具有磁矩，将其置于静磁场B0中，原子核磁矩会绕着磁场进行拉莫尔进动：
ωL＝γB0 (1)
其中为原子磁旋比，为拉莫尔进动频率。当载体绕静磁场B0转动时，实际观测到的进动频率为：
ω'L＝γB0-ωR (2)
拉莫尔进动频率是原子核固有的特征，当原子种类以及静磁场确定时为稳定不变的物理量，通过测量载体转动时，实测的拉莫尔进动频率的改变即可得到系统的转动角速度，如公式(2)所示。
一般的使气室内惰性气体原子出现宏观磁化适量，通常采用自旋交换碰撞的形式，即首先利用碱金属原子D1线(铷：795nm，铯：895nm)照射原子气室，使碱金属原子抽运进化，而后通过自旋交换碰撞将碱金属的极化传递给惰性气体(129Xe，131Xe等)，使得系统出现惰性气体宏观磁矩，核磁共振陀螺就是通过惰性气体在载体中的拉莫尔进动频率的改变获得载体转动信息。
在室温下，碱金属原子为固态，需首先利用加热系统将碱金属原子变为气态，碱金属蒸汽原子数密度与系统工作温度直接相关，因此需要对工作温度进行控制，常用的方法是利用热敏电阻温度敏感器件对气室温度进行测量，将测量信号反馈至加热系统实现工作温度点稳定，该方法需要将温度敏感器件直接贴在气室表面，或者贴在与气室直接接触的导热装置上。这些方案会限制气室通光面的大小，限制气室乃至陀螺体积的进一步降低。
当气室温度稳定到预设的工作温度时，调整交流振荡磁场频率以及静态磁场幅值，在垂直于静磁场以及交流振荡磁场方向施加碱金属D2线作为检测光，检测光通过原子气室以及随后的一系列光学器件，光强信号上出现与所施加交流振荡磁场同频的交流光强变化。当交流幅值最大时，惰性气体达到核磁共振状态。当载体开始转动，交流幅值变小，通过调整振荡磁场频率使得惰性气体回归最大值，振荡磁场频率的改变量则为载体转速。在寻求交流振幅最大值的过程中，交流信号的幅值变化与光强信号固有的交流调制混合，限制了对振幅最大值的确定，降低惰性气体核磁共振状态的准确度，限制陀螺精度提升。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有核磁共振陀螺方案中应用热敏传感器件导致系统难以小心化以及核磁共振陀螺工作点确定时存在误差的问题，提出一种新型核磁共振陀螺方案，该方案体积小，以直流形式确定陀螺核磁共振工作点，工作点更加准确。
本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现：核磁共振陀螺，其包括探测光路、共振光路、抽运光路、磁屏蔽系统20、原子气室22、无磁加热系统23、磁场系统、四个探测器，其中，所述无磁加热系统19设置在原子气室18表面，二者设置磁场系统内，并整体由磁屏蔽系统17所包覆，所述探测光路从磁屏蔽系统17外穿过磁场系统和原子气室22并由两个组成差分探测系统的两个探测器所接收，所述共振光路、抽运光路同轴并与探测光路正交垂直穿过磁屏蔽系统17、磁场系统和原子气室22并分别由各自探测器所接收。
所述抽运光路包括抽运光源2、准直透镜4、透反镜7、分束镜15、滤光片16以及探测器，所述抽运光源2发出的抽运光为圆偏振光。
所述共振光路和探测光路由同一光源经过分束镜5分束获得或为两个不同光源所提供的独立光束。
所述共振光路包括沿光路顺次设置的光源1、准直透镜3、分束镜5、反射镜6、透反镜7、分束镜15、滤光片18以及探测器，其中，透反镜7和探测器分别位于磁屏蔽系统20两侧。
所述探测光路包括沿光路顺次设置的光源1、准直透镜3、分束镜5、反射镜21及差分探测系统，所述反射镜21和探测器分别位于磁屏蔽系统20两侧。
所述滤光片16滤除共振光，并通过抽运光；滤光片18滤除抽运光，并通过共振光。
一种核磁共振陀螺探测方法，其通过监测抽运光光强的变化，监控并调节原子气室的温度，通过监测共振光强变化，实现对陀螺核磁共振点的监测，通过对探测光的交流部分副值变化的监测实现对陀螺信号的探测。
所述共振光强为直流变化，当探测器19检测到的共振光强最小时，陀螺达到核磁共振工作点。
当抽运光光强过大或过小，控制加热系统的输入电流，对原子气室温度进行调节。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比有如下有益效果：
1)本发明利用抽运光光强变化作为陀螺工作温度控制的标准，与传统温度敏感器件方案相比，除省去了温度敏感器件对陀螺小型化的限制，测量结果更加直接；
2)本发明采用在抽运光方向注入一束线偏振探测光以及确定惰性气体核磁共振现象的工作点，消除了传统方案交流部分的影响，工作点确定更加准确；
3)本发明提出在探测器前端放置滤波片用于滤除抽运光与探测光之间的影响；滤波片倾斜放置避免散射光重新进入气室限制陀螺精度提升。
附图说明
图1为核磁共振陀螺整体方案；
图2为原子室内碱金属数密度与气室温度之间的关系；
图3为核磁共振区域惰性气体各方向宏观磁矩变化；
图中的部件用数字表示：1-探测光源、2-抽运光源、3-第一准直透镜、4-第二准直透镜、5-第一分束镜、6-第一反射镜、7-透反镜、8-静磁磁场线圈组、9-振荡磁场线圈组、10-偏振分光棱镜、11、第一滤光片、12-第二滤光片、13-第一探测器、14-第二探测器、15-分束棱镜、16-第三滤光片、17-第三探测器、18-第四滤光片、19-第四探测器、20-磁屏蔽系统、21-第二反射镜、22-原子气室、23-无磁加热系统。
具体实施方式
结合附图，详细描述技术方案：
如图1所示的核磁共振陀螺方案框图，所涉核磁共振陀螺方案包括探测光路部分、泵浦光路部分，光电探测部分，原子气室系统，磁场系统，无磁加热系统以及磁屏蔽系统。
本发明核磁共振陀螺方案包括探测光源1、抽运光源2、磁屏蔽系统20、原子气室22、无磁加热系统23、磁场系统8，9、以及探测系统13，14，17，19。
将原子气室22、无磁加热系统23，磁场系统8，9置于磁屏蔽系统中，其中原子气室22置于无磁加热系统23之间，静磁场线圈组8、振荡线圈组9正交对称置于加热系统外侧，探测系统13，14，17，19分别用来检测抽运光信号以及探测光信号，将其置于外围是抑制其工作时产生的磁场对陀螺信号的干扰。
所涉抽运光源2产生的圆偏振抽运光(碱金属D1线)经第二准直透镜4之后经透反镜7之后穿过屏蔽系统孔洞照射到气室22上，实现气室内碱金属原子的抽运极化。抽运光依次穿过气室22、无磁加热系统23、磁屏蔽系统20之后，经过分束棱镜15，第三滤光片16之后被第三探测器17接收。根据朗伯-比尔吸收定律，气室输出光强与输入光强之间的关系为：
Iout＝Iine-N(T)σ(ν)L (3)
式中N(T)为原子气室内碱金属原子蒸汽的密度，为碱金属原子的吸收截面，当气室充气参数固定以及抽运光波长固定时，为稳定值，L为气室边长。公式(3)显示，输出光强与气室内碱金属原子数密度相关，而碱金属原子数密度又与气室工作温度直接相关，具体关系如图2所示。因此可通过检测即第三探测器17信号实现对原子气室工作温度的控制；第三滤光片16斜置用于避免散射光重新进入气室干扰抽运效果。
所涉探测光源2产生的线偏振检测光(碱金属D2线)经第一准直透镜3之后被第一分束镜5分为两部分，一部分经第一反射镜6以及透反镜7之后与抽运光重合，依次经过磁屏蔽罩20、无磁加热系统23、原子气室之后为分束棱镜15反射经过第四滤波片18被第四探测器19检测。如图3所示，在核磁共振效应产生不仅垂直于静磁场8方向会出现惰性气体宏观进动磁矩，在静磁场8方向也会出现惰性气体宏观磁矩的改变。与横向磁矩变化相比，静磁场8方向宏观磁矩的变化无交变干扰项，陀螺核磁共振工作点的选取更加准确。
探测光被第一分束镜5分束的另一部分经第二反射镜21反射进入气室，该光束与先前进入气室的两束光相互垂直相交，且交点位于原子气室22的中心，该部分光束穿过气室以及磁屏蔽系统之后被偏振分光棱镜10分成等值的两份，分别经过第一滤光片11，第二滤光片12之后被第一探测器13、第二探测器14接收，而后利用差分电路对检测进行处理。第一滤光片11，第二滤光片12倾斜放置避免散射光重新进入气室限制陀螺精度提升。
所涉滤光片11，12，16，18用于消除抽运光与探测光之间的串扰。第一滤光片11，第二滤光片12用于滤除碱金属D1线保证探测信号的纯净，第三滤光片16用于滤除碱金属D2线实现对气室工作温度的检测，第四滤光片18用于滤除碱金属D1线实现惰性气体核磁共振工作点的确定。所涉滤光片均倾斜放置避免散射光重新进入气室限制陀螺精度提升。
本发明种核磁共振陀螺探测方法，其通过监测抽运光光强的变化，监控并调节原子气室的温度，通过监测共振光强变化，实现对陀螺核磁共振点的监测，通过对探测光的交流部分幅值变化的监测实现对陀螺信号的探测。
过程如下：
按照图1)所示装配陀螺，点燃探测光源1，抽运光源2，其中探测光源工作于碱金属D2线，而抽运光源工作于碱金属D1线。对无磁加热系统23施加电流，气室22温度升高，如图2)所示，气室内碱金属原子数密度相应增加，由探测器17所检测到的抽运光光强则逐渐降低，当抽运光光强降低至原先设定的I0时，温度控制闭环系统开始工作，通过调整施加于无磁加热系统实现抽运光光强稳定至I0上，即实现将陀螺工作温度稳定至特定的T0上，保证陀螺工作温度点稳定。
待陀螺工作温度点稳定之后，开启静磁场8以及横向振荡磁场9，调整振荡磁场频率，探测器19则出现与图3)中静态磁场方向磁矩变化相对应的光强变化，当输出光强最小时，陀螺实现核磁共振，及陀螺抵达磁场工作点。
当陀螺实现工作温度点，磁场点稳定后，当载体发生转动时，所测量得到的惰性气体拉莫尔进动频率则会改变，通过测量拉莫尔进动频率的改变即可敏感陀螺转速信息。
该方法用抽运光光强变化代替热敏电阻实现陀螺工作温度点稳定消除了热敏电阻摆放对气室大小的限制，易于实现小型化；在静态磁场方向施加探测光以实现陀螺核磁共振工作点稳定，消除探测信号交变对核磁共振陀螺点寻找所引起的干扰。方法易于实现，有很高的应用前景。

Claims (8)

1.核磁共振陀螺，其特征在于，包括探测光路、共振光路、抽运光路、磁屏蔽系统(20)、原子气室(22)、无磁加热系统(23)、磁场系统、四个探测器，其中，所述无磁加热系统(23)设置在原子气室(22)表面，二者设置磁场系统内，并整体由磁屏蔽系统(20)所包覆，所述探测光路从磁屏蔽系统(20)外穿过磁场系统和原子气室(22)并由两个组成差分探测系统的两个探测器所接收，所述共振光路、抽运光路同轴并与探测光路正交垂直穿过磁屏蔽系统(20)、磁场系统和原子气室(22)并分别由各自探测器所接收；所述抽运光路包括抽运光源(2)、准直透镜(4)、透反镜(7)、分束镜(15)、滤光片(16)以及探测器，所述抽运光源(2)发出的抽运光为圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺，其特征在于，所述共振光路和探测光路由同一光源经过分束镜(5)分束获得或为两个不同光源所提供的独立光束。
3.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺，其特征在于，所述共振光路包括沿光路顺次设置的光源(1)、准直透镜(3)、分束镜(5)、反射镜(6)、透反镜(7)、分束镜(15)、滤光片(18)以及探测器，其中，透反镜(7)和探测器分别位于磁屏蔽系统(20)两侧。
4.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺，其特征在于，所述探测光路包括沿光路顺次设置的光源(1)、准直透镜(3)、分束镜(5)、反射镜(21)及差分探测系统，所述反射镜(21)和探测器分别位于磁屏蔽系统(20)两侧。
5.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺，其特征在于，滤光片(16)滤除共振光，并通过抽运光；滤光片(18)滤除抽运光，并通过共振光。
6.一种核磁共振陀螺探测方法，其特征在于，用于权利要求1至5任一所述的核磁共振陀螺，所述方法通过监测抽运光光强的变化，监控并调节原子气室的温度，通过监测共振光强变化，实现对陀螺核磁共振点的监测，通过对探测光的交流部分副值变化的监测实现对陀螺信号的探测。
7.根据权利要求6所述的核磁共振陀螺探测方法，其特征在于，所述共振光强为直流变化，当探测器(19)检测到的共振光强最小时，陀螺达到核磁共振工作点。
8.根据权利要求6所述的核磁共振陀螺探测方法，其特征在于，当抽运光光强过大或过小，控制加热系统的输入电流，对原子气室温度进行调节。
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