CN111707251B - 一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置 - Google Patents

一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，包括原子蒸气室，还包括无磁电加热片阵列，无磁电加热片阵列包括内环加热片阵列和外环加热片阵列，内环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，外环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，内环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室的泵浦光出光侧外表面的泵浦光斑处；外环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室泵浦光入光侧外表面的边缘。本发明利用温度信息到光电信息的转化，以及集成多路分别加热控温方式，减小甚至消除原子蒸气室内温度梯度，更高效、更精确地评估并调节原子蒸气室内的温度分布，使得进一步提升磁共振原子陀螺装置的检测灵敏度。

Description

一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置
技术领域
本发明技术涉及超灵敏传感器技术领域，更具体涉及一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，消除了现有气体加热方法中加热带来的气流扰动、温度控制不精确、装置复杂等缺点，解决了现有电加热方法中温度梯度影响原子陀螺工作参数等问题，优化、调节了温度梯度、改善了结构、提升了性能。
背景技术
随着惯性导航技术的发展，陀螺装置也在不断进步，从最早期基于角动量守恒的机械陀螺到基于赛格尼克理论的光纤陀螺，再到现在广泛应用的小体积、高精度微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)陀螺。机械陀螺受限于装置本身的阻尼等系统误差；光纤陀螺虽精度较高但其受限于光纤环路的大小，精度会随着环路的减小而下降，无法同时满足小型化和高精度的需求；高精度MEMS陀螺由于内部存在机械部件，在物体做剧烈运动时容易到碰撞而损坏。近年来，一种新型的原子磁共振陀螺装置，由于其无机械部件，精度与尺寸无关，更高的理论灵敏度，小型化优势等，从而得到了广泛的关注和发展。
磁共振原子陀螺装置是一种超灵敏的陀螺仪，与现有的惯性陀螺装置相比，在理论上，它具有更高的精度、更优的性能[T.W.Kornacket al.,Nuclear Spin GyroscopeBased on an Atomic Comagnetometer,Phys.Rev.Lett.,95(23),2005,230801.]。因此，国际上相关领域的科学家对磁共振原子陀螺装置的研究一直注入着极大的热情。原子蒸气室加热过程中，温度的稳定性及产生的温度梯度都会对磁共振原子陀螺的工作性能产生一定的影响，所以，优化加热系统是实现磁共振原子陀螺装置的必要条件。早前，国内外的研究者采用气流加热系统，其具有无磁加热的特点，后由于温度无法精确控制和气流产生扰动等因素的影响，改用电加热。电加热的方法虽然能达到温度的精确控制，但是目前还没有一种加热系统设计能够精准标定原子蒸气室内温度分布并消除温度梯度影响的技术或者方法。本发明装置利用激光通过原子蒸气的光强变化标定二维温度分布并同步反馈自动调节温度梯度的方法，从而实现一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，克服现有的电加热系统中温度不均匀性对磁共振原子陀螺装置性能的影响，具有体积小、温度易控制、加热效率高的特点。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，包括原子蒸气室，还包括无磁电加热片阵列，无磁电加热片阵列包括内环加热片阵列和外环加热片阵列，内环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，外环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，内环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室的泵浦光出光侧外表面的泵浦光斑处；外环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室泵浦光入光侧外表面的边缘。
一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，还包括泵浦光激光器，泵浦光激光器产生泵浦光通过整形棱镜再依次经过第一光隔离器、λ/2玻片入射第一偏振分光棱镜，经第一偏振分光棱镜分束获得的泵浦线偏反射光进入激光锁频模块，激光锁频模块与泵浦光激光器连接；经第一偏振分光棱镜分束获得的泵浦线偏透射光再依次经过第一扩束系统、第一起偏器入射第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜分束获得的泵浦线偏反射光进入第一CCD阵列探测器；经第二偏振分光棱镜分束获得的泵浦线偏透射光再经过第一反射镜和λ/4玻片后变为泵浦圆偏光，泵浦圆偏光透过原子蒸气室后未被吸收的部分由第二CCD阵列探测器接收。
一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，还包括探测光激光器，探测光激光器产生的探测光入射通过第二光隔离器后再经由第一光阑进入声光调制器进行方波调制，方波调制后的探测光再经过第二光阑过滤，仅让一级衍射光出射，一级衍射光经过第二扩束系统扩束后进入第二起偏器变为探测线偏光穿过原子蒸气室，泵浦圆偏光与探测线偏光在原子蒸气室内正交，穿过原子蒸气室后的探测光再依次经过检偏器和沃拉斯顿棱镜后分为两束进入差分光电探测器，经过差分光电探测器探测获得的差分信号经过锁相放大器进行信号解调，得到待测信号。
一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，还包括温控模块，
温控模块用于接收第一CCD阵列探测器获得的第一采样数据，还用于接收第二CCD阵列探测器的第二采样数据，还用于根据第一采样数据和第二采样数据计算获得二维热图像，
温控模块还用于计算二维热图像中的各个待测区域对应的温度，各个待测区域对应内环加热片阵列的各个框状的无磁的加热片所围的区域，
温控模块还用于求取各个待测区域对应的温度均匀度，根据温度均匀度调节内环加热片阵列的各个加热片，使得各个待测区域对应的温度均匀度满足设定要求。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明通过第一CCD阵列探测器和第二CCD阵列探测器的高空间分辨率实现了小尺度的光强图像采集，再经过对内环加热片阵列和外环加热片阵列的加热片的调控，可实现磁共振原子陀螺装置的原子蒸气室温度梯度的高精度测量，从而实现温度的快速稳定。
本发明基于光泵效应、光子能量被吸收的关系，通过光强图像到热图像间的转换算法可达到抑制并改变原子蒸气室内的温度梯度的目的。
本发明通过实现原子蒸气室内温度的稳定性，提升了磁共振原子陀螺装置的测量灵敏度。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图中：1-泵浦光激光器，2-整形棱镜，3-第一光隔离器，4-λ/2玻片，5-第一偏振分光棱镜，6-第一扩束系统，7-第一反射镜，8-λ/4玻片，9-磁屏蔽罩，10-三维磁场线圈，11-无磁电加热片阵列，12-第一CCD阵列探测器，13-温控模块，14-探测光激光器，15-第二光隔离器，16-第一光阑，17-第二起偏器，18-检偏器，19-沃拉斯顿棱镜，20-差分光电探测器，21-锁相放大器，22-计算机，23-声光调制器，24-第二光阑，25-第二扩束系统，26-原子蒸气室，27-第二CCD阵列探测器，28-激光锁频模块，29-第一起偏器，30-第二偏振分光棱镜，31-第二反射镜。
图2是温控模块的原理示意图；
图3是内环加热片阵列和外环加热片阵列的分布示意图；
图4是温控模块的工作流程示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，包括泵浦光激光器1，整形棱镜2，第一光隔离器3，λ/2玻片4，第一偏振分光棱镜5，第一扩束系统6，第一反射镜7，λ/4玻片8，磁屏蔽罩9，三维磁场线圈10，无磁电加热片阵列11，第一CCD阵列探测器12，温控模块13，探测光激光器14，第二光隔离器15，第一光阑16，第二起偏器17，检偏器18，沃拉斯顿棱镜19，差分光电探测器20，锁相放大器21，计算机22，声光调制器23，第二光阑24，第二扩束系统25，原子蒸气室26，第二CCD阵列探测器27，激光锁频模块28，第一起偏器29，第二偏振分光棱镜30，以及第二反射镜31。
原子蒸气室26位于磁共振原子陀螺装置的中心位置，内部封装有碱金属原子和惰性气体，其外部由内至外依次为无磁电加热片阵列11、三维磁场线圈10和磁屏蔽罩9。
本实施例中，碱金属原子为87Rb原子，惰性气体为129Xe原子和131Xe原子，原子蒸气室26的工作温度为383K。无磁电加热片阵列11是由微小型尺寸无磁电加热片组成，使用多路分别加热方式。三维磁场线圈10可以为三维亥姆霍兹线圈或者三维马鞍线圈。磁屏蔽罩9是由四层坡莫合金组成。
无磁电加热片阵列11是由多个框型结构的无磁的加热片所组成的，其包括内环加热片阵列和外环加热片阵列，内环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，外环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，内环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室26泵浦光出光侧外表面的泵浦光斑处；外环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室26泵浦光入光侧外表面的边缘。
在本实施例中，内环加热片阵列包括4个框型结构的无磁的加热片，内环加热片阵列的四个加热片组成的中心对称方形结构，如图3所示，内环加热片阵列的4个加热片贴合于原子蒸气室26泵浦光出光侧外表面，且均匀分布在原子蒸气室26泵浦光出光侧外表面的泵浦光斑处，泵浦光穿过4个加热片后形成4个待测区域，内环加热片阵列主要调控原子蒸气室26内温度的均匀性。
外环加热片阵列包括12个框型结构的无磁的加热片，外环加热片阵列的12个加热片贴合于原子蒸气室26泵浦光入光侧外表面，其中，4个加热片分布在原子蒸气室26泵浦光入光侧外表面4个角，原子蒸气室26泵浦光入光侧外表面的每边除两端的2个加热片之外还均匀分布2个加热片，如图3所示，外环加热片阵列主要调控加热室快速加热至设定温度。无磁电加热片阵列11采用内外双框的分布式结构，可依据实际情况以粗细结合的方式同步调节蒸气室内的温度，起到快速高效调节温度梯度的作用。
泵浦光激光器1产生泵浦光(沿Z方向射入磁屏蔽罩9)，所述的探测光激光器14产生探测光(沿X方向射入磁屏蔽罩9)，泵浦左旋圆偏光与探测线偏光在原子蒸气室26内的中心位置正交。
本实施例中，泵浦光激光器1产生泵浦光通过整形棱镜2再依次经过第一光隔离器3、λ/2玻片4入射第一偏振分光棱镜5，经第一偏振分光棱镜5分为两束泵浦线偏光，经第一偏振分光棱镜5分束获得的泵浦线偏反射光进入激光锁频模块28，激光锁频模块28与泵浦光激光器1连接，反馈调节泵浦激光器的频率；经第一偏振分光棱镜5分束获得的泵浦线偏透射光再依次经过第一扩束系统6、第一起偏器29入射第二偏振分光棱镜30，经第二偏振分光棱镜30分为两束泵浦线偏光，经第二偏振分光棱镜30分束获得的泵浦线偏反射光进入第一CCD阵列探测器12作为进入原子蒸气室26前的参考信号；经第二偏振分光棱镜30分束获得的泵浦线偏透射光再经过第一反射镜7和λ/4玻片8后变为泵浦圆偏光。泵浦圆偏光透过原子蒸气室26，入射原子蒸气室26的泵浦圆偏光的光强与经第二偏振分光棱镜30分束获得的泵浦线偏反射光的光强相同，未被吸收的泵浦光出射原子蒸气室26后再经第二反射镜31反射后由第二CCD阵列探测器27接收。
泵浦圆偏光传输通过原子蒸气室极化碱金属原子导致出射原子蒸气室的泵浦圆偏光的光强发生改变(减小)，根据物理原理，其主要被原子蒸气室内的单位体积原子数影响，即反应出原子蒸气室内的温度分布。
第一CCD阵列探测器12与第二CCD阵列探测器27所测得的信号通过放大电路传输至温控模块13中的A/D模块进行采样，采样获得第一CCD阵列探测器12的第一采样数据与第二CCD阵列探测器27的第二采样数据，第一采样数据和第二采样数据输入到温控模块13的算法处理模块，算法处理模块根据第一采样数据和第二采样数据计算获得二维热图像。
得到二维热图像获得4个待测区域对应的温度，各个待测区域对应内环加热片阵列的各个框状的无磁的加热片所围的区域，再由公式η＝(Tmax-Tmin)/Tmean可以评估原子蒸气室26内温度均匀度，其中η为温度均匀度，Tmax为各待测区域中最高温度，Tmin为各个待测区域中最低温度，Tmean为各待测区域平均温度。将η其与设定阈值作比较，判断是否需要减小局部的温度梯度。当原子蒸气室26内温度的均匀度没有达到要求时，即η大于设定阈值，计算机会采用PID算法实时同步调控温度偏差较大的待测区域对应的加热片，使其达到稳定的均匀度指标要求，从而完成减小温度梯度。
算法处理模块通过温控模块13中的D/A模块、功率放大器输出给无磁电加热片阵列11中的各个加热片，无磁电加热片阵列11的外环加热片阵列的加热片主要控制加热室快速加热至额定温度并控制其相对稳定，无磁电加热片阵列11的内环加热片阵列则是精确调控各区域内的温度，从而达到调节、控制原子蒸气室26内的温度梯度。
输出的信号均为正弦交流电信号：
Vn＝Ansin(2πf0t)
式中：n为加热片的编号；An为对应编号加热片的电压幅值；f0为信号频率，取值范围为50kHz到100kHz；t为时间。
探测光激光器14产生的探测光入射通过第二光隔离器15经由第一光阑16后进入声光调制器23，经由声光调制器23和锁相放大器21驱动进行方波调制，再经过第二光阑24过滤，仅让一级衍射光出射，一级衍射光经过第二扩束系统25扩束后进入第二起偏器17变为探测线偏光穿过原子蒸气室26，泵浦圆偏光与探测线偏光在原子蒸气室26内正交，穿过原子蒸气室26后的探测线偏光再依次经过检偏器18和沃拉斯顿棱镜19后分为两束进入差分光电探测器20，经过差分光电探测器20探测获得的差分信号经过锁相放大器21进行信号解调，就可以得到待测信号，如环境磁场的变化、放置磁共振原子陀螺装置载体的角速度等信息，最后的数据结果显示在计算机22上进行处理与记录。
本发明解决了磁共振原子陀螺装置中原子蒸气室26内平衡温度梯度的问题，能更有效率、更精确的评估原子蒸气室26内的温度分布，从而进一步优化、提升磁共振原子陀螺装置的检测灵敏度，这种温度梯度可调模式也为磁共振原子陀螺装置提供了一种全新的温控方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，包括原子蒸气室（26），其特征在于，还包括无磁电加热片阵列（11），无磁电加热片阵列（11）包括内环加热片阵列和外环加热片阵列，内环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，外环加热片阵列包括多个框型结构的无磁的加热片，内环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室（26）的泵浦光出光侧外表面的泵浦光斑处；外环加热片阵列的各个加热片均匀分布贴合于原子蒸气室（26）泵浦光入光侧外表面的边缘，
还包括泵浦光激光器（1），泵浦光激光器（1）产生泵浦光通过整形棱镜（2）再依次经过第一光隔离器（3）、
Figure QLYQS_1
玻片（4）入射第一偏振分光棱镜（5），经第一偏振分光棱镜（5）分束获得的泵浦线偏反射光进入激光锁频模块（28），激光锁频模块（28）与泵浦光激光器（1）连接；经第一偏振分光棱镜（5）分束获得的泵浦线偏透射光再依次经过第一扩束系统（6）、第一起偏器（29）入射第二偏振分光棱镜（30），经第二偏振分光棱镜（30）分束获得的泵浦线偏反射光进入第一CCD阵列探测器（12）；经第二偏振分光棱镜（30）分束获得的泵浦线偏透射光再经过第一反射镜（7）和/>
Figure QLYQS_2
玻片（8）后变为泵浦圆偏光，泵浦圆偏光透过原子蒸气室（26）后未被吸收的部分由第二CCD阵列探测器（27）接收，
还包括温控模块（13），
温控模块（13）用于接收第一CCD阵列探测器（12）获得的第一采样数据，还用于接收第二CCD阵列探测器（27）的第二采样数据，还用于根据第一采样数据和第二采样数据计算获得二维热图像，
温控模块（13）还用于计算二维热图像中的各个待测区域对应的温度，各个待测区域对应内环加热片阵列的各个框状的无磁的加热片所围的区域，
温控模块（13）还用于求取各个待测区域对应的温度均匀度，根据温度均匀度调节内环加热片阵列的各个加热片，使得各个待测区域对应的温度均匀度满足设定要求。
2.根据权利要求1所述的一种温度梯度可调式的磁共振原子陀螺装置，其特征在于，还包括探测光激光器（14），探测光激光器（14）产生的探测光入射通过第二光隔离器（15）后再经由第一光阑（16）进入声光调制器（23）进行方波调制，方波调制后的探测光再经过第二光阑（24）过滤，仅让一级衍射光出射，一级衍射光经过第二扩束系统（25）扩束后进入第二起偏器（17）变为探测线偏光穿过原子蒸气室（26），泵浦圆偏光与探测线偏光在原子蒸气室（26）内正交，穿过原子蒸气室（26）后的探测光再依次经过检偏器（18）和沃拉斯顿棱镜（19）后分为两束进入差分光电探测器（20），经过差分光电探测器（20）探测获得的差分信号经过锁相放大器（21）进行信号解调，得到待测信号。
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