CN111964658B - 一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法 - Google Patents

一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，解决现有技术采用线性磁场驱动，存在非线性和布洛赫频移，导致对系统参数变化比较敏感等问题，本发明利用一对正交参考信号对进动磁矩的y向分量进行混频和滤波处理，获得相位相差90°的降频信号Vx和Vy，然后通过反正切运算求出Vx和Vy的相位φ2，再利用已知的正交参考信号相位φ1和补偿相位φs，获得反馈信号的相位，最后通过计算该相位的正弦、余弦以产生旋转磁场驱动信号；利用Vx和Vy求出磁矩进动信号的振幅；调整补偿相位φs使系统完成闭环；利用相位φ1和φ2获得核磁共振陀螺输出频率。本发明具有闭环速度快、响应带宽大、零偏稳定性好等优点。

Description

一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法
技术领域
本发明涉及基于原子自旋对角速度甚至自旋以及其它与原子自旋相互作用的物理量的高灵敏度测量，属于原子传感领域。
背景技术
利用原子自旋(如碱金属电子自旋、惰性气体核自旋)可实现角速度等物理量的精确测量，如基于原子自旋的核磁共振陀螺兼有小体积、高精度等优点，已成为当前惯性技术领域的一个重要研究方向。
为了使核磁共振陀螺持续测量角速度，核磁共振陀螺需要采用闭环磁共振系统维持核自旋的进动。常见的闭环磁共振系统采用锁相环实现，具有频率分辨率高、激励磁场振幅稳定等优点，但其响应速度和带宽较小，结构也比较复杂。另一种常用的闭环磁共振系统采用自激振荡实现，具有响应快、带宽大等优点，但其振幅稳定性差，而振幅的变化会影响核磁共振陀螺的零偏稳定性。无论是锁相环方法还是自激方法，目前都采用线性场驱动核自旋。这种情况下，闭环磁共振系统需要经过一个几十秒典型时间的瞬态过程才能达到稳态。
发明内容
为提高核磁共振陀螺闭环磁共振精度，解决现有技术采用线性磁场驱动，存在非线性和布洛赫频移，导致对系统参数变化比较敏感等问题，本发明特提出一种旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法，本发明的一种采用旋转场驱动的核磁共振陀螺闭环磁共振方法的技术方案是：
1、采用补偿信号扣除磁力仪检测到的y轴驱动磁场分量；
2、利用一对正交参考信号对进动磁矩的y向分量进行混频和滤波处理，获得相位相差90°的降频信号Vx和Vy，然后通过反正切运算求出Vx和Vy的相位φ2，再利用已知的正交参考信号相位φ1和补偿相位φs，获得反馈信号的相位，最后通过计算该相位的正弦、余弦以产生旋转磁场驱动信号；
3、利用Vx和Vy求出磁矩进动信号的振幅；
4、调整补偿相位φs使系统完成闭环；
5、利用相位φ1和φ2获得核磁共振陀螺输出频率。
本发明具有闭环速度快、响应带宽大、零偏稳定性好等优点。
附图说明
图1为核磁共振陀螺构成图，
图2为采用线性场驱动时自旋进动频率的瞬态过程，
图3为采用旋转场驱动时自旋进动频率的瞬态过程，
图4为一种采用旋转场驱动的闭环磁共振系统具体实施原理图。
具体实施方案
下面结合附图1至附图4对具体实施方式进行详细说明:
在一个密闭玻璃气室15中，装填有过量碱金属(Rb或Cs中的至少一种)、惰性气体(3He、21Ne、83Kr、129Xe和131Xe中的一种或多种)，有时还包括氮气、氢气等气体。将玻璃气室15加热到合适温度(50℃-200℃范围内)使碱金属成为蒸气，然后利用与碱金属原子D1线共振的圆偏振激光使碱金属电子自旋产生极化。圆偏振激光由激光器Ⅱ5产生，通过第二偏振器3、1/4波片9后成为圆偏振激光。加热器11用来使玻璃气室15维持在合适温度从而使碱金属保持密度足够的气态。碱金属原子与惰性气体原子不停发生碰撞，通过自旋交换极化作用，惰性气体核自旋也产生极化。在z向通过第一线圈14施加磁场B0，其大小通常在1μT-50μT之间。激光器Ⅰ4输出激光与碱金属原子D1线近共振(共振峰±20GHz)，经过第一偏振器2后成为线偏振光，经反射后沿x方向通过玻璃气室15，然后再反射到偏振分光器6上。从偏振分光器6透射的激光被平衡光电探测器7接收并转换为电信号。偏振分光器6的方位最好调整到分光输出的光强相等。图1中磁屏蔽1的作用是衰减外界磁场，使玻璃气室中的自旋处于比较稳定的磁场环境中。平衡光电探测器7输出的送入到信号处理系统8，并经过处理后产生稳定磁场和闭环共振磁场驱动信号。稳定磁场驱动信号经第一磁场驱动电路10后转换为电流，输入到第一线圈14产生稳定磁场。闭环共振磁场驱动信号经第二磁场驱动电路12后转换为电流，输入第二线圈13产生闭环共振磁场。闭环共振磁场的作用是产生磁场Bx，其频率为ω＝γB0+Ω，这里γ为惰性气体的旋磁比，Ω为载体角速度。如果核磁共振陀螺采用N(N≥1)种惰性气体核自旋作为工作气体，应在x方向施加N个频率的交变磁场，且满足ωn＝γnB0+Ω，n＝1,2,...,N。
我们以一种惰性气体核自旋的闭环磁共振为例，介绍闭环共振磁场的产生原理。为了使核自旋维持磁共振，需要采用反馈系统对核自旋系总在y向产生的磁场分量My进行探测、放大、移相、电压-电流转换，最后送入到磁场线圈产生交变磁场Bx。
核磁共振陀螺闭环磁共振方法有多种，如自激法、锁相环法。但从目前发表文献来看，不管采用什么闭环方法，其反馈驱动磁场都采用线性振荡场，例如x或y单一方向上的振荡磁场。根据描述自旋宏观磁矩运动的Bloch方程，线性场可以分解为两个反向运动的转动场，而只有一个方向的转动场分量起主要作用，另一个转动场分量被认为可以忽略。由于核磁共振陀螺面向捷联式惯性导航应用，除了漂移指标外，其启动时间也非常重要。数值仿真发现，如采用线性场驱动，无论闭环相位如何调整，在陀螺闭环系统打开后一段时间内总会存在较长的瞬态过程。图2a是闭环相位调到严格磁共振时自旋进动频率随时间的变化，图2b是闭环系统存在0.05rad相位延迟时自旋进动频率随时间的变化。显然，闭环系统打开后还需要20s左右的时间才能进入到比较稳定的状态。理论分析表明，瞬态过程由自旋弛豫时间决定。
如果采用旋转场，且旋转场方向与自旋旋磁比保持一致，则有可能大大降低瞬态过程。图3a是闭环系统相位延迟为0时自旋进动频率随时间的变化，图3b是闭环系统相位延迟为0.05rad时自旋进动频率随时间的变化。比较可知，采用旋转场驱动且使闭环系统相位延迟为0，则可消除闭环系统打开后的瞬态过程。理论分析表明，当闭环系统相位延迟为0时，旋转场驱动时Bloch方程具有严格进动解，因此进动频率初始时就严格等于自旋共振频率。因此，核磁共振陀螺的闭环磁共振系统采用旋转场驱动可大幅优化系统的响应时间。
图4给出了核磁共振陀螺闭环信号处理系统(8)中闭环磁共振的一种具体实施方法。整个系统全部采用数字信号处理实现，对应硬件可以是FPGA、DSP、ARM、计算机或其它具有数字信号处理能力的芯片。通过模数转换器和数模转换器实现模拟信号与数字信号处理硬件的接口连接。
碱金属磁力仪配置为参量调制磁力仪，可以测量x与y方向的磁场，其带宽足够测出核自旋的进动频率。假设磁屏蔽效果足够好，陀螺各部件没有剩磁，可认为x和y向的剩磁为0，取出磁力仪所测y向磁场其表达式为，
式中By为通过线圈所加的磁场，My为自旋进动磁场,
闭环磁共振系统需要利用My构建驱动磁场，而By是不需要的量。因此采用旋转场驱动时，闭环磁共振系统中需要设计一个磁场补偿模块，将By消除，其原理和具体实施方法将在后面给出,设共振时，自旋磁矩的y分量为，
式中ω为磁矩进动频率，t为时间，为相位。
设参考信号相位为这里ωr为参考信号频率，/>为参考信号相位。通过程序中的正弦和余弦运算得到两路参考信号，
分别用两路参考信号对My进行混频然后低通滤波，得到
对VX和VY进行平方和然后开根号运算，得到与My成正比的振幅，
由可知，对/>求反正切，得到
式中参考相位φ1是已知的。
由(8)式得到由于在信号处理过程中，如滤波等会引入额外的相移，因此我们需要利用φs来补偿该相移。最后得到反馈磁场的输出相位为，
利用sin和cos函数，产生闭环磁场，
其中(11)式中的±根据自旋旋磁比正负来选择,D为闭环反馈磁场的振幅。
利用还可产生补偿磁场，首先利用相位φsc补偿信号处理等过程产生的相移，然后利用sin函数和比例k，产生补偿磁场
补偿磁场需要进行标定。标定方法是，首先通过闭环磁共振系统输出偏离共振的磁场然后记录Bym，由于驱动磁场非共振，可认为/>通过这种方法标定出补偿所需的k。然后改变频率，标定相移随频率的变化，通过内插获得补偿需要的相移；
通过φf可获得核磁共振陀螺所敏感的角速度，为本领域常用技术，因此不再赘述。

Claims (3)

1.一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，其特征在于，步骤包括：
(1)采用补偿信号扣除磁力仪检测到的y轴驱动磁场分量；
(2)利用一对正交参考信号对进动磁矩的y向分量进行混频和滤波处理，获得相位相差90°的降频信号Vx和Vy，然后通过反正切运算求出Vx和Vy的相位φ2，再利用已知的正交参考信号相位φ1和补偿相位φs，获得反馈信号的相位，最后通过计算该相位的正弦、余弦以产生旋转磁场驱动信号；
(3)利用Vx和Vy求出磁矩进动信号的振幅；
(4)调整补偿相位φs使系统完成闭环；
(5)利用相位φ1和φ2获得核磁共振陀螺输出频率；
核磁共振陀螺闭环磁共振方法具体过程如下：
设磁屏蔽效果好，陀螺各部件没有剩磁，认为x和y向的剩磁为0，取出磁力仪所测y向磁场其表达式为，
式中By为通过线圈所加的磁场，My为自旋进动磁场,
闭环磁共振系统利用My构建驱动磁场，而By是不需要的量，采用旋转场驱动时，闭环磁共振系统中设计一个磁场补偿模块，将By消除，
设共振时，自旋磁矩的y分量为，
设参考信号相位为这里ωr为参考信号频率，/>为参考信号相位，通过正弦和余弦运算得到两路参考信号，
分别用两路参考信号对My进行混频然后低通滤波，得到
对VX和VY进行平方和然后开根号运算，得到与My成正比的振幅，
由可知，对/>求反正切，得到
式中参考相位φ1是已知的,
由(8)式得到在信号处理过程中，会引入额外的相移，利用φs来补偿该相移，最后得到反馈磁场的输出相位为，
利用sin和cos函数，产生闭环磁场，
其中(11)式中的±根据自旋旋磁比正负来选择,D为闭环反馈磁场的振幅,
利用产生补偿磁场，首先利用相位φsc补偿信号处理过程产生的相移，然后利用sin函数和比例k，产生补偿磁场
然后通过φf获得核磁共振陀螺所敏感的角速度。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，其特征在于，采用碱金属磁力仪，测量x与y方向的磁场。
3.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，其特征在于，
所述补偿磁场需要进行标定，标定方法是，
首先通过闭环磁共振系统输出偏离共振的磁场然后记录Bym，由于驱动磁场非共振，认为/>通过这种方法标定出补偿所需的k，然后改变频率，标定相移随频率的变化，通过内插获得补偿需要的相移。
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