JP6363631B2 - レシオメトリック核磁気共鳴（ｎｍｒ）ジャイロスコープシステム - Google Patents

Description

本発明は、概してセンサシステムに関し、特にレシオメトリック核磁気共鳴（NMR : nuclear magnetic resonance）ジャイロスコープシステムに関する。

典型的な核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープは、核磁気モーメントを有する１つ又は２つの同位体の測定されたラーモア歳差運動（Larmor precession）周波数又は位相におけるシフトに基づいて、受感軸周りの慣性角回転速度又は配向角を感知するという原理で動作する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セル（vapor cell）と、例えば光源、光検出器及び信号処理回路を含む回転センサとを含むことができる。例として、蒸気セルは、磁場に応じて歳差運動させられる１つ又は複数の磁気回転同位体と共に、ルビジウム又はセシウムなどの１つ又は複数のアルカリ金属を含むことができる。信号処理回路は、１つ又は複数の磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数及び／又は位相情報を抽出することができる。その結果、抽出されたラーモア歳差運動周波数及び位相情報に基づいて、受感軸周りのジャイロスコープ回転速度又は配向角を計算することができる。

ＮＭＲジャイロスコープシステムが、アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を含む蒸気セルを含み、ポンプレーザが、光ポンプビームを生成する。磁場発生装置が、光ポンプビーム及びアルカリ金属に基づいて、第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、受感軸とほぼ整列される磁場を生成する。プローブレーザが、検出ビームとして蒸気セルから出力される光プローブビームを蒸気セルを通して供給し、検出システムが、検出ビームを監視し、且つ第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動に応じた検出ビームの変調に基づいて、且つ第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の所定の定率に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を判定する。

別の実施形態が、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸周りの回転を測定するための方法を含む。方法は、ポンプレーザを介して光ポンプビームを生成することと、磁場発生装置を介して磁場を生成することとを含む。方法はまた、第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を含む蒸気セルを通して光ポンプビーム及び磁場を供給することを含む。方法はまた、プローブレーザを介して光プローブビームを生成することと、蒸気セルを出る検出ビームを供給するために、光プローブビームに対して直角に、蒸気セルを通して光ポンプビームを供給することとを含む。方法はまた、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動を判定するために、検出ビームを復調することを含む。方法はまた、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の所定の比率に基づいて基準周波数を生成することと、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動に関連する周波数を基準周波数に位相ロックすることとを含む。方法は、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の位相ロックされた周波数に基づいた、第１及び第２の磁気回転同位体のうちの１つにおける歳差運動の周波数に基づいて、受感軸周りの回転を判定することを更に含む。

別の実施形態が、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。システムは、アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を含む蒸気セルと、光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザとを含む。システムはまた、光ポンプビーム及びアルカリ金属に基づいて、第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、受感軸とほぼ整列される磁場を生成するように構成された磁場発生装置を含む。システムは、検出ビームとして蒸気セルから出力される光プローブビームを蒸気セルを通して供給するように構成されたプローブレーザと、検出システムとを更に含む。検出システムは、検出ビームを受信するように、且つ磁場に基づいて、蒸気セルにおける第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する周波数を判定するように構成された復調システムを含む。検出システムはまた、クロック信号に基づいて、且つ第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の所定の定率に基づいて基準周波数を生成するように構成された歳差運動基準カウンタを含む。検出システムはまた、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の和を基準周波数と位相ロックするように構成された位相ロックループを含む。検出システムは、第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する周波数に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を判定するように構成された回転ラッチを更に含む。

核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの例を示す。 検出システムの例を示す。 ３軸ジャイロスコープシステムの例を示す。 ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸周りの回転を測定するための方法の例を示す。

本発明は、一般にセンサシステムに関し、特にレシオメトリック磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を有する蒸気セル（vapor cell）を含むことができる。磁場発生装置が、蒸気セルを通して供給され、且つＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸（sensitive axis）と整列されるほぼ均一な磁場を生成することができる。ポンプレーザ（pump laser）が、アルカリ金属をスピン分極するために蒸気セルを通して供給され、従って磁場に応じてアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ポンプビームを生成することができる。例として、ポンプレーザは、蒸気セルを通して供給される前に四分の一波長板を介して円偏光される線形偏光ビームとして光ポンプビームを生成するように構成することができる。プローブレーザ（probe laser）が、光ポンプビームに対して直角な方向に蒸気セルを通して同様に供給でき、且つ検出ビームとして蒸気セルを出る光プローブビームを生成することができる。

検出システムは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するために、検出ビームを監視するように構成することができる。例えば、検出システムは、磁気回転同位体の歳差運動に起因する光プローブビームのファラデー回転を監視するように構成することができる。検出システムは、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の所定の比率に基づき、且つクロック信号に基づくことができる基準周波数を生成するように構成することができる。クロック信号はまた、磁場に基づいて自由慣性空間で歳差運動する第１の磁気回転同位体の周波数に対応できるデジタル基準カウンタを制御するように実現することができる。従って、検出システムは、第１及び第２の磁気回転同位体の周波数の和を基準周波数と位相ロックするように構成された位相ロックループを含むことができ、その結果、デジタル基準カウンタ値と第１の磁気回転同位体の周波数との間の差は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転に対応することができる。従って、デジタル基準カウンタ値は、デジタル基準カウンタの周期と第１の磁気回転同位体の周波数との間の差を提供するために、第１の磁気回転同位体の周波数に基づいてラッチすることができ、従ってそれは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転に対応する。

図１は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステム１０の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、様々な用途のいずれかにおいて実現することができる。例として、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、航空機及び／又は宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて実現することができる。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図３の例においてより詳細に示されているような多軸ジャイロスコープシステムの一部とすることができる。

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、例えば様々な形態及びサイズのいずれかのガラスケースとし得る蒸気セル１２を含む。蒸気セル１２は、アルカリ金属１４、第１の磁気回転同位体１６、及び第２の磁気回転同位体１８を含む。例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気とすることができる。磁気回転同位体１６及び１８は、^３ヘリウム、^８３クリプトン、^１２９キセノン及び／又は^１３１キセノンなどの様々な希ガス同位体のいずれかを含むことができる。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、蒸気セル１２を通る正味磁場（net magnetic field）Ｂ_Ｚを生成するように構成される磁場発生装置２０を含む。例えば、磁場Ｂ_Ｚは、蒸気セル１２を通して供給され、且つＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸と整列されるＡＣ変調されたＤＣ磁場、さらにはＡＣ成分及びＤＣ成分を含むことができる。例として、磁場発生装置２０は、蒸気セル１２をほぼ囲む磁気ソレノイドとして構成することができる。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２をほぼ囲むことができる磁気シールド（図示せず）を含み、従って地球磁場から等の外部磁場からの干渉を実質的に軽減することができる。

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰを生成するように構成されたポンプレーザ２２を含む。光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸であって、その周りでＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転が判定される受感軸に沿ってなど、蒸気セル１２を通して供給される。光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは、アルカリ金属１４に関連するＤ１又はＤ２輝線（emission line）のいずれかに対応するなど、アルカリ金属１４と共鳴できる波長で生成することができる。例として、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰは、（例えば四分の一波長板を介して）円偏光において蒸気セル１２を通して供給することができる。従って、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰの円偏光は、磁場Ｂ_Ｚに基づくアルカリ金属１４の歳差運動を促進するために、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰにおける光子の角運動量に基づいてアルカリ金属１４をスピン分極することができる。従って、アルカリ金属１４の歳差運動は、磁気回転同位体１６及び１８とアルカリ金属１４との間のスピン交換相互作用を介して、磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動を促進することができる。例えば、磁気回転同位体１６及び１８（例えば^１３１Ｘｅ及び^１２９Ｘｅ）は、磁場Ｂ_Ｚに応じて反歳差運動するように、且つ従って反対方向に歳差運動するように選択することができ、その結果、磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動の和は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に依存せず、且つ従って磁場Ｂ_Ｚのほぼ一定の大きさにおいてほぼ一定である。

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢを生成するように構成されたプローブレーザ２４を含む。例として、光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢは、アルカリ金属１４とはほぼ共鳴しない波長で生成することができる。光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢは、光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰに対して直角な方向においてなど、蒸気セル１２を通して供給され、検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴとして蒸気セル１２から出力される。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を判定するために、検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴを監視するように構成される検出システム２６を含む。例えば、検出システム２６は、磁気回転同位体１６及び１８の１つ又は両方における測定された歳差運動角度に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転角度を判定するように構成することができる。図１の例において、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の判定された回転は、信号ＲＯＴとして示されている。

例えば、検出システム２６は、復調された検出信号ＯＰＴ_ＤＥＴによって示される磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数に基づいて、蒸気セル１２の受感軸周りの回転角度ＲＯＴを判定するように構成することができる。本明細書で説明されているように、磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数は、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて生成される基準周波数に位相ロックすることができる。例えば、検出システム２６は、蒸気セル１２における第１の磁気回転同位体１６の周波数を示し、且つ従って受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴを含む第１のカウンタ値として、第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数を提供するように構成することができる。検出システム２６はまた、クロック信号に基づいて、自由慣性空間における第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数を示す第２のカウンタ値を提供するように構成することができる。従って、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の位相ロックは、第１及び第２のカウンタ値によって示されているように、蒸気セル１２における第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数と、自由慣性空間における第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数との間の差に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの判定をもたらすことができる。従って、関連するプロセッサは、第１及び第２のカウンタ値間の差の連続するサンプル（consecutive samples）に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の相対的回転（例えば回転速度）を判定することができる。

図２は、検出システム５０の例を示す。検出システム５０は、図１の例における検出システム２６に対応することができる。従って、図２の例の以下の説明において、図１の例が参照されることになる。図２の例において、検出システム５０は、アルカリ金属１４並びに第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８を含む蒸気セル１２から供給される光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴに基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴを判定するように構成される。

検出システム５０は、光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴを受信するように、且つ第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数及び第２の磁気回転同位体１８の歳差運動周波数を確認するために光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴを復調するように構成される復調システム５２を含む。復調システム５２は、例えば、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数を提供するために、アルカリ金属１４の歳差運動に対応するキャリア信号を除去することによって、光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴを復調することができる。例として、光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴは、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動の影響による複合変調に対応できるファラデー回転を有することができ、その結果、復調システム５２は、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８にそれぞれにおける歳差運動周波数を確認するために、（例えば帯域通過フィルタを介して）光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴを復調するように構成することができる。復調システム５２は、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和に対応する周波数信号ＳＵＭを供給することができる。前に説明したように、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８は、磁場Ｂ_Ｚが存在する状態で反歳差運動するように選択することが可能である（例えば、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８は、^１３１Ｘｅ及び^１２９Ｘｅに対応することができる）。従って、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和は、（例えば磁場Ｂ_Ｚの一定の大きさにおいて）受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応して、一定のままであることができる。更に、復調システム５２は、蒸気セル１２における第１の磁気回転同位体１６（例えば^１３１Ｘｅ）の歳差運動周波数に対応する周波数信号Ｉ_１Ｒを供給するように構成することができる。従って、周波数信号Ｉ_１Ｒは、自由慣性空間における（即ち、磁場Ｂ_Ｚが存在する状態における）第１の磁気回転同位体１６の歳差運動に関連する第１の周波数成分を含み、且つ受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に関連する第２の周波数成分を含む。従って、光検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴに基づいた、第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数の測定は、第１及び第２の周波数成分を互いに対して分離することができない。

検出システム５０はまた、水晶クロックとして構成されるような、クロック信号ＣＬＫを生成するクロック５４を含む。クロック信号ＣＬＫは、クロック信号ＣＬＫに基づいて、自由慣性空間における（例えば磁場Ｂ_Ｚにおける）第１の磁気回転同位体１６に対応する周波数で循環カウンタ（cyclical counter）を実現するように構成されるデジタル基準カウンタ５６に供給される。デジタル基準カウンタ５６の循環カウント値は、信号Ｉ_１として図２の例に示されている。クロック信号ＣＬＫはまた、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて、磁場Ｂ_Ｚが存在する状態で自由慣性空間における第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和に対応できる基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦを生成するように構成される歳差運動基準カウンタ５８に供給される。本明細書で説明されているように、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率は、磁場Ｂ_Ｚの大きさにかかわらず一定であり、従ってＮＭＲジャイロスコープシステム１０用に要求され得る精度よりも高い精度に対して安定している第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８のラーモア歳差運動周波数間の周知の比率関係に対応する。本明細書で説明されているように、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率は、第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数の比率、並びに第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和（例えば、歳差運動の相対極性に依存する差）に対応することができる。共通磁場Ｂ_Ｚにおける第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８のラーモア周波数比の精度は、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０が、本明細書で説明されているレシオメトリック機械化（ratiometric mechanization）に基づいて、受感軸周りの回転角度ＲＯＴの非常に正確な判定を達成できるようにする。

本明細書で説明されている例において、第１の磁気回転同位体１６は、^１３１Ｘｅに対応することができ、第２の磁気回転同位体１８は、^１２９Ｘｅに対応することができる。以下の式において、周波数ｆ_１は、自由慣性空間における第１の磁気回転同位体１６のラーモア歳差運動周波数に対応することができ、周波数ｆ_１ｍは、周波数ｆ_１−（マイナス）受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応することができる。従って、周波数信号Ｉ_１Ｒは、周波数ｆ_１ｍに対応する。同様に、周波数ｆ_２は、自由慣性空間における第２の磁気回転同位体１８のラーモア歳差運動周波数に対応することができ、周波数ｆ_２ｍは、周波数ｆ_２＋受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応することができる。基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦを生成するために、歳差運動基準カウンタ５８は、
ｆ_１／（ｆ_１＋ｆ_２）＝ｆ_１／ＳＵＭ＝０．２２８６６ 式１
（式中、「ＳＵＭ」は、周波数信号ＳＵＭであり、解は、^１３１Ｘｅ及び^１２９Ｘｅに対応する第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８に基づく）
として表現されるように、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率を実現するように構成することができる。従って、式１の解は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を判定するために、レシオメトリック実装形態で実現される、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率に対応することができる。式１の解が、５桁に丸められるように示されているが、比率が、任意の分解能で表現され得ることを理解されたい。

前に説明したように、復調システム５２は、蒸気セル１２における第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数を測定するが、それは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転周波数を含む。従って、復調システム５２は、周波数ｆ_１ｍ及びｆ_２ｍを測定する。復調システム５２又は関連するプロセッサは、周波数ｆ_１ｍ及びｆ_２ｍの和及び差を計算するために、周波数ｆ_１ｍ及びｆ_２ｍを掛けるように構成することができる。従って、周波数ｆ_１ｍ及びｆ_２ｍの和は、復調システム５２によって供給される周波数信号ＳＵＭに対応することができる。従って、歳差運動基準カウンタ５８は、以下の比率関係を有する発生周波数ｆ_１’及びｆ_２’の和として基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦを生成することができる。

ｆ_１’／（ｆ_１’＋ｆ_２’）＝ｆ_１’／ＳＵＭ_ＲＥＦ＝０．２２８６６ 式２
（式中、「ＳＵＭ_ＲＥＦ」は、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦである）
周波数ｆ_１’及びｆ_２’は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、歳差運動基準カウンタ５８によって生成することができる。本明細書で説明されている例において、クロック信号ＣＬＫは、約６．０ＭＨｚの周波数を有する。しかしながら、クロック信号ＣＬＫが、６．０ＭＨｚを超えるか又は６．０ＭＨｚ未満の任意の周波数を有し得ることを理解されたい。前に説明したように、クロック信号ＣＬＫに基づいて、デジタル基準カウンタ５６によって生成される循環カウント値Ｉ_１は、自由慣性空間における第１の磁気回転同位体１６に対する周波数に、且つ従って周波数ｆ_１’におけるインクリメントに対応する。

例として、デジタル基準カウンタ５６及び歳差運動基準カウンタ５８は、３６，０００カウントを循環する（即ち、０〜３５，９９９であり、その結果、リセットが０カウントで発生する）それぞれの値を有する循環カウンタとして構成することができる。循環カウンタ値は、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の所望の分解能に基づいて選択することができる。従って、本明細書で説明されている例において、デジタル基準カウンタ５６の各インクリメントは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の０．０１°に対応することができる。クロック信号ＣＬＫに基づいて、自由慣性空間における第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数に対応できる周波数ｆ_１’を生成するために、クロック信号ＣＬＫの周波数は、次のように歳差運動基準カウンタ５８のインクリメントの数で割られる。

ｆ_１’＝ＣＬＫ／３６，０００＝（６^＊１０^６）／３６，０００＝１６６．６６Ｈｚ 式３
従って、周波数ｆ_１’は、歳差運動基準カウンタ５８の所与の１インクリメントの周波数、及び従ってＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の各０．０１°のための周波数に対応することができる。

第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて、且つクロック信号ＣＬＫに基づいて基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦを生成するために、歳差運動基準カウンタ５８は、次のように、式３で計算される周波数を式１及び２の結果と組み合わせることができる。

１６６．６６／（ｆ_１’＋ｆ_２’）＝０．２２８６６ 式４
（ｆ_１’＋ｆ_２’）＝１６６．６６／０．２２８６６ 式５
（ｆ_１’＋ｆ_２’）＝７２８．８５Ｈｚ 式６
前に説明したように、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦは、磁場Ｂ_Ｚが存在する状態で、自由慣性空間における第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和に対応することができる。従って、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦは、クロック信号ＣＬＫからカウントダウンされるなど、式６に示されているように７２８．８５の周波数に対応する。更に、歳差運動基準カウンタ５８は、次のように、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦのためのクロック除数を計算することができる。

（６^＊１０^６）／（ｆ_１’＋ｆ_２’）＝（６^＊１０^６）／７２８．８５Ｈｚ＝８２３２．１ 式７
従って、式７で計算されたクロック除数は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応する信号ＲＯＴをクロックドリフト（例えば一次）にほぼ無感応にするなど、クロック５４のためのジャイロスコープドリフトレートを調整するように実現することができる。

図２の例において、検出システム５０はまた、周波数信号ＳＵＭを基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦに位相ロックするように構成される位相ロックループ（ＰＬＬ）コンポーネント６０を含む。前に説明したように、周波数信号ＳＵＭは、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の和に対応し、それは、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の反歳差運動に基づいて、（例えば磁場Ｂ_Ｚの一定の大きさにおいて）受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に応えて、一定のままであることができる。従って、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦへの周波数信号ＳＵＭの位相ロックも、同様に、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に無感応であることができる。例として、ＰＬＬコンポーネント６０は、周波数信号ＳＵＭに基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦのコサインを掛けるように構成することができる。その結果、ＰＬＬコンポーネント６０は、フィードバック信号Ｂ＿ＦＢを生成するように示されている。再び図１の例を参照すると、フィードバック信号Ｂ＿ＦＢは、磁場Ｂ_Ｚの大きさを制御するために、磁場発生装置２０に供給される。従って、磁場Ｂ_Ｚは、第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数を維持でき、且つ従って周波数信号ＳＵＭを基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦとほぼ等しくできる大きさに維持され得る。

再び図２の例を参照すると、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦへの周波数信号ＳＵＭの位相ロックに基づいて、且つ第１及び第２の磁気回転同位体１６及び１８の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて、第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数ｆ_１は、歳差運動基準カウンタ５８によって生成された周波数ｆ_１’に等しく設定することができる。従って、歳差運動周波数ｆ_１は、次のように、自由慣性空間における（例えば磁場Ｂ_Ｚにおける）第１の磁気回転同位体１６の歳差運動に対応する、デジタル基準カウンタ５６によって生成された循環カウント値Ｉ_１の周波数に等しく設定される。

ｆ_１／ＳＵＭ＝１６６．６６／７２８．８５＝０．２２８６６ 式８
ｆ_１’／ＳＵＭ_ＲＥＦ＝１６６．６６／７２８．８５＝０．２２８６６ 式９
ＳＵＭ＝ＳＵＭ_ＲＥＦ＝（ｆ_１＋ｆ_２）＝（ｆ_１’＋ｆ_２’） 式１０
ｆ_１＝ｆ_１’ 式１１
前に説明したように、循環カウント値Ｉ_１は、自由慣性空間における（即ち、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の周波数成分なしに）第１の磁気回転同位体１６の歳差運動に対応することができる。同様に、周波数信号Ｉ_１Ｒは、蒸気セル１２における（即ち、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の周波数成分を含む）第１の磁気回転同位体１６の歳差運動に対応することができる。従って、循環カウント値Ｉ_１と周波数信号Ｉ_１Ｒとの間の周波数差は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応することができる。

検出システム５０はまた、角度弁別器（angle discriminator）６２を含む。角度弁別器は、所定の間隔で復調システム５２から供給される周波数信号Ｉ_１Ｒをサンプリングするように構成される。前に説明したように、周波数信号Ｉ_１Ｒは、第１の磁気回転同位体１６の歳差運動周波数および受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応する。従って、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転がない状態で、周波数信号Ｉ_１Ｒの周期は、デジタル基準カウンタ５６によって生成される循環カウント値Ｉ_１の周期（例えば３６，０００カウント）と同期される。従って、周波数信号Ｉ_１Ｒと循環カウント値Ｉ_１の周期との間の周期における差は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の周波数に対応する。従って、検出システム５０は、次のサンプリング時間に対する、所与の一サンプリング時間における循環カウント値Ｉ_１のカウント数の差に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を判定するように構成される。例として、角度弁別器６２は、周波数信号Ｉ_１Ｒのサンプリングにおけるノイズの影響を軽減するなどのために、各周期に、従って周波数信号Ｉ_１Ｒの周期毎に一度、又は各ゼロ交差において、従って周波数信号Ｉ_１Ｒの周期毎に二度、周波数信号Ｉ_１Ｒをサンプリングするように構成することができる。

検出システム５０は、ＳＹＮＣ ＬＡＴＣＨとして図２の例に示されている同期ラッチ６４、及び回転ラッチ（rotation latch）６６を更に含む。同期ラッチ６４は、検出システム５０の初期化において、周波数信号Ｉ_１Ｒの周期及び循環カウント値Ｉ_１を同期させるように構成される。角度弁別器６２は、周波数信号Ｉ_１Ｒのサンプリング時間（例えばゼロ交差）に際しトリガ信号ＴＲＧを生成するように構成される。トリガ信号ＴＲＧは、同期ラッチ６４及び回転ラッチ６６の両方に供給される。受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転がない所定の時間においてなど、検出システム５０の初期化中に、初期化信号ＩＮＩＴが、同期ラッチ６４に供給され得る。トリガ信号ＴＲＧに応じて、初期化信号ＩＮＩＴがアサートされている間に、同期ラッチ６４は、循環カウント値Ｉ_１をリセットするために、リセット信号ＲＳＴをデジタル基準カウンタ５６に供給することができる。従って、検出システム５０の初期化に際し、循環カウント値Ｉ_１は、循環カウント値Ｉ_１に対する周波数信号Ｉ_１Ｒの周期の変化に基づいて、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の検出を可能にするために、周波数信号Ｉ_１Ｒの周期と同期され得る。

検出システム５０の初期化に続いて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の動作中に、トリガ信号ＴＲＧは、循環カウント値Ｉ_１の値をラッチするために、回転ラッチ６６に供給することができる。循環カウント値Ｉ_１のラッチされた値は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応する信号ＲＯＴとして、バスなどを介してプロセッサ（図示せず）に供給することができる。例えば、検出システム５０の初期化後に、信号ＲＯＴの任意の非ゼロ値が、デジタル基準カウンタ５６の精度に基づくなど、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転に対応することができる（例えば、前に説明したように、各インクリメントは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転の０．０１°と等しい）。従って、循環カウント値Ｉ_１を捕捉するために、トリガ信号ＴＲＧが回転ラッチ６６に供給されるたびに、捕捉された循環カウント値Ｉ_１の値のどのような変化も、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の追加の回転に対応する。従って、関連するプロセッサは、捕捉された循環カウント値Ｉ_１に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転角度、回転速度、又は任意の他の慣性の統計を計算することができる。

従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０及び関連する検出システム５０は、磁場が存在する状態で、磁気回転同位体の歳差運動の非常に安定した比率に基づいて、受感軸周りの回転を判定する方法として本明細書に示されている。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、受感軸周りの回転を計算するために、典型的なジャイロスコープシステムと比較して、単純だが非常に正確な方法で実現することができる。更に、デジタル基準カウンタ５６及び歳差運動基準カウンタ５８が、それぞれ、循環カウント値Ｉ_１及び基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦ（それに対して、周波数信号Ｉ_１Ｒが、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦへの信号ＳＵＭの位相ロックに基づいて等しく設定される）をそれぞれ生成するために共通クロック信号（例えばクロック５４によって生成されるクロック信号ＣＬＫ）に基づいて動作するため、検出システム５０は、（例えば一次）クロックドリフト（clock drift）に対してほぼ無感応にすることができる。更に、磁場Ｂ_Ｚが、基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦへの信号ＳＵＭの位相ロックに基づいて制御されるため、検出システム５０は、同様に、磁場ドリフトにほぼ無感応にすることができる。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、極度に単純な方法で、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を正確に判定するように実現することができる。

図３は、本発明の態様に従って３軸ジャイロスコープシステム１００の例を示す。例として、３軸ジャイロスコープシステム１００は、航空機及び／又は宇宙船用などの様々なナビゲーション制御システムのいずれか、又は偏揺れ、ピッチ及び回転運動情報を監視する装置において実現することができる。

３軸ジャイロスコープシステム１００は、Ｘ軸ジャイロシステム１０２、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１０４、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１０６を含む。図３の例において、Ｘ軸ジャイロシステム１０２は、Ｘ軸を中心とする受感軸を有することができ、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１０４は、Ｙ軸を中心とする受感軸を有することができ、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１０６は、Ｚ軸を中心とする受感軸を有することができる。それぞれのＮＭＲ蒸気セル１０８、１１０及び１１２の回転軸は、直交座標系１１４によって図３の例に示されている。例として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸ジャイロスコープシステム１０２、１０４及び１０６のそれぞれは、図１の例におけるＮＭＲジャイロスコープシステム１０とほぼ同様に構成することができる。従って、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸ジャイロスコープシステム１０２、１０４及び１０６のそれぞれは、それぞれの蒸気セル１０８、１１０及び１１２のそれぞれを通して供給されるそれぞれの検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴに基づいて、且つ２つの磁気回転同位体（例えば^１３１Ｘｅ及び^１２９Ｘｅ）の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて、それぞれＸ、Ｙ及びＺ軸のそれぞれを中心とするそれぞれの回転角度ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ及びＲＯＴ_Ｚを判定するように構成することができる。例として、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸ジャイロスコープシステム１０２、１０４及び１０６のそれぞれは、図２の例における検出システム５０とほぼ同様に構成された検出システムを含むことができる。

図３の例において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸ジャイロスコープシステム１０２、１０４及び１０６のそれぞれは、運動センサ１１６への、それぞれの回転角度ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ及びＲＯＴ_Ｚを含む出力信号として示されている。従って、運動センサ１１６は、３軸ジャイロスコープシステム１００を含む関連ビークル又は装置の総計３軸回転運動を判定するためのプロセッサとして構成することができる。従って、３軸ジャイロスコープシステム１００を含む関連ビークル又は装置の偏揺れ、ピッチ及び回転を判定することができる。従って、運動センサ１１６は、３軸ジャイロスコープシステム１００を含む関連ビークル又は装置の３軸回転運動を表示、出力及び／又は報告するように構成することができる。

前述の構造及び上記の機能的特徴を考慮すれば、本発明の様々な態様による方法が、４図に関連してより良く理解されよう。説明を簡単にするために、図４の方法は、連続的に実行されるように示され説明されているが、本発明に従って、幾つかの態様が、本明細書で図示され説明されているものとは異なる順序及び／又は別の態様と同時に行われ得るように、本発明が、示された順序によって限定されないことが理解され認識されるべきである。更に、示されている全ての特徴が、本発明の態様に従って方法を実行するために必要とされるわけではない。

図４は、ＮＭＲジャイロスコープシステム（例えばＮＭＲジャイロスコープシステム１０）の受感軸周りの回転を測定するための方法１５０の例を示す。１５２において、光ポンプビーム（例えば光ポンプビームＯＰＴ_ＰＭＰ）が、ポンプレーザ（例えばポンプレーザ２２）を介して生成される。１５４において、磁場（例えば磁場Ｂ_Ｚ）が、磁場発生装置（例えば磁場発生装置２０）を介して生成される。１５６において、光ポンプビーム及び磁場は、第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、アルカリ金属（例えばアルカリ金属１４）、第１の磁気回転同位体（例えば第１の磁気回転同位体１６）、及び第２の磁気回転同位体（例えば第２の磁気回転同位体１８）を含む蒸気セル（例えば蒸気セル１２）を通して供給される。１５８において、光プローブビーム（例えば光プローブビームＯＰＴ_ＰＲＢ）が、プローブレーザ（例えばプローブレーザ２４）を介して生成される。１６０において、光プローブビームは、蒸気セルを出る検出ビーム（例えば検出ビームＯＰＴ_ＤＥＴ）を供給するために、光ポンプビームに対して直角に、蒸気セルを通して供給される。１６２において、検出ビームは、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動を判定するために復調される。１６４において、基準周波数（例えば基準周波数ＳＵＭ_ＲＥＦ）が、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の所定の比率に基づいて生成される。１６６において、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動に関連する周波数（例えば周波数信号ＳＵＭ）が、基準周波数に位相ロックされる。１６８において、受感軸周りの回転が、第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動の位相ロックされた周波数に基づく第１及び第２の磁気回転同位体の１つにおける歳差運動の周波数に基づいて判定される。

上記で説明されたものは、本発明の例である。本発明を説明するためにコンポーネント又は方法論の全ての考えられる組み合わせを説明することは、もちろん不可能であるが、当業者は、本発明の多くの更なる組み合わせ及び置き換えが可能であることを理解されよう。従って、本発明は、添付の請求項の趣旨及び範囲内に入る全てのかかる変更形態、修正形態及び変形形態を包含するように意図されている。

１０ 核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステム
１２ 蒸気セル
１４ アルカリ金属
１６ 第１の磁気回転同位体
１８ 第２の磁気回転同位体
２０ 磁場発生装置
２２ ポンプレーザ
２４ プローブレーザ
２６、５０ 検出システム
５２ 復調システム
５４ クロック
５６ デジタル基準カウンタ
５８ 歳差運動基準カウンタ
６０ 位相ロックループコンポーネント
６２ 角度弁別器
６４ 同期ラッチ
６６ 回転ラッチ
１００ ３軸ジャイロスコープシステム
１０２ Ｘ軸ジャイロシステム
１０４ Ｙ軸ジャイロスコープシステム
１０６ Ｚ軸ジャイロスコープシステム
１０８、１１０、１１２ 蒸気セル
１１４ 直交座標系
１１６ 運動センサ
Ｂ_Ｚ 磁場
Ｂ＿ＦＢ フィードバック信号
ＣＬＫ クロック信号
Ｉ_１ 循環カウント値
Ｉ_１Ｒ 周波数信号
ＩＮＩＴ 初期化信号
ＯＰＴ_ＤＥＴ 検出信号
ＯＰＴ_ＰＭＰ 光ポンプビーム
ＯＰＴ_ＰＲＢ 光プローブビーム
ＲＯＴ 回転
ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ、ＲＯＴ_Ｚ 回転角度
ＲＳＴ リセット信号
ＳＵＭ 周波数信号
ＳＵＭ_ＲＥＦ 基準周波数
ＴＲＧ トリガ信号

Claims (12)

1. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
   アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を含む蒸気セルと、
   光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザと、
   前記光ポンプビーム及び前記アルカリ金属に基づいて、前記第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、受感軸とほぼ整列される磁場を生成するように構成された磁場発生装置と、
   検出ビームとして前記蒸気セルから出力される光プローブビームを前記蒸気セルを通して供給するように構成されたプローブレーザと、
   前記検出ビームを監視し、前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動に応じた前記検出ビームの変調に関連付けられた周波数信号を基準周波数に位相ロックループを用いて位相ロックさせて、前記磁場に基づいた前記蒸気セルの第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する第１の周波数を計算するように構成された検出システムと、を備え、
   前記基準周波数は、前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率に基づき、
   前記検出システムは、前記第１の周波数と、前記磁場における自由慣性空間における前記第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する第２の周波数との比較に基づいて、受感軸周りの前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転を判定するようにさらに構成され、
   前記位相ロックループが、前記基準周波数に対する前記周波数信号の位相ロックに基づいて、磁場フィードバック信号を生成するように構成され、前記磁場フィードバック信号は、前記磁場の大きさを調整するため、前記磁場発生装置に供給される、核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
2. 前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率が、前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の和に対する前記第１の磁気回転同位体の歳差運動周波数の比率であり、
   前記検出システムが、前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率に基づく前記基準周波数を生成するように構成される、請求項１に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
3. 前記検出システムが、前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率で割られたクロック信号に関連する周波数を有する歳差運動基準カウンタに基づいて前記基準周波数を生成するように構成され、且つ前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の和に対応する前記周波数信号を前記基準周波数に位相ロックするように構成される、請求項２に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
4. 前記検出システムが、
   クロック信号に基づいて、且つ前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率に基づいて前記基準周波数を生成するように構成された歳差運動基準カウンタと、
   前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の和に対応する周波数信号を前記基準周波数と位相ロックするように構成された位相ロックループとを含む、請求項１に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
5. 前記検出システムが、
   前記第１の周波数を判定するように構成された復調システムと、
   クロック信号に基づいて、前記第２の周波数を生成するように構成されたデジタル基準カウンタと、
   前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差に基づいて、前記受感軸周りの前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転を判定するように構成された回転ラッチとを含む、請求項１に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
6. 前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差は、前記受感軸周りの前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転に対応し、且つ前記第１及び第２の磁気回転同位体の反歳差運動および前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率に対応する基準周波数に対する前記周波数信号の位相ロックに基づいている、請求項５に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
7. 前記デジタル基準カウンタが、カウンタ値として前記第２の周波数を供給するように構成され、
   前記検出システムが、前記第１の周波数に関連する所定のサンプル時間のそれぞれにおいて前記第２の周波数をサンプリングするように、且つ前記所定のサンプル時間のそれぞれにおいてトリガ信号を前記回転ラッチに供給するように構成され、
   前記回転ラッチが、前記トリガ信号に応じて前記カウンタ値を取得するように構成され、
   連続する所定のサンプル時間のそれぞれにおいて取得されたカウンタ値に基づいた前記カウンタ値のカウント数における差が、前記受感軸周りの前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転に対応する、請求項５に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
8. 前記検出システムが、初期化信号に応じて所定のサンプル時間において前記カウンタ値を前記第１の周波数の周期と同期させるように構成される、請求項７に記載の核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
9. ３つの直交受感軸のそれぞれを中心とする３軸核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転を判定するように構成されている請求項１に記載の複数の核磁気共鳴ジャイロスコープシステムを含む、３軸核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
10. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの受感軸周りの回転を測定するための方法であって、
    ポンプレーザを介して光ポンプビームを生成すること、
    磁場発生装置を介して磁場を生成すること、
    第１及び第２の磁気回転同位体に反歳差運動をさせるために、アルカリ金属、第１の磁気回転同位体、及び第２の磁気回転同位体を含む蒸気セルを通して前記光ポンプビーム及び前記磁場を供給すること、
    プローブレーザを介して光プローブビームを生成すること、
    前記蒸気セルから出力される検出ビームを供給するために、前記光プローブビームに対して直角に、前記蒸気セルを通して前記光ポンプビームを供給すること、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動を判定し、且つ前記磁場に基づいて、前記蒸気セルにおける前記第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する第１の周波数を決定するために、前記検出ビームを復調すること、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の比率に基づいて基準周波数を生成すること、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の和に関連する周波数信号を前記基準周波数に位相ロックすること、
    前記基準周波数に対する前記周波数信号の位相ロックに基づいて磁場フィードバック信号を生成すること、
    前記磁場フィードバック信号に基づいて前記磁場の大きさを調整すること、
    クロック信号に基づき前記磁場において自由慣性空間における前記第１の磁気回転同位体の歳差運動に対応する第２の周波数を生成すること、
    前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の差に基づいて、前記受感軸周りの回転を判定することを備える、方法。
11. 前記基準周波数を生成することが、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の所定の定率で割られたクロック信号に関連する周波数を有する歳差運動基準カウンタに基づいて前記基準周波数を生成することを含み、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数に関連する周波数を位相ロックすることが、
    前記第１及び第２の磁気回転同位体の歳差運動周波数の周波数の和を前記基準周波数と位相ロックすることを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転を判定することが、
    前記第２の周波数をカウンタ値として供給すること、
    前記第１の周波数に関連する所定のサンプル時間のそれぞれにおいて、トリガ信号を生成すること、
    前記トリガ信号に応じて第２のカウンタ値をラッチすることを含み、
    前記受感軸周りの前記核磁気共鳴ジャイロスコープシステムの回転を判定することが、ラッチされた第２の前記カウンタ値を直前のラッチされた第２のカウンタ値と比較することを含む、請求項１０に記載の方法。