CN114543783B - 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法 - Google Patents

一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114543783B
CN114543783B CN202210065967.2A CN202210065967A CN114543783B CN 114543783 B CN114543783 B CN 114543783B CN 202210065967 A CN202210065967 A CN 202210065967A CN 114543783 B CN114543783 B CN 114543783B
Authority
CN
China
Prior art keywords
polarizer
air chamber
transmitted light
light
reflected light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210065967.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114543783A (zh
Inventor
王建龙
董丽红
高洪宇
王杰英
张俊峰
刘晓研
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
707th Research Institute of CSIC
Original Assignee
707th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 707th Research Institute of CSIC filed Critical 707th Research Institute of CSIC
Priority to CN202210065967.2A priority Critical patent/CN114543783B/zh
Publication of CN114543783A publication Critical patent/CN114543783A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114543783B publication Critical patent/CN114543783B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，激光器输出的激光通过光隔离器后经起偏器进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器分束成第一反射光及第一透射光，第一反射光进入功率稳定部件，第一透射光经过原子气室与工作原子作用后经原子气室后端0°反射镜反射再次穿过原子气室到达激光分束器分束成第二透射光、第二反射光，第二透射光经过起偏器后被光隔离器隔离，第二反射光依次经过λ/4波片、光弹调制器和检偏器后进入光电探测器，光电探测器对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调。本发明的用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，使第一透射光双次穿过原子气室进行作用，增大信号幅值，提高检测灵敏度，同时也便于光路的小型化。

Description

一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法
技术领域
本发明属于SERF陀螺仪信号检测技术领域，特别是一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法。
背景技术
SERF陀螺仪是利用电子自旋的定轴性来实现对外界角速率的测量。当载体转动时，会引起陀螺仪内工作物质原子自旋的进动，线偏振的探测光与自旋进动的原子相互作用会使偏振光的偏振面发生旋转，进而实现对角速率信号的提取。因此，原子自旋信号的检测灵敏度会影响陀螺仪的灵敏度。
目前，比较常见的原子自旋检测方法有差分偏振法、法拉第调制法、电光调制法以及光弹调制法。差分偏振法没有调制作用，系统的1/f噪声会比较明显，系统的信噪比差。其它三种方法采用不同的调制方式，实现对探测光束的相位调制，能够比较好的提高系统信噪比。这些方法均是采用单次穿过原子气室的方式，外界输入转角与偏振光偏振面转角相等，原子气室对待测转角无放大作用。也有采用双光束调制的方式，以隔离背景噪声和固有偏置，但信号的幅度不会提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，使光束双次穿过原子气室进行作用，增大信号幅值，提高检测灵敏度，同时也便于光路的小型化。
本发明的目的还在于提供一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，其包括激光器，光隔离器、起偏器、激光分束器、原子气室、0°反射镜、λ/4波片、光弹调制器、检偏器及光电探测器；激光器输出的激光通过光隔离器后，再经起偏器进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器分束成第一反射光及第一透射光，所述第一反射光进入功率稳定部件，所述第一透射光经过原子气室与工作原子作用后经原子气室后端的0°反射镜反射再次穿过原子气室到达激光分束器分束成第二透射光、第二反射光，所述第二透射光经过起偏器后被光隔离器隔离，所述第二反射光依次经过λ/4波片、光弹调制器和检偏器后进入光电探测器，光电探测器对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调，所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器提供，锁相放大器输出载体转动信号。
而且，所述激光分束器镀增反膜，使得反射光功率远大于透射光功率。
而且，所述起偏器的偏振方向为水平方向，λ/4波片的光轴方向与起偏器偏振方向同向，光弹调制器的光轴方向与水平方向成45°，检偏器的偏振方向为竖直方向。
一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测方法，其包括如下步骤：
1)：调节光路中偏振器件的偏振方向：
A图1所示光路中，先不放置原子气室、λ/4波片和光弹调制器，将起偏器偏振方向调节为水平或竖直方向，调节检偏器偏振方向与起偏器方向垂直，为竖直或水平方向；
B放置λ/4波片进入光路，并调节其光轴方向与起偏器偏振方向相同，为水平或竖直方向；
C再放置光弹调制器，并调节其光轴方向与λ/4波片的光轴方向成45°；
D最后放置原子气室进入光路；
2)激光器输出的激光通过光隔离器后，再经起偏器进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器分束成第一反射光及第一透射光；
3)所述第一反射光进入功率稳定部件；所述第一透射光束经过原子气室与工作原子作用后经原子气室后端的0°反射镜反射再次穿过原子气室到达激光分束器分束成第二透射光、第二反射光；
4)所述第二透射光经过起偏器后被光隔离器隔离；所述第二反射光依次经过λ/4波片、光弹调制器和检偏器后进入光电探测器，光电探测器对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调；
5)所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器提供，锁相放大器输出载体转动信号。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法，采用光束双次穿过原子气室进行作用，在同样的载体转速下，探测光偏转面的旋转角为2倍，能有效提高检测灵敏度。
附图说明
图1是本发明发明SERF陀螺仪用双穿式检测系统示意图
附图标记说明
1-激光器，2-光隔离器、3-起偏器、4-激光分束器、5-原子气室、6-0°反射镜、7-λ/4波片、8-光弹调制器、9-检偏器、10-光电探测器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，其包括激光器1，光隔离器2、起偏器3、激光分束器4、原子气室5、0°反射镜6、λ/4波片7、光弹调制器8、检偏器9及光电探测器10；激光器1输出的激光通过光隔离器2后，再经起偏器3进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器4分束成第一反射光及第一透射光，所述第一反射光进入功率稳定部件，所述第一透射光经过原子气室5与工作原子作用后经原子气室5后端的0°反射镜6反射再次穿过原子气室5到达激光分束器4分束成第二透射光、第二反射光，所述第二透射光经过起偏器3后被光隔离器2隔离，所述第二反射光依次经过λ/4波片7、光弹调制器8和检偏器9后进入光电探测器10，光电探测器10对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调，所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器8提供，锁相放大器输出载体转动信号。
激光分束器4镀增反膜，使得反射光功率远大于透射光功率。
起偏器3的偏振方向为水平方向，λ/4波片7的光轴方向与起偏器偏3振方向同向，光弹调制器8的光轴方向与水平方向成45°，检偏器9的偏振方向为竖直方向。
一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测方法，其包括如下步骤：
1)：调节光路中偏振器件的偏振方向：
A图1所示光路中，先不放置原子气室5、λ/4波片7和光弹调制器8，将起偏器3偏振方向调节为水平或竖直方向，调节检偏器9偏振方向与起偏器3方向垂直，为竖直或水平方向；
B放置λ/4波片7进入光路，并调节其光轴方向与起偏器3偏振方向相同，为水平或竖直方向；
C再放置光弹调制器8，并调节其光轴方向与λ/4波片的光轴方向成45°；
D最后放置原子气室5进入光路；
2)激光器1输出的激光通过光隔离器2后，再经起偏器3进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器4分束成第一反射光及第一透射光；
3)所述第一反射光进入功率稳定部件；所述第一透射光束经过原子气室5与工作原子作用后经原子气室5后端的0°反射镜6反射再次穿过原子气室5到达激光分束器4分束成第二透射光、第二反射光；
4)所述第二透射光经过起偏器3后被光隔离器2隔离；所述第二反射光依次经过λ/4波片7、光弹调制器8和检偏器9后进入光电探测器10，光电探测器10对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调；
5)所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器8提供，锁相放大器输出载体转动信号。
本用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统的计算过程：
各偏振器件在本用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统的琼斯矩阵可分别写为：
原子气室5的琼斯矩阵为：
λ/4波片7的琼斯矩阵为：
光弹调制器8的琼斯矩阵为：
检偏器9的琼斯矩阵为：
假设经起偏器3起偏且通过激光分束器4后的第一透射光振动矢量为
I0＝A2为经过激光分束器4后的光强大小；
θ为探测光经过原子气室时偏振面的转动角，与载体转动角成正比；
δ为光弹调制器峰值延迟量；
ω为光弹调制器的调制频率。
另外，本检测系统中激光分束器4的反射/透射分束比为90/10，则激光器1输出的激光经过原子气室5、λ/4波片7、光弹调制器8、检偏器9偏振器件后，从检偏器9后端出射的光矢量为：
因此到达光电探测器10端的光强为：
由于θ为小角，因此上式可简化为
高阶项可以忽略，用贝塞尔函数展开后取低阶项，再经过锁相放大器对基频分量进行解调提取得到输出为：
其中，Bc为基频分量的贝塞尔展开系数。
此时可以看出，载体转动角与锁相放大器的输出为线性关系。从而实现对外界转动信号的检测。
单次通过原子气室情况下，光电探测器端的输出光强为：
经锁相放大器解调后输出为：
Iout＝2I0·θ·Bc＝2I0θBc
对比可知，在同样转角情况下，本发明方案的信号幅值约为单次穿过气室方案的1.8倍。因此可以有效提高系统的测试灵敏度。
本系统主要陈述检测系统，所以在图1中未画出泵浦光束。实际检测过程中需要泵浦光束的持续作用。另外，原子气室的加热保温装置、外面的磁屏蔽系统以及三维磁补偿系统也均未画出。
本发明通过在原子气室5后端采用一个0°反射镜6对第一透射光进行反射，让第一透射光双次穿过原子气室与自旋极化的原子进行作用，此时光偏转面的转动为实际载体转动的2倍，从而有效的提高测量灵敏度，同时通过一个激光分束器4对出射后的第一透射光进行反射后形成第二反射光，经过光弹调制器8，采用光弹调制法进行信号调制，从而提高信号的信噪比。
尽管为说明目的公开的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和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，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陀螺仪的双穿式检测系统，其特征在于：包括激光器（1），光隔离器（2）、起偏器（3）、激光分束器（4）、原子气室（5）、0°反射镜（6）、λ/4波片（7）、光弹调制器（8）、检偏器（9）及光电探测器（10）；激光器（1）输出的激光通过光隔离器（2）后，再经起偏器（3）进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器（4）分束成第一反射光及第一透射光，所述第一反射光进入功率稳定部件，所述第一透射光经过原子气室（5）与工作原子作用后经原子气室（5）后端的0°反射镜（6）反射再次穿过原子气室（5）到达激光分束器（4）分束成第二透射光、第二反射光，所述第二透射光经过起偏器（3）后被光隔离器（2）隔离，所述第二反射光依次经过λ/4波片（7）、光弹调制器（8）和检偏器（9）后进入光电探测器（10），光电探测器（10）对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调，所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器（8）提供，锁相放大器输出载体转动信号；
所述起偏器（3）的偏振方向为水平方向，λ/4波片（7）的光轴方向与起偏器（3）偏振方向同向，光弹调制器（8）的光轴方向与水平方向成45°，检偏器（9）的偏振方向为竖直方向。
2.根据权利要求1所述的用于SERF陀螺仪的双穿式检测系统，其特征在于：所述激光分束器（4）镀增反膜，使得反射光功率远大于透射光功率。
3.一种用于SERF陀螺仪的双穿式检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）调节光路中偏振器件的偏振方向：
A.光路中先不放置原子气室（5）、λ/4 波片（7）和光弹调制器（8），将起偏器（3）的偏振方向调为水平或竖直方向，调节检偏器（9）偏振方向与起偏器（3）方向垂直；
B.将λ/4波片（7）放进光路，并将其光轴方向调成与起偏器（3）的偏振方向相同；
C.再放入光弹调制器（8），并将其光轴方向调成与λ/4波片的光轴方向成 45°；
D.最后将原子气室（5）放进光路；
2）激光器（1）输出的激光通过光隔离器（2）后，再经起偏器（3）进行起偏，起偏后的探测光束经过激光分束器（4）分束成第一反射光及第一透射光；
3）所述第一反射光进入功率稳定部件；所述第一透射光经过原子气室（5）与工作原子作用后经原子气室（5）后端的0°反射镜（6）反射再次穿过原子气室（5）到达激光分束器（4）分束成第二透射光、第二反射光；
4）所述第二透射光经过起偏器（3）后被光隔离器（2）隔离；所述第二反射光依次经过λ/4波片（7）、光弹调制器（8）和检偏器（9）后进入光电探测器（10），光电探测器（10）对信号进行光电转换后的输入信号进入锁相放大器进行解调；
5）所述锁相放大器的参考信号由光弹调制器（8）提供，锁相放大器输出载体转动信号。
CN202210065967.2A 2022-01-20 2022-01-20 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法 Active CN114543783B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210065967.2A CN114543783B (zh) 2022-01-20 2022-01-20 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210065967.2A CN114543783B (zh) 2022-01-20 2022-01-20 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114543783A CN114543783A (zh) 2022-05-27
CN114543783B true CN114543783B (zh) 2024-02-23

Family

ID=81671961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210065967.2A Active CN114543783B (zh) 2022-01-20 2022-01-20 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114543783B (zh)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW356517B (en) * 1998-01-21 1999-04-21 Sheng Jou Optical rotation angle polarimeter
TW445373B (en) * 1998-04-15 2001-07-11 Cheng Jou The diffuse rate polarimeter of optical active substance in solvent
TW528851B (en) * 2001-10-23 2003-04-21 Cheng Jou Phase measurement method of optical activity angle and device thereof
CN105180916A (zh) * 2015-10-19 2015-12-23 东南大学 一种serf原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法
CN105222808A (zh) * 2015-10-28 2016-01-06 北京自动化控制设备研究所 一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法
CN106595626A (zh) * 2016-12-19 2017-04-26 北京航空航天大学 一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统
CN107643615A (zh) * 2017-09-30 2018-01-30 北京航空航天大学 一种serf原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统
CN109449742A (zh) * 2019-01-15 2019-03-08 北京航空航天大学 一种用于serf原子惯性测量装置激光双稳频光路系统
CN109737945A (zh) * 2019-01-31 2019-05-10 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统及方法
CN110165546A (zh) * 2019-05-13 2019-08-23 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法
CN110608736A (zh) * 2019-09-25 2019-12-24 北京航空航天大学 一种用于serf原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统
CN113514046A (zh) * 2021-07-08 2021-10-19 北京航空航天大学 基于马赫曾德干涉的原子自旋进动信号检测装置及方法
DE102020208336A1 (de) * 2020-07-03 2022-01-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Spinbasiertes Gyroskop und Verfahren zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7863894B2 (en) * 2008-11-17 2011-01-04 Northrop Grumman Guidance and Electronic Co., Inc Small optics cell for miniature nuclear magnetic resonance gyroscope
US9062973B2 (en) * 2011-01-31 2015-06-23 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Atom beam gyroscope

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW356517B (en) * 1998-01-21 1999-04-21 Sheng Jou Optical rotation angle polarimeter
TW445373B (en) * 1998-04-15 2001-07-11 Cheng Jou The diffuse rate polarimeter of optical active substance in solvent
TW528851B (en) * 2001-10-23 2003-04-21 Cheng Jou Phase measurement method of optical activity angle and device thereof
CN105180916A (zh) * 2015-10-19 2015-12-23 东南大学 一种serf原子自旋陀螺仪原子自旋进动的检测方法
CN105222808A (zh) * 2015-10-28 2016-01-06 北京自动化控制设备研究所 一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法
CN106595626A (zh) * 2016-12-19 2017-04-26 北京航空航天大学 一种核磁共振陀螺仪椭圆偏振光检测系统
CN107643615A (zh) * 2017-09-30 2018-01-30 北京航空航天大学 一种serf原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统
CN109449742A (zh) * 2019-01-15 2019-03-08 北京航空航天大学 一种用于serf原子惯性测量装置激光双稳频光路系统
CN109737945A (zh) * 2019-01-31 2019-05-10 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统及方法
CN110165546A (zh) * 2019-05-13 2019-08-23 北京航天控制仪器研究所 一种用于serf原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法
CN110608736A (zh) * 2019-09-25 2019-12-24 北京航空航天大学 一种用于serf原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统
DE102020208336A1 (de) * 2020-07-03 2022-01-05 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Spinbasiertes Gyroskop und Verfahren zum Betreiben des spinbasierten Gyroskops
CN113514046A (zh) * 2021-07-08 2021-10-19 北京航空航天大学 基于马赫曾德干涉的原子自旋进动信号检测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114543783A (zh) 2022-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6184109B2 (ja) 光ポンピング磁力計及び磁気センシング方法
CN110411335A (zh) 差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法
CN105222808A (zh) 一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法
CN106385283A (zh) 一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统及方法
CN104913838B (zh) 单路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪
Ye et al. Ultrastable optical frequency reference at 1.064/spl mu/m using a C/sub 2/HD molecular overtone transition
CN101183043A (zh) 一种光学相位延迟精密测量方法及其系统
CN111007526B (zh) 连续波全光纤相干多普勒激光测速雷达光学噪声的抑制系统和方法
Man et al. External modulation technique for sensitive interferometric detection of displacements
CN106248195B (zh) 附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法
CN102129050B (zh) 基于光栅调制相位比较等离子体磁场测量方法与装置
CN107024278B (zh) 一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及方法
CN114543783B (zh) 一种用于serf陀螺仪的双穿式检测系统及检测方法
CN113567351B (zh) 基于量子弱测量的复磁光角测量系统及方法
US4590597A (en) Modulation transfer spectroscopy for stabilizing lasers
CN112098736A (zh) 一种微波电场相位的测量方法
CN114459454B (zh) 一种基于lcvr的serf原子自旋陀螺检测光强误差抑制方法
WO2023184719A1 (zh) 一种可调节灵敏度的等离子体磁场光学测量装置及方法
Lee et al. A compact circular heterodyne interferometer for simultaneous measurements of variation in the magnitude of phase retardation and principal axis angle
CN205192936U (zh) 双光路旋光仪
King et al. Concentration measurements in chiral media using optical heterodyne polarimeter
CN112710615A (zh) 一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法
CN109613456A (zh) 一种全光学原子磁强计及方法
CN114383606B (zh) 一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法
CN104897274B (zh) 双路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant