CN112113583B - 一种核磁共振陀螺闭环输出实时补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种核磁共振陀螺闭环输出实时补偿方法，包括泵浦光信号采集及数模转换模块，相敏检波模块，泵浦光PID控制模块，下采样和滤波模块，闭环输出补偿模块。本发明提出的方法可以在泵浦光频率闭环稳定的情况下，建立起泵浦光功率变化与陀螺闭环输出之间的可控关联，将泵浦光闭环反馈信号作为泵浦光功率变化的表征，并对其进行一次或二次变换后叠加到实时陀螺闭环输出信号上作为最终输出，该方法不影响陀螺的输出特性，但能很好的改善陀螺长时间的零偏稳定性。

Description

一种核磁共振陀螺闭环输出实时补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及核磁共振陀螺仪技术，特别涉及陀螺在闭环输出时的补偿方法。
背景技术
原子陀螺仪是在转子式陀螺仪、光学陀螺仪、和MEMES陀螺仪之后出现的一种新型陀螺仪，利用原子、电子、光子等微观粒子的自旋、波动、纠缠等量子特性，采用磁场、光场、温度场等操控手段，获得原子运动状态，从而间接得到载体的运动状态。
目前核磁共振陀螺仪是一种成熟度较高的原子陀螺仪，其利用原子自旋进动敏感载体转动信息，具有小体积、高精度、抗振动等特点，有望满足微小型装备，如微纳卫星、无人机、无人潜航器等对微小型高精度惯性器件的要求，有着广阔的应用前景。
核磁共振陀螺的闭环输出性能受各种因素影响，其中泵浦光的频率和功率就是其中最重要的影响因素之一。在核磁共振陀螺仪中，泵浦光用于极化碱金属原子，被极化的碱金属原子通过超自旋交换作用使惰性气体原子进动获得宏观核自旋磁矩，其频率和功率等参量会对宏观核自旋磁矩的进动产生重要影响，进而影响陀螺的性能。考虑到小型化的要求，通常会采用波长调制法来稳定泵浦光的频率，但是该方法会使激光器的控制电流产生偏移，从而使其功率产生缓慢漂移，最终影响核磁共振陀螺在长时间下的零偏稳定性。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，利用泵浦激光功率漂移与核磁共振陀螺闭环输出长时间漂移高度相关的特点，提供一种核磁共振陀螺闭环输出实时补偿方法，可以有效的提高核磁共振陀螺仪的长时零偏稳定性。
本发明解决的技术方案为:
一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，包括：泵浦光信号采集及数模转换模块、相敏检波模块、泵浦光PID控制模块、下采样和滤波模块、闭环输出补偿模块；
泵浦光信号采集及数模转换模块，将泵浦光的调制信号先后经过I/V放大、隔直滤波，并经数模转换处理后转换成吸收光谱数字信号；
相敏检波模块，产生解调信号，再将调制后的吸收光谱数字信号与解调信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此误差信号经过低通滤波得到泵浦光吸收光谱的微分信号；
泵浦光PID控制模块，泵浦光吸收光谱的微分信号经过泵浦光PID控制模块得到泵浦光闭环反馈信号，该闭环反馈信号被送入下采样和滤波模块；
下采样和滤波模块，对泵浦光闭环反馈信号进行下采样和滤波处理；
闭环输出补偿模块，将核磁共振陀螺闭环输出信号和经下采样和滤波模块处理后的泵浦光闭环反馈信号组合到一起，实现实时的输出的补偿。
进一步的，下采样和滤波模块对泵浦光闭环反馈信号进行采样和滤波处理，具体为：将泵浦光闭环反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的滑动滤波，然后送入闭环输出补偿模块。
进一步的，所述长时的滑动滤波是指不小于1s的滑动滤波。
进一步的，闭环输出补偿模块，将核磁共振陀螺闭环输出信号和下采样和滤波模块处理后的泵浦光闭环反馈信号组合到一起，实现实时的输出的补偿，具体通过如下方式实现：
Figure BDA0002709527190000031
其中
Figure BDA0002709527190000032
α和β为常数；Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
进一步的，泵浦光信号采集及数模转换模块输出的吸收光谱数字信号，为带有吸收峰的数字波形信号，该信号频率为10kHz。
进一步的，泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波模块中，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号传输给闭环输出补偿模块。
进一步的，本发明还提出一种核磁共振陀螺闭环输出补偿方法，步骤如下：
步骤一：泵浦光的调制电流信号经过I/V放大，隔直滤波，并经数模转换为数字信号，与调制信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此信号经过三阶滑动滤波，得到泵浦光吸收光谱的微分信号；吸收光谱数字信号为带有吸收峰的数字波形信号，该信号频率为10kHz。
步骤二：泵浦光吸收光谱的微分信号经过PID计算得到泵浦光闭环反馈信号，反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的滑动滤波；泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波时，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号输出。
步骤三：平滑后的泵浦光闭环反馈信号和陀螺闭环输出信号组合到一起，实现实时的输出的补偿。平滑后的泵浦光闭环反馈信号和陀螺闭环输出信号组合到一起，具体为：
Figure BDA0002709527190000041
其中
Figure BDA0002709527190000042
α和β为常数；Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)现有技术下，泵浦光的频率和功率只能稳定其一，而另一个参量会对陀螺闭环输出带来不可控的影响，本发明在泵浦光频率闭环稳定的情况下，建立起功率变化与陀螺闭环输出之间的可控关联；
(2)本发明首次提出将泵浦光闭环的反馈信号作为泵浦光功率变化的表征，并将其进行变换后叠加到实时陀螺闭环输出信号上以作为最终输出，该方法不影响陀螺的输出特性，但能很好的改善陀螺长时间的零偏漂移。
附图说明
图1为本发明的核磁共振陀螺闭环输出补偿方法的系统组成框图；
图2为本发明实施例补偿前后对比图。
具体实施方式
本发明的基本思路为：在核磁共振陀螺仪中，泵浦光用于极化碱金属原子，被极化的碱金属原子通过超自旋交换作用使惰性气体原子进动获得宏观核自旋磁矩，其频率和功率等参量会对宏观核自旋磁矩的进动产生重要影响，进而影响陀螺的性能。考虑到小型化的要求，通常会采用波长调制法来稳定泵浦光的频率，但是该方法会使激光器的控制电流产生偏移，从而使其功率产生缓慢漂移，最终影响核磁共振陀螺在长时间下的零偏稳定性。本发明可以使陀螺在功率缓慢漂移的情况下，仍然保持长时间的零偏稳定，将功率漂移与零偏漂移关联在一起，通过合适的算法形成反馈关系，从而在不影响陀螺输出特性的情况下，很好的改善陀螺长时间的零偏稳定性。
如图1所示，本发明提出了一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于包括：泵浦光信号采集及数模转换模块、相敏检波模块、泵浦光PID控制模块、下采样和滤波模块、闭环输出补偿模块；
带有高频小振幅调制的泵浦光通过工作介质后会在光信号中出现吸收光谱信号，该信号被光电探测器得到，从而送入泵浦光信号采集及模数转换模块电路，完成I/V放大等一系列操作。
具体的，泵浦光信号采集及数模转换模块，将泵浦光的调制信号先后经过I/V放大、隔直滤波，并经数模转换处理后转换成吸收光谱数字信号；
泵浦光信号采集及数模转换模块输出的吸收光谱数字信号，为带有吸收峰的数字波形信号，该信号频率为10kHz。
光电探测器探测的泵浦光调制信号为微弱电流信号，需要经过放大和转为电压信号等调理过程供后续电路处理，I/V放大即电流电压转换放大，先将电流信号转换为电压信号，再进行放大。
相敏检波模块，产生解调信号，再将调制后的吸收光谱数字信号与解调信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此误差信号经过低通滤波得到泵浦光吸收光谱的微分信号；
泵浦光PID控制模块，泵浦光吸收光谱的微分信号经过泵浦光PID控制模块得到泵浦光闭环反馈信号，该闭环反馈信号被送入下采样和滤波模块；
在PID控制模块中，实时的微分信号和微分信号的积分值分别乘上相应的系数并求和，得到泵浦光闭环反馈信号，该信号会传送给下采样和滤波模块。
下采样和滤波模块，对泵浦光闭环反馈信号进行下采样和滤波处理。泵浦光闭环带宽较大，但是将闭环反馈信号用于陀螺输出补偿时则需要信号缓慢而平稳，在处理的过程中为了适应处理电路有限的资源，需要将泵浦光闭环反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的平滑滤波，然后送入后续的闭环输出补偿模块
优选的，长时的滑动滤波是指不小于1s的滑动滤波。泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波模块中，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号传输给闭环输出补偿模块。
闭环输出补偿模块，将核磁共振陀螺闭环输出信号和经下采样和滤波模块处理后的泵浦光闭环反馈信号组合到一起，实现实时的输出的补偿。
具体通过如下方式实现：
Figure BDA0002709527190000071
其中
Figure BDA0002709527190000072
α和β为常数，
Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
基于上述补偿系统，本发明还提出一种核磁共振陀螺闭环输出补偿方法，步骤如下：
步骤一：泵浦光的调制电流信号经过I/V放大，隔直滤波，并经数模转换为数字信号，与调制信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此信号经过三阶滑动滤波，得到泵浦光吸收光谱的微分信号；
步骤二：泵浦光吸收光谱的微分信号经过PID计算得到泵浦光闭环反馈信号，反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的滑动滤波；
步骤三：平滑后的泵浦光闭环反馈信号和陀螺闭环输出信号组合到一起，实现实时的输出的补偿。
本发明实施例：
泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波模块中，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号传输给闭环输出补偿模块。
闭环输出补偿模块对平滑后的泵浦光闭环反馈信号进行如式(1)的变换并和输入的陀螺闭环输出结果进行叠加，得到最终的陀螺闭环实时补偿输出结果。
Figure BDA0002709527190000081
其中
Figure BDA0002709527190000082
α和β为常数；本实施例中，α＝2、β＝5；Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
补偿与未进行补偿的实验结果见图2，从结果可知，未进行补偿时，10小时以上的陀螺闭环输出整体零偏漂移是进行闭环输出实时补偿时的4倍以上，证明本发明能有效的改善陀螺长时间的零偏漂移。

Claims (8)

1.一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于包括：泵浦光信号采集及数模转换模块、相敏检波模块、泵浦光PID控制模块、下采样和滤波模块、闭环输出补偿模块；
泵浦光信号采集及数模转换模块，将泵浦光的调制信号先后经过I/V放大、隔直滤波，并经数模转换处理后转换成吸收光谱数字信号；
相敏检波模块，产生解调信号，再将调制后的吸收光谱数字信号与解调信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此误差信号经过低通滤波得到泵浦光吸收光谱的微分信号；
泵浦光PID控制模块，对泵浦光吸收光谱的微分信号进行PID控制，得到泵浦光闭环反馈信号，该闭环反馈信号被送入下采样和滤波模块；
下采样和滤波模块，对泵浦光闭环反馈信号进行下采样和滤波处理；
闭环输出补偿模块，将核磁共振陀螺闭环输出信号和经下采样和滤波模块处理后的泵浦光闭环反馈信号组合到一起，实现实时的输出的补偿；
闭环输出补偿模块，将核磁共振陀螺闭环输出信号和下采样和滤波模块处理后的泵浦光闭环反馈信号组合到一起，实现实时的输出的补偿，具体通过如下方式实现：
Figure FDA0003988774670000011
其中
Figure FDA0003988774670000021
α和β为常数；Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于：下采样和滤波模块对泵浦光闭环反馈信号进行采样和滤波处理，具体为：将泵浦光闭环反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的滑动滤波，然后送入闭环输出补偿模块。
3.根据权利要求2所述的一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于：所述长时的滑动滤波是指不小于1s的滑动滤波。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于：泵浦光信号采集及数模转换模块输出的吸收光谱数字信号，为带有吸收峰的数字波形信号，该信号频率为10kHz。
5.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺闭环输出补偿系统，其特征在于：泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波模块中，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号传输给闭环输出补偿模块。
6.一种基于权利要求1所述核磁共振陀螺闭环输出补偿系统实现的核磁共振陀螺闭环输出补偿方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：泵浦光的调制电流信号经过I/V放大，隔直滤波，并经数模转换为数字信号，与调制信号进行相乘运算得到激光器输出频率与铷原子跃迁频率进行比较的误差信号，此信号经过三阶滑动滤波，得到泵浦光吸收光谱的微分信号；
步骤二：泵浦光吸收光谱的微分信号经过PID计算得到泵浦光闭环反馈信号，反馈信号首先进行下采样，降低带宽后再进行长时的滑动滤波；
步骤三：平滑后的泵浦光闭环反馈信号和陀螺闭环输出信号组合到一起，实现实时的输出的补偿；
平滑后的泵浦光闭环反馈信号和陀螺闭环输出信号组合到一起，具体为：
Figure FDA0003988774670000031
其中
Figure FDA0003988774670000032
α和β为常数；Sn,为核磁共振陀螺的实时闭环输出信号，Sb为下采样和滤波处理后的泵浦光闭环反馈信号,Sc为实时的补偿输出。
7.根据权利要求6所述核磁共振陀螺闭环输出补偿方法，其特征在于：吸收光谱数字信号为带有吸收峰的数字波形信号，该信号频率为10kHz。
8.根据权利要求6所述核磁共振陀螺闭环输出补偿方法，其特征在于：泵浦光闭环反馈信号的带宽为500kHz，在下采样和滤波时，泵浦光闭环反馈信号首先下采样到1kHz，然后对该信号进行滑动滤波操作，滤波周期为1s，也即对1000个点进行滑动滤波，将滤波后的信号输出。
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