CN112444241A - 一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，利用频率失谐的圆偏振或椭圆偏振激光作用碱金属原子，通过控制碱金属电子感受的光频移操控电子自旋进动，实现原子自旋陀螺输出的闭环检测，有效抑制由抽运光功率、检测光功率频率波动以及放大器增益波动引入的标度因数误差，提高陀螺信号的长期稳定性。

Description

一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪

技术领域

本发明涉及原子自旋陀螺技术，特别是一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，通过控制碱金属电子感受的光频移进而操控电子自旋进动，从而实现陀螺角速率的闭环检测，是一种新型的惯性角速率敏感器件，可广泛应用于惯性导航、定姿、定向系统中。

背景技术

原子自旋陀螺是在SERF态下利用原子自旋系综敏感角速率的新型陀螺仪，其利用碱金属电子自旋和惰性气体核自旋在弱磁场中的耦合进动特性，惰性气体核自旋敏感角速率，碱金属电子自旋构成原位SERF磁强计，实现角速率信号的间接读出。SERF原子自旋陀螺本质上是一种速率陀螺，具有超高的惯性角速率测量灵敏度，是新一代运动载体用超高精度惯性导航的重要发展方向之一。根据SERF原子自旋陀螺误差传递关系，抽运激光功率的波动会导致原子极化率的波动，从而引起陀螺标度因数误差；而检测激光功率的波动会直接引起标度因数误差，为抑制激光功率波动引入的标度因数误差，传统的做法是通过外部执行器反馈控制进入气室之前的旁路激光功率从而实现主路光束功率的间接稳定控制，但是在微弱信号检测中由于分光器件的温漂等原因，进入气室的激光仍然会有一定的波动，从而会影响陀螺信号的稳定性。此外，额外增加外部执行器不利于SERF原子自旋陀螺的集成化和小型化。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提出一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，利用频率失谐的圆偏振或椭圆偏振激光作用碱金属原子，通过控制碱金属电子感受的光频移操控电子自旋进动，实现原子自旋陀螺输出的闭环检测，有效抑制由抽运光功率、检测光功率频率波动以及放大器增益波动引入的标度因数误差，提高陀螺信号的长期稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，包括具有无磁温控系统的原子气室A、具有磁补偿的磁屏蔽系统B、光抽运系统C、旋光角检测系统D和光频移操控系统E；所述原子气室中充有碱金属原子和惰性气体，所述无磁温控系统将所述原子气室加热到碱金属原子工作温度；所述磁屏蔽系统B包括主动磁补偿线圈和被动磁屏蔽筒，用于为所述碱金属原子提供一个磁屏蔽环境以抑制碱金属电子自旋的自旋交换弛豫；所述光抽运系统C用于产生沿z轴方向的抽运激光光束，所述抽运激光光束为频率和功率均稳定的圆偏振光，用来极化碱金属电子自旋A1，再通过极化的所述碱金属电子自旋与惰性气体核自旋之间的自旋交换碰撞实现所述惰性气体核自旋A2的超极化，所述碱金属电子自旋和所述惰性气体核自旋的极化方向均沿z轴方向；所述旋光角检测系统D用于产生沿y轴方向的检测激光光束，所述检测激光光束为线偏振光，通过旋光效应检测所述碱金属电子自旋A1的进动角；所述光频移操控系统E用于产生沿x轴方向的光频移光束，x轴为角速率敏感轴，所述光频移光束为频率失谐的圆偏振光，通过光频移效应操控电子自旋进动，抵消由惯性旋转引起的电子自旋进动，将陀螺输出信号实时闭环到零位，根据所施加的光频移大小确定被测陀螺载体旋转的角速率，并将所述施加的光频移大小所对应的信号作为最终测得的陀螺输出信号，从而实现载体旋转角速率测量值的闭环检测。

所述光抽运系统C包括依次光学连接的第一激光器C1、第一λ/2波片C2、第一偏振分光棱镜C3、第一液晶相位延迟器C4、第一检偏器C5、第二λ/2波片C6、第二偏振分光棱镜C7和第一λ/4波片C8，所述第一偏振分光棱镜C3通过频率稳定控制模块C9连接所述第一激光器C1，所述第二偏振分光棱镜C7通过功率稳定控制模块C10连接所述第一液晶相位延迟器C4；所述第二偏振分光棱镜C7与第一λ/4波片C8光轴成45°；所述第一偏振分光棱镜C3与第一检偏器C5光轴相互垂直，所述第一偏振分光棱镜C3与第一液晶相位延迟器C4的光轴成45°；所述第一λ/4波片C8的出射光进入到所述原子气室A中；所述频率稳定控制模块C9探测第一偏振分光棱镜C3分出的激光频率，然后调制第一激光器C1注入的电流实现激光频率的锁定；所述光抽运系统C产生的抽运激光光束频率调谐至所述碱金属原子共振峰，采用饱和吸收方法进行频率锁定；所述功率稳定控制模块C10控制第一液晶相位延迟器C4的相位延迟量从而控制激光功率衰减量以使激光功率稳定。

所述旋光角检测系统D包括依次光学连接的第二激光器D1、第一起偏器D2、偏振分光棱镜D3和平衡差分探测器D4，所述原子气室A位于所述第一起偏器D2与所述偏振分光棱镜D3之间；第二激光器D1产生的检测激光经第二起偏器D2后变成线偏振光，经过原子气室A后产生旋光角，经偏振分光棱镜D3后进入平衡差分探测器D4，实现旋光角的偏振平衡差分检测；经第二激光器D1输出的检测激光频率失谐于原子的共振峰，以减小气室吸收作用，增强旋光角信号，实现远失谐情况下的旋光角信号检测。

所述光频移操控系统E包括依次光学连接的第三激光器E1、第二起偏器E2、第二液晶相位延迟器E3、第二检偏器E4、液晶偏振旋转器E5、第二λ/4波片E6、光电探测器E7以及数据采集与控制模块E8，所述原子气室A位于所述第二λ/4波片E6与所述光电探测器E7之间；经所述液晶偏振旋转器E5出射的线偏振光与第二λ/4波片E6光轴成45°；所述第二起偏器E2和第二检偏器E4光轴垂直，所述第二起偏器E2与第二液晶相位延迟E3光轴成45°；所述光频移操控系统E所产生的圆偏振光频率失谐于原子的共振峰，以能够产生明显的光频移效应和较小的光抽运效应；所述数据采集与控制模块E8通过2KHz方波信号控制第二液晶相位延迟器E3的相位延迟量和液晶偏振旋转器E5的偏振旋转量，通过模数转换器采集平衡差分探测器D4的旋光角检测信号和光电探测器E7输出的光频移大小探测信号。

所述碱金属原子和惰性气体为K-Rb-²¹Ne、Cs-Rb-²¹Ne、K-³He或Cs-¹²⁹Xe。

所述数据采集与控制模块E8通过功率稳定控制模块C10所控制的激光功率大小来控制光频移的大小，光频移作用到电子自旋上使其产生进动将其实时闭环到陀螺零位，最终通过光频移的大小间接提取角速率信号。

本发明的技术效果如下：本发明一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，由原子气室、无磁温控系统、磁屏蔽磁补偿系统、光抽运系统、旋光角检测系统和光频移操控系统组成。原子气室内部含有碱金属原子、惰性气体原子及淬灭气体原子，是原子自旋陀螺的敏感核心；无磁温控系统和磁屏蔽磁补偿系统为原子气室提供高温弱磁环境，保证一定程度的碱金属饱和蒸气压密度，抑制碱金属电子之间的自旋交换弛豫；光抽运系统实现碱金属电子自旋极化以及惰性气体核自旋超极化；旋光角检测系统实现电子自旋进动检测；光频移操控系统实现电子自旋进动的操控。当载体转动时，极化的碱金属电子自旋与惰性气体核自旋将强耦合产生进动，通过改变光频移实时操控电子自旋进动，利用微弱信号反馈补偿实现旋光角的闭环检测将陀螺输出实时闭环到零位，所施加的光频移的大小即反映了载体的转动角速率。本发明可以实现载体旋转角速率的闭环检测，有效抑制抽运激光、检测激光功率频率波动和放大器增益波动引起的陀螺标度因数误差，对提高陀螺信号长期稳定性具有重要意义。

本发明与现有技术相比的优点在于：利用频率失谐圆偏振或椭圆偏振激光对电子自旋产生的光频移效应进行电子自旋操控，实现原子自旋陀螺输出的闭环检测，可以有效抑制由抽运光功率、检测光功率频率波动以及放大器增益波动引入的标度因数误差，提高陀螺信号的长期稳定性。

关于本发明的原理说明如下：失谐的圆偏振或椭圆偏振光作用碱金属电子自旋会产生光频移效应，光频移可以等效为虚拟磁场，引起碱金属电子自旋进动，但该虚拟磁场不会引起惰性气体核自旋进动，因此可以实现电子自旋的独立操控。载体的惯性旋转带动磁场和光场旋转，会引起电子自旋与核自旋的耦合进动。稳态时，电子自旋的进动角与旋转角速率的大小成正比，电子自旋进动角会引起线偏振光偏振面发生旋转，通过偏振平衡差分旋光角检测法提取出电子自旋的进动信号，将其与陀螺零位的差值作为误差信号，利用PID控制算法产生控制律，通过模数转换器产生控制电压信号，控制所产生光频移的大小，操控电子自旋，抵消由惯性旋转引起的电子自旋进动，将陀螺输出实时闭环到零位，所施加的光频移与旋转角速率成正比，作为最终的系统输出。

附图说明

图1为本发明的一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪总体系统框图。

图2为本发明的一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪抽运系统框图。

图3为本发明的一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪旋光角检测系统和光频移操控系统框图。

图4为陀螺输出闭环控制框图。

附图标记列示如下：A-具有无磁温控系统的原子气室，B-具有磁补偿的磁屏蔽系统，C-光抽运系统，D-旋光角检测系统，E-光频移操控系统，A1-电子自旋，A2-核自旋，C1-第一激光器，C-2第一λ/2波片，C3-第一偏振分光棱镜，C4-第一液晶相位延迟器，C5-第一检偏器，C6-第二λ/2波片，C7-第二偏振分光棱镜，C8-第一λ/4波片，C9-频率稳定控制模块，C10-功率稳定控制模块，D1-为第二激光器，D2-第一起偏器，D3-偏振分光棱镜，D4-平衡差分探测器，E1-第三激光器，E2-第二起偏器，E3-第二液晶相位延迟器，E4-第二检偏器，E5-液晶偏振旋转器，E6-第二λ/4波片，E7-光电探测器，E8-数据采集与控制模块。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图4)对本发明进行说明。

参考图1至图4，一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，包括原子气室及无磁温控系统A、磁屏蔽与磁补偿系统B、光抽运系统C、旋光角检测系统D和光频移操控系统E；原子气室中充有碱金属和惰性气体，本发明实施例的原子气室选用K-Rb-²¹Ne，Cs-Rb-²¹Ne，K-³He或Cs-¹²⁹Xe等单一碱金属或多组分混合的气室。无磁温控系统将气室加热到原子工作温度；磁屏蔽与磁补偿系统B由主动磁补偿线圈和被动磁屏蔽筒构成，用于为碱金属原子提供一个弱磁的环境，抑制碱金属电子自旋的自旋交换弛豫；光抽运系统C用于产生沿z轴方向的抽运激光光束，抽运光束为频率功率稳定的圆偏振光，用来极化碱金属电子自旋A1，再通过极化的电子自旋与核自旋之间的自旋交换碰撞实现惰性气体核自旋A2的超极化，极化方向沿z轴方向；旋光角检测系统D用于产生沿y轴方向的检测激光光束，检测光束为线偏振光，通过旋光效应检测电子自旋A1的进动角；光频移操控系统E用于产生沿x轴方向的光频移光束，x轴为角速率敏感轴，光频移光束为频率失谐的圆偏振光，通过光频移效应操控电子自旋进动，抵消由惯性旋转引起的电子自旋进动，将陀螺输出实时闭环到零位，所施加的光频移与旋转角速率成正比，作为最终的系统输出。

如图2所示，为本发明的一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪抽运系统框图。光抽运系统C包括依次光学连接的第一激光器C1、第一λ/2波片C2、第一偏振分光棱镜C3、第一液晶相位延迟器C4、第一检偏器C5、第二λ/2波片C6、第二偏振分光棱镜C7、第一λ/4波片C8以及频率稳定控制模块C9和功率稳定控制模块C10；第二偏振分光棱镜C7与第一λ/4波片C8光轴成45°；所述第一偏振分光棱镜C3与第一检偏器C5光轴相互垂直，且与第一液晶相位延迟器C4的光轴成45°；所述第二起偏器E2和第二检偏器E4光轴垂直，且与第二液晶相位延迟E3光轴成45°；所述频率稳定控制模块C9利用饱和吸收原子气室和低噪声过光电探测器探测第一偏振分光棱镜C3分出的激光频率，然后调制第一激光器C1注入的电流实现激光频率的锁定。抽运激光光束频率调谐至原子共振峰，采用饱和吸收方法进行频率锁定。其中，第一偏振分光棱镜C3和第二偏振分光棱镜C7是PBS偏振分光棱镜或格兰偏振分光棱镜。

如图3所示，为本发明的一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪旋光角检测系统和光频移操控系统框图。旋光角检测系统D包括依次光学连接的第二激光器D1、第一起偏器D2、偏振分光棱镜D3和平衡差分探测器D4；第二激光器D1产生的检测激光经第二起偏器D2后变成线偏振光，经过原子气室A后产生旋光角，经偏振分光棱镜D3后进入平衡差分探测器D4，实现旋光角的偏振平衡差分检测；经第二激光器D1输出的检测激光频率失谐于原子的共振峰，以减小气室吸收作用，增强旋光角信号，实现远失谐情况下的旋光角信号检测；其中，偏振分光棱镜D3可选PBS偏振分光棱镜或沃拉斯顿偏振分光棱镜。光频移操控系统E包括依次光学连接的第三激光器E1、第二起偏器E2、第二液晶相位延迟器E3、第二检偏器E4、液晶偏振旋转器E5、第二λ/4波片E6、光电探测器E7以及数据采集与控制模块E8；所述经液晶偏振旋转器E5出射的线偏振光与第二λ/4波片(E6)光轴成45°；所述光频移操控系统E所产生的圆偏振光频率失谐于原子的共振峰，以能够产生明显的光频移效应和较小的光抽运效应；数据采集与控制模块E8通过2KHz方波信号控制第二液晶相位延迟器E3的相位延迟量和液晶偏振旋转器E5的偏振旋转量，通过模数转换器采集平衡差分探测器D4和光电探测器E7输出的电压信号；液晶偏振旋转器E5通过开关控制可以实现线偏振光偏振方向0°或90°的旋转。

工作时，首先打开第一激光器C1，使用光抽运系统产生圆偏振光束极化碱金属电子自旋A1，再通过极化的电子自旋与核自旋之间的自旋交换碰撞实现惰性气体核自旋A2的超极化，极化方向沿抽运激光光束方向(z轴方向)。然后打开第二激光器D1，此时第三激光器E1处于关闭状态，第二激光器D1产生检测激光光束(沿y轴方向)经第二起偏器D2后变成线偏振光，经过原子气室A后产生旋光角，经偏振分光棱镜D3后进入平衡差分探测器D4，实现旋光角的偏振平衡差分检测，陀螺处于开环状态，采用交叉调制法找到陀螺核自旋自补偿点(z轴磁场补偿点)，并将陀螺磁屏蔽筒内剩磁补偿到零，使碱金属电子自旋工作在弱磁场环境中，达到碱金属电子自旋的无自旋交换弛豫状态。

打开第三激光器E1，将出光激光频率失谐到适当位置，通过功率衰减器调节激光功率，通过调谐第三激光器E1的电流改变激光频率，找到光功率和频率与旋光角的线性关系，此时光频移

与激光频率、功率以及偏振态的关系为：

式中Φ(ν)为光子通量，与光束功率成正比，ν为光束中心频率，r_e为电子半径，c为光速，f_D1为D1线跃迁振子强度，A为光束截面积，γ^e为电子自旋旋磁比，ν_D1和ν_D2分别为碱金属原子D1线和D2线的跃迁中心频率，Γ_D1和Γ_D2分别为碱金属原子D1线和D2线的半高半宽，

为光束圆偏振度。

电子自旋与核自旋动力学演化过程可以用小角度线性化后的Bloch方程描述，求解线性化Bloch方程的稳态解可得：

式中

为电子自旋极化率在z方向的投影，

为电子自旋弛豫率，γⁿ为核自旋旋磁比，Q为减慢因子，Ω_x为x轴输入的旋转角速率，L_x为施加的x轴方向的光频移。

通过改变施加光频移L_x抵消旋转角速率Ω_x对电子自旋产生的进动，利用旋光效应检测电子极化率在y轴方向的投影

并将检测到的旋光信号与陀螺零位做差产生误差信号，通过PID控制算法将陀螺输出实时闭环到零位，闭环控制框图如附图4所示，控制系统的控制目标为将原子自旋系综控制到期望的陀螺输出零点，利用旋光角检测技术实现电子自旋极化率的检测，检测信号与陀螺零点做差差生误差信号，通过控制器控制执行器(激光)产生的光频移的大小，从而将原子自旋系综控制到陀螺输出零点，电子极化率在y轴方向的投影

引起的旋光角θ表达式为：

式中l为检测光通过的气室长度，n为原子密度，f_D2为D2线跃迁振子强度。

偏振平衡差分旋光角检测输出表达式为：

U＝A_iuI₀sin(2θ) (4)

式中A_iu为放大器增益，I₀为检测光功率。

通过施加光频移将系统输出旋光角实时闭环到零位后，由式(2)(3)(4)可知，所施加的光频移大小与载体旋转的角速率大小成正比，可作为角速率的测量值，且该测量值与检测光功率、抽运光功率以及放大器增益无关。相比开环检测，可以抑制检测光功率、抽运光功率以及放大器增益波动引起的标度因数误差，提高陀螺长期稳定性。

一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，包括原子气室及无磁温控系统A、磁屏蔽与磁补偿系统B、光抽运系统C、旋光角检测系统D和光频移操控系统E；所述原子气室中充有碱金属和惰性气体，无磁温控系统将气室加热到原子工作温度；磁屏蔽与磁补偿系统B由主动磁补偿线圈和被动磁屏蔽筒构成，用于为碱金属原子提供一个弱磁的环境，抑制碱金属电子自旋的自旋交换弛豫；光抽运系统C用于产生沿z轴方向的抽运激光光束，抽运光束为频率功率稳定的圆偏振光，用来极化碱金属电子自旋A1，再通过极化的电子自旋与核自旋之间的自旋交换碰撞实现惰性气体核自旋A2的超极化，极化方向沿z轴方向；旋光角检测系统D用于产生沿y轴方向的检测激光光束，检测光束为线偏振光，通过旋光效应检测电子自旋A1的进动角；光频移操控系统E用于产生沿x轴方向的光频移光束，x轴为角速率敏感轴，光频移光束为频率失谐的圆偏振光，通过光频移效应操控电子自旋进动，抵消由惯性旋转引起的电子自旋进动，将陀螺输出实时闭环到零位，然后根据所施加的光频移与角速率成正比的关系，作为最终的系统输出。

所述光抽运系统C包括依次光学连接的第一激光器C1、第一λ/2波片C2、第一偏振分光棱镜C3、第一液晶相位延迟器C4、第一检偏器C5、第二λ/2波片C6、第二偏振分光棱镜C7、第一λ/4波片C8以及频率稳定控制模块C9和功率稳定控制模块C10；所述第二偏振分光棱镜C7与第一λ/4波片C8光轴成45°；所述第一偏振分光棱镜C3与第一检偏器C5光轴相互垂直，且与第一液晶相位延迟器C4的光轴成45°；所述第二起偏器E2和第二检偏器E4光轴垂直，且与第二液晶相位延迟E3光轴成45°；所述抽运激光光束频率调谐至原子共振峰，采用饱和吸收方法(频率稳定控制模块C9)进行频率锁定。所述频率稳定控制模块C9利用饱和吸收原子气室和低噪声过光电探测器探测第一偏振分光棱镜C3分出的激光频率，然后调制第一激光器C1注入的电流实现激光频率的锁定。所述功率稳定控制模块C10通过光电探测器探测第二偏振分光棱镜C7分出的激光，通过2KHz方波信号控制第一液晶相位延迟器C4的相位延迟量从而实现激光功率衰减量的控制；

所述第一偏振分光棱镜C3和第二偏振分光棱镜C7是PBS偏振分光棱镜或格兰偏振分光棱镜。所述旋光角检测系统D包括依次光学连接的第二激光器D1、第一起偏器D2、偏振分光棱镜D3和平衡差分探测器D4；第二激光器D1产生的检测激光经第二起偏器D2后变成线偏振光，经过原子气室A后产生旋光角，经偏振分光棱镜D3后进入平衡差分探测器D4，实现旋光角的偏振平衡差分检测；经第二激光器D1输出的检测激光频率失谐于原子的共振峰，以减小气室吸收作用，增强旋光角信号，实现远失谐情况下的旋光角信号检测；所述偏振分光棱镜D3可选PBS偏振分光棱镜或沃拉斯顿偏振分光棱镜。所述光频移操控系统E包括依次光学连接的第三激光器E1、第二起偏器E2、第二液晶相位延迟器E3、第二检偏器E4、液晶偏振旋转器E5、第二λ/4波片E6、光电探测器E7以及数据采集与控制模块E8；所述经液晶偏振旋转器E5出射的线偏振光与第二λ/4波片(E6)光轴成45°；所述光频移操控系统E所产生的圆偏振光频率失谐于原子的共振峰，以能够产生明显的光频移效应和较小的光抽运效应；数据采集与控制模块E8通过2KHz方波信号控制第二液晶相位延迟器E3的相位延迟量和液晶偏振旋转器E5的偏振旋转量，通过模数转换器采集平衡差分探测器D4和光电探测器E7输出的电压信号；所述液晶偏振旋转器E5通过开关控制可以实现线偏振光偏振方向0°或90°的旋转。所述原子气室选用K-Rb-²¹Ne，Cs-Rb-²¹Ne，K-³He或Cs-¹²⁹Xe等单一碱金属或多组分混合的气室。所述功率稳定控制模块C10和数据采集与控制模块E8，由数字控制器、模数转换器、数模转换器组成，模数转换器、数模转换器分别与数字控制器连接；功率稳定控制模块C10通过PI控制算法控制控制第一液晶相位延迟器C4的相位延迟量从而控制激光功率衰减量实现激光功率稳定控制。数据采集与控制模块E8通过功率稳定控制模块控制激光功率的大小来控制光频移的大小，光频移作用到电子自旋上使其产生进动将其实时闭环到陀螺零位，最终通过光频移的大小间接提取角速率信号。所述频率稳定控制模块C9由饱和吸收原子气室、光电探测器和锁频电路组成采用饱和吸收方式实现频率稳定控制。

本发明说明书中未作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。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，包括具有无磁温控系统的原子气室、具有磁补偿的磁屏蔽系统、光抽运系统、旋光角检测系统和光频移操控系统；所述原子气室中充有碱金属原子和惰性气体，所述无磁温控系统将所述原子气室加热到碱金属原子工作温度；所述磁屏蔽系统包括主动磁补偿线圈和被动磁屏蔽筒，用于为所述碱金属原子提供一个磁屏蔽环境以抑制碱金属电子自旋的自旋交换弛豫；所述光抽运系统用于产生沿z轴方向的抽运激光光束，所述抽运激光光束为频率和功率均稳定的圆偏振光，用来极化碱金属电子自旋，再通过极化的所述碱金属电子自旋与惰性气体核自旋之间的自旋交换碰撞实现所述惰性气体核自旋的超极化，所述碱金属电子自旋和所述惰性气体核自旋的极化方向均沿z轴方向；所述旋光角检测系统用于产生沿y轴方向的检测激光光束，所述检测激光光束为线偏振光，通过旋光效应检测所述碱金属电子自旋的进动角；所述光频移操控系统用于产生沿x轴方向的光频移光束，x轴为角速率敏感轴，所述光频移光束为频率失谐的圆偏振光，通过光频移效应操控电子自旋进动，抵消由惯性旋转引起的电子自旋进动，将陀螺输出信号实时闭环到零位，根据所施加的光频移大小确定被测陀螺载体旋转的角速率，并将所述施加的光频移大小所对应的信号作为最终测得的陀螺输出信号，从而实现载体旋转角速率测量值的闭环检测。

2.根据权利要求1所述的基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，所述光抽运系统包括依次光学连接的第一激光器、第一λ/2波片、第一偏振分光棱镜、第一液晶相位延迟器、第一检偏器、第二λ/2波片、第二偏振分光棱镜和第一λ/4波片，所述第一偏振分光棱镜通过频率稳定控制模块连接所述第一激光器，所述第二偏振分光棱镜通过功率稳定控制模块连接所述第一液晶相位延迟器；所述第二偏振分光棱镜与第一λ/4波片光轴成45°；所述第一偏振分光棱镜与第一检偏器光轴相互垂直，所述第一偏振分光棱镜与第一液晶相位延迟器的光轴成45°；所述第一λ/4波片的出射光进入到所述原子气室中；所述频率稳定控制模块探测第一偏振分光棱镜分出的激光频率，然后调制第一激光器注入的电流实现激光频率的锁定；所述光抽运系统产生的抽运激光光束频率调谐至所述碱金属原子共振峰，采用饱和吸收方法进行频率锁定；所述功率稳定控制模块控制第一液晶相位延迟器的相位延迟量从而控制激光功率衰减量以使激光功率稳定。

3.根据权利要求1所述的基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，所述旋光角检测系统包括依次光学连接的第二激光器、第一起偏器、偏振分光棱镜和平衡差分探测器，所述原子气室位于所述第一起偏器与所述偏振分光棱镜之间；第二激光器产生的检测激光经第二起偏器后变成线偏振光，经过原子气室后产生旋光角，经偏振分光棱镜后进入平衡差分探测器，实现旋光角的偏振平衡差分检测；经第二激光器输出的检测激光频率失谐于原子的共振峰，以减小气室吸收作用，增强旋光角信号，实现远失谐情况下的旋光角信号检测。

4.根据权利要求1所述的基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，所述光频移操控系统包括依次光学连接的第三激光器、第二起偏器、第二液晶相位延迟器、第二检偏器、液晶偏振旋转器、第二λ/4波片、光电探测器以及数据采集与控制模块，所述原子气室位于所述第二λ/4波片与所述光电探测器之间；经所述液晶偏振旋转器出射的线偏振光与第二λ/4波片光轴成45°；所述第二起偏器和第二检偏器光轴垂直，所述第二起偏器与第二液晶相位延迟光轴成45°；所述光频移操控系统所产生的圆偏振光频率失谐于原子的共振峰，以能够产生明显的光频移效应和较小的光抽运效应；所述数据采集与控制模块通过2KHz方波信号控制第二液晶相位延迟器的相位延迟量和液晶偏振旋转器的偏振旋转量，通过模数转换器采集平衡差分探测器的旋光角检测信号和光电探测器输出的光频移大小探测信号。

5.根据权利要求1所述的基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，所述碱金属原子和惰性气体为K-Rb-²¹Ne、Cs-Rb-²¹Ne、K-³He或Cs-¹²⁹Xe。

6.根据权利要求1所述的基于光频移操控的闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，所述数据采集与控制模块通过功率稳定控制模块所控制的激光功率大小来控制光频移的大小，光频移作用到电子自旋上使其产生进动将其实时闭环到陀螺零位，最终通过光频移的大小间接提取角速率信号。

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