CN115112120A - 一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪 - Google Patents

一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，包括泵浦光源、光源控制单元、准直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、多层磁屏蔽筒、原子气室、无磁恒温控制单元、无磁光电探测器、光电采集单元、X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元、Z轴磁补偿单元和反正切计算单元；泵浦光源由光源控制单元控制，泵浦光源发射的光经第一准直透镜、起偏器和1/4波片后，转化为圆偏振光，经过原子气室，原子气室由无磁恒温加热单元进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室后，经第二准直透镜聚焦到无磁光电探测器上，转换为电信号。本发明可以同时实现双轴旋转角度的直接测量。

Description

一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，属于原子自旋原子陀螺 仪技术领域。
背景技术
在惯性导航技术领域，高精度、小型化、低成本的陀螺仪具有重要的研究 意义。原子自旋原子陀螺仪是一种新型原子陀螺，可以实现角速度/旋转角度的 高精度测量，理论零偏稳定性可达到10-8°/h。
传统原子自旋陀螺仪包含两束光路，一束泵浦光用于泵浦原子气室中的碱 金属原子，如钾、铷、铯等，使碱金属原子处于极化状态，并通过自旋交换碰 撞极化气室内部的惰性气体；一束与泵浦光垂直的探测光，用于检测被极化的 惰性气体产生的磁场，并利用惰性气体极化磁场的定轴性实现旋转角速度测量。 该方案有诸多缺点，例如双光束很难保证严格垂直，进而引入测量误差；并且 探测光稳频系统尺寸大，导致陀螺体积较大，很难实现小型化集成。
在原子自旋陀螺仪闭环控制方面，传统原子自旋陀螺仪为开环测量模式， 只能敏感载体的转动角速度，并且X轴和Y轴的角速度无法区分，存在交叉耦 合问题，测量范围较小，带宽低，无法满足平台惯性系统的实际应用需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种单光束双轴闭 环原子自旋陀螺仪，不存在交叉耦合问题，可以同时实现双轴旋转角度的直接 测量。
本发明解决技术的方案是：
一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，包括泵浦光源、光源控制单元、准 直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、多层磁屏蔽筒、原子气室、无磁 恒温控制单元、无磁光电探测器、光电采集单元、X轴磁补偿单元、Y轴磁补 偿单元、Z轴磁补偿单元和反正切计算单元；
泵浦光源由光源控制单元控制，泵浦光源发射的光经第一准直透镜、起偏 器和1/4波片后，转化为圆偏振光，经过原子气室，原子气室由无磁恒温加热 单元进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室后， 经第二准直透镜聚焦到无磁光电探测器上，转换为电信号；
光电采集单元获取光电探测器输出的电压信号，并将信号传递给X轴磁补 偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单 元和Z轴磁补偿单元可根据光电探测器输出的电压信号动态调节三轴磁场线圈 产生的补偿磁场，使三轴磁场线圈产生的磁场与原子气室内部惰性气体被极化 产生的磁场抵消，使陀螺转动时惰性气体极化磁场保持定轴性，此时碱金属原 子探测到的总磁场接近零；通过X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补 偿单元将三轴磁场线圈的补偿磁场值传递给反正切计算单元求得的角度值即为 原子自旋陀螺仪X轴或Y轴旋转的角度。
进一步的，多层磁屏蔽筒内只包括一束泵浦光，不包括任何与泵浦光交叉、 垂直或平行的其它光束。
进一步的，泵浦光源、准直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、原 子气室、无磁光电探测器均置于多层磁屏蔽筒内。
进一步的，泵浦光源为半导体激光器、或通过尾纤式激光器或通过光纤准 直器输出的平行光束，或是采用无极放电效应的碱金属光谱灯。
进一步的，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元通过闭环 控制算法，自动调节三轴磁场线圈的驱动电流，使得三轴磁场线圈产生的矢量 合成磁场与惰性气体被极化后产生的磁场大小相等，方向相反。
进一步的，当陀螺绕X或Y轴旋转时，由于三轴磁场线圈产生的抵消磁场 始终与惰性气体宏观极化磁场大小相等，方向相反，此时惰性气体宏观极化磁 场具有定轴性，当陀螺仪绕X/Y轴旋转时，惰性气体宏观极化磁场指向恒定不 变。
进一步的，将X轴补偿磁场Bx除以Z轴补偿磁场Bz得kxz，将kxz求反正切， 可以得到陀螺仪绕Y轴旋转的角度degy。
进一步的，将Y轴补偿磁场By除以Z轴补偿磁场Bz得kyz，将kyz求反正切， 可以得到陀螺仪绕X轴旋转的角度degx。
进一步的，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元驱动三轴 磁场线圈产生补偿磁场，补偿磁场的强度通过模拟量或者数字量表征。
进一步的，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元，其内部 组成均包括正弦信号发生器、锁相放大器、PID控制器、移项器、加法器和压 控恒流源；
正弦信号发生器输出的调制信号与PID控制器输出补偿磁场信号，经加法 器相加后，传递给压控恒流源，驱动磁场线圈；
锁相放大器将光电采集单元作为输入，将经移项器移项后的正弦信号作为 参考信号进行相敏检波，获得误差信号；将误差信号传递给PID控制器，PID 控制器通过改变线圈产生磁场的大小，使得误差信号为0，此时PID控制器输 出的信号即为线圈的补偿磁场信号。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明克服现有双光束开环原子自旋陀螺仪系统复杂、体积庞大、量 程小、带宽低等问题，提供一种单光束双轴输出闭环原子自旋陀螺仪，可以同 时实现双轴旋转角度的直接测量；
(2)本发明针对双光束原子自旋陀螺仪光路复杂，体积和重量较大的问题， 发明一种单光束原子自旋原子陀螺仪，仅采用一束泵浦光即可实现双轴旋转角 度的测量，无需外部复杂的激光稳频设备，可以实现小型化高精度的原子自旋 陀螺仪；
(3)本发明针对开环原子自旋陀螺仪双轴旋转角速度无法区分，带宽低等 问题，提出一种基于单光束原子自旋陀螺仪的闭环控制方法，通过三轴磁场线 圈动态磁补偿原子气室内部被极化的惰性气体产生的极化磁场，通过三轴补偿 磁场的大小，计算双轴旋转角度；闭环后，原子自旋陀螺仪可直接输出双轴旋 转角度，而非开环模式的角速度，双轴旋转角度可同时测量，不存在交叉耦合 问题，并且带宽相比开环模式有显著提升(可达1～2个数量级)，可满足平台惯 导系统的应用需求。
附图说明
图1为本发明的整体系统示意图；
图2为本发明的X/Y/Z轴磁补偿单元控制流程示意图；
图3为本发明闭环模式双轴旋转角度检测原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，如图1所示，包括泵浦光源1、光 源控制单元15、准直透镜、起偏器3、1/4波片4、三轴磁场线圈5、多层磁屏 蔽筒6、原子气室7、无磁恒温控制单元11、无磁光电探测器9、光电采集单 元10、X轴磁补偿单元12、Y轴磁补偿单元13、Z轴磁补偿单元14和反正切 计算单元16；
泵浦光源1由光源控制单元15控制，泵浦光源1发射的光经第一准直透 镜2、起偏器3和1/4波片4后，转化为圆偏振光，经过原子气室7，原子气 室7由无磁恒温加热单元11进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原 子，光透过原子气室7后，经第二准直透镜8聚焦到无磁光电探测器9上，转 换为电信号。
如图2所示，X轴磁补偿单元12、Y轴磁补偿单元13和Z轴磁补偿单元 14，其内部组成均包括正弦信号发生器、锁相放大器、PID控制器、移项器、 加法器和压控恒流源；
正弦信号发生器输出的调制信号与PID控制器输出补偿磁场信号，经加法 器相加后，传递给压控恒流源，驱动磁场线圈；
锁相放大器将光电采集单元10作为输入，将经移项器移项后的正弦信号 作为参考信号进行相敏检波，获得误差信号；将误差信号传递给PID控制器， PID控制器通过改变线圈产生磁场的大小，使得误差信号为0，此时PID控制器 输出的信号即为线圈的补偿磁场信号。
本发明采用单束圆偏振光极化原子气室7内的碱金属原子和惰性气体原 子，使惰性气体产生极化磁场，并采用碱金属原子测量惰性气体产生的极化磁 场，同时通过闭环控制回路，即X轴磁补偿单元12、Y轴磁补偿单元13、Z 轴磁补偿单元14动态调节三轴磁场线圈5的驱动电流，使三轴磁场线圈5产 生与惰性气体极化磁场大小相同、方向相反的抵消磁场，进而使得碱金属原子 探测到的磁场接近零。
当陀螺转动时，惰性气体极化磁场由于定轴性，其指向不会立即改变，而 由于陀螺转动，三轴磁场线圈指向变化，闭环控制系统会自动调制抵消磁场的 大小，保证抵消磁场和惰性气体极化磁场大小相同、方向相反，此时通过计算 X(Y)轴抵消磁场和Z轴抵消磁场比值的反正切，即可计算陀螺绕Y(X)的 旋转角度，无角速度输入和有角速度输入时，陀螺闭环模式双轴旋转角度检测 原理如附图3所示。
泵浦光源1可以是半导体激光器、通过尾纤式激光器通过光纤准直器输出 的平行光束，或是采用无极放电效应的碱金属光谱灯。泵浦光源应通过弱磁化 处理，器件剩磁在1cm产生的磁干扰应小于1nT；
泵浦光源1由其控制器15控制发光，可以产生波长和功率相对稳定的平 行光束，其波长应与碱金属原子的光谱特性一致，通过起偏器3和1/4波片4 后，可以转换为圆偏振光，实现原子气室7内碱金属原子和惰性气体原子的极 化，使得惰性气体原子产生极化磁场，碱金属原子可以实现惰性气体原子极化 磁场的测量；
原子气室7放置在三维磁场线圈5的磁场发生最均匀的位置，对于亥姆霍 兹线圈，一般为线圈的最中心，三维磁场线圈5可选用鞍型、螺线管等异形线 圈，其核心要求是可以产生三轴正交的磁场，三轴正交度应由于0.5°；
原子气室7内部冲入碱金属原子和惰性气体，并被无磁恒温控制单元11 加热，保证足够的碱金属密度极化惰性气体，使惰性气体产生极化磁场；
泵浦光透过原子气室7后，可被泵浦光源第一准直透镜2汇聚到无磁光电 探测器9上；
泵浦光源1、泵浦光源准直透镜、起偏器3、1/4波片4、三轴磁场线圈5、 原子气室7、无磁光电探测器9都应放置在多层磁屏蔽筒6中，多层磁屏蔽筒 6采用多层高磁导率的材料制作，可衰减周围的环境磁场；
无磁光电探测器9接收到泵浦光后进行光电转换，并将信号传递给多层磁 屏蔽筒6外的光电采集单元10；
此时开始调节附图2中X轴磁补偿单元12中的正弦信号发生器，产生正 弦信号，频率一般为100Hz～2000Hz，驱动X轴磁场线圈产生交变磁场，并关 闭PID控制器，使PID控制器输出为零，即不产生偏置磁场；
将光电采集单元输出信号输入锁相放大器，并将正弦信号发生器产生的正 弦信号经移项器移项后作为锁相放大器的参考信号，经锁相放大器相敏检波， 获得X轴的开环磁场值误差信号；
打开X轴磁补偿单元12中的PID控制器，PID控制器通过压控恒流源的 偏置电流，实现X轴磁场线圈偏置磁场的调节，使得锁相放大器输出的误差信 号为零，此时PID控制器的输出即为X轴方向的磁场值；
重复上述步骤，获得Y轴和Z轴的磁场值输出；
将X轴磁补偿单元12输出的X轴磁场值作为分子，将Z轴磁补偿单元14 输出的Z轴磁场值作为分母，输入到反正切计算单元，计算得到角度值为原子 自旋陀螺绕Y轴旋转的角度输出；
将Y轴磁补偿单元13输出的Y轴磁场值作为分子，将Z轴磁补偿单元14 输出的Z轴磁场值作为分母，输入到反正切计算单元，计算得到角度值为原子 自旋陀螺绕X轴旋转的角度输出。
本发明设计的单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪可直接测量陀螺绕X轴和Y 轴旋转的角度，仅采用一束泵浦光，不需要垂直于泵浦光的探测光，可显著降 低陀螺仪体积和重量，解决开环原子自旋陀螺仪只能直接测量角速度，测量带 宽低，并且双轴存在交叉耦合干扰等问题。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法 和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发 明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，包括泵浦光源(1)、光源控制单元(15)、准直透镜、起偏器(3)、1/4波片(4)、三轴磁场线圈(5)、多层磁屏蔽筒(6)、原子气室(7)、无磁恒温控制单元(11)、无磁光电探测器(9)、光电采集单元(10)、X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)、Z轴磁补偿单元(14)和反正切计算单元(16)；
泵浦光源(1)由光源控制单元(15)控制，泵浦光源(1)发射的光经第一准直透镜(2)、起偏器(3)和1/4波片(4)后，转化为圆偏振光，经过原子气室(7)，原子气室(7)由无磁恒温加热单元(11)进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室(7)后，经第二准直透镜(8)聚焦到无磁光电探测器(9)上，转换为电信号；
光电采集单元(10)获取光电探测器(9)输出的电压信号，并将信号传递给X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)可根据光电探测器(9)输出的电压信号动态调节三轴磁场线圈(5)产生的补偿磁场，使三轴磁场线圈(5)产生的磁场与原子气室(7)内部惰性气体被极化产生的磁场抵消，使陀螺转动时惰性气体极化磁场保持定轴性，此时碱金属原子探测到的总磁场接近零；通过X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)将三轴磁场线圈(5)的补偿磁场值传递给反正切计算单元(16)求得的角度值即为原子自旋陀螺仪X轴或Y轴旋转的角度。
2.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，多层磁屏蔽筒(6)内只包括一束泵浦光，不包括任何与泵浦光交叉、垂直或平行的其它光束。
3.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，泵浦光源(1)、准直透镜、起偏器(3)、1/4波片(4)、三轴磁场线圈(5)、原子气室(7)、无磁光电探测器(9)均置于多层磁屏蔽筒(6)内。
4.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，泵浦光源(1)为半导体激光器、或通过尾纤式激光器或通过光纤准直器输出的平行光束，或是采用无极放电效应的碱金属光谱灯。
5.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)通过闭环控制算法，自动调节三轴磁场线圈(5)的驱动电流，使得三轴磁场线圈(5)产生的矢量合成磁场与惰性气体被极化后产生的磁场大小相等，方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，当陀螺绕X或Y轴旋转时，由于三轴磁场线圈(5)产生的抵消磁场始终与惰性气体宏观极化磁场大小相等，方向相反，此时惰性气体宏观极化磁场具有定轴性，当陀螺仪绕X/Y轴旋转时，惰性气体宏观极化磁场指向恒定不变。
7.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，将X轴补偿磁场Bx除以Z轴补偿磁场Bz得kxz，将kxz求反正切，可以得到陀螺仪绕Y轴旋转的角度degy。
8.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，将Y轴补偿磁场By除以Z轴补偿磁场Bz得kyz，将kyz求反正切，可以得到陀螺仪绕X轴旋转的角度degx。
9.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)驱动三轴磁场线圈(5)产生补偿磁场，补偿磁场的强度通过模拟量或者数字量表征。
10.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)，其内部组成均包括正弦信号发生器、锁相放大器、PID控制器、移项器、加法器和压控恒流源；
正弦信号发生器输出的调制信号与PID控制器输出补偿磁场信号，经加法器相加后，传递给压控恒流源，驱动磁场线圈；
锁相放大器将光电采集单元(10)作为输入，将经移项器移项后的正弦信号作为参考信号进行相敏检波，获得误差信号；将误差信号传递给PID控制器，PID控制器通过改变线圈产生磁场的大小，使得误差信号为0，此时PID控制器输出的信号即为线圈的补偿磁场信号。
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