CN113804173B - 一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，该方法以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对抽运光和检测光非正交的问题，建立了一种抽运光和检测光正交优化方案。把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率，施加梯度磁场使核子退极化后，通过瞬时开断抽运光，调节抽运光位置和指向直至输出信号为零，可以找到一组抽运光的位置和指向信息，即一组正交点。同时结合系统工作在磁强计状态下，找到使磁场响应达到最大的正交点。该方法以系统输出信号为光路正交的评估标准，减少了中间参量作为评估标准时带来的误差，达到了在满足检测光和抽运光正交设计需求的同时还可以使灵敏度最大的设计效果。
Description
技术领域
本发明涉及光路正交技术，特别是一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，可应用于原子自旋惯性测量装置，所述光路正交指抽运光和检测光的正交。
背景技术
近年来，原子自旋惯性测量系统成为新一代高精度惯性测量系统的重要发展方向。原子自旋惯性测量系统要求抽运光和检测光正交。工作在抽运光和检测光正交状态下是实现准确测量的基本要求，尤其是对于超高精度的原子自旋惯性测量系统来说非正交会大大限制惯性测量系统的灵敏度。为保证原子自旋惯性测量系统的高精度，需要抽运光与检测光正交，消除两者的非正交角带来的误差，提高惯性测量系统的精度和灵敏度。
目前，传统的调节抽运光和检测光正交的方法主要有两种：一种是通过红外观察镜直接用肉眼观察判断，这种方法会带来人观察时的判断误差，并且无法找到使系统灵敏度达到最大的最优正交点；另一种方法是，观察抽运光经过气室后的出射光强，与进入气室前的抽运光强对比，使透射率最小为最优工作点，这种方法虽然能保证工作在灵敏度最大点，但是需要监测抽运光的经过气室前后的光强，对系统要求高，通用性低。
综上，随着原子自旋磁场\惯性测量技术的发展和应用的普及，针对原子自旋惯性测量系统的光路正交系统设计有了广阔的前景，而这方面的研究实践研究还比较缺乏。本专利从总体出发，研究原子自旋惯性测量系统的光路正交方法，将为相似的原子自旋测量装置设计提供指导和借鉴。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服原子自旋惯性测量系统抽运光与检测光非正交的的缺陷，提供一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，用以提高原子自旋惯性测量系统的精度和灵敏度。
本发明的技术解决方案如下：
一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，调整SERF原子自旋惯性测量系统至正常工作状态后把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率并施加梯度磁场使核子退极化，然后对抽运光进行操作以通过系统输出信号为零时抽运光和检测光正交的规律获取若干个正交点所各自对应的抽运光位置信息和抽运光指向信息，然后将检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率至系统工作在磁强计状态下，在敏感轴方向施加激励信号，找到使磁强计磁场响应最大的正交点为灵敏度达到最大的正交点，即光路正交最优点。
具体包括以下步骤：
步骤1，调整SERF原子自旋惯性测量系统到正常工作状态；
步骤2，调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率；
步骤3，关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；
步骤4，改变抽运光的光源位置，调整抽运光指向，通过短时间打开抽运光使得碱金属原子的电子产生极化而核子仍然保持退极化，找到打开抽运光时系统输出信号过零点的两个位置边界并记录抽运光位置信息和抽运光指向信息；
步骤5，在位置边界范围内按照预定步长移动抽运光的光源位置并调整抽运光指向直至系统输出信号为零，记录一组抽运光位置信息和抽运光指向信息；
步骤6，将远失谐的检测光频率调回到工作频率，减小抽运光功率后打开抽运光，使系统工作在磁强计状态下并在敏感轴方向施加激励信号；
步骤7，按照记录的抽运光位置信息和抽运光指向信息调整抽运光，找到磁强计磁场响应最大的点作为最优工作点。
所述步骤7中的最优工作点即光路正交最优点。
所述正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。
所述抽运光位置信息为入射碱金属气室的抽运光光源的空间三维位置信息，抽运光指向信息为抽运光的俯仰角和偏航角信息。
所述步骤4或步骤5中如果出现抽运光使核子极化，则关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场，然后再操作抽运光以获取抽运光位置信息和抽运光指向信息。
所述步骤4中碱金属原子的电子极化，在检测光方向电子极化率
其中，Ds一般为一常数值，该常数值与电子弛豫率、电子旋磁比、系统剩磁和光频移有关，γe是电子旋磁比，是电子弛豫率，/>为抽运光方向电子极化率，Ω为角速度信号，γ为常数，该常数值与电子旋磁比、核子旋磁比以及减慢因子有关，/>为非正交角带来的检测光方向的电子极化率，检测光为线偏振光，通过极化的气室后，受同方向的/>的影响，线偏振面会发生旋转，旋转角θ为：
其中K为检测光方向电子极化率与线偏振面旋转角之间的转换系数，当抽运光与检测光正交时大小为零，即信号输出为零。
本发明的技术效果如下：本发明的一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对抽运光和检测光非正交的问题，建立了一种抽运光和检测光正交优化方案。把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率，施加梯度磁场使核子退极化后，通过瞬时开断抽运光，调节抽运光位置和指向直至输出信号为零，可以找到一组抽运光的位置和指向信息，即一组正交点。同时结合系统工作在磁强计状态下，找到使磁场响应达到最大的正交点。该方法以系统输出信号为光路正交的评估标准，减少了中间参量作为评估标准时带来的误差，达到了在满足检测光和抽运光正交设计需求的同时还可以使灵敏度最大的设计效果。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提出的一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，直接以真实的惯性测量系统信号为光路正交的评估标准，减少了通过其他参量作为评估标准时带来的误差提高了准确性，达到了在满足检测光和抽运光正交设计需求的同时还可以使系统灵敏度最大，进一步提高了信噪比。同时该方法直接通过输出信号进行调节，避免了传统方法还需要增加其他监测量给系统带来复杂度的缺陷，还可以作为非正交故障诊断的评估标准，提高了故障诊断的实时性。
附图说明
图1是实施本发明一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法的流程示意图。图1中包括：步骤1，调整SERF原子自旋惯性测量系统到正常工作状态；步骤2，调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率；步骤3，关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；步骤4，大范围改变光源位置，调整抽运光指向，迅速开断抽运光，找到开抽运光时输出信号过零点的两个位置边界并记录位置信息和抽运光指向信息；步骤5，关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；步骤6，在位置边界范围内，以较小的步长移动光源，并调整抽运光指向直至输出信号为零，记录位置信息和抽运光指向信息；步骤7，将远失谐的检测光频率调回工作频率；步骤8，减小抽运光功率并打开抽运光使系统工作在磁强计状态，并在敏感轴方向施加激励信号；步骤9，按照记录的位置信息和指向信息调整抽运光，找到磁强计磁场响应最大的点作为最优点，至此，SERF原子自旋惯性测量系统的抽运光与检测光正交，且系统灵敏度达到最大。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法的流程示意图。参考图1所示，一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，调整SERF原子自旋惯性测量系统至正常工作状态后把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率并施加梯度磁场使核子退极化，然后对抽运光进行操作以通过系统输出信号为零时抽运光和检测光正交的规律获取若干个正交点所各自对应的抽运光位置信息和抽运光指向信息，然后将检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率至系统工作在磁强计状态下，在敏感轴方向施加激励信号，找到使磁强计磁场响应最大的正交点为灵敏度达到最大的正交点，即光路正交最优点。具体包括以下步骤：步骤1，调整SERF原子自旋惯性测量系统到正常工作状态；步骤2，调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率；步骤3，关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；步骤4，改变抽运光的光源位置，调整抽运光指向，通过短时间打开抽运光使得碱金属原子的电子产生极化而核子仍然保持退极化，找到打开抽运光时系统输出信号过零点的两个位置边界并记录抽运光位置信息和抽运光指向信息；步骤5，在位置边界范围内按照预定步长移动抽运光的光源位置并调整抽运光指向直至系统输出信号为零，记录一组抽运光位置信息和抽运光指向信息；步骤6，将远失谐的检测光频率调回到工作频率，减小抽运光功率后打开抽运光，使系统工作在磁强计状态下并在敏感轴方向施加激励信号；步骤7，按照记录的抽运光位置信息和抽运光指向信息调整抽运光，找到磁强计磁场响应最大的点作为最优工作点。
所述步骤7中的最优工作点即光路正交最优点。所述正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。所述抽运光位置信息为入射碱金属气室的抽运光光源的空间三维位置信息，抽运光指向信息为抽运光的俯仰角和偏航角信息。所述步骤4或步骤5中如果出现抽运光使核子极化，则关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场，然后再操作抽运光以获取抽运光位置信息和抽运光指向信息。
所述步骤4中碱金属原子的电子极化，在检测光方向电子极化率
其中，Ds一般为一常数值，该常数值与电子弛豫率、电子旋磁比、系统剩磁和光频移有关，γe是电子旋磁比，是电子弛豫率，/>为抽运光方向电子极化率，Ω为角速度信号，γ为常数，该常数值与电子旋磁比、核子旋磁比以及减慢因子有关，/>为非正交角带来的检测光方向的电子极化率，检测光为线偏振光，通过极化的气室后，受同方向的/>的影响，线偏振面会发生旋转，旋转角θ为：
其中K为检测光方向电子极化率与线偏振面旋转角之间的转换系数，当抽运光与检测光正交时大小为零，即信号输出为零。
本发明需要解决的技术问题是：克服原子自旋惯性测量系统抽运光与检测光非正交的的缺陷，提供一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，用以提高原子自旋惯性测量系统的精度和灵敏度。
一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于：首先调整原子自旋惯性测量系统至正常工作状态；把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率，施加梯度磁场使核子退极化；调节抽运光的位置，迅速开断抽运光，观察打开抽运光时系统输出信号，调节抽运光指向直至输出信号为零，此时抽运光和检测光正交，记录抽运光位置信息和指向信息；重复上述步骤找到一组正交点的抽运光的位置信息和指向信息；将检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率至系统工作在磁强计状态下，在敏感轴方向施加激励信号，找到使磁强计磁场响应最大的正交点为灵敏度达到最大的正交点，即光路正交最优点。
所述方法包括以下步骤：
(1)首先把原子自旋惯性测量系统安装在稳定平台上，调整惯性测量系统至正常工作状态；
(2)调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率；
(3)关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；
(4)大范围改变光源位置，并调整抽运光指向后，迅速开断抽运光使电子极化，观察打开抽运光时系统输出信号，找到输出信号过零点的两个位置边界并记录位置信息和抽运光指向信息；
(5)在位置边界范围内，以较小的步长移动光源位置后，调整抽运光指向直至输出信号为零，记录一组位置信息和抽运光指向信息；
(6)将远失谐的检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率后打开抽运光，使系统工作在磁强计状态下并在敏感轴方向施加激励；
(7)按照记录的位置信息和指向信息调整抽运光，找到磁强计磁场响应最大的点作为最优工作点；
步骤(1)包括：调整惯性测量系统至正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定的弱磁环境下。
本发明的原理是：当原子自选惯性测量系统正常工作后调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率，可以避免检测光对碱金属原子的抽运作用。
步骤(4)包括：1)当惰性气体的核子被超极化至平衡后其抽运光方向核自旋极化率为：
其中，为碱金属原子电子极化率，Rse为碱金属原子与惰性气体21Ne核子自选交换弛豫率，Γ为惰性气体核子由泡壁碰撞、磁场梯度等引起的弛豫率。施加一个主动的磁场梯度时Γ变大，核自旋极化率会快速下降退极化。同时，关闭抽运光后碱金属原子也不会受到抽运作用，即系统中电子和核子均退极化。由于碱金属原子的电子极化时间很短，短时间的打开抽运光电子会完成极化，但是核子由于很长的极化时间不能完成极化，即系统中只有电子被极化具有宏观指向。
2)抽运光位置信息为入射碱金属气室的抽运光光源的空间的三维位置信息，抽运光的指向信息为抽运光的俯仰角和偏航角信息；
3)检测光方向电子极化率
其中，Ds一般为一常数值和电子弛豫率、电子旋磁比、系统剩磁和光频移有关，γe是电子旋磁比，是电子弛豫率，Pez为抽运光方向电子极化率，Ω为角速度信号，γ为常数和电子旋磁比、核子旋磁比以及减慢因子有关，/>为非正交角带来的检测光方向的电子极化率。当系统没有旋转时，只有抽运光和检测光的非正交角带来了检测光方向的电子极化率/>
检测光为线偏振光，通过极化的气室后，受同方向的的影响，线偏振面会发生旋转，旋转角θ为：
其中K为检测光方向电子极化率与线偏振面旋转角之间的转换系数。通过锁相放大器可以将线偏振面的旋转角解调转换为电压信号。当抽运光与检测光正交时为零，也就是/>大小为零，将不会带来线偏振面的旋转角θ，即信号输出为零。改变入射气室的抽运光光源的位置，按上述方法可以找到一组正交点，但是不是每一个正交点都可以使系统灵敏度达到最大。
步骤(6)包括：将远失谐的检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率后打开抽运光后，使系统处于磁强计状态，此时系统敏感检测光方向磁场，在敏感轴方向施加磁场激励，当磁强计磁场响应达到最大时系统灵敏度最大。
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (7)
1.一种原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，包括：调整SERF原子自旋惯性测量系统至正常工作状态后把检测光频率调到远失谐碱金属原子的共振频率并施加梯度磁场使核子退极化，然后对抽运光进行操作以通过系统输出信号为零时抽运光和检测光正交的规律获取若干个正交点所各自对应的抽运光位置信息和抽运光指向信息，然后将检测光频率调回工作频率，减小抽运光功率至系统工作在磁强计状态下，在敏感轴方向施加激励信号，找到使磁强计磁场响应最大的正交点为灵敏度达到最大的正交点，即光路正交最优点。
2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，调整SERF原子自旋惯性测量系统到正常工作状态；
步骤2，调整检测光频率到远失谐碱金属原子共振频率；
步骤3，关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场；
步骤4，改变抽运光的光源位置，调整抽运光指向，通过短时间打开抽运光使得碱金属原子的电子产生极化而核子仍然保持退极化，找到打开抽运光时系统输出信号过零点的两个位置边界并记录抽运光位置信息和抽运光指向信息；
步骤5，在位置边界范围内按照预定步长移动抽运光的光源位置并调整抽运光指向直至系统输出信号为零，记录一组抽运光位置信息和抽运光指向信息；
步骤6，将远失谐的检测光频率调回到工作频率，减小抽运光功率后打开抽运光，使系统工作在磁强计状态下并在敏感轴方向施加激励信号；
步骤7，按照记录的抽运光位置信息和抽运光指向信息调整抽运光，找到磁强计磁场响应最大的点作为最优工作点。
3.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，所述步骤7中的最优工作点即光路正交最优点。
4.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，所述正常工作状态是指：将充有K原子、Rb原子、21Ne原子和淬灭气体氮气的碱金属气室加热达到工作温度，磁屏蔽系统隔离环境磁场，使系统工作在稳定弱磁环境下。
5.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，所述抽运光位置信息为入射碱金属气室的抽运光光源的空间三维位置信息，抽运光指向信息为抽运光的俯仰角和偏航角信息。
6.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，所述步骤4或步骤5中如果出现抽运光使核子极化，则关闭抽运光，施加梯度磁场直至核子退极化后关闭梯度磁场，然后再操作抽运光以获取抽运光位置信息和抽运光指向信息。
7.根据权利要求2所述的原子自旋惯性测量系统的光路正交优化方法，其特征在于，所述步骤4中碱金属原子的电子极化，在检测光方向电子极化率
其中，Ds为一常数值，该常数值与电子弛豫率、电子旋磁比、系统剩磁和光频移有关，γe是电子旋磁比，是电子弛豫率，/>为抽运光方向电子极化率，Ω为角速度信号，γ为常数，该常数值与电子旋磁比、核子旋磁比以及减慢因子有关，/>为非正交角带来的检测光方向的电子极化率，检测光为线偏振光，通过极化的气室后，受同方向的/>的影响，线偏振面会发生旋转，旋转角θ为：
其中K为检测光方向电子极化率与线偏振面旋转角之间的转换系数，当抽运光与检测光正交时大小为零，即信号输出为零。
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2021
- 2021-08-19 CN CN202110956415.6A patent/CN113804173B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113804173A (zh) | 2021-12-17 |
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