CN113280801A - 基于混合抽运serf原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，通过改变碱金属气室的工作温度改变碱金属原子密度比，从而抑制混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移，使系统总光频移量趋于零。与改变抽运光频率来抑制光频移的方法相比，本发明所述方法不需要调节抽运光频率，可以保证抽运光频率更接近碱金属原子的吸收峰，提高抽运效率；并且，本发明所述方法可以用饱和吸收进行抽运光频率锁定，不需要额外的波长计等设备来稳定抽运光频率，不需要反复充制碱金属气室，且精度较高。本发明所述方法不需要增加额外的器件和装置，结构简单，易于实现，可以保证抽运效率，能有效地抑制光频移引起系统输出误差，提高测量精度和长期稳定性。

Description

基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法

技术领域

本发明涉及混合抽运SERF原子自旋惯性测量及磁场测量领域，具体涉及一种基于混合抽运SERF 原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，用于改变混合抽运中碱金属原子感受到总光频移的大小和方向。

背景技术

基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)技术的原子自旋惯性测量系统具有理论精度高、体积小、成本低等特点，是未来超高灵敏惯性角速度测量的发展方向，在导航、地质勘探、前沿科学研究等领域具有广泛的应用前景。要实现SERF态，必须增大碱金属原子的密度，通常通过加热碱金属气室的方式提高原子密度。其中基于混合抽运的SERF惯性测量系统由于具有极化梯度小等优势，得到了越来越广泛的应用。混合抽运使用甲、乙两种碱金属进行抽运，其中甲碱金属原子密度较低，其对应的光学深度OD较小，对光的吸收作用很弱，一般抽运光频率在甲碱金属原子D1(或D2)线附近，由于甲碱金属原子对光的吸收很少，抽运光通过气室几乎不衰减，因此极化较为均匀。另一种碱金属原子乙通过与甲碱金属原子的自旋交换碰撞极化。

在SERF原子自旋惯性测量领域，通常定义抽运光传播方向为Z轴，检测光方向为X轴，与X、Z 轴垂直的方向为Y轴，即敏感轴方向。理想状态下，X轴方向的检测光只输出Y轴方向的角速率信息；但是，由于光频移的存在，X轴和Y轴方向的角速率信息会耦合到一起，导致标度因数线性度变差，降低系统测量精度和稳定性。

发明内容

本发明提供一种基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，通过调节气室温度改变碱金属原子密度比，使得混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移趋于0，从而实现混合抽运 SERF原子自旋惯性测量系统的双轴解耦，提高测量精度。

本发明技术方案如下：

一种基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，通过调整碱金属气室的工作温度，改变碱金属气室内两种碱金属原子的密度比，进而使混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移量趋于零。

作为优选，本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，包括如下步骤：

步骤S1，启动混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统；

步骤S2，进行磁场补偿，使混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统处于正常工作状态；

步骤S3，测量混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统在该正常工作状态下的总光频移；

步骤S4，判断目前混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移是否在预定阈值内；如果总光频移在预定阈值内，至S6；如果总光频移不在预定阈值内，改变碱金属气室的工作温度，待原子重新极化稳定，至S5；

步骤S5，重复步骤S2-步骤S4，直至总光频移在预定阈值内；

步骤S6，光频移抑制结束。

作为优选，步骤S2中，所述磁场补偿采用磁场交叉调制补偿方法，通过混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的三维磁补偿线圈实现，具体包括如下步骤：

步骤S2.1，使用Y方向磁补偿线圈在Y方向施加幅度为a₁×10²pT的方波磁场；改变Z轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Y方向调制磁场的稳态响应差值为0，即找到Z轴磁场补偿点，记录为Bzc；其中，a₁为1到10之间的常数；

步骤S2.2，用Z方向磁补偿线圈在Z方向施加幅度为a₂×10²pT、偏置为Bzc的方波磁场，改变Y轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到Y轴磁场补偿点；其中，a₂为1到10之间的常数；

步骤S2.3，用Z方向磁补偿线圈在Z方向施加幅度为a₃×10²pT、偏置为(Bzc+a₃×10²pT) 的方波磁场，改变X轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到X轴磁场补偿点；其中，a₃为1到10之间的常数。

作为优选，步骤S3中，测量混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统正常工作状态下的总光频移，采用“S”曲线方法，具体包括如下步骤：

步骤S3.1，在Y轴即敏感轴方向施加幅度为b×10²pT，频率几十毫赫兹的方波调制磁场；其中，b为1 到10之间的常数；

步骤S3.2，在Z轴磁场补偿点为Bzc时，记录对应方波调制磁场高电平的系统稳态响应为V_h0，对应低电平的系统稳态响应为V_l0，两个稳态响应的差值记为V₀＝V_h0—V_l0；

步骤S3.3，将Z轴磁场依次递增和/或递减1nT，记为B_i(i＝1,2,3……)，对应的两个稳态响应的差值记为 V_i(i＝1,2,3……)；然后按照以下公式进行拟合：V_i＝A*(B_i-B_c)/((B_i-B_c+L)²+B²)，其中拟合得到的参数L为即为混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移，B_c为混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的自补偿点，B代表混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总弛豫率，A是一个与混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统有关的系数。

作为优选，步骤S4中，预定阈值为一趋于零的数值。

作为优选，步骤S4中，预定阈值不大于1×10^-2。

作为优选，所述混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的碱金属气室中，碱金属原子为K和Rb。

作为优选，混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移的升降与碱金属气室的工作温度的升降或降升呈正相关。

本发明相对于现有技术优势在于：本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，通过改变碱金属气室的工作温度就可以有效的改变碱金属原子密度比，从而抑制混合抽运SERF 原子自旋惯性测量系统的总光频移，使总光频移量趋于零。与改变抽运光频率来抑制光频移的方法相比，本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法不需要调节抽运光频率，可以保证抽运光频率更接近碱金属原子的吸收峰，提高抽运效率；并且，本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法可以用饱和吸收进行抽运光频率锁定，不需要额外的波长计等设备来稳定抽运光频率，与在充制气室时改变碱金属原子摩尔质量比来调节原子密度的方法相比，本方法不需要反复充制碱金属气室，且密度比调节精度较高。总之，本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法不需要增加额外的器件和装置，结构简单，易于实现，可以保证抽运效率，能有效地抑制光频移引起系统输出误差，提高测量精度和长期稳定性。

附图说明

图1为本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法的流程图；

图2为本发明所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法中使用的混合抽运 SERF原子自旋惯性测量系统的简单结构示意图。

图中各标记为：1—抽运激光器，2—抽运光学系统，3—电流源，4—数据采集系统，5—光电探测器， 6—偏振分光器件，7—磁屏蔽系统，8—X方向磁补偿线圈，9—Y方向磁补偿线圈，10—检测光学系统， 11—检测激光器，12—高精度速率转台，13—加热电路控制系统，14—烤箱，15—碱金属气室，16—Z方向磁补偿线圈。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。

一种基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，通过调节碱金属气室温度，改变碱金属气室内两种碱金属原子的数密度，即改变两种碱金属的密度比，进而调节系统的总光频移。

如图1-图2所示，为基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法的流程图和混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的简单结构示意图。

基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，具体实施步骤如下：

步骤S1，启动混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统，加热碱金属气室，使碱金属原子达到极化稳定的状态；

步骤S2，使用磁场交叉调制补偿方法进行磁场补偿，使混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统正常工作；

其中，混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统将含有K(钾)和Rb(铷)两种碱金属原子的碱金属气室15安装在烤箱14中，烤箱14由加热电路控制系统13驱动，改变加热电路控制系统13的设定值就可以相应改变烤箱14的温度，进而改变碱金属气室15的温度。所述混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统采用三维磁补偿线圈进行磁场补偿，所述三维磁补偿线圈包括X方向磁补偿线圈8、Y方向磁补偿线圈9 和Z方向磁补偿线圈16，三维磁补偿线圈通过电流源3驱动。抽运激光器1输出的激光经过抽运光学系统 2，实现抽运光的功率稳定和频率稳定、光斑直径扩大、抽运激光方向改变并转变为圆偏振光后，将抽运光照射到碱金属气室上，抽运光与来自检测激光器11的检测光正交。检测激光器11输出的检测光经过检测光学系统10，实现检测光的功率稳定和频率稳定并把检测光变为线偏振光后通过碱金属气室15和偏振分光器件6；偏振分光器件6分出的两束光分别照射到两个光电探测器5上，光电探测器5将光信号转换为电信号，然后由数据采集系统4采集并保存。磁屏蔽系统7屏蔽外界磁场，为原子SERF态提供极弱磁环境。混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统放置在高精度速率转台12上，以标定系统的标度因数并测量标度因数的线性度。

所述磁场补偿采用通过三维磁补偿线圈实现的磁场交叉调制补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤S2.1，将Y方向磁补偿线圈9在Y方向施加幅度为200pT的方波磁场，改变Z方向磁场，使得混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的惯性角速率测量系统对Y方向调制磁场的稳态响应差值为0，即找到Z磁场补偿点，记录为为Bzc＝160nT；

步骤S2.2，用Z方向磁补偿线圈16在Z方向施加幅度为200pT、偏置为160nT的方波磁场，改变Y 方向磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到Y磁场补偿点；

步骤S2.3，用Z方向磁补偿线圈16在Z方向施加幅度为200pT、偏置为(160nT+200pT)的方波磁场，改变X方向磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到X磁场补偿点。

步骤S3，采用“S”曲线方法测量当前气室工作温度下的总光频移，

“S”曲线方法测量光频移的具体步骤为：

步骤S3.1，检测到的当前温度T₀＝453.15K，在此气室温度条件下，通过Y方向磁补偿线圈9在Y轴即敏感轴方向主动施加幅度为100pT、频率为35mHz的方波形调制磁场；

步骤S3.2，在Z轴磁场补偿点为Bzc时，记录对应方波调制磁场高电平的系统稳态响应为V_h0，对应低电平的系统稳态响应为V_l0，两个稳态响应的差值记为V₀＝V_h0-V_l0；

步骤S3.3，将Z轴磁场以补偿点Bzc为起点，分别依次递增、递减1nT各5次，记为Bi(i＝1,2,3……)，对应的两个稳态响应的差值记为Vi(i＝1,2,3……)，得到11组(Bi，Vi)；然后按照以下公式进行拟合： V_i＝A*(B_i-B_c)/((B_i-B_c+L)²+B²)，其中拟合得到的参数L为系统的光频移，Bc为自补偿点，B代表总弛豫率， A是一个与系统有关的系数，得到总光频移L＝-0.913nT；其中，系数A随混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光电转换系数及电路系统等参数的变化而改变。

步骤S4，判断目前混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移是否趋于零或是否处于低于1× 10^-2的数量级，由于总光频移L＝-0.913nT，并不趋于零，也不处于低于1×10^-2的数量级，则改变气室工作温度，将碱金属气室工作温度升高到458.15K，待原子重新极化稳定后进行步骤S5；

步骤S5，重复步骤S2-步骤S4，测得总光频移L＝-1.331nT，相比T₀＝453.15K时，总光频移更加偏离零点，故而将气室温度调到低于T₀＝453.15K，且每隔3K，重复步骤S2-步骤S4并测总光频移；直至碱金属气室工作温度为447.15K时得到的总光频移值大于零，则在447.15K与450.15K之间，逐渐逼近使得总光频移接近于0，且处于低于1×10^-2的数量级，最终当碱金属气室工作温度为449.55K时，L＝-0.00152；

S6，光频移抑制结束。

优选地，混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移趋于零时的碱金属气室的工作温度，根据碱金属原子的种类及其气室制作时的配比(密度比)确定，且如果总光频移为正值，升高温度，总光频移值增加，则降低温度总光频移值一定降低；如果总光频移为负值，升高温度，总光频移值增加，则降低温度总光频移值一定降低。也即为总光频移的升降与碱金属气室的工作温度的升降或降升呈正相关。

发明人在得到上述方法后，对其进行理论验证，其过程如下：

定义抽运光传播方向为Z轴，检测光方向为X轴，与X、Z轴垂直的方向为Y轴，即敏感轴方向。电子极化率P^e在X轴的分量

代表敏感轴Y轴方向的角速率。但是由于光频移的存在，使得

也可以敏感到X轴方向的角速率，造成双轴耦合。其理论公式如下所示：

其中，

是电子极化率在Z轴的分量，

是电子总弛豫率，γ_e是电子旋磁比，γ是核子旋磁比，δB_z是Z轴方向的残余磁场，可以通过补磁场的方式精确调零，Ω_x和Ω_y分别代表X轴方向和Y轴方向的角速率，L_z是系统总的光频移。通过以上公式可以看出，光频移是引起双轴耦合的主要因素。因此，减小光频移是实现双轴解耦，提高测量精度的有效手段。

本发明人在研究光频移时，发现混合抽运系统中总光频移为L_z＝D_r*L₁+L₂，其中D_r为两种碱金属原子的密度比，L₁为密度较小的碱金属原子的光频移，L₂为密度较大的碱金属原子的光频移。

根据拉乌尔定律，可知两种碱金属原子的密度比D_r＝(n₁*f₁)/(n₂*f₂)，n₁、n₂分别为两种碱金属院子的饱和蒸气压，f₁、f₂分别为两种碱金属原子的摩尔质量比。而饱和蒸气压与碱金属气室的温度有关，饱和蒸气压

其中，T代表气室温度，n_A、n_B是与碱金属原子种类有关的常数，碱金属原子一旦确定，这两个参数就确定。下表列出了几种常用碱金属原子的n_A、n_B：

经以上分析可知，原子密度比与气室温度的关系如下：

Dr＝10^{[n1-n2-(n1-n2)/T]}×(f₁/f₂)

综上，本发明人通过实验验证并经过理论验证了本发明所述方法，即通过改变气室温度可以有效的改变碱金属原子密度比，从而抑制系统总光频移。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，通过调整碱金属气室的工作温度，改变碱金属气室内两种碱金属原子的密度比，进而使混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移量趋于零。

2.根据权利要求1所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，启动混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统；

步骤S2，进行磁场补偿，使混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统处于正常工作状态；

步骤S3，测量混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统在该正常工作状态下的总光频移；

步骤S4，判断目前混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移是否在预定阈值内；如果总光频移在预定阈值内，至步骤S6；如果总光频移不在预定阈值内，改变碱金属气室的工作温度，待原子重新极化稳定，至步骤S5；

步骤S5，重复步骤S2-步骤S4，直至总光频移在预定阈值内；

步骤S6，光频移抑制结束。

3.根据权利要求2所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，步骤S2中，所述磁场补偿采用磁场交叉调制补偿方法，通过混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的三维磁补偿线圈实现，具体包括如下步骤：

步骤S2.1，使用Y方向磁补偿线圈在Y方向施加幅度为a₁×10²pT的方波磁场；改变Z轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Y方向调制磁场的稳态响应差值为0，即找到Z轴磁场补偿点，记录为Bzc；其中，a₁为1到10之间的常数；

步骤S2.2，用Z方向磁补偿线圈在Z方向施加幅度为a₂×10²pT、偏置为Bzc的方波磁场，改变Y轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到Y轴磁场补偿点；其中，a₂为1到10之间的常数；

步骤S2.3，用Z方向磁补偿线圈在Z方向施加幅度为a₃×10²pT、偏置为(Bzc+a₃×10²pT)的方波磁场，改变X轴磁场，使得惯性角速率测量系统对Z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到X轴磁场补偿点；其中，a₃为1到10之间的常数。

4.根据权利要求3所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，步骤S3中，测量混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统正常工作状态下的总光频移，采用“S”曲线方法，具体包括如下步骤：

步骤S3.1，在Y轴即敏感轴方向施加幅度为b×10²pT，频率几十毫赫兹的方波调制磁场；其中，b为1到10之间的常数；

步骤S3.2，在Z轴磁场补偿点为Bzc时，记录对应方波调制磁场高电平的系统稳态响应为V_h0，对应低电平的系统稳态响应为V_l0，两个稳态响应的差值记为V₀＝V_h0—V_l0；

步骤S3.3，将Z轴磁场依次递增和/或递减1nT，记为B_i(i＝1,2,3……)，对应的两个稳态响应的差值记为V_i(i＝1,2,3……)；然后按照以下公式进行拟合：V_i＝A*(B_i-B_c)/((B_i-B_c+L)²+B²)，其中拟合得到的参数L为即为混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移，B_c为混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的自补偿点，B代表混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总弛豫率，A是一个与混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统有关的系数。

5.根据权利要求2-4之一所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，步骤S4中，预定阈值为一趋于零的数值。

6.根据权利要求2-4之一所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，步骤S4中，预定阈值不大于1×10^-2。

7.根据权利要求1所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，所述混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的碱金属气室中，碱金属原子为K和Rb。

8.根据权利要求1所述基于混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的光频移抑制方法，其特征在于，混合抽运SERF原子自旋惯性测量系统的总光频移的升降与碱金属气室的工作温度的升降或降升呈正相关。

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