CN112729269B - 一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法：通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪零阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波频率稳定到碱金属原子共振频率；利用NMRG内嵌碱金属磁力仪一阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感；通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的幅值变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号幅度的变化；利用碱金属磁力仪测得该信号的相位变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号相位的变化。从而在NMRG输出信号中去除碱金属磁力仪工作状态改变的影响，消除耦合效应。
Description
技术领域
本发明涉及的是新型量子传感器件领域，具体涉及一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法。
背景技术
随着科技的发展，无人机、机器人等小型化、智能化、便携式设备在当今军事与民用领域占有越来越重要的地位，并且也是未来科技发展的重要方向。由于自身特点，这些新型设备对其搭载的导航系统提出了精度高、体积小、功耗低等诸多要求。核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)从原理上正好具备这些优势，因此目前得到了人们的广泛关注。
NMRG通常是采用内嵌碱金属原子磁力仪来测量通过稀有气体原子核磁矩感受到的载体转动信号的。因此，内嵌碱金属原子磁力仪本身状态的改变也必然会影响到陀螺信号的输出，造成误差，此即前面提到的碱金属与稀有气体原子的耦合效应。
但是，目前文献上的理论分析大都将碱金属与稀有气体原子作为两个独立的模型分开考虑，而忽略了碱金属磁力仪本身工作状态对陀螺输出信号的影响。实验上，通常重点关注如何对NMRG中的各物理参量进行精确控制，从而对硬件设计方面提出了很高要求。实际上，如果能从NMRG输出信号中除去磁力仪工作状态的影响(去耦合)，不但可以减少陀螺信号影响因素的来源，提高陀螺性能，还能在一定程度上降低NMRG硬件设计要求，使其更易实现，或是更能适应各种复杂的应用环境。因此，本发明提出一种在核磁共振陀螺中抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方案。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法，在核磁共振陀螺中，能够有效抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应，有利于核磁共振原子陀螺的研发以及新型量子器件的发展。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法，包括以下步骤：
1、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪零阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波频率稳定到碱金属原子共振频率；
2、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪一阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感；
3、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的幅值变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号幅度的变化；
4、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的相位变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号相位的变化。从而在NMRG输出信号中去除碱金属磁力仪工作状态改变的影响，消除耦合效应。
所述的步骤1是将是将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率ωc+γRbB0＝0。首先，利用NMRG中的x方向线圈产生一频率(ωs≠ω1)幅度固定的标准振荡磁场信号，利用低通滤波器选取磁力仪的零阶谐波信号，该信号测得x方向标准磁场信号幅度满足关系：
可知ωc+γRbB0＝0时测得的标准信号幅度为零。于是可以利用PID控制载波频率ωc，使得测得的标准磁场信号幅度为零，从而将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率。
所述的步骤2是将Rb原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感，即θ＝0。由于Rb磁力仪一阶谐波信号测得的x方向标准振荡磁场信号幅值与载波解调相位θ有关，且测得信号幅值最小时有：
可知在步骤1实现了ωc+γRbB0＝0后，磁力仪一阶谐波信号测得x方向标准信号幅度最小时即为需要的θ＝θmin＝0。于是在系统中采用带通滤波器选取磁力仪一阶谐波信号，再通过PID控制载波解调相位θ，使其稳定在x方向标准磁场信号幅度最低处，即所需的θ＝0。
所述的步骤3消除由于Rb磁力仪状态改变引起的Xe原子核磁矩信号幅度的变化。具体可利用NMRG的y方向磁场线圈产生一避开Xe原子共振频率的频率幅度固定的标准振荡磁场信号。由于标准信号输入幅度不变，Rb磁力仪测得该信号的幅度变化只与其自身状态相关，满足：
于是将进入锁相环之前的Rb磁力仪测得的Xe核磁矩信号除以Rb磁力仪测得的y方向标准信号幅度就可以去掉由于Rb磁力仪状态改变引起的Xe原子核磁矩信号幅度的变化。
所述的步骤4由sin(φ-arctan(τ2ω1))可知，Rb磁力仪对测得Xe核磁矩信号相位的影响可以通过其测得y方向标准磁场信号相位的变化，再乘以标准信号与Xe核磁矩信号的频率比例进行消除。具体来说，先求得y方向标准磁场信号相位变化的正切值τ2ωs‘，然后通过与Xe核磁矩信号的频率比例将其变为τ2ω1，再求反正切arctan(τ2ω1)并将其加入到信号Sig中，从而抵消掉Rb原子磁力仪对其测得的Xe核磁矩信号的影响。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够有效抑制NMRG中内嵌碱金属磁力仪工作状态对陀螺输出信号的影响，提高陀螺性能，同时降低对硬件设计的要求。
2、本发明能够充分利用NMRG现有硬件系统，通过算法改进实现对碱金属与稀有气体原子耦合效应的抑制，无需增加新的硬件设备。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明碱金属磁力仪载波频率对NMRG信号的影响示意图；
图2为本发明碱金属磁力仪载波解调相位对NMRG信号的影响示意图；
图3为本发明耦合效应对NMRG双同位素差动效果的影响示意图；
图4为本发明抑制耦合效应的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法，包括以下步骤：
1、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪零阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波频率稳定到碱金属原子共振频率；
2、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪一阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感；
3、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的幅值变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号幅度的变化；
4、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的相位变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号相位的变化。从而在NMRG输出信号中去除碱金属磁力仪工作状态改变的影响，消除耦合效应。
实施例1：以NMRG中常用的基于锁相环闭环的Rb-Xe系统为例。输入锁相环的信号是Rb磁力仪测得的Xe原子核磁矩信号，既包含Xe原子核磁矩的信息，还会受到Rb磁力仪本身状态的影响：
其中B1表示由锁相环输出的横向闭环激励磁场幅值，ω1表示Xe原子核磁矩的闭环共振频率，τ2表示Rb原子横向弛豫时间，γRb表示Rb原子旋磁比，M0表示碱金属原子平衡磁矩，B0表示纵向主磁场，Bc表示纵向载波磁场，ωc表示载波磁场频率，θ表示载波解调相位，Jn表示贝塞尔函数，K0表示Xe原子平衡磁矩，K⊥表示Xe原子横向磁矩，Γ1、Γ2表示Xe原子的纵向、横向弛豫率，γXe表示Xe原子的旋磁比，φ表示Xe原子磁矩进动相位，β表示Xe原子磁矩进动相位与横向激励磁场相位之差，ωr表示系统转动角速度，p表示Rb磁矩信号的谐波阶数，n表示Rb磁矩信号的展开阶数，一般只用考虑n使得γRbB0+nωc≈0的项。这里已经把从磁矩到磁场的比例系数直接吸收到磁矩中。
此时锁相环输出相位应等于横向激励磁场相位φ-β，其中α为实际系统中用于调节激励磁场与Xe核磁矩进动信号之间的相位差β。于是有
可知激励磁场与Xe原子核磁矩进动的相位差β不仅与输入控制量α相关，还与整个Rb-Xe系统的物理参数相关，如Rb原子磁力仪的载波频率ωc与解调相位θ等。而这个相位差β又会通过公式ω1＝γXeB0+ωr-Γ2tanβ影响Xe原子的闭环共振频率ω1，从而影响NMRG最终的双同位素差动频率信号输出ω129、ω131与γXe129、γXe131分别为129Xe、131Xe的闭环共振频率与旋磁比。此即本发明中所谓的碱金属与稀有气体原子之间的耦合效应。
图1与图2给出了NMRG最终输出差动频率信号受Rb磁力仪载波频率与解调相位的影响(fbc表示以Hz为单位的载波频率ωc)。更严重的是，这种耦合响应还会显著提升两种同位素差动信号对磁场波动的敏感性，从而降低NMRG的磁场环境稳定性。如图3所示，可以看到差动频率输出受主磁场B0的影响。
本发明的第一步是将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率ωc+γRbB0＝0。首先，利用NMRG中的x方向线圈产生一频率(ωs≠ω1)幅度固定的标准振荡磁场信号，利用低通滤波器选取磁力仪的零阶谐波信号，该信号测得x方向标准磁场信号幅度满足关系：
可知ωc+γRbB0＝0时测得的标准信号幅度为零。于是可以利用PID控制载波频率ωc，使得测得的标准磁场信号幅度为零，从而将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率。
第二步，将Rb原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感，即θ＝0。由于Rb磁力仪一阶谐波信号测得的x方向标准振荡磁场信号幅值与载波解调相位θ有关，且测得信号幅值最小时有：
可知在第一步实现了ωc+γRbB0＝0后，磁力仪一阶谐波信号测得x方向标准信号幅度最小时即为需要的θ＝θmin＝0。于是可以在系统中采用带通滤波器选取磁力仪一阶谐波信号，再通过PID控制载波解调相位θ，使其稳定在x方向标准磁场信号幅度最低处，即所需的θ＝0。
通过以上两步实现ωc+γRbB0＝0与θ＝0后，进入锁相环的信号(1)式化简为：
可知，此时的信号仍然受到Rb磁力仪物理参数的影响，如M0、τ2等。因此还需要继续进行本发明的第三步，消除由于Rb磁力仪状态改变引起的Xe原子核磁矩信号幅度的变化。具体可利用NMRG的y方向磁场线圈产生一避开Xe原子共振频率的频率幅度固定的标准振荡磁场信号。由于标准信号输入幅度不变，Rb磁力仪测得该信号的幅度变化只与其自身状态相关，满足：
于是将进入锁相环之前的Rb磁力仪测得的Xe核磁矩信号除以Rb磁力仪测得的y方向标准信号幅度就可以去掉由于Rb磁力仪状态改变引起的Xe原子核磁矩信号幅度的变化。
最后，由sin(φ-arctan(τ2ω1))可知，Rb磁力仪对测得Xe核磁矩信号相位的影响可以通过其测得y方向标准磁场信号相位的变化，再乘以标准信号与Xe核磁矩信号的频率比例进行消除。具体来说，先求得y方向标准磁场信号相位变化的正切值τ2ωs‘，然后通过与Xe核磁矩信号的频率比例将其变为τ2ω1，再求反正切arctan(τ2ω1)并将其加入到信号Sig中，从而抵消掉Rb原子磁力仪对其测得的Xe核磁矩信号的影响。
按照上述实施，便可以很好的实现本发明。需要说明的是，基于上述理论设计方法，即使在本发明基础上做出原子类别、碱金属磁力仪信号谐波阶数及一些无实质性的改动和润色，其也应当在本发明的保护范围内。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种抑制碱金属与稀有气体原子耦合效应的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪零阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波频率稳定到碱金属原子共振频率；
(2)、通过外加x方向标准磁场参考信号，利用NMRG内嵌碱金属磁力仪一阶信号特性，将碱金属原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感；
(3)、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的幅值变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号幅度的变化；
(4)、通过外加y方向标准磁场参考信号，利用碱金属磁力仪测得该信号的相位变化，来抵消掉由于碱金属原子极化率等改变引起的稀有气体原子核磁矩信号相位的变化；从而在NMRG输出信号中去除碱金属磁力仪工作状态改变的影响，消除耦合效应；
所述的步骤(1)是将是将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率ωc+γRbB0＝0；首先，利用NMRG中的x方向线圈产生一频率(ωs≠ω1)幅度固定的标准振荡磁场信号，利用低通滤波器选取磁力仪的零阶谐波信号，该信号测得x方向标准磁场信号幅度满足关系：
可知ωc+γRbB0＝0时测得的标准信号幅度为零；于是可以利用PID控制载波频率ωc，使得测得的标准磁场信号幅度为零，从而将Rb原子磁力仪的载波频率稳定到其共振频率；其中，ω1表示Xe原子核磁矩的闭环共振频率，τ2表示Rb原子横向弛豫时间，γRb表示Rb原子旋磁比，B0表示纵向主磁场，Bc表示纵向载波磁场，ωc表示载波磁场频率；
所述的步骤(2)是将Rb原子磁力仪的载波解调相位稳定到只对y方向磁场敏感，即θ＝0；由于Rb磁力仪一阶谐波信号测得的x方向标准振荡磁场信号幅值与载波解调相位θ有关，且测得信号幅值最小时有：
可知在步骤(1)实现了ωc+γRbB0＝0后，磁力仪一阶谐波信号测得x方向标准信号幅度最小时即为需要的θ＝θmin＝0；于是在系统中采用带通滤波器选取磁力仪一阶谐波信号，再通过PID控制载波解调相位θ，使其稳定在x方向标准磁场信号幅度最低处，即所需的θ＝0；其中，θ表示载波解调相位；
所述的步骤(3)消除由于Rb磁力仪状态改变引起的Xe原子核磁矩信号幅度的变化；具体可利用NMRG的y方向磁场线圈产生一避开Xe原子共振频率的频率幅度固定的标准振荡磁场信号；由于标准信号输入幅度不变，Rb磁力仪测得该信号的幅度变化只与其自身状态相关，满足：
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所述的步骤(4)由sin(φ-arctan(τ2ω1))可知，Rb磁力仪对测得Xe核磁矩信号相位的影响可以通过其测得y方向标准磁场信号相位的变化，再乘以标准信号与Xe核磁矩信号的频率比例进行消除；具体来说，先求得y方向标准磁场信号相位变化的正切值τ2ωs‘，然后通过与Xe核磁矩信号的频率比例将其变为τ2ω1，再求反正切arctan(τ2ω1)并将其加入到信号Sig中，从而抵消掉Rb原子磁力仪对其测得的Xe核磁矩信号的影响。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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