CN114001724B - 一种用于serf原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法，步骤为：1、以陀螺仪底座为基准，在底座上方设定高度处建立可观测的统一空间坐标系；2、在陀螺仪底座上安装和调整泵浦光部件，使泵浦光部件光路指向与统一空间坐标系X轴方向重合；3、在陀螺仪底座上安装和调整探测光部件，使探测光部件的光路指向与统一空间坐标系的Y轴方向重合；4、在陀螺仪底座上安装组合件，组合件包括屏蔽筒部件、设置于屏蔽筒部件内的三维补偿线圈部件及设置于三维补偿线圈部件内部的原子气室及加热保温部件，调整三维补偿线圈部件轴向和径向位置，使三维补偿线圈部件的轴向和径向分别与统一空间坐标系的X轴方向和Y轴方向重合。本方法满足了SERF陀螺仪对组成部件空间三维正交重合的需求。

Description

一种用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的 方法

技术领域

本发明属于惯性测量传感器技术领域，涉及一种高精度、小体积的无自旋交换弛豫Spin Exchange Relaxation Free-SERF原子自旋陀螺仪，特别涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法。

背景技术

迄今为止多个国家已研制出多种类型的SERF陀螺仪原理验证系统，部分公司研制已处于工程化阶段。2005年普林斯顿大学利用K-³He原子源首次实现SERF原子自旋惯性测量原理验证，2011年完成第二代SERF陀螺实验装置。美国TWINLEAF公司获得美国国防部大力支持，进行SERF陀螺技术研究，表头尺寸小于Φ8cm*10cm。国内北京航空航天大学率先于2008年开展SERF陀螺仪研究，北京航天控制仪器研究所等研究院所也陆续开展研究，均取得较大进展。

SERF陀螺仪综合利用了碱金属原子的电子自旋和惰性气体的核自旋，通过操控碱金属原子的电子自旋工作于SERF态，提高自旋弛豫时间；操控惰性气体原子的核自旋与碱金属原子的电子自旋强耦合，补偿外界磁场变化隔离磁场影响，提高测量准确性。当载体转动时，原子自旋具有定轴性，探测激光固连在载体上而随载体转动，其与自旋的夹角反应了载体相对惯性空间转动。

SERF陀螺仪核心装置原理组成示意图如图1所示。通过泵浦光、线圈磁场对原子自旋的综合操控，可以实现原子自旋极化。当载体相对惯性空间转动时，固连于载体的泵浦激光跟随载体转动，将强迫原子自旋进动到泵浦激光方向。由于探测激光也固连于载体上，当载体相对惯性空间转动时，探测激光与原子自旋的夹角也会发生改变，夹角改变的大小反映了角速度的大小。探测激光会与原子自旋发生相互作用，不同的原子自旋指向使探测激光的线偏振方向发生改变，通过检测这一线偏振方向变化可以实现对角速度的测量。

由SERF陀螺仪工作原理可知，泵浦光与探测光之间的正交重合性、泵浦光探测光组成的坐标系与三维线圈磁场的坐标系直径的重合性，对SERF陀螺仪的测量精度至关重要。然而由于各功能模块的加工误差、组装误差，而且各功能模块三维坐标系的重合性很难测量，致使泵浦光、探测光与三维补偿线圈在空间三维各方向重合性较差，进而影响对原子的综合操控。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种可使泵浦光、探测光与三维补偿线圈在空间三维各方向中心重合，从而可实现对原子的精确综合操控的用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现:

一种用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、首先以陀螺仪底座为基准，通过激光探测方式在底座上方设定高度处建立可观测的统一空间坐标系；

步骤2、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装和调整泵浦光部件，使泵浦光部件光路指向与统一空间坐标系X轴方向重合；

步骤3、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装和调整探测光部件，使探测光部件的光路指向与统一空间坐标系的Y轴方向重合；

步骤4、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装组合件，组合件包括屏蔽筒部件、设置于屏蔽筒部件内的三维补偿线圈部件及设置于三维补偿线圈部件内部的原子气室及加热保温部件，调整三维补偿线圈部件轴向和径向位置，使三维补偿线圈部件的轴向和径向指向分别与统一空间坐标系的X轴方向和Y轴方向重合；Z轴方向由右手定制确定。

进一步的：步骤1包括：

步骤1.1首先以陀螺仪底座为基准，在底座表面安装四组定位销，四组定位销的安装位呈十字连线布置；

步骤1.2预制4件定位组件，在4个定位组件上的50mm高度位置制有φ0.5mm小孔，用于透光；

步骤1.3、将4个定位组件分别定位安装到四组定位销位置处，使四个定位组件的小孔呈十字连线布置，

步骤1.4、建立统一空间坐标系：其中一组相对的两个定位组件上的小孔中心连线构成统一空间坐标系的X轴，另一组相对的两个定位组件上的小孔中心连线构成统计空间坐标系的Y轴,X轴和Y轴的相交点为空间坐标系的原点，Z轴方向由右手定制确定。

更进一步的：步骤2具体为：将泵浦光部件以其光路指向为统一空间坐标系X轴方向置于陀螺仪底座上，在泵浦光部件下端与陀螺仪底座上端的前后位置插入调整垫片，并陀螺仪底座上位于在泵浦光部件的一侧安装微调装置，通过调整前后调整垫片的厚度，实现泵浦光部件俯仰角度及光高精确调节，通过微调装置调整泵浦光部件水平位置，使泵浦光部件的光路穿过X轴方向的两个定位组件上的小孔，实现泵浦光部件的光路指向与统一空间坐标系X轴方向重合。

更进一步的：步骤3具体为：将探测光部件以其光路指向为统一空间坐标系Y轴方向置于陀螺仪底座上，在探测光部件下端与陀螺仪底座上端的左右位置插入调整垫片，并在陀螺仪底座上位于在探测光部件的一侧安装微调装置，通过调整左右调整垫片的厚度，实现探测光部件俯仰角度及光高精确调节，通过微调装置调整探测光部件水平位置，使探测光部件的光路穿过Y轴方向的两个定位组件上的小孔，实现探测光部件的光路指向与统一空间坐标系Y轴方向重合。

更进一步的：步骤4具体为：

步骤4.1、在屏蔽筒部件上和三维补偿线圈部件上预制透光孔；

在制作屏蔽筒部件时，在屏蔽筒部件部件的轴向和径向均设置透光孔，在制作三维补偿线圈部件时，在线圈骨架轴向、径向分别设计定位通孔，在定位通孔内安装同轴对光件，同轴对光件的中心设置有φ0.5mm小孔，用于透光；

步骤4.2、先将屏蔽筒部件通过底部支撑座支撑在陀螺仪底座上端位于泵浦光部件的光路指向和探测光部件的光路指向相交的位置；然后将三维补偿线圈部件、原子气室及加热保温部件安装于屏蔽筒部件内；

步骤4.3、调整三维补偿线圈部件在屏蔽筒部件内位置，使泵浦光部件发出的泵浦光、探测光部件发出的探测光分别从线圈骨架上的轴向方向的同轴对光件的小孔和径向方向的同轴对光件的小孔通过，使三维补偿线圈部件的轴向和径向指向分别与统一空间坐标系的X轴方向和Y轴方向重合。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明设计的光路与磁场三维正交重合方法，统筹布局泵浦光部件、探测光部件、屏蔽筒部件以及三维补偿线圈部件，可满足SERF陀螺仪对组成部件空间三维正交重合的需求；

2、本发明设计的光路与磁场三维正交重合方法，首先以陀螺仪底座为基准，在底座上方建立可观测的统一空间坐标系，然后按此空间坐标系设计敏感装置各部件的空间布局，泵浦光部件光路指向为X轴，探测光部件光路指向为Y轴；三维补偿线圈部件轴向和径向分别指向统一空间坐标系的X轴、Y轴。设计各部件所需专用调整对正工具，使各部件坐标系与统一空间坐标系重合性满足要求；

3、本发明所设计的光路与磁场三维正交重合方法，三维正交重合原理清晰，设计简单，布局合理，工艺实施方便，调制稳定性好，实现对原子的精确综合操控，适用于SERF陀螺仪等系统。

附图说明

图1是SERF陀螺仪核心装置原理组成示意图；

图2是本发明提出的SERF陀螺仪核心部件空间布置示意图；

图3是本发明提出的三维正交重合示意图；

图4a是本发明提出的空间坐标系结构设计侧视图；

图4b是本发明提出的空间坐标系结构设计俯视图；

图5是本发明提出的空间坐标系结构最大偏差角计算图；

图6是本发明提出的专用调整垫片结构设计图；

图7是本发明提出的精密螺旋杆旋进微调装置结构设计图；

图8是本发明提出的高精度线圈骨架结构设计图；

图9是本发明提出的专用同轴对光件结构设计图；

图中：1.陀螺底座；11.定位销；2.等高十字定位组件；21.坐标系定位小孔；3.屏蔽筒；4.探测光组件；5.泵浦光组件；6.精密螺旋杆旋进微调装置；6.1.粗调部分；6.2.精调部分；7.专用调整垫片；7.1.开孔槽；8.高精度线圈骨架；81.X轴补偿线圈布线槽；82.Z轴补偿线圈布线槽；83.Y轴补偿线圈布线槽；84.Y轴定位孔；85.X轴定位孔；9.同轴对光组件；9.1.外圆；9.2.小孔；10、信号接收部件；11.微调支架。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

本发明的目的是提供一种光路与磁场三维正交重合的设计方法，使泵浦光、探测光与三维补偿线圈在空间三维各方向中心重合，重合性＜2mrad，实现对原子的精确综合操控。要求各部件三维正交重合原理清晰；同时要求结构简单，便于安装、调试。

本发明的目的是这样实现的：

图1是SERF陀螺仪核心装置原理组成示意图，可以清晰的看出核心装置的组成可分为：泵浦光部件、探测光部件、信号接收部件、屏蔽筒部件以及三维补偿线圈部件、气室及加热保温部件等部分。

图2是本发明提出的SERF陀螺仪核心部件空间布置示意图，可看出泵浦光部件、探测光部件、信号接收部件、屏蔽筒部件以及三维补偿线圈部件在空间成正交关系分布，各部件安装在陀螺底座上。

基于上述SERF陀螺仪核心部件的空间布局特点，本发明设计的光路与磁场三维正交重合方法，首先以陀螺仪底座为基准，在底座上方50mm处建立可观测的统一空间坐标系(通过激光探测)，然后按此空间坐标系设计各部件的空间布局，泵浦光部件光路指向为X轴，探测光部件光路指向为Y轴；三维补偿线圈部件轴向、径向，分别指向空间坐标系的X轴、Y轴；Z轴由右手定制确定，如图3所示。依据各部件功能及结构特点，设计各部件所需专用调整对正工装，使各部件坐标系与统一空间坐标系重合性满足要求。图3中略去信号接收部件(由于该部件光路重合性要求较低)，固不再图中显示。从图3中可看出整体结构设计紧凑，工艺实施方便。

下面结合附图4-9，对本发明一套应用于SERF陀螺仪，实现光路与磁场三维正交重合的方法作进一步详述。

图4a和图4b为发明1空间坐标系结构设计图，陀螺底座1；定位销11；等高十字定位组件2；坐标系定位小孔21。以陀螺仪底座为基准，在底座表面确定位置设计四组定位销11，每组定位销由三根组成，每组定位销可在陀螺仪底座表面确定一个定位点，用于准确定位等高十字定位组件2。然后设计等高十字定位组件(共4件)，在等高十字定位组件高度50mm处开有φ0.5mm小孔21。将4件等高十字定位组件以底座表面定位销11定位安装，由两组十字φ0.5mm小孔21即可组成一空间标系，此空间标系可以通过激光对正使用。陀螺仪各部件轴线均与空间坐标系对正。图5为一组十字φ0.5mm小孔21最大偏差角α计算图，以X轴线为例，两孔沿X轴线最大距离300mm，孔径0.5mm，在利用可见光对正时，可见光中心与X轴线两孔21重合性最大偏差角α＝arctan(0.5/300)≈1.7mrad,重合性＜2mrad。

泵浦光部件光路对正设计，此部件设计时充分考虑各方向均可调节。设计专用调整垫片7，调整光路部件支撑高度，实现俯仰角度及光高精确调节，同时满足光路部件稳定性需求。将泵浦光部件5所发激光调至水平，同时高度与坐标系定位小孔21等高。调整垫片厚度δ最小为0.005mm，泵浦光路部件长度50mm，计算可得角度调节精度为arctan(0.005/50)≈0.1mrad。垫片外形设计应便于操作，具体的：调整垫片插入到泵浦光部件下端的部位设置有开孔槽7.1，开孔槽位置与固定泵浦光部件的螺钉配合，便于调整垫片的插入和取出更换，调整垫片位于泵浦光部件下端外部中间部位加长设计，方便了调整垫片的推入和取出操作。调整垫片材料选用耐磨损0C18Ni9不锈钢。

另外，还设计精密螺旋杆旋进微调装置6，包括粗调部分6.1和精调部分6.2，调整光路部件水平位置，粗调精度为0.01mm，精调精度为0.5μm，实现水平位置精确可调。精密螺旋杆旋进微调装置如图7所示，选用螺旋测微头，螺旋测微头安装在微调支架11上。使用时，为稳定调节，不采用拉簧固定方式，在同一方向成对布置微调装置，采用一退一进方式进行调整。在水平位置精确调整，使泵浦光部件5所发激光从相应小孔21射出。

探测光部件光路对正调整与泵浦光部件光路对正调整基本相同，均采用专用调整垫片和精密螺旋杆旋进微调装置，不再赘述。

信号接收部件10功能主要是接收探测光经原子气室后的输出光信号，光路重合性要求较低，本发明不做特殊设计。

屏蔽筒部件对正设计，屏蔽筒部件提供屏蔽环境，轴向、径向均留有通光孔，通光孔直径较大，轴向、径向正交性要求较低，本发明不做特殊设计。

如图8所示，三维补偿线圈部件对正设计，在线圈骨架外圆设计三维补偿线圈布线槽，具体的，81处绕制X向环形线圈，82处绕制Z向鞍形线圈，83处绕制Y向鞍形线圈，在线圈骨架径向、轴向分别设计安装同轴对光组件定位孔84、85，各绕线槽与对应对光组件定位孔形位精度均达5μm，正交性＜0.2mrad，线圈骨架材料选用低线胀系数、无磁的液晶聚合物(LCP)工程塑料。在径向和轴向同轴对光组件定位孔内安装专用同轴对光件9，专用同轴对光件的外圆9.1与同轴对光组件定位孔配合，在中心设置φ0.5mm小孔9.2。同轴对光件如图9所示。调整三维补偿线圈部件在屏蔽筒部件内位置，使泵浦光、探测光均可从同轴对光件中心小孔透过，即可实现三维补偿线圈部件坐标系与空间坐标系重合。

采用以上设计，借助等高十字定位组件形成统一空间坐标系，泵浦光部件光路轴线与探测光部件光路轴线实现正交，三维补偿线圈各磁场中心与泵浦光光路、探测光光路重合。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、首先以陀螺仪底座为基准，通过激光探测方式在底座上方设定高度处建立可观测的统一空间坐标系；

步骤2、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装和调整泵浦光部件，使泵浦光部件光路指向与统一空间坐标系X轴方向重合；

步骤3、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装和调整探测光部件，使探测光部件的光路指向与统一空间坐标系的Y轴方向重合；

步骤4、按步骤1建立的统一空间坐标系，在陀螺仪底座上安装组合件，组合件包括屏蔽筒部件、设置于屏蔽筒部件内的三维补偿线圈部件及设置于三维补偿线圈部件内部的原子气室及加热保温部件，调整三维补偿线圈部件轴向和径向位置，使三维补偿线圈部件的轴向和径向指向分别与统一空间坐标系的X轴方向和Y轴方向重合；Z轴方向由右手定制确定；

步骤1包括：

步骤1.1首先以陀螺仪底座为基准，在底座表面安装四组定位销，四组定位销的安装位呈十字连线布置；

步骤1.2预制4件定位组件，在4个定位组件上的50mm高度位置制有φ0.5mm小孔，用于透光；

步骤1.3、将4个定位组件分别定位安装到四组定位销位置处，使四个定位组件的小孔呈十字连线布置，

步骤1.4、建立统一空间坐标系：其中一组相对的两个定位组件上的小孔中心连线构成统一空间坐标系的X轴，另一组相对的两个定位组件上的小孔中心连线构成统计空间坐标系的Y轴,X轴和Y轴的相交点为空间坐标系的原点，Z轴方向由右手定制确定；

步骤2具体为：将泵浦光部件以其光路指向为统一空间坐标系X轴方向置于陀螺仪底座上，在泵浦光部件下端与陀螺仪底座上端的前后位置插入调整垫片，并陀螺仪底座上位于在泵浦光部件的一侧安装微调装置，通过调整前后调整垫片的厚度，实现泵浦光部件俯仰角度及光高精确调节，通过微调装置调整泵浦光部件水平位置，使泵浦光部件的光路穿过X轴方向的两个定位组件上的小孔，实现泵浦光部件的光路指向与统一空间坐标系X轴方向重合。

2.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法，其特征在于：步骤3具体为：将探测光部件以其光路指向为统一空间坐标系Y轴方向置于陀螺仪底座上，在探测光部件下端与陀螺仪底座上端的左右位置插入调整垫片，并在陀螺仪底座上位于在探测光部件的一侧安装微调装置，通过调整左右调整垫片的厚度，实现探测光部件俯仰角度及光高精确调节，通过微调装置调整探测光部件水平位置，使探测光部件的光路穿过Y轴方向的两个定位组件上的小孔，实现探测光部件的光路指向与统一空间坐标系Y轴方向重合。

3.根据权利要求2所述的用于SERF原子自旋陀螺仪光路与磁场三维正交重合的方法，其特征在于：步骤4具体为：

步骤4.1、在屏蔽筒部件上和三维补偿线圈部件上预制透光孔；

在制作屏蔽筒部件时，在屏蔽筒部件的轴向和径向均设置透光孔，在制作三维补偿线圈部件时，在线圈骨架轴向、径向分别设计定位通孔，在定位通孔内安装同轴对光件，同轴对光件的中心设置有φ0.5mm小孔，用于透光；

步骤4.2、先将屏蔽筒部件通过底部支撑座支撑在陀螺仪底座上端位于泵浦光部件的光路指向和探测光部件的光路指向相交的位置；然后将三维补偿线圈部件、原子气室及加热保温部件安装于屏蔽筒部件内；

步骤4.3、调整三维补偿线圈部件在屏蔽筒部件内位置，使泵浦光部件发出的泵浦光、探测光部件发出的探测光分别从线圈骨架上的轴向方向的同轴对光件的小孔和径向方向的同轴对光件的小孔通过，使三维补偿线圈部件的轴向和径向指向分别与统一空间坐标系的X轴方向和Y轴方向重合。

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