CN116147601A - 一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统 - Google Patents

一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，包括带反射棱镜碱金属原子气室、微波直流耦合器、光源驱动模块、环路伺服模块和时分复用控制器；其中带反射棱镜碱金属原子气室设置于三轴线圈内，带反射棱镜碱金属原子气室的周围设置有三组半导体激光器和光电探测器，每组半导体激光器均与微波直流耦合器、光源驱动模块和环路伺服模块连接，每组光电探测器均通过信号放大器与环路伺服模块连接，时分复用控制器分别与微波直流耦合器、光源驱动模块和信号放大器连接；本发明在仅增加一对半导体激光器和光电探测器的前提下利用一个原子体系和时分复用原理实现三轴核磁共振陀螺仪的设计，从而能够很好地适应外界环境，实现更复杂环境的应用要求。

Description

一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统。
背景技术
随着科技的发展，导航定位系统在军事和民用上得到越来越多的应用。然而，传统导航技术存在体积重量大、预热启动慢、成本高、抗干扰能力弱等不足。为了适应现代战争提出的精确打击、快速反应、协同作战、自主生存等需求，研究一种高精度、小体积、低成本、支持协同作战并具有自主保障能力的导航技术势在必行。近年来，一种基于现代量子技术、电子技术、微机械电子系统（MEMS）和3D微组装工艺发展起来的微型定位导航与授时（Micro-Position，Navigation，Timing，Micro-PNT）技术应运而生。
Micro-PNT是一个将芯片原子钟、核磁共振陀螺仪（NMRG）单元和高精度微加速度计组合集成的微终端。其中，芯片原子钟提供时间信息；陀螺仪提供角速度信息；加速度计提供加速度信息。Micro-PNT具有体积小，功耗低，成本低，定位精度达到导航级等多种优点，便于灵活集成于各种可移动系统当中。在军事和民用领域具有广阔的应用空间。
传统的NMRG采集载体运X、Y、Z三个方向的运动姿态，需将三个独立的NMRG单元分别组装在互相垂直的X、Y、Z轴上使用，增加了系统体积和成本。
传统的分立式三轴NMRG单元工作时需要对整个外部结构框架的方向进行精确控制以达到三轴绝对正交，如果外部结构框架受外力影响会影响陀螺仪的三轴精度，进而影响整机的性能指标。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统解决了传统的核磁共振陀螺仪体积大和成本高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，包括带反射棱镜碱金属原子气室、微波直流耦合器、光源驱动模块、环路伺服模块和时分复用控制器；
其中，所述带反射棱镜碱金属原子气室设置于三轴线圈内，所述带反射棱镜碱金属原子气室的周围设置有三组半导体激光器和光电探测器，每组所述半导体激光器均与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和环路伺服模块连接，每组所述光电探测器均通过信号放大器与所述环路伺服模块连接，所述时分复用控制器分别与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和信号放大器连接；
所述带反射棱镜碱金属原子气室用于为原子气室中的敏感原子提供高真空存储环境，所述微波直流耦合器用于调制半导体激光器产生双色光，所述光源驱动模块用于调节半导体激光器电流源的频率，所述环路伺服模块用于产生误差信号，根据误差信号伺服半导体激光器的频率，所述时分复用控制器用于提供时分复用原理。
进一步地：三组所述半导体激光器分别两两正交形成X轴、Y轴和Z轴，每组所述半导体激光器发出的激光射入带反射棱镜碱金属原子气室内部，并且发出激光的方向设置有光电池。
进一步地：所述三轴线圈与三个直接数字频率合成信号发生器（DDS）连接，用于产生绕X轴、Y轴和Z轴的磁场。
上述进一步方案的有益效果为：三组半导体激光器发出的激光从三个正交面射入带反射棱镜碱金属原子气室内部，形成一体化三轴核磁共振原子陀螺仪的物理系统主框架。
进一步地：两两正交的所述半导体激光器分别发出检测光和抽运光，所述检测光和抽运光均射入带反射棱镜碱金属原子气室，所述检测光和抽运光还通过两两正交的半导体激光器和偏振分束器分束产生。
进一步地：所述射入带反射棱镜碱金属原子气室的方法为：
抽运光通过光学透镜进行整形后进入偏振片，通过偏振片将光束变为线偏振光后经过四分之一波片转换为圆偏振光，射入带反射棱镜碱金属原子气室。
进一步地：所述抽运光还通过微波直流耦合器调制为双色光，所述双色光射入带反射棱镜碱金属原子气室。
进一步地：所述带反射棱镜碱金属原子气室内充有碱性金属蒸汽、稀有气体和缓冲气体。
本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统有效降低PNT单元的体积和功耗，本发明采用一个带反射棱镜碱金属原子气室和同一类型的激光器实现三轴核磁共振陀螺仪构建，有效降低了设置该三轴核磁共振陀螺仪的PNT单元总体积和功耗。
（2）本发明的一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统可避免对外部装置的依赖，在仅增加一对半导体激光器和光电探测器的前提下利用一个原子体系和时分复用原理实现三轴核磁共振陀螺仪的设计，从而能够很好地适应外界环境，实现更复杂环境的应用要求。
（3）本发明采用传统工艺实现一体化三轴核磁共振陀螺仪，也可以采用微加工工艺实现一体化芯片级三轴核磁共振陀螺仪，可作为Micro-PNT整机的一种备选方案。
附图说明
图1为一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，包括带反射棱镜碱金属原子气室、微波直流耦合器、光源驱动模块、环路伺服模块和时分复用控制器；
其中，所述带反射棱镜碱金属原子气室设置于三轴线圈内，所述带反射棱镜碱金属原子气室的周围设置有三组半导体激光器和光电探测器，每组所述半导体激光器均与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和环路伺服模块连接，每组所述光电探测器均通过信号放大器与所述环路伺服模块连接，所述时分复用控制器分别与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和信号放大器连接；
所述带反射棱镜碱金属原子气室用于为原子气室中的敏感原子提供高真空存储环境，所述微波直流耦合器用于调制半导体激光器产生双色光，所述光源驱动模块用于调节半导体激光器电流源的频率，所述环路伺服模块用于产生误差信号，根据误差信号伺服半导体激光器的频率，所述时分复用控制器用于提供时分复用原理。
微波直流耦合器由电容和电感构成，微波直流耦合器接受光源驱动模块的输入，用以调制半导体激光器产生必要的双色光。光源驱动模块通过调节半导体激光器电流源的电流值，实现对于半导体激光器频率的调节。环路伺服模块通过接收多普勒背景吸收峰，产生误差信号用以伺服半导体激光器的频率。
三组所述半导体激光器分别两两正交形成X轴、Y轴和Z轴，每组所述半导体激光器发出的激光射入带反射棱镜碱金属原子气室内部，并且发出激光的方向设置有光电池。
在本实施例中，三组半导体激光器发出的激光从三个正交面射入带反射棱镜碱金属原子气室内部，形成一体化三轴核磁共振原子陀螺仪的物理系统主框架。
所述三轴线圈与三个直接数字频率合成信号发生器连接，用于产生绕X轴、Y轴和Z轴的磁场。
两两正交的所述半导体激光器分别发出检测光和抽运光，所述检测光和抽运光均射入带反射棱镜碱金属原子气室，所述检测光和抽运光还通过两两正交的半导体激光器和偏振分束器分束产生。
在本实施例中，由NMRG单元的工作原理可知，三轴核磁共振原子陀螺仪单元只需要增加两个相互垂直的抽运激光和探测激光，就可以利用一套原子体系来实现三轴陀螺仪的功能。
核磁共振原子陀螺仪单元的核心是物理系统，其包括：圆偏光状态的抽运光，充有碱金属原子（Rb或者Cs）、N2、Xe的带反射棱镜的碱金属原子气室，温控、磁屏蔽、静磁场和光电探测器等部件。可利用时分复用原则，通过一个原子泡来实现三轴核磁共振原子陀螺仪的功能。
所述射入带反射棱镜碱金属原子气室的方法为：
抽运光通过光学透镜进行整形后进入偏振片，通过偏振片将光束变为线偏振光后经过四分之一波片转换为圆偏振光，射入带反射棱镜碱金属原子气室。
在本实施例中，圆偏振光经过带反射棱镜碱金属原子气室进入光电探测器，得到电流信号，将该电流信号通过信号放大器处理后，输入至环路伺服模块得到陀螺仪的角速度信号。
所述抽运光还通过微波直流耦合器调制为双色光，所述双色光射入带反射棱镜碱金属原子气室。
所述带反射棱镜碱金属原子气室内充有碱性金属蒸汽、稀有气体和缓冲气体。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统有效降低PNT单元的体积和功耗，本发明采用一个带反射棱镜碱金属原子气室和同一类型的激光器实现三轴核磁共振陀螺仪构建，有效降低了设置该三轴核磁共振陀螺仪的PNT单元总体积和功耗。
本发明的一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统可避免对外部装置的依赖，在仅增加一对半导体激光器和光电探测器的前提下利用一个原子体系和时分复用原理实现三轴核磁共振陀螺仪的设计，从而能够很好地适应外界环境，实现更复杂环境的应用要求。
本发明采用传统工艺实现一体化三轴核磁共振陀螺仪，也可以采用微加工工艺实现一体化芯片级三轴核磁共振陀螺仪，可作为Micro-PNT整机的一种备选方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (8)

1.一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，包括带反射棱镜碱金属原子气室、微波直流耦合器、光源驱动模块、环路伺服模块和时分复用控制器；
其中，所述带反射棱镜碱金属原子气室设置于三轴线圈内，所述带反射棱镜碱金属原子气室的周围设置有三组半导体激光器和光电探测器，每组所述半导体激光器均与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和环路伺服模块连接，每组所述光电探测器均通过信号放大器与所述环路伺服模块连接，所述时分复用控制器分别与所述微波直流耦合器、光源驱动模块和信号放大器连接；
所述带反射棱镜碱金属原子气室用于为原子气室中的敏感原子提供高真空存储环境，所述微波直流耦合器用于调制半导体激光器产生双色光，所述光源驱动模块用于调节半导体激光器电流源的频率，所述环路伺服模块用于产生误差信号，根据误差信号伺服半导体激光器的频率，所述时分复用控制器用于提供时分复用原理。
2.根据权利要求1所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，三组所述半导体激光器分别两两正交形成X轴、Y轴和Z轴，每组所述半导体激光器发出的激光射入带反射棱镜碱金属原子气室内部，并且发出激光的方向设置有光电池。
3.根据权利要求2所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，所述三轴线圈与三个直接数字频率合成信号发生器连接，用于产生绕X轴、Y轴和Z轴的磁场。
4.根据权利要求1所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，两两正交的所述半导体激光器分别发出检测光和抽运光，所述检测光和抽运光均射入带反射棱镜碱金属原子气室。
5.根据权利要求4所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，所述检测光和抽运光还通过两两正交的半导体激光器和偏振分束器分束产生。
6.根据权利要求5所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，所述射入带反射棱镜碱金属原子气室的方法为：
抽运光通过光学透镜进行整形后进入偏振片，通过偏振片将光束变为线偏振光后经过四分之一波片转换为圆偏振光，射入带反射棱镜碱金属原子气室。
7.根据权利要求6所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，所述抽运光还通过微波直流耦合器调制为双色光，所述双色光射入带反射棱镜碱金属原子气室。
8.根据权利要求1所述的一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，其特征在于，所述带反射棱镜碱金属原子气室内充有碱性金属蒸汽、稀有气体和缓冲气体。
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