CN114061557B - 核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法 - Google Patents

核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法。泵浦光发射器用于发射泵浦光。第一45°介质反射镜模组设置于泵浦光的光路上，用于调节泵浦光的方向。原子气室设置于经45°介质反射镜模组后的泵浦光的光路上。泵浦光沿Y轴方向进入原子气室。原子气室设置于双绕组线圈包围形成的空间内，用于在Y轴方向施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)。检测光发射器用于发射检测光。原子气室设置于检测光的光路上。检测光沿Z轴方向进入原子气室。锁相放大器设置于经原子气室后的检测光的光路上，用于接收经原子气室后的检测光对应的检测信号，并根据参考信号对检测信号进行解调，获得第一解调信号以及第一解调信号对应的幅值。

Description

核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法
技术领域
本申请涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法。
背景技术
核磁共振陀螺仪通过测量惰性气体核的自旋进动实现转动信息的测量。核磁共振陀螺仪具有高精度、结构简单和易于实现小型化的优势，未来有望成为大规模应用的导航级陀螺仪装置。目前核磁共振陀螺仪的研究主要有两个方面，一方面是从原理上寻找提升其灵敏度和精度的因素和方案。另外一方面是通过实验，考虑装置搭建过程中的力、光、电、磁和热等因素，优化装置中的各项参数，最终在缩小体积的基础上，进一步提升优化装置的灵敏度和零偏不确定度。
核磁共振陀螺仪的基本原理是采用一束圆偏振的泵浦光将电子进行自旋极化，电子通过自旋交换碰撞将角动量转移给原子核，实现核的自旋极化。当存在外磁场时，原子核会绕着外磁场做拉莫尔进动。若以外磁场为轴存在转动，进动频率就会发生变化。通过检测变化后的进动频率就能获得转动信息。其中，进动频率可以理解为含有转动信息的频率。核磁共振陀螺仪的灵敏度受到很多因素的影响，磁场和光的因素对装置灵敏度影响巨大。
然而，传统的核磁共振陀螺仪的光路结构，使得By0方向的磁场和泵浦光对准难度大，进而导致传统的核磁共振陀螺仪的灵敏度偏低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法。
本申请提供一种核磁共振陀螺仪。所述核磁共振陀螺仪包括泵浦光发射器、第一45°介质反射镜模组、原子气室、双绕组线圈、检测光发射器以及锁相放大器。所述泵浦光发射器用于发射泵浦光。所述第一45°介质反射镜模组设置于所述泵浦光的光路上，用于调节所述泵浦光的方向。所述原子气室设置于经所述45°介质反射镜模组后的所述泵浦光的光路上。且所述泵浦光沿Y轴方向进入所述原子气室。所述原子气室设置于所述双绕组线圈包围形成的空间内，用于在Y轴方向施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)。其中，ωc为碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率。
所述检测光发射器用于发射检测光。所述原子气室设置于所述检测光的光路上。且所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室。所述锁相放大器设置于经所述原子气室后的所述检测光的光路上，用于接收经所述原子气室后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值。其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同。
通过所述第一45°介质反射镜模组调节所述泵浦光的方向。当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，以使得所述泵浦光和所述静磁场By0方向的磁场对准。
在一个实施例中，本申请提供一种基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，包括：
S10，泵浦光发射器发射泵浦光，所述泵浦光沿Y轴方向进入原子气室30；
S20，在Y轴方向，双绕组线圈分别在所述原子气室的位置施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)；其中，ωc为碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率；
S30，检测光发射器发射检测光，所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室30；
S40，锁相放大器接收经所述原子气室后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值；其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同；
S50，通过第一45°介质反射镜模组调节所述泵浦光的方向，使得所述泵浦光入射至原子气室；
当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，使得所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场对准。
上述核磁共振陀螺仪以及其对准矫正方法中，所述原子气室采用碱金属原子87Rb、惰性气体129Xe和131Xe作为工作物质。所述泵浦光发射器采用87Rb原子D1线的光作为泵浦光，波长为795nm，用于极化碱金属原子。通过所述第一45°介质反射镜模组实现光路方向的调整。所述第一45°介质反射镜模组可以包括两个或多个45°介质反射镜，可以根据实际光路进行调整。
在泵浦光方向(也可以理解为Y轴方向)，通过所述双绕组线圈施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)。ωc为静磁场By0下87Rb的拉莫尔进动频率。87Rb原子会绕着外界静磁场By0进行相干进动，同时通过自旋交换碰撞实现129Xe和131Xe的核自旋极化。静磁场By0可以为10000nT。在10000nT的条件下，ωc的数值为70kHz。当存在外界静磁场By0时，87Rb原子会绕着外磁场做拉莫尔进动。若以外界静磁场By0为轴存在转动，129Xe和131Xe的进动频率会发生变化。通过在垂直于泵浦光方向即X轴方向，施加两个交变磁场Bx1cos(ω1t)和Bx2cos(ω2t)扫描，可以检测引入转动信息后的惰性气体的进动频率，对转动前的129Xe和131Xe的拉莫尔进动频率与转动后的129Xe和131Xe的进动频率进行对比，可以获得相应的转动信息。
所述检测光采用87Rb的D2线失谐波长。通过失谐检测光波长，消除了所述检测光的极化效应，在进行所述泵浦光和所述静磁场By0的对准时，由于静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)与检测光并非完全垂直的关系，所述锁相放大器根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，可以得到交变信号的幅值大小。所述参考信号可以为70kHz。
通过所述第一45°介质反射镜模组可以改变泵浦光的方向，可以调节泵浦光的上下、左右、前后以及倾斜角度。具体地，调节时，可以选择控制变量改变单一条件。例如，通过所述第一45°介质反射镜模组改变泵浦光的光路，上下观察所述第一解调信号的幅值变化，选择最大幅值对应的所述第一45°介质反射镜模组的位置。然后，通过所述第一45°介质反射镜模组改变泵浦光的光路，左右继续观察所述第一解调信号的幅值变化，选择最大幅值对应的所述第一45°介质反射镜模组的位置。依次重复上述步骤，通过所述第一45°介质反射镜模组改变泵浦光的光路。当所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行时，可以实现极化率最大，解调获得所述第一解调信号的最大幅值(也可以理解为信号幅值最强)。
从而，本申请所述核磁共振陀螺仪通过微调所述泵浦光的方向，可以寻找到所述泵浦光和所述静磁场By0对准的位置。所述泵浦光和所述静磁场By0可以保持一致，两者之间不会存在夹角，提高了核自旋极化率，使得核磁共振的信号增强，减少极化核子的时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中提供的核磁共振陀螺仪的整体结构示意图。
图2为一实施例中改变X轴方向的磁场获得的相位解调曲线。
图3为一实施例中改变Z轴方向的磁场获得的相位解调曲线。
图4为一实施例中提供的饱和吸收装置的整体结构示意图。
附图标记说明：
核磁共振陀螺仪100、泵浦光发射器110、饱和吸收装置120、第一功率衰减器131、第一控制器132、第一光电探测器133、第一光纤耦合器141、第一45°介质反射镜模组150、第一45°介质反射镜151、第二45°介质反射镜152、第一透镜142、第一扩束器161、第一线偏振片162、四分之一波片163、原子气室30、反射镜310、双绕组线圈320、磁屏蔽桶330、检测光发射器210、波长计锁定装置220、第二光纤耦合器230、第一二分之一波片241、第一偏振分光棱镜242、第二二分之一波片250、光功率稳定器260、格兰泰勒棱镜270、第二45°介质反射镜模组280、第三45°介质反射镜281、第四45°介质反射镜282、第二偏振分光棱镜410、第三二分之一波片420、平衡探测器50、锁相放大器60、直流电源70、第四二分之一波片121、第三偏振分光棱镜122、第五二分之一波片123、第四偏振分光棱镜124、波长锁定原子气室125、全反射镜1290、第一介质反射镜126、第六二分之一波片127、第二介质反射镜128、波长锁定光电探测器129。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
请参见图1，本申请提供一种核磁共振陀螺仪100。所述核磁共振陀螺仪100包括泵浦光发射器110、第一45°介质反射镜模组150、原子气室30、双绕组线圈320、检测光发射器210以及锁相放大器60。所述泵浦光发射器110用于发射泵浦光。所述第一45°介质反射镜模组150设置于所述泵浦光的光路上，用于调节所述泵浦光的方向。所述原子气室30设置于经所述45°介质反射镜模组150后的所述泵浦光的光路上。且所述泵浦光沿Y轴方向进入所述原子气室30。所述原子气室30设置于所述双绕组线圈320包围形成的空间内，用于在Y轴方向施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)。其中，ωc为所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率。
所述检测光发射器210用于发射检测光。所述原子气室30设置于所述检测光的光路上。且所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室30。所述锁相放大器60设置于经所述原子气室30后的所述检测光的光路上，用于接收经所述原子气室30后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值。其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同。
通过所述第一45°介质反射镜模组150调节所述泵浦光的方向。当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，以使得所述泵浦光和所述静磁场By0方向的磁场对准。
所述原子气室30采用碱金属原子87Rb、惰性气体129Xe和131Xe作为工作物质。所述泵浦光发射器110采用87Rb原子D1线的光作为泵浦光，波长为795nm，用于极化碱金属原子。通过所述第一45°介质反射镜模组150实现光路方向的调整。所述第一45°介质反射镜模组150可以包括两个或多个45°介质反射镜，可以根据实际光路进行调整。
在泵浦光方向(也可以理解为Y轴方向)，通过所述双绕组线圈320施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)。ωc为静磁场By0下87Rb的拉莫尔进动频率。
87Rb原子会绕着外界静磁场By0进行相干进动，同时通过自旋交换碰撞实现129Xe和131Xe的核自旋极化。静磁场By0可以为10000nT。在10000nT的条件下，ωc的数值为70kHz。当存在外界静磁场By0时，87Rb原子会绕着外磁场做拉莫尔进动。若以外界静磁场By0为轴存在转动，129Xe和131Xe的进动频率会发生变化。通过在垂直于泵浦光方向即X轴方向，施加两个交变磁场Bx1cos(ω1t)和Bx2cos(ω2t)扫描，可以检测引入转动信息后的惰性气体的进动频率，对转动前的129Xe和131Xe的拉莫尔进动频率与转动后的129Xe和131Xe的进动频率进行对比，可以获得相应的转动信息。
所述检测光采用87Rb的D2线失谐波长。通过失谐检测光波长，消除了所述检测光的极化效应，在进行所述泵浦光和所述静磁场By0的对准时，由于静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)与检测光并非完全垂直的关系，所述锁相放大器60根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，可以得到交变信号的幅值大小。所述参考信号可以为70kHz。
通过所述第一45°介质反射镜模组150可以改变泵浦光的方向，可以调节泵浦光的上下、左右、前后以及倾斜角度。具体地，调节时，可以选择控制变量改变单一条件。例如，通过所述第一45°介质反射镜模组150改变泵浦光的光路，上下观察所述第一解调信号的幅值变化，选择最大幅值对应的所述第一45°介质反射镜模组150的位置。然后，通过所述第一45°介质反射镜模组150改变泵浦光的光路，左右继续观察所述第一解调信号的幅值变化，选择最大幅值对应的所述第一45°介质反射镜模组150的位置。依次重复上述步骤，通过所述第一45°介质反射镜模组150改变泵浦光的光路。当所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行时，可以实现极化率最大，解调获得所述第一解调信号的最大幅值(也可以理解为信号幅值最强)。
从而，本申请所述核磁共振陀螺仪100通过微调所述泵浦光的方向，可以寻找到所述泵浦光和所述静磁场By0对准的位置。所述泵浦光和所述静磁场By0可以保持一致，两者之间不会存在夹角，提高了核自旋极化率，使得核磁共振的信号增强，减少极化核子的时间。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第二45°介质反射镜模组280。所述第二45°介质反射镜模组280设置于所述检测光的光路上，用于调节所述检测光的方向。在X轴方向，所述双绕组线圈320用于在所述原子气室30的位置施加静磁场Bx0，并改变所述静磁场Bx0的数值。
所述锁相放大器60用于根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一相位解调曲线以及所述第一相位解调曲线的第一重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第一重合点对应的相位，获得第一参考信号。
在所述Z轴方向，所述双绕组线圈320用于在所述原子气室30的位置施加静磁场Bz0，并改变所述静磁场Bz0的数值。所述锁相放大器60用于根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二相位解调曲线以及所述第二相位解调曲线的第二重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第二重合点对应的相位，获得第二参考信号。
所述锁相放大器60用于根据所述第一参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二解调信号。通过所述第二45°介质反射镜模组280调节所述检测光的方向，使得所述第二解调信号的输出电压为0。所述锁相放大器60用于根据所述第二参考信号对所述检测信号进行解调，获得第三解调信号。通过所述第二45°介质反射镜模组280调节所述检测光的方向，使得所述第三解调信号的输出电压为0，使得所述检测光与所述静磁场By0垂直。
在垂直于泵浦光方向即X轴方向，通过所述双绕组线圈320施加两个交变磁场Bx1cos(ω1t)和Bx2cos(ω2t)。ω1和ω2分别为引入转动信息后的129Xe和131Xe原子核的进动频率。原子核的磁矩不再绕By0轴，而是会偏离By0轴一定角度。
当所述泵浦光和所述静磁场By0对准之后，所述锁相放大器60根据内部的频率ωc的信号作为参考信号，对所述检测信号进行解调。请参见图2，改变X轴方向的所述静磁场Bx0的数值，可以获得所述第一相位解调曲线。例如，X轴方向的静磁场更改为Bx1、Bx2、Bx3，静磁场Bx1对应一个第一相位解调曲线，静磁场Bx2对应一个第一相位解调曲线，静磁场Bx3对应一个第一相位解调曲线。三个第一相位解调曲线存在第一重合点，如图中箭头位置所示18.06°。将所述参考信号的相位设置在18.06°对应的相位，可以获得所述第一参考信号。其中，所述第一重合点为18.06°仅用于举例说明，实际数值可根据实际情况进行限定。
将所述参考信号的相位，设置在所述第一重合点对应的相位时，所述检测信号的幅值不会受到X轴磁场的影响，只能检测Z轴磁场的变化。如果在X轴方向施加ω1和ω2的交流磁场，所述检测信号只包含129Xe和131Xe的核自旋信号，交流磁场不会影响核自旋信号的检测。
同理，请参见图3，改变Z轴方向所述静磁场Bz0的数值，可以获得所述第二相位解调曲线。例如，Z轴方向的静磁场更改为Bz1、Bz2、Bz3，静磁场Bz1对应一个第二相位解调曲线，静磁场Bz2对应一个第二相位解调曲线，静磁场Bz3对应一个第二相位解调曲线。三个第二相位解调曲线存在第二重合点，如图3中箭头位置所示133.64°。将所述参考信号的相位设置在133.64°对应的相位，可以获得所述第二参考信号。其中，所述第二重合点为133.64°仅用于举例说明，实际数值可根据实际情况进行限定。
将所述参考信号的相位，设置在所述第二重合点对应的相位时，所述检测信号的幅值不会受到Z轴磁场的影响，只能检测X轴磁场的变化。通过X轴方向和Z轴方向的相位解调，可以将X轴和Z轴磁场分离，分别在两个方向施加磁场，彼此之间不会受到影响。也可以理解为，通过X轴方向和Z轴方向的相位解调，实现了垂直泵浦光方向(Y轴方向和Z轴方向)的两个轴磁场分离，进而实现了垂直所述静磁场By0的两个正交方向互不影响。从而，垂直泵浦光的两个方向分别施加磁场，彼此之间不会产生串扰和干扰，更有利于实现所述检测光的调节。
所述锁相放大器60根据所述第一重合点和所述第二重合点分别对应的所述第一参考信号和所述第二参考信号，对所述检测信号进行解调之后，所述第二解调信号与所述第三解调信号的输出电压均不为0。通过所述第二45°介质反射镜模组280改变所述检测光的方向，分别调节所述检测光的上下、左右以及前后，使得所述第二解调信号与所述第三解调信号的输出电压均为0。所述第二45°介质反射镜模组280可以包括两个或多个45°介质反射镜，可以根据实际光路进行调整。当所述第二解调信号与所述第三解调信号的输出电压均为0时，所述检测光与所述静磁场By0垂直。从而，本申请所述核磁共振陀螺仪100实现了所述泵浦光和所述静磁场By0对准，且实现了所述泵浦光与所述静磁场By0平行，所述检测光与所述静磁场By0垂直。
通过本申请所述核磁共振陀螺仪100，提高了所述泵浦光对碱金属气室的极化率，进而提高了碱金属原子通过自旋交换碰撞引起的核极化率，能有效提高核磁共振陀螺仪中核磁信号信噪比。通过本申请所述核磁共振陀螺仪100，不需要添加法拉第旋光晶体，降低了整个光路系统的复杂程度，且可以得到比较稳定的光路系统。
通过本申请所述核磁共振陀螺仪100，解决了传统结构中无法保证三个相互正交的轴(X、Y和Z)垂直的问题。通过本申请所述核磁共振陀螺仪100，也实现了磁光对准和所述静磁场By0与所述检测光的正交性矫正。通过本申请所述核磁共振陀螺仪100，考虑了所述检测光对碱金属气室的极化作用，增强泵浦光功率不会在所述检测光方向看到磁场的投影信号，因极化产生的核自旋和电子自旋磁场与所述检测光是完全垂直的。因此，本申请所述核磁共振陀螺仪100的结构简单且调整精度较高，不需要对所述泵浦光的光路进行改造和调整，方便核磁共振陀螺仪的调试和优化。
在一个实施例中，所述双绕组线圈320的结构采用双绕组结构。其中一组线圈采用直流电源70控制，用于补偿磁屏蔽桶330内剩余磁场和施加静磁场。所述直流电源70控制的一组线圈串联一百mH的电感，可减少另外一组线圈施加交流磁场时的串扰。另一组线圈用于施加交流磁场。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括磁屏蔽桶330。在检测核磁共振信号、磁光对准和静磁场By0与所述检测光的正交性矫正之前，需要屏蔽地磁场和补偿所述磁屏蔽桶330内剩余磁场。地磁场通过5层的坡莫合金磁屏蔽桶进行屏蔽。所述双绕组线圈320可以为双绕组三轴亥姆霍兹线圈，通过磁通门进行调节，实现内部剩余磁场的补偿。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括饱和吸收装置120。通过所述饱和吸收装置120，可以实现激光波长的锁定。所述饱和吸收装置120的输入端与所述泵浦光发射器110的输出端连接。所述饱和吸收装置120的输出端与所述泵浦光发射器110的控制端连接，用于对所述泵浦光的波长进行锁定。所述泵浦光发射器110输出的所述泵浦光的5％的光通过所述饱和吸收装置120将所述泵浦光的激光波长锁定在Rb的D1线。
请参见图4，在一个实施例中，所述饱和吸收装置120包括第四二分之一波片121、第三偏振分光棱镜122、第五二分之一波片123、第四偏振分光棱镜124、波长锁定原子气室125、全反射镜1290、第一介质反射镜126、第六二分之一波片127、第二介质反射镜128以及波长锁定光电探测器129。所述第一介质反射镜126与所述第二介质反射镜128为45°介质反射镜。所述泵浦光的5％的光入射至所述第四二分之一波片121。所述第四二分之一波片121与所述第三偏振分光棱镜122组成了光强配比器。所述第一介质反射镜126可以为45°介质反射镜。所述第二介质反射镜128可以为45°介质反射镜。
所述第五二分之一波片123用于调节经所述第三偏振分光棱镜122后的5％泵浦光的线偏振态。经所述第五二分之一波片123后的5％泵浦光入射至所述第四偏振分光棱镜124。经所述第四偏振分光棱镜124，将5％泵浦光分成两束。一束依次经过所述第一介质反射镜126、所述第六二分之一波片127、所述第二介质反射镜128和所述全反射镜1290反向后进入到所述波长锁定原子气室125。所述第一介质反射镜126、所述第二介质反射镜128和所述全反射镜1290的作用是为了改变光的方向。所述第六二分之一波片127用于调节光束的线偏振态。另一束依次经过所述波长锁定原子气室125作为检测光进入所述波长锁定光电探测器129。经过所述波长锁定光电探测器129进行光电转换，将电信号反馈给激光器，用于锁定激光器的波长。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第一功率衰减器131、第一控制器132以及第一光电探测器133。所述第一功率衰减器131的输入端与所述泵浦光发射器110的输出端连接，用于接收所述泵浦光，并对所述泵浦光的光功率进行调节，输出光功率稳定的泵浦光。所述第一光电探测器133的输入端与所述第一功率衰减器131的输出端连接，用于将所述光功率稳定的泵浦光转换成第一探测信号。所述第一控制器132的输入端与所述第一光电探测器133的输出端连接。所述第一控制器132的输出端与所述第一功率衰减器131的控制端连接，用于根据所述第一探测信号控制所述第一功率衰减器131输出所述光功率稳定的泵浦光。
95％的泵浦光通过光纤进入到所述第一功率衰减器131和所述第一控制器132，用于稳定泵浦光的光功率，减小光功率的抖动。所述第一控制器132可以为PID控制模块。
所述第一功率衰减器131输出的光功率稳定的泵浦光，分为两路。5％的所述光功率稳定的泵浦光连接所述第一光电探测器133。所述第一光电探测器133的输出端接入所述第一控制器132的输入端。根据所述第一探测信号，设置PID控制电路的参数，控制光功率值，进而确保泵浦光的波长固定，光强保持稳定。
所述第一功率衰减器131、所述第一控制器132、所述第一光电探测器133形成闭环回路，实现反馈环路，将激光器输出的光功率进行稳定，保证功率波动在千分之一。其余95％的所述光功率稳定的泵浦光入射至第一光纤耦合器141。稳定后的光入射至所述第一45°介质反射镜模组150，实现光路方向的调整。
在一个实施例中，所述第一45°介质反射镜模组150包括第一45°介质反射镜151与第二45°介质反射镜152。所述核磁共振陀螺仪100还包括第一光纤耦合器141、第一透镜142以及第一扩束器161。所述第一光纤耦合器141设置于所述泵浦光的光路上。所述第一45°介质反射镜151设置于经所述第一光纤耦合器141后的所述泵浦光的光路上。所述第二45°介质反射镜152设置于经所述第一45°介质反射镜151后的所述泵浦光的光路上。所述第一透镜142设置于经所述第二45°介质反射镜152后的所述泵浦光的光路上。所述第一扩束器161设置于经所述第一透镜142后的所述泵浦光的光路上。
所述第一光纤耦合器141用于将光纤传播的光转换成空间光。通过所述第一透镜142与所述第一扩束器161可以实现所述泵浦光斑大小的调整。光功率稳定的所述泵浦光，通过所述第一45°介质反射镜151与所述第二45°介质反射镜152实现光路方向的调整。通过调节所述泵浦光方向的所述第一45°介质反射镜151与所述第二45°介质反射镜152可以改变所述泵浦光的方向。所述第一45°介质反射镜151与所述第二45°介质反射镜152可以调节所述泵浦光的上下、左右、前后以及倾斜角度。当所述泵浦光和所述静磁场By0方向的磁场平行时，可以实现极化率最大，解调获得所述第一解调信号的信号幅值最强。从而，通过所述第一45°介质反射镜151与所述第二45°介质反射镜152，可以微调所述泵浦光的方向，可以寻找到所述静磁场By0和所述泵浦光对准的位置。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第一线偏振片162以及四分之一波片163。所述第一线偏振片162设置于经所述第一扩束器161后的所述泵浦光的光路上。所述四分之一波片163设置于经所述第一线偏振片162后的所述泵浦光的光路上。经所述四分之一波片163后的所述泵浦光入射至所述原子气室30。
所述第一线偏振片162用于将经所述第一扩束器161后的所述泵浦光，实现光的线偏振态。所述四分之一波片163用于将所述泵浦光由线偏振态转变为圆偏振态。所述泵浦光通过所述第一线偏振片162和所述四分之一波片163后，转变成圆偏振光进入所述原子气室30，用于极化碱金属原子和超极化惰性气体，使碱金属原子产生相干共振。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括波长计锁定装置220。所述波长计锁定装置220的输入端与所述检测光发射器210的输出端连接。所述波长计锁定装置220的输出端与所述检测光发射器210的控制端连接，用于对所述检测光的波长进行远失谐锁定。通过所述波长计锁定装置220锁定，将所述检测光的波长设定在87Rb原子D2失谐0.5nm的位置，尽可能减少所述检测光对碱金属原子的极化作用。
所述检测光发射器210可以为激光器。所述检测光发射器210的输出的5％检测光通过所述波长计锁定装置220实现激光波长的远失谐锁定，失谐频率大约在10GHz以上。通过所述波长计锁定装置220，可以减小检测光对所述原子气室30的影响，将780nm激光器进行远失谐波长锁定。95％检测光入射至第二光纤耦合器230。
所述波长计锁定装置220包括波长计和PID控制模块。所述检测光发射器210输出的光一部分通过波长计实现激光波长的测量。波长计测量值输入到PID控制模块。根据锁定的波长点输出至PID控制模块，PID控制模块的输出连接所述检测光发射器210的控制端，控制所述检测光发射器210的电流实现波长的改变。波长计、PID控制模块、所述检测光发射器210形成闭环，可以实现激光器波长的控制和锁定。
在一个实施例中，所述第二45°介质反射镜模组280包括第三45°介质反射镜281。所述核磁共振陀螺仪100还包括第二光纤耦合器230、第一二分之一波片241、第一偏振分光棱镜242以及第二二分之一波片250。所述第二光纤耦合器230设置于所述检测光的光路上。所述第二光纤耦合器230设置于经波长锁定的所述检测光的光路上。所述第一二分之一波片241设置于经所述第二光纤耦合器230后的所述检测光的光路上。
所述第三45°介质反射镜281设置于经所述第一二分之一波片241后的所述检测光的光路上。所述第一偏振分光棱镜242设置于经所述第三45°介质反射镜281后的所述检测光的光路上。所述第二二分之一波片250设置于经所述第一偏振分光棱镜242后的所述检测光的光路上。
经波长锁定的所述检测光通过所述第一二分之一波片241和所述第一偏振分光棱镜242，可以转变成可调光强的水平线偏振光。经过所述第二二分之一波片250转变为竖直线偏振光。
在一个实施例中，所述第二45°介质反射镜模组280还包括第四45°介质反射镜282。所述核磁共振陀螺仪100还包括光功率稳定器260与格兰泰勒棱镜270。所述光功率稳定器260设置于经所述第二二分之一波片250后的所述检测光的光路上。所述第四45°介质反射镜282设置于经所述光功率稳定器260后的所述检测光的光路上。所述格兰泰勒棱镜270设置于经所述第四45°介质反射镜282后的所述检测光的光路上。经所述格兰泰勒棱镜270后的所述检测光入射至所述原子气室30。
所述第二45°介质反射镜模组280包括所述第三45°介质反射镜281与所述第四45°介质反射镜282。通过所述第三45°介质反射镜281与所述第四45°介质反射镜282可以改变所述检测光的方向，分别调节所述检测光的上下、左右以及前后，使得所述第二解调信号与所述第三解调信号的输出电压均为0。当所述第二解调信号与所述第三解调信号的输出电压均为0时，所述检测光与所述静磁场By0垂直。
所述光功率稳定器260实现所述检测光的光功率的稳定和调节，功率波动在千分之一左右。所述格兰泰勒棱镜270可以将经所述第四45°介质反射镜282后的所述检测光转变成线偏振度更好的线偏振光，并入射至所述原子气室30。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括第三二分之一波片420、第二偏振分光棱镜410以及平衡探测器50。所述第三二分之一波片420设置于经所述原子气室30后的所述检测光的光路上。所述第二偏振分光棱镜410设置于经所述第三二分之一波片420后的所述检测光的光路上。所述平衡探测器50设置于经所述第二偏振分光棱镜410后的所述检测光的光路上，用于探测所述检测光，并将所述检测光转换为所述检测信号。所述锁相放大器60与所述平衡探测器50连接，用于接收所述检测信号。
所述检测光为线偏振光。线偏振态的所述检测光通过所述原子气室30后，入射至所述第三二分之一波片420，可以进一步调节线偏振光的偏振角，并入射至所述第二偏振分光棱镜410。线偏振态的所述检测光通过所述第二偏振分光棱镜410后会被分解成水平检测偏振光和竖直检测偏振光，出射的两束光接入到所述平衡探测器50中进行差分。通过所述平衡探测器50可以探测所述水平检测偏振光和所述竖直检测偏振光的差值。所述平衡探测器50通过差分可得到偏振面的偏转。偏转的频率与引入转动信息后的129Xe和131Xe的进动频率相同。如果Y轴方向没有转动信息，通过所述平衡探测器50检测到的进动频率分别为ωXe129和ωXe131或者ωXe129和ωHe3。如果在Y轴方向上存在转动信息Ω，则所述平衡探测器50检测的进动频率为ω1＝ωXe129-Ω和ω2＝ωXe131-Ω或者ω1＝ωXe129-Ω和ω2＝ωHe3-Ω，Ω为转动信息。所述平衡探测器50输出所述检测信号至所述锁相放大器60进行信号解调。
由于所述静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)与所述检测光并非完全垂直的关系。所以，通过所述平衡探测器50可以观察到频率为ωc的交变信号。采用70kHz作为参考信号，并通过所述锁相放大器60的解调可以得到交变信号的幅值大小。
在一个实施例中，所述核磁共振陀螺仪100还包括直流电源70。所述直流电源70与所述双绕组线圈320连接，用于在所述X轴方向、所述Y轴方向以及所述Z轴方向提供静磁场。
在一个实施例中，本申请提供一种基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，包括：
S10，泵浦光发射器110发射泵浦光，所述泵浦光沿Y轴方向进入原子气室30；
S20，在Y轴方向，双绕组线圈320分别在所述原子气室30的位置施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)；其中，ωc为所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率；
S30，检测光发射器210发射检测光，所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室30；
S40，锁相放大器60接收经所述原子气室30后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值；其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同；
S50，通过第一45°介质反射镜模组150调节所述泵浦光的方向，使得所述泵浦光入射至原子气室30；
当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，使得所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场对准。
在所述S10至S50中，所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法中的描述，可参考上述实施例中的相关描述。
通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，可以实现微调所述泵浦光的方向，寻找到所述泵浦光和所述静磁场By0对准的位置。所述泵浦光和所述静磁场By0可以保持一致，两者之间不会存在夹角，提高了核自旋极化率，使得核磁共振的信号增强，减少极化核子的时间。
在一个实施例中，所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法还包括：
S60，当所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场对准后，在X轴方向，所述双绕组线圈320在所述原子气室30的位置施加静磁场Bx0，并改变所述静磁场Bx0的数值；
S70，所述锁相放大器60根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一相位解调曲线以及所述第一相位解调曲线的第一重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第一重合点对应的相位，获得第一参考信号；
S80，在所述Z轴方向，所述双绕组线圈320在所述原子气室30的位置施加静磁场Bz0，并改变所述静磁场Bz0的数值；
S90，所述锁相放大器60根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二相位解调曲线以及所述第二相位解调曲线的第二重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第二重合点对应的相位，获得第二参考信号；
S100，所述锁相放大器60根据所述第一参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二解调信号；
S200，通过第二45°介质反射镜模组280调节所述检测光的方向，使得所述第二解调信号的输出电压为0；
S300，所述锁相放大器60根据所述第二参考信号对所述检测信号进行解调，获得第三解调信号；
S400，通过所述第二45°介质反射镜模组280调节所述检测光的方向，使得所述第三解调信号的输出电压为0，使得所述检测光与所述静磁场By0垂直。
在所述S60至S400中，所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法中的描述，可参考上述实施例中的相关描述。
通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，实现了所述泵浦光和所述静磁场By0对准，且实现了所述泵浦光与所述静磁场By0平行，所述检测光与所述静磁场By0垂直。
通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，提高了所述泵浦光对碱金属气室的极化率，进而提高了碱金属原子通过自旋交换碰撞引起的核极化率，能有效提高核磁共振陀螺仪中核磁信号信噪比。通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，不需要添加法拉第旋光晶体，降低了整个光路系统的复杂程度，且可以得到比较稳定的光路系统。
通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，解决了传统结构中无法保证三个相互正交的轴(X、Y和Z)垂直的问题。通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，也实现了磁光对准和所述静磁场By0与所述检测光的正交性矫正。通过所述基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，考虑了所述检测光对碱金属气室的极化作用，增强泵浦光功率不会在所述检测光方向看到磁场的投影信号，因极化产生的核自旋和电子自旋磁场与所述检测光是完全垂直的。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种核磁共振陀螺仪，其特征在于，包括：
泵浦光发射器(110)，用于发射泵浦光；
第一45°介质反射镜模组(150)，设置于所述泵浦光的光路上，用于调节所述泵浦光的方向；
原子气室(30)，设置于经所述第一45°介质反射镜模组(150)后的所述泵浦光的光路上，且所述泵浦光沿Y轴方向进入所述原子气室(30)；
双绕组线圈(320)，所述原子气室(30)设置于所述双绕组线圈(320)包围形成的空间内，用于在Y轴方向施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)；其中，ωc为碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率；
检测光发射器(210)，用于发射检测光；
所述原子气室(30)设置于所述检测光的光路上，且所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室(30)；
锁相放大器(60)，设置于经所述原子气室(30)后的所述检测光的光路上，用于接收经所述原子气室(30)后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值；其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同；
通过所述第一45°介质反射镜模组(150)调节所述泵浦光的方向；
当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，以使得所述泵浦光和所述静磁场By0方向的磁场对准；
第二45°介质反射镜模组(280)，设置于所述检测光的光路上，用于调节所述检测光的方向；
在X轴方向，所述双绕组线圈(320)用于在所述原子气室(30)的位置施加静磁场Bx0，并改变所述静磁场Bx0的数值；
所述锁相放大器(60)用于根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一相位解调曲线以及所述第一相位解调曲线的第一重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第一重合点对应的相位，获得第一参考信号；
在所述Z轴方向，所述双绕组线圈(320)用于在所述原子气室(30)的位置施加静磁场Bz0，并改变所述静磁场Bz0的数值；
所述锁相放大器(60)用于根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二相位解调曲线以及所述第二相位解调曲线的第二重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第二重合点对应的相位，获得第二参考信号；
所述锁相放大器(60)用于根据所述第一参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二解调信号；
通过所述第二45°介质反射镜模组(280)调节所述检测光的方向，使得所述第二解调信号的输出电压为0；
所述锁相放大器(60)用于根据所述第二参考信号对所述检测信号进行解调，获得第三解调信号；
通过所述第二45°介质反射镜模组(280)调节所述检测光的方向，使得所述第三解调信号的输出电压为0，使得所述检测光与所述静磁场By0垂直。
2.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：
第一光纤耦合器(141)，设置于所述泵浦光的光路上；
所述第一45°介质反射镜模组(150)包括第一45°介质反射镜(151)与第二45°介质反射镜(152)，所述第一45°介质反射镜(151)设置于经所述第一光纤耦合器(141)后的所述泵浦光的光路上，所述第二45°介质反射镜(152)设置于经所述第一45°介质反射镜(151)后的所述泵浦光的光路上；
第一透镜(142)，设置于经所述第二45°介质反射镜(152)后的所述泵浦光的光路上；
第一扩束器(161)，设置于经所述第一透镜(142)后的所述泵浦光的光路上。
3.根据权利要求2所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：
第一线偏振片(162)，设置于经所述第一扩束器(161)后的所述泵浦光的光路上；
四分之一波片(163)，设置于经所述第一线偏振片(162)后的所述泵浦光的光路上，经所述四分之一波片(163)后的所述泵浦光入射至所述原子气室(30)。
4.根据权利要求1所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述第二45°介质反射镜模组(280)包括第三45°介质反射镜(281)，所述核磁共振陀螺仪还包括：
第二光纤耦合器(230)，设置于所述检测光的光路上；
第一二分之一波片(241)，设置于经所述第二光纤耦合器(230)后的所述检测光的光路上；
所述第三45°介质反射镜(281)，设置于经所述第一二分之一波片(241)后的所述检测光的光路上；
第一偏振分光棱镜(242)，设置于经所述第三45°介质反射镜(281)后的所述检测光的光路上；
第二二分之一波片(250)，设置于经所述第一偏振分光棱镜(242)后的所述检测光的光路上。
5.根据权利要求4所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述第二45°介质反射镜模组(280)还包括第四45°介质反射镜(282)，所述核磁共振陀螺仪还包括：
光功率稳定器(260)，设置于经所述第二二分之一波片(250)后的所述检测光的光路上；
所述第四45°介质反射镜(282)，设置于经所述光功率稳定器(260)后的所述检测光的光路上；
格兰泰勒棱镜(270)，设置于经所述第四45°介质反射镜(282)后的所述检测光的光路上，经所述格兰泰勒棱镜(270)后的所述检测光入射至所述原子气室(30)。
6.根据权利要求5所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：
第三二分之一波片(420)，设置于经所述原子气室(30)后的所述检测光的光路上；
第二偏振分光棱镜(410)，设置于经所述第三二分之一波片(420)后的所述检测光的光路上；
平衡探测器(50)，设置于经所述第二偏振分光棱镜(410)后的所述检测光的光路上，用于探测所述检测光，并将所述检测光转换为所述检测信号；
所述锁相放大器(60)与所述平衡探测器(50)连接，用于接收所述检测信号。
7.根据权利要求6所述的核磁共振陀螺仪，其特征在于，还包括：
直流电源(70)，与所述双绕组线圈(320)连接，用于在所述X轴方向、所述Y轴方向以及所述Z轴方向提供静磁场。
8.一种基于核磁共振陀螺仪的对准矫正方法，其特征在于，包括：
S10，泵浦光发射器(110)发射泵浦光，所述泵浦光沿Y轴方向进入原子气室(30)；
S20，在Y轴方向，双绕组线圈(320)分别在所述原子气室(30)的位置施加静磁场By0和交变磁场By1cos(ωct)；其中，ωc为碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率；
S30，检测光发射器(210)发射检测光，所述检测光沿Z轴方向进入所述原子气室(30)；
S40，锁相放大器(60)接收经所述原子气室(30)后的所述检测光对应的检测信号，并根据参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一解调信号以及所述第一解调信号对应的幅值；其中，所述参考信号的频率与所述碱金属原子在所述静磁场By0下的拉莫尔进动频率相同；
S50，通过第一45°介质反射镜模组(150)调节所述泵浦光的方向，使得所述泵浦光入射至原子气室(30)；
当所述第一解调信号的幅值最大时，所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场平行，使得所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场对准；
S60，当所述泵浦光与所述静磁场By0方向的磁场对准后，在X轴方向，所述双绕组线圈(320)在所述原子气室(30)的位置施加静磁场Bx0，并改变所述静磁场Bx0的数值；
S70，所述锁相放大器(60)根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第一相位解调曲线以及所述第一相位解调曲线的第一重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第一重合点对应的相位，获得第一参考信号；
S80，在所述Z轴方向，所述双绕组线圈(320)在所述原子气室(30)的位置施加静磁场Bz0，并改变所述静磁场Bz0的数值；
S90，所述锁相放大器(60)根据所述参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二相位解调曲线以及所述第二相位解调曲线的第二重合点对应的相位，并将所述参考信号的相位设置在所述第二重合点对应的相位，获得第二参考信号；
S100，所述锁相放大器(60)根据所述第一参考信号对所述检测信号进行解调，获得第二解调信号；
S200，通过第二45°介质反射镜模组(280)调节所述检测光的方向，使得所述第二解调信号的输出电压为0；
S300，所述锁相放大器(60)根据所述第二参考信号对所述检测信号进行解调，获得第三解调信号；
S400，通过所述第二45°介质反射镜模组(280)调节所述检测光的方向，使得所述第三解调信号的输出电压为0，使得所述检测光与所述静磁场By0垂直。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述原子气室(30)采用碱金属原子87Rb、惰性气体129Xe和131Xe作为工作物质；所述泵浦光发射器(110)采用87Rb原子D1线的光作为泵浦光，波长为795nm，用于极化碱金属原子。
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