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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop.
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Stand der Technik
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Man kann zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum Drehratensensoren bzw. Gyroskope auf MEMS-Basis verwenden. Diese sind kostengünstig und klein. Ihre Abweichung beträgt etwa 1 °/Stunde und deren Genauigkeit ermöglicht beispielsweise bei autonom fahrenden Autos ein Spurhalten für etwa 40 Sekunden, wenn sämtliche anderen Fahrerassistenzsysteme ausfallen. Sie können beispielsweise als Backup für Radarpositionierung, Videoassistenzpositionierung und GPS-Positionierung dienen.
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Wesentlich genauer sind Laser-Gyroskope, die man für die Flugzeugnavigation einsetzen kann. Sie beruhen auf dem optischen Sagnac-Effekt und ihre Abweichung beträgt nur ca. 0,0035°/Stunde. Sie sind jedoch relativ groß und teuer und daher für die Verwendung in Fahrzeugen kaum geeignet.
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Eine alternative Möglichkeit ist, NMR-Gyroskope („Nuclear Magnetic Resonance“, also Kernspinresonanz) zu verwenden. Diese werten Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht verschwindendem magnetischem Moment aus. Diese lassen sich in Miniaturausführung herstellen und weisen eine Abweichung von ca. 0,02°/Stunde auf. Damit sind sie bis zu 50 mal genauer als MEMS-Gyroskope.
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Eine Möglichkeit, ein NMR-Gyroskop mit einer Achse bereitzustellen, besteht darin, eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus beispielsweise Xenon und Rubidium bereitzustellen. Mittels eines polarisierten Pumplaserstrahls können die Rubidium-Elektronenspins in der Dampfzelle polarisiert werden. Durch eine starke Kopplung zwischen Rubidium und Xenon führt dies zu einer Polarisation der Xenon-Kernspins parallel zu den Rubidium-Elektronenspins. Mittels eines statischen Magnetfeldes in Polarisationsrichtung kann eine Kernspinpräzession der Xenon-Kernspins um das statische Magnetfeld erzeugt werden. Die Präzessionsfrequenz ist dabei die vom statischen Magnetfeld abhängige Larmorfrequenz. Durch ein Magnetwechselfeld, dessen Frequenz der Larmorfrequenz entspricht und das senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt wird, kann eine kohärente Präzession aller Kernspins erreicht werden. Wird nun ein polarisierter Proben- oder Auswertelaserstrahl senkrecht zum statischen Magnetfeld durch die Dampfzelle gestrahlt, wird die Polarisation des Probenlaserstrahls aufgrund des Faraday-Effektes periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Durch einen Polarisator bzw. Polarisationsfilter und einen Detektor kann so eine Intensitätsschwankung beobachtet werden, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist. Eine Rotation des Sensors um eine Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zu der Drehrate. Durch Auswertung des Intensitätssignals, das vom Detektor ausgegeben wird, kann so eine Änderung der rotatorischen Orientierung mit einer Drehachse parallel zu der Polarisationsrichtung bestimmt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum eines NMR-Gyroskops sowie ein NMR-Gyroskop mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, zur verbesserten Ermittlung einer Änderung einer rotatorischen Orientierung eines NMR-Gyroskops im Raum störende Auswirkungen von Magnetfeldoszillationen parallel zum Pumplaserstrahl bzw. zum statischen Magnetfeld auf das Messergebnis dadurch zu eliminieren, dass diese Magnetfeldoszillationen selbst an dem Pumplaserstrahl ermittelt werden, so dass sie dann aus dem Messsignal herausgerechnet werden können. Somit kann sichergestellt werden, dass aus dem Messsignal immer die richtige Frequenz herausgerechnet wird, beispielsweise durch Demodulation, unabhängig davon, wie bzw. ob sich die Oszillationen mit der Zeit ändern. Zusätzliche Mess-Laserstrahlen o.ä. ist dabei nicht nötig. Bei diesen Oszillationen kann es sich beispielsweise um Störungen handeln, aber auch um gezielt aufgebrachte Hochfrequenzfelder zur Reduzierung von Funkelrauschen („flicker noise“). Dies ermöglicht insbesondere auch eine fehlerfreie elektronische Regelung. Insbesondere wenn die Oszillationen zur Vermeidung von Funkelrauschen gezielt induziert werden, beeinflussen Schwankungen in der Frequenz die Messgenauigkeit nicht weiter. Weiter können, dadurch dass die Frequenz im System selbst generiert wird, Kosten und Packmaß für hochpräzise Quarze, welche die Felder und Modulation ansteuern, gespart werden.
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Die Erfindung bedient sich dabei der Erkenntnis, dass solche Oszillationen zu Phasenverschiebungen im zirkular polarisierten Pumplaserstrahl führen, die detektierbar sind. Eine Frequenzbestimmung kann daher insbesondere interferometrisch oder durch Intensitätsmessung erfolgen.
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Das zweite Element mit nicht verschwindendem Kernspin kann insbesondere Xenon, Helium, Krypton oder Neon oder ein spezielles Isotopengemisch der Gase sein, zum Beispiel Xe-129 und Xe-131. Auch ein Gas mit speziell eingestelltem Isotopengemisch von zum Beispiel Xenon mit mindestens einem anderen Gas wie z.B. Helium, Neon oder Krypton ist denkbar.
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Bevorzugt wird der Frequenzanteil des Messsignals an eine Phasenregelschleife (bzw. eine Phase-Locked-Loop-Regelung bzw. eine entsprechende Anordnung) weitergegeben, die dazu eingerichtet ist, die Frequenz des Frequenzanteils mit der Frequenz des angelegten Magnetwechselfelds zu vergleichen und bei einer Abweichung die Frequenz des jeweiligen Magnetwechselfelds entsprechend über einen jeweiligen Magnetwechselfeldgenerator nachzuführen. Ohne rotatorische Orientierungsänderung oszilliert der jeweilige Frequenzanteil mit der Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes. Bei einer Abweichung kann das Magnetwechselfeld entsprechend der Frequenzänderung des Frequenzanteils nachgeführt werden. Da die Abweichung ein Maß für eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu dem jeweiligen statischen Magnetfeld ist, kann somit eine rotatorische Orientierungsänderung sehr genau ermittelt werden.
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Diese einem Frequenzanteil entsprechende rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu jeweils dem statischen Magnetfeld wird, bevorzugt durch eine Auswerteeinheit, zweckmäßigerweise über die Beziehung Ω = ω2 - γ B0, erhalten, wobei Ω die rotatorische Orientierungsänderung, ω2 die aktuelle Frequenz des angelegten Magnetwechselfeldes, γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins und B0 das in der ersten Richtung wirkende Magnetfeld bezeichnet. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, um die rotatorische Orientierungsänderung zu erhalten.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird jede Dampfzelle konstant auf einen Wert zwischen 110°C und 120°C temperiert, insbesondere 115°C, was bevorzugt mittels eines Infrarotlasers erreicht wird. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Temperaturbereich beide Gase gasförmig vorliegen und die starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins des ersten Elements und den Kernspins des zweiten Elements mit nicht verschwindendem Kernspin optimal ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus einem ersten Gas und einem zweiten Gas mit nicht verschwindendem Kernspin unter Beaufschlagung mit einem Pumplaser, einem statischen Magnetfeld und einem Magnetwechselfeld, die mit einem polarisierter Auswertelaserstrahl senkrecht zu dem statischen Magnetfeld durchstrahlt wird, dessen Licht anschließend von einem Detektor mit vorgeschaltetem Polarisationsfilter erfasst wird, in einer schematischen Ansicht;
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops in einer schematischen Darstellung;
- 3 zeigt grob schematisch eine Frequenzbestimmung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Anhand der 1 soll nachfolgend das technische Prinzip eines NMR-Gyroskops und eines Verfahrens zur Ermittlung der Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines solchen NMR-Gyroskops beschrieben werden.
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Um eine Änderung einer rotatorischen Orientierung im Raum mittels eines NMR-Gyroskops mit einer Drehachse parallel zu einer Raumachse 1 zu bestimmen, kann eine Dampfzelle mit einem Gemisch aus hier Rubidium als gasförmiges erstes Element 11 (Alkalimetall) und hier Xenon als gasförmiges zweites Element 12 mit nicht verschwindendem Kernspin (Edelgas) eingesetzt werden.
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In Richtung der genannten Raumachse wird ein statisches Magnetfeld 30 angelegt. Weiterhin wird die Dampfzelle parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 von einem Pumplaser mit zirkular polarisiertem Licht 20 in einer Frequenz durchstrahlt, die dazu geeignet ist, die Elektronenspins der Rubidiumatome 11, also die Rubidium-Elektronenspins, in Richtung des statischen Magnetfeldes 30 zu polarisieren (die Wellenlänge/Frequenz entspricht z.B. dem optisch anregbaren Übergang, D1-Linie, des Alkalimetalls). Beispielsweise zum Unterdrücken von Funkelrauschen oder sogenannten „heading errors“ (Ausrichtungsfehlern) können zusätzlich Hochfrequenzfelder mit einer (Hoch-)Frequenz ω1 in Richtung 1 eingestrahlt werden, insbesondere durch Aufmodulieren auf das statische Magnetfeld. Die Frequenz ω1 kann insbesondere so gewählt werden, dass sie einer Präzessionsfrequenz (Resonanz) der Rubidiumatome 11 entspricht. ω1 wird im Wesentlichen durch die Stärke B0 des statischen Magnetfelds 30 bestimmt, ω1 = γ B0.
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Durch eine starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins der Rubidiumatome 11 und den Kernspins der Xenonatome 12 werden die Kernspins der Xenonatome 12, also die Xenon-Kernspins, parallel zu den Elektronenspins der Rubidiumatome 11 polarisiert und präzidieren ebenfalls um das statische Magnetfeld 30. Da die Phase der Präzession der Elektronenspins der Rubidiumatome 11 und der Kernspins der Xenonatome 12 sich von Atom zu Atom unterscheidet, resultiert daraus ein konstantes magnetisches Moment, das ohne weitere Maßnahmen parallel zu der Polarisationsrichtung, der genannten Raumachse 1, der Richtung des Pumplaserlichts 20 und der Richtung des statischen Magnetfeldes 30 ausgerichtet ist.
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In einer Richtung 2 senkrecht zu dem statischen Magnetfeld 30 wird ein Magnetwechselfeld 60 angelegt, dessen Frequenz ω2 der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 entspricht. Dies führt dazu, dass die Xenon-Kernspins 11 gleichphasig mit der Larmorfrequenz um das statische Magnetfeld 30 präzidieren. Daraus resultiert ein gemeinsames magnetisches Moment 50, das mit der Larmorfrequenz ω2 um das statische Magnetfeld 30 präzidiert. Die Präzessionsbewegung des gemeinsamen magnetischen Moments 50 ist mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet.
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Die durch die gleichphasige Xenon-Kernspinpräzession 51 hervorvorgerufene Magnetfeldänderung wirkt zurück auf die Rubidium-Elektronenspins 12, die ebenfalls mit der Larmorfrequenz ω2 der Xenon-Kernspins 11 um das statische Magnetfeld 30 präzidieren.
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Wird nun ein linear polarisierter (bzw. π-polarisierter) Auswertelaserstrahl 70 senkrecht zu der Richtung des statischen Magnetfeldes 30 durch die Dampfzelle gestrahlt, so dreht sich durch den Faraday-Effekt die Polarisationsrichtung des Auswertelaserstrahls 70 mit der Präzession der Elektronenspins des Rubidium 11 um das statische Magnetfeld 30. Durch einen Detektor 111 mit vorgeschaltetem, als Polarisationsfilter ausgebildetem Polarisator kann daher der Auswertelaserstrahl erfasst werden, der einem Intensitätssignal entspricht, das sich mit der Larmorfrequenz ω2 der Xenon-Kernspins 11 ändert.
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Bei einer rotatorischen Orientierungsänderung der Dampfzelle mit einer Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld 30 verschiebt sich die Frequenz des Intensitätssignals mit der Drehrate. Diese Frequenzverschiebung kann mittels einer Auswerteeinheit erfasst werden, wodurch die rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu dem statischen Magnetfeld erfasst werden kann.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NMR-Gyroskops dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Das NMR-Gyroskop weist eine Dampfzelle 107 auf, die ein Gemisch aus wenigstens einem gasförmigen ersten Element und wenigstens einem gasförmigen zweiten Element mit nicht verschwindendem Kernspin enthält. Insbesondere ist das erste Element Rubidium und das zweite Element Xenon.
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Weiterhin weist das NMR-Gyroskop einen Pumplaser 101 auf, der dazu eingerichtet ist, mittels eines zirkular polarisierten Pumplaserstrahls 101b, der beispielsweise durch einen Zirkularpolarisator 101a erzeugt wird, die Elektronenspins des ersten Elements in einer ersten Richtung 1 derart zu polarisieren, dass durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element die Kernspins des zweiten Elements parallel zu den Elektronenspins des ersten Elements polarisiert werden.
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Es ist ein statischer Magnetfeldgenerator vorgesehen, der eine erste Magnetfeldspule 103 aufweist und dazu eingerichtet ist, ein statisches Magnetfeld in einer ersten Richtung 1 zu erzeugen. Dem statischen Magnetfeld wird insbesondere zur Reduzierung von Funkelrauschen ein Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz ω1 überlagert. In der Folge wirkt in der Dampfzelle in der ersten Richtung tatsächlich ein effektives Magnetfeld, welches mit der Frequenz ω1 um den Wert des statischen Magnetfelds oszilliert. Die Kernspins des zweiten Elements präzidieren deshalb mit einer von der Stärke des statischen Magnetfelds abhängigen Larmorfrequenz ω2 um das statische Magnetfeld und nutieren dabei gleichzeitig mit der Frequenz ω1. Die Kernspins des zweiten Elements „sehen“ das schnelle ω1-Feld nicht, da es sehr viel schneller oszilliert als deren Larmorpräzession. Die Kernspins des zweiten Elements spannen also mit ihrem magnetischen Moment einen Kegel um das statische Magnetfeld auf. Das ω1-Feld koppelt in die Präsession der Elektronenspins des ersten Elements ein und treibt diese somit, ebenfalls auf einem (zweiten) Kegel. Dieser zweite Kegel wird um die jeweils aktuelle Position der Edelgasmagnetisierung auf erst genanntem Kegel aufgespannt, was hier als Nutation bezeichnet wird.
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Darüber hinaus weist das NMR-Gyroskop einen Magnetwechselfeldgenerator auf, der eine zweite Magnetfeldspule 104 aufweist und dazu eingerichtet ist, in einer zweiten Richtung 2 senkrecht zu der ersten Richtung 1 ein Magnetwechselfeld anzulegen, das eine Frequenz ω2 aufweist, die der Larmorfrequenz der Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements um das in der ersten Richtung wirkende statische Magnetfeld entspricht, sodass die Larmorpräzession der Kernspins des zweiten Elements innerhalb der Dampfzelle 107 gleichphasig wird.
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Vorgesehen sind ferner eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Frequenz ω2 der Larmorpräzession des zweiten Elements zu messen, sowie eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus der gemessenen Frequenz eine rotatorische Orientierungsänderung mit einer Drehachse parallel zu der ersten Richtung bzw. Drehrate zu ermitteln.
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Die Messeinrichtung weist dabei einen Auswertelaser 105, der dazu eingerichtet ist, die Dampfzelle 107 mit einem linear (π) polarisierten Auswertelaserstrahl 105b, der beispielsweise durch einen Linearpolarisator 105a erzeugt wird, zu durchstrahlen, einen Polarisator 108a, der so platziert ist, dass er nach dem Durchstrahlen der Dampfzelle 107 von dem Auswertelaserstrahl 105b durchstrahlt wird, und einen Auswertelaserstrahl-Detektor 108b, der dazu eingerichtet ist, eine Intensität S1(t) des aus dem Polarisator 108a emittierten Auswertelaserstrahls 105b zu erfassen, auf. Statt eines Polarisators mit Detektor kann auch ein polarisierender Strahlteiler (PBS; polarizing beam splitter) vorgesehen sein, der den Auswertelaserstrahl 105b in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl teilt, wobei ein erster und zweiter Detektor vorgesehen sind, so dass der transmittierte Strahl auf den ersten Detektor trifft, der reflektierte Strahl auf den zweiten Detektor trifft und die Signaldifferenz als S1(t) ermittelt wird.
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Anhand des die Dampfzelle 107 durchstrahlenden Strahls 101b kann die Intensität R des Pumpstrahls in einem Detektor 110 ohne Polarisator gemessen werden, um z.B. auf Temperaturschwankungen zu schließen und diese herauszurechnen. Die Intensität ist proportional zur Adsorption in der Zelle und damit zur Dichte der Gase in der Zelle und damit zur Zelltemperatur.
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Das Signal S1(t) oszilliert im Wesentlichen bei zwei Frequenzen: Der hochfrequenten Rubidium-Präzessionsfrequenz ω1 sowie der niederfrequenten Larmorfrequenz ω2 der Kerne von Xenon. Dabei ist ω2 diejenige Frequenz, welche zur Messung der Drehrate verwendet wird und bestimmt werden muss. Für eine besonders genaue bzw. brauchbare Auswertung sollte die hohe Frequenz ω1 aus dem gemessenen Signal entfernt werden, was beispielsweise durch Demodulieren bei dieser Frequenz und anschließendes Filtern geschehen kann (vgl. 3). Dabei sollte diese Frequenz präzise getroffen werden, wofür herkömmlicherweise meist Lock-In-Technik eingesetzt wird. Dies erfordert sehr gute (und daher sehr teure) Technik und ggf. hochpräzise Quarze als Referenz. Zudem führen durch äußere Bedingungen herbeigeführte Änderungen der Nutationsfrequenz ω1 zu einem Unterschied zwischen Nutations- und Demodulationsfrequenz. Dies bedarf einer aufwändigen Lösung zur Unterdrückung oder Korrektur dieser Differenz. Hier setzt nun die Erfindung an, indem die Rubidium-Präzessionsfrequenz selbst gemessen und als Demodulationsfrequenz verwendet wird. Dabei bedient man sich im Rahmen der Erfindung folgender Betrachtungen:
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Die Komponente der Alkalidampfmagnetisierung in Richtung 1 (die Richtung entlang des statischen Feldes, welches die Larmor-Präzession des Edelgases verursacht) enthält die Präzessionsfrequenz ω1, aber nicht die Larmorfrequenz ω2. Durch Ermitteln dieser Komponente in Richtung 1 kann also eine exakte Referenzfrequenz ω1 generiert werden. Vorteilhaft kann dieses Ermitteln interferometrisch, beispielsweise durch Einsatz eines Mach-Zehnder-Interferometers wie in 2 mit Spiegeln, Strahlteilern und optional einer Neutraldichte (ND)-Filtereinrichtung 109 zur Kontrastverbesserung erfolgen. Der zirkular polarisierte Pumpstrahl erfährt nämlich aufgrund der magnetfeldinduzierten Doppelbrechung eine mit ω1 oszillierende Phasenverschiebung durch die Magnetisierung. Diese kann durch Interferenz mit einem die Dampfzelle 107 nicht durchstrahlenden Strahl 101c gemessen werden. Durch Messung dieser Interferenz an einem Signal S2(t) kann die Frequenz ω1 sehr genau bestimmt werden.
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Das Signal S2(t) wird in einer Detektionseinrichtung 102 detektiert, die insbesondere ebenfalls einen polarisierenden Strahlteiler und zwei Detektoren zur Bildung einer Signaldifferenz als Referenzfrequenz ω1 aufweisen kann. Die Signalsumme kann ebenfalls als Intensitätssignal (wie R) verwendet werden.
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Alternativ kann dieses Ermitteln der Komponente in Richtung 1 auch durch direkte polarisationsgefilterte Intensitätsmessung des Pumpstrahls (ohne Interferometer) in einem Detektor 110 (wie bei 108a, 108b) mit Polarisator erfolgen. Die Präzession der Alkaliatome hat eine Komponente, die entlang der Richtung 1 oszilliert. Diese kann direkt mit dem Polarisator ausgelesen werden.
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Aus den Signalen S1 und S2 kann dann die tatsächliche Larmorfrequenz ω2(t) ermittelt werden, wie in 3 skizziert. Insbesondere geschieht dies über eine Demodulation 301 des Signals S1 (welches die Frequenzen ω1 (t) und ω2(t)enthält) mit dem Signal S2 (welches nur die Frequenz ω1 (t) enthält), optional mit einer nachgeschalteten Tiefpassfilterung 302, um ein Messsignal S* zu erhalten, welches nur die Frequenz ω2(t) enthält.
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Die rotatorische Orientierungsänderung ergibt sich dann zu Ω = ω2- γ B0, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis des Kernspins und B0 die Stärke des statischen Magnetfelds ist.
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Das Wissen über die exakte Frequenz ω2 kann weiter auch verwendet werden, um das Magnetwechselfeld mit ω2 zu erzeugen, was hochpräzise Quarzkristalle überflüssig macht, oder um auf äußere Störeinflüsse zurückzuschließen, beispielsweise indem man die gemessene Frequenz ω2 mit einer präzisen Quarz-Frequenz vergleicht. Schwankt deren Abweichung nach fester Kalibrierung, entspricht dies einem Störeinfluss (insbesondere einem Magnetfeld) .
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Zur Abschirmung von störenden äußeren Einflüssen, wie z.B. dem Erdmagnetfeld oder magnetische Störungen aus der Umgebung, können bevorzugt die Dampfzelle und der Magnetfeldgenerator sowie der Magnetwechselfeldgenerator mit einer - insbesondere mehrlagigen Mu-Metall-Anordnung - abgeschirmt werden.
