CN206756173U - 一种双气室核自旋陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双气室核自旋陀螺仪，包括第一磁屏蔽外壳、第一气室、第一泵浦线圈、第一主磁场线圈、第一激光探测器、第二磁屏蔽外壳、第二气室、第二泵浦线圈、第二主磁场线圈、第二激光探测器、激光器、磁场发生器和信号处理器，激光器产生的激光一分为二后分别穿过第二泵浦线圈和第一泵浦线圈后再穿过第二气室和第一气室，然后经第二激光探测器和第一激光探测器检测后传输给信号处理器。本实用新型采用双气室方案，能够控制每个气室的极化‑FID过程交替进行，这样计算陀螺信号时都在每个气室的FID过程启动后的前一小段时间进行，FID信号强度较高，信噪比得到很好改善，灵敏度高，相比单气室方案能够获得连续的角位移信号。

Description

一种双气室核自旋陀螺仪

技术领域

本实用新型涉及一种核陀螺仪，尤其涉及一种双气室核自旋陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是惯导系统的核心传感器，其性能将直接决定惯导系统的导航精度。高精度陀螺仪的发展经历了以牛顿经典力学为理论基础的液浮陀螺仪、挠性陀螺仪，到以Sagnac(萨格纳克)效应为基础的激光陀螺仪、光纤陀螺仪，陀螺仪的工作原理和性能发生了翻天覆地的变化。随着现代物理的快速发展，原子冷却、原子操控、激光技术的飞速进步，又诞生了一种以原子物理和量子力学为理论基础的新型陀螺仪即原子陀螺仪。

原子陀螺仪也称为核陀螺仪或原子核陀螺仪，而核自旋陀螺仪是一种基于原子自旋的原子陀螺仪，可以达到当前激光陀螺仪的精度水平，能满足战术级精度导航控制的需求，在小型化和低成本上具有很大优势。比如，专利号为“US4157495”的美国专利介绍了一种基于核磁共振的原子陀螺，利用自旋交换极化使惰性气体原子产生宏观磁矩，在横向施加一个频率等于拉莫尔频率的交变激励磁场维持核自旋进动，横向激励磁场的频率需通过相位或频率的反馈使之始终等于观测的拉莫尔进动相位或频率；申请号为“201410850412.4”的中国专利介绍了一种微结构核磁共振陀螺仪，其工作原理同上述美国专利相同；德国P.Harle(Stuttgart University)等人介绍了一种基于核自旋和光学泵浦的角度传感器，利用单个气室的惰性气体原子磁矩的FID信号即自由感应衰减信号提取角度信息。

上述传统的核自旋陀螺仪，第一种和第二种都需要反馈的横向激励磁场，对相位控制的精度和实时性有很高要求，控制算法复杂、实时性要求高；第三种由于随着FID信号衰减，信噪比急剧下降，测量灵敏度和角度的偏置稳定性急剧减小，所以无法实现连续的角度测量。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种双气室核自旋陀螺仪，其FID信号强度较高，信噪比得到很好改善，灵敏度高，能够获得连续的角位移信号。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双气室核自旋陀螺仪，包括第一磁屏蔽外壳、第一气室、第一泵浦线圈、第一主磁场线圈、第一激光探测器、第二磁屏蔽外壳、第二气室、第二泵浦线圈、第二主磁场线圈、第二激光探测器、激光器、磁场发生器和信号处理器，所述第一气室、所述第一泵浦线圈和所述第一主磁场线圈均置于所述第一磁屏蔽外壳内，所述第一泵浦线圈产生的磁场和所述第一主磁场线圈产生的磁场方向相互垂直且均能穿过所述第一气室，所述第二气室、所述第二泵浦线圈和所述第二主磁场线圈均置于所述第二磁屏蔽外壳内，所述第二泵浦线圈产生的磁场和所述第二主磁场线圈产生的磁场方向相互垂直且均能穿过所述第二气室；所述第一泵浦线圈产生的磁场与所述第二泵浦线圈产生的磁场方向相同，所述第一主磁场线圈产生的磁场与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向相同，形状、尺寸均相同的所述第一气室和所述第二气室内均包含碱金属原子、用于自旋交换极化的惰性气体原子和缓冲气体，所述磁场发生器的控制输出端分别与所述第一泵浦线圈的输入端、所述第一主磁场线圈的输入端、所述第二泵浦线圈的输入端和所述第二主磁场线圈的输入端对应连接，所述激光器产生的激光一分为二分别穿过所述第一气室和所述第二气室后分别照射在所述第一激光探测器的感应端和所述第二激光探测器的感应端，所述第一激光探测器的信号输出端和所述第二激光探测器的信号输出端分别与所述信号处理器的输入端连接。

具体地，所述第一激光探测器、所述第二激光探测器、所述激光器、所述磁场发生器和所述信号处理器均置于所述第一磁屏蔽外壳和所述第二磁屏蔽外壳外。

具体地，所述激光器可以为一个且为泵浦激光器，所述泵浦激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜反射后的一半激光沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室或沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室，所述泵浦激光器产生的激光中经过所述半反射泵浦反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜反射后沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室或沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器均为光电探测器。

根据需要，所述激光器也可以为两个且分别为泵浦激光器和探测激光器，所述泵浦激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜反射后的一半激光沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室或沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室，所述泵浦激光器产生的激光中经过所述半反射泵浦反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜反射后沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室或沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室；所述探测激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射探测反射镜反射后的一半激光沿同时与所述第一主磁场线圈产生的磁场方向和所述第一泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第一气室或沿同时与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向和所述第二泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第二气室，所述探测激光器产生的激光中经过所述半反射探测反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射探测反射镜反射后沿同时与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向和所述第二泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第二气室或同时与所述第一主磁场线圈产生的磁场方向和所述第一泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第一气室；所述探测激光器产生的激光的两部分分别穿过所述第一气室和所述第二气室后照射在所述第一激光探测器的感应端和所述第二激光探测器的感应端，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器均为差分式偏振探测器。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型采用双气室方案，能够控制每个气室的极化-FID过程交替进行，这样计算陀螺信号时都在每个气室的FID过程启动后的前一小段时间进行，FID信号强度较高，信噪比得到很好改善，灵敏度高，相比单气室方案能够获得连续的角位移信号。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所述双气室核自旋陀螺仪的结构示意图；

图2是本实用新型实施例1所述第一气室和第二气室交替极化-FID的磁场控制过程示意图；

图3是本实用新型实施例2所述双气室核自旋陀螺仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，一种双气室核自旋陀螺仪，包括第一磁屏蔽外壳7、第一气室1、第一泵浦线圈5、第一主磁场线圈3、第一激光探测器9、第二磁屏蔽外壳8、第二气室2、第二泵浦线圈6、第二主磁场线圈4、第二激光探测器10、泵浦激光器11、磁场发生器14和信号处理器15，第一气室1、第一泵浦线圈5和第一主磁场线圈3均置于第一磁屏蔽外壳7内，第二气室2、第二泵浦线圈6和第二主磁场线圈4均置于第二磁屏蔽外壳8内，第一激光探测器9、第二激光探测器10、泵浦激光器11、磁场发生器14和信号处理器15均置于第一磁屏蔽外壳7和第二磁屏蔽外壳8外；第一泵浦线圈5产生的磁场和第一主磁场线圈3产生的磁场方向相互垂直且均能穿过第一气室1，第二泵浦线圈6产生的磁场和第二主磁场线圈4产生的磁场方向相互垂直且均能穿过第二气室2；第一泵浦线圈5产生的磁场与第二泵浦线圈6产生的磁场方向相同，第一主磁场线圈3产生的磁场与第二主磁场线圈4产生的磁场方向相同，形状、尺寸均相同的第一气室1和第二气室2内均包含碱金属原子、用于自旋交换极化的惰性气体原子和缓冲气体，磁场发生器14的控制输出端分别与第一泵浦线圈5的输入端、第一主磁场线圈3的输入端、第二泵浦线圈6的输入端和第二主磁场线圈4的输入端对应连接，泵浦激光器11产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜13反射后的一半激光沿第二泵浦线圈6产生的磁场方向穿过第二气室2，然后照射在第二激光探测器10的感应端，泵浦激光器11产生的激光中经过半反射泵浦反射镜13透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜12反射后沿第一泵浦线圈4产生的磁场方向穿过第一气室1，然后照射在第一激光探测器9的感应端，第一激光探测器9的信号输出端和第二激光探测器10的信号输出端分别与信号处理器15的输入端连接；第一激光探测器9和第二激光探测器10均为光电探测器；半反射泵浦反射镜13是一种分光镜。说明：上述泵浦激光一分为二的顺序也可以相反，即可以先沿第一泵浦线圈5产生的磁场方向穿过第一气室1后照射在第一激光探测器9的感应端，然后另一半激光再沿第二泵浦线圈6产生的磁场方向穿过第二气室2后照射在第二激光探测器10的感应端，这种情况与泵浦激光器11的位置靠近第一气室1的外侧的结构相对应。

上述结构中，若以x轴、y轴、z轴构成的三维坐标来表示方向，则第一泵浦线圈5和第二泵浦线圈6产生的磁场方向为x轴方向，第一主磁场线圈3和第二主磁场线圈4产生的磁场方向为z轴方向。

上述结构中，更优选的结构是：第一气室1和第二气室2为边长约2～10mm的耐热玻璃制成的立方体或尺寸相当的玻璃泡；两个气室内含有数mbar的¹²⁹Xe,数mg的金属⁸⁷Rb蒸汽，同时含有几十mbar的缓冲器N₂；为了提高陀螺分辨率，减小外界磁场的干扰，气室内Xe原子可以采用两种同位素原子，如¹²⁹Xe和¹³¹Xe；气室结构件加工完成后，须进行洁净处理，然后，根据需要对气室内表面进行镀膜(如氢化铷或派瑞林)处理；第一磁屏蔽外壳7和第二磁屏蔽外壳8的材料采用多层结构，最内层采用高导磁率材料(μ金属)，以提供高的磁屏蔽系数，外层采用低导磁材料，以使其具有较高的抗磁饱和强度。

为了便于理解，下面对本实用新型上述双气室核自旋陀螺仪采用的优选控制方法进行举例说明，但下述方法不是唯一方法，也不是本实用新型的保护对象。

如图1和图2所示，本实施例所述双气室核自旋陀螺仪采用的优选控制方法，包括以下步骤：

(1)由磁场发生器14控制第一泵浦线圈5产生磁场，开启泵浦激光器11，第一气室1的惰性气体原子在对应泵浦光下通过与碱金属原子的自旋交换碰撞被极化，极化完成后断开第一泵浦线圈5的电源；

(2)由磁场发生器14控制第一主磁场线圈3产生磁场，第一气室1内极化的惰性气体原子围绕对应的主磁场做拉莫尔进动；

(3)第一激光探测器9探测穿过第一气室1的FID信号并传输给信号处理器15计算角位移；

(4)由磁场发生器14控制第二泵浦线圈6产生磁场，第二气室2的惰性气体原子在对应泵浦光下通过与碱金属原子的自旋交换碰撞被极化，极化完成后断开第二泵浦线圈6的电源；

(5)由磁场发生器14控制第二主磁场线圈4产生磁场，第二气室2内极化的惰性气体原子围绕对应的主磁场做拉莫尔进动；

(6)第二激光探测器10探测穿过第二气室2的FID信号并传输给信号处理器15计算角位移；

(7)重复步骤(1)-步骤(6)，信号处理器15利用两路FID信号解算到的相位偏移拼接得到连续的角位移信号，具体来说，当陀螺仪绕z轴旋转时，此相位角中会引入陀螺角位移信号，通过与参考时钟信号比较，得到连续的角位移信号。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础进行的变形，其区别在于：

如图3所示，所述激光器为两个且分别为泵浦激光器11和探测激光器20，泵浦激光器11产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜13反射后的一半激光沿第二泵浦线圈6产生的磁场方向穿过2第二气室，泵浦激光器11产生的激光中经过半反射泵浦反射镜13透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜12反射后沿第一泵浦线圈5产生的磁场方向穿过第一气室1；探测激光器20产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射探测反射镜19反射后的一半激光沿同时与第二主磁场线圈4产生的磁场方向和第二泵浦线圈6产生的磁场方向垂直的方向即z轴方向穿过第二气室2，探测激光器20产生的激光中经过半反射探测反射镜19透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射探测反射镜18反射后沿同时与第一主磁场线圈3产生的磁场方向和第一泵浦线圈5产生的磁场方向垂直的方向即z轴方向穿过第一气室1；探测激光器20产生的激光的两部分分别穿过第一气室1和第二气室2后照射在第一差分式偏振探测器16的感应端和第二差分式偏振探测器17的感应端，第一差分式偏振探测器16的信号输出端和第二差分式偏振探测器17的信号输出端分别与信号处理器15的输入端连接。

对比图3与图1可知，本实施例与实施例1相比的结构差异在于：本实施例在实施例1的基础上增加了探测激光器20、半反射探测反射镜19和全反射探测反射镜18，并用第一差分式偏振探测器16和第二差分式偏振探测器17代替了实施例1的第一激光探测器9和第二激光探测器10这两个光电探测器。

相应地，本实施例的优选控制方法也对应发生变化，本实施例的控制方法为：

(1)由磁场发生器14控制第一泵浦线圈5产生磁场，开启泵浦激光器11和探测激光器20，第一气室1的惰性气体原子在对应泵浦光和探测光下通过与碱金属原子的自旋交换碰撞被极化，极化完成后断开第一泵浦线圈5的电源；

(2)由磁场发生器14控制第一主磁场线圈3产生磁场，第一气室1内极化的惰性气体原子围绕对应的主磁场做拉莫尔进动；

(3)第一差分式偏振探测器16探测探测光穿过第一气室1后形成的FID信号并传输给信号处理器15计算偏振向旋转角度；

(4)由磁场发生器14控制第二泵浦线圈6产生磁场，第二气室2的惰性气体原子在对应泵浦光和探测光下通过与碱金属原子的自旋交换碰撞被极化，极化完成后断开第二泵浦线圈6的电源；

(5)由磁场发生器14控制第二主磁场线圈4产生磁场，第二气室2内极化的惰性气体原子围绕对应的主磁场做拉莫尔进动；

(6)第二差分式偏振探测器17探测探测光穿过第二气室2后形成的FID信号并传输给信号处理器15计算偏振向旋转角度；

(7)重复步骤(1)-步骤(6)，信号处理器15利用两路FID信号解算到的偏振向旋转角度拼接得到连续的偏振向旋转角度信号。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种双气室核自旋陀螺仪，其特征在于：包括第一磁屏蔽外壳、第一气室、第一泵浦线圈、第一主磁场线圈、第一激光探测器、第二磁屏蔽外壳、第二气室、第二泵浦线圈、第二主磁场线圈、第二激光探测器、激光器、磁场发生器和信号处理器，所述第一气室、所述第一泵浦线圈和所述第一主磁场线圈均置于所述第一磁屏蔽外壳内，所述第一泵浦线圈产生的磁场和所述第一主磁场线圈产生的磁场方向相互垂直且均能穿过所述第一气室，所述第二气室、所述第二泵浦线圈和所述第二主磁场线圈均置于所述第二磁屏蔽外壳内，所述第二泵浦线圈产生的磁场和所述第二主磁场线圈产生的磁场方向相互垂直且均能穿过所述第二气室；所述第一泵浦线圈产生的磁场与所述第二泵浦线圈产生的磁场方向相同，所述第一主磁场线圈产生的磁场与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向相同，形状、尺寸均相同的所述第一气室和所述第二气室内均包含碱金属原子、用于自旋交换极化的惰性气体原子和缓冲气体，所述磁场发生器的控制输出端分别与所述第一泵浦线圈的输入端、所述第一主磁场线圈的输入端、所述第二泵浦线圈的输入端和所述第二主磁场线圈的输入端对应连接，所述激光器产生的激光一分为二分别穿过所述第一气室和所述第二气室后分别照射在所述第一激光探测器的感应端和所述第二激光探测器的感应端，所述第一激光探测器的信号输出端和所述第二激光探测器的信号输出端分别与所述信号处理器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的双气室核自旋陀螺仪，其特征在于：所述第一激光探测器、所述第二激光探测器、所述激光器、所述磁场发生器和所述信号处理器均置于所述第一磁屏蔽外壳和所述第二磁屏蔽外壳外。

3.根据权利要求1或2所述的双气室核自旋陀螺仪，其特征在于：所述激光器为一个且为泵浦激光器，所述泵浦激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜反射后的一半激光沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室或沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室，所述泵浦激光器产生的激光中经过所述半反射泵浦反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜反射后沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室或沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器均为光电探测器。

4.根据权利要求1或2所述的双气室核自旋陀螺仪，其特征在于：所述激光器为两个且分别为泵浦激光器和探测激光器，所述泵浦激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射泵浦反射镜反射后的一半激光沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室或沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室，所述泵浦激光器产生的激光中经过所述半反射泵浦反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射泵浦反射镜反射后沿所述第二泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第二气室或沿所述第一泵浦线圈产生的磁场方向穿过所述第一气室；所述探测激光器产生的激光中经过具有半反射半透射功能的半反射探测反射镜反射后的一半激光沿同时与所述第一主磁场线圈产生的磁场方向和所述第一泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第一气室或沿同时与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向和所述第二泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第二气室，所述探测激光器产生的激光中经过所述半反射探测反射镜透射后的另一半激光经具有全反射功能的全反射探测反射镜反射后沿同时与所述第二主磁场线圈产生的磁场方向和所述第二泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第二气室或同时与所述第一主磁场线圈产生的磁场方向和所述第一泵浦线圈产生的磁场方向垂直的方向穿过所述第一气室；所述探测激光器产生的激光的两部分分别穿过所述第一气室和所述第二气室后照射在所述第一激光探测器的感应端和所述第二激光探测器的感应端，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器均为差分式偏振探测器。