KR102104398B1 - An atomic spin gyroscope and a method for correcting a magnetic field gradient using the atomic spin gyroscope - Google Patents

An atomic spin gyroscope and a method for correcting a magnetic field gradient using the atomic spin gyroscope Download PDF

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임신혁
김태현
김재일
심규민
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국방과학연구소
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Abstract

A task to be solved by the present invention is to provide a method of correcting a magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using a plurality of detection beams. The method of correcting the magnetic field gradient according to one embodiment of the present invention may comprise the following steps of: acquiring magnetic fields corresponding to each of the plurality of detection beams at each of a plurality of detection points through which each of the plurality of detection beams passes; obtaining the magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using the magnetic fields corresponding to each of the plurality of detection beams; and correcting the magnetic field gradient by controlling a current supplied to a gradient compensating coil.

Description

원자 스핀 자이로스코프 및 이를 이용하여 자기장 기울기를 보정하는 방법 {AN ATOMIC SPIN GYROSCOPE AND A METHOD FOR CORRECTING A MAGNETIC FIELD GRADIENT USING THE ATOMIC SPIN GYROSCOPE}Atomic spin gyroscope and how to correct magnetic field gradient using it {AN ATOMIC SPIN GYROSCOPE AND A METHOD FOR CORRECTING A MAGNETIC FIELD GRADIENT USING THE ATOMIC SPIN GYROSCOPE}

본 발명은 원자 스핀 자이로스코프 및 이를 이용하여 자기장 기울기를 보정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an atomic spin gyroscope and a method for correcting a magnetic field gradient using the same.

원자 스핀 자이로스코프는 원자 스핀의 라머 세차 운동(Larmor precession)의 주파수를 측정하여 회전량을 측정하는 센서이다. 원자 스핀 자이로스코프는 라머 세차 운동에 기초하므로 자기장에 민감하게 반응할 수 있다. 원자 스핀 자이로스코프의 경우, 일반적으로 자기장 차폐를 사용하여 외부 자기장에 의한 효과를 최대한 줄일 수 있으나, 남아있는 자기장 또는 각종 코일에 의하여 자기장 기울기가 발생할 수 있으며, 자기장 기울기는 시간에 따라 변화할 수도 있다. 자기장 기울기 변화는 스핀 세차 운동의 결맞음(coherence)을 저해하여 민감도를 결정하는 시간 T2를 줄일 수 있다. 따라서 자기장 기울기를 일정하게 유지시키는 방법이 필요하다. 시간 T2는 아래의 수학식 1과 같이 충돌 빈도를 이용하여 결정된다.The atomic spin gyroscope is a sensor that measures the amount of rotation by measuring the frequency of the atomic precession of the atomic spin. Atomic spin gyroscopes are based on the Lamer precession, so they can react sensitively to the magnetic field. In the case of an atomic spin gyroscope, in general, the magnetic field shielding can be used to reduce the effect of the external magnetic field as much as possible, but the magnetic field gradient may be generated by the remaining magnetic field or various coils, and the magnetic field gradient may change with time. . The change in magnetic field gradient can inhibit the coherence of spin precession and reduce the time T 2 for determining sensitivity. Therefore, there is a need for a method to keep the magnetic field gradient constant. Time T 2 is determined using the collision frequency as shown in Equation 1 below.

Figure 112019075201290-pat00001
Figure 112019075201290-pat00001

이 때 자기장 기울기에 의한 충돌 빈도는 아래의 수학식 2와 같이 결정된다. At this time, the collision frequency due to the magnetic field gradient is determined as shown in Equation 2 below.

Figure 112019075201290-pat00002
Figure 112019075201290-pat00002

이 때, D는 확산 계수이고,

Figure 112019075201290-pat00003
이고,
Figure 112019075201290-pat00004
이고, R은 원자 셀의 반지름이고,
Figure 112019075201290-pat00005
은 베셀 함수와 관계되는 공간 주파수 계수이다. B0은 공통의 정적 자기장을 의미한다. 자기장 기울기를 만들어내는 자기장은
Figure 112019075201290-pat00006
로 나타낼 수 있다. 자기장 기울기에 의한 충돌 빈도는 아래의 식 3과 같이 근사적으로 나타낼 수 있다.At this time, D is the diffusion coefficient,
Figure 112019075201290-pat00003
ego,
Figure 112019075201290-pat00004
, R is the radius of the atomic cell,
Figure 112019075201290-pat00005
Is a spatial frequency coefficient related to the Bessel function. B 0 means a common static magnetic field. The magnetic field that produces the magnetic field gradient
Figure 112019075201290-pat00006
Can be represented as The collision frequency due to the magnetic field gradient can be approximated as in Equation 3 below.

Figure 112019075201290-pat00007
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본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 검출 빔을 이용하여 원자 스핀자이로스코프의 자기장 기울기를 보정하는 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method of correcting the magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using a plurality of detection beams.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to those mentioned above, and another problem not to be solved can be clearly understood by those having ordinary knowledge to which the present invention belongs from the following description. will be.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 기울기를 보정하는 방법은, 복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계; 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 원자 스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 결정하는 단계; 및 기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정하는 단계를 포함한다.A method of correcting a magnetic field gradient according to an embodiment of the present invention includes: determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes; Determining a magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using magnetic field values for each of the plurality of detection beams; And correcting the magnetic field gradient by controlling the current supplied to the gradient compensation coil.

상기 자기장 기울기를 보정하는 단계는 상기 자기장 기울기가 0이 되도록 보정한다.The step of correcting the magnetic field gradient corrects the magnetic field gradient to be zero.

상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계는, 상기 복수의 검출 빔들 중에서 제1 검출 빔의 제1 라머 주파수(larmor frequency)를 결정하는 단계; 상기 복수의 검출 빔들 중에서 제2 검출 빔의 제2 라머 주파수를 결정하는 단계; 및 상기 제1 라머 주파수 및 상기 상기 제2 라머 주파수를 이용하여, 상기 제1 검출 빔에 대한 제1 자기장 값 및 상기 제2 검출 빔에 대한 제2 자기장 값을 결정하는 단계를 포함한다.Determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams includes: determining a first larmor frequency of a first detection beam among the plurality of detection beams; Determining a second rammer frequency of a second detection beam among the plurality of detection beams; And determining a first magnetic field value for the first detection beam and a second magnetic field value for the second detection beam, using the first and second second rammer frequencies.

상기 자기장 기울기를 보정하는 방법은 포토다이오드 배열을 이용하여 상기 검출 빔들 각각의 세기를 측정하는 단계를 더 포함한다.The method of correcting the magnetic field gradient further includes measuring the intensity of each of the detection beams using a photodiode array.

상기 포토다이오드 배열은 1차원 또는 2차원이다.The photodiode arrangement is one-dimensional or two-dimensional.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자 스핀 자이로스코프는 적어도 하나 이상의 프로그램에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 메모리를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하고; 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 자기장 기울기를 결정하고; 기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정한다.Atomic spin gyroscope according to another embodiment of the present invention includes a memory for storing information about at least one program; And a processor that controls the memory to execute the at least one program, wherein the processor determines magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes. ; Determining a magnetic field gradient using magnetic field values for each of the plurality of detection beams; The magnetic field slope is corrected by controlling the current supplied to the slope compensation coil.

상기 프로세서는 상기 자기장 기울기가 0이 되도록 보정한다.The processor corrects the magnetic field gradient to be zero.

상기 프로세서는, 상기 복수의 검출 빔들 중에서 제1 검출 빔의 제1 라머 주파수(larmor frequency)를 결정하고; 상기 복수의 검출 빔들 중에서 제2 검출 빔의 제2 라머 주파수를 결정하고; 및 상기 제1 라머 주파수 및 상기 상기 제2 라머 주파수를 이용하여, 상기 제1 검출 빔에 대한 제1 자기장 값 및 상기 제2 검출 빔에 대한 제2 자기장 값을 결정한다.The processor determines a first larmor frequency of a first detection beam among the plurality of detection beams; Determine a second rammer frequency of a second detection beam among the plurality of detection beams; And a first magnetic field value for the first detection beam and a second magnetic field value for the second detection beam by using the first and second second rammer frequencies.

상기 프로세서는 포토다이오드 배열을 이용하여 상기 검출 빔들 각각의 세기를 측정한다.The processor measures the intensity of each of the detection beams using a photodiode arrangement.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 컴퓨터 판독가능한 기록매체는 복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계; 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 원자 스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 결정하는 단계; 및 기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정하는 단계를 포함하는 자기장 기울기를 보정하는 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된다.According to another embodiment of the present invention, a computer-readable recording medium includes determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes; Determining a magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using magnetic field values for each of the plurality of detection beams; And correcting the magnetic field gradient by controlling the current supplied to the gradient compensation coil.

본 발명의 실시 예에 의하면, 복수의 검출 빔을 이용하는 원자 스핀 자이로스코프를 제공함으로써 자기장 기울기를 일정하게 유지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing an atomic spin gyroscope using a plurality of detection beams, the magnetic field gradient can be kept constant.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자 스핀 자이로스코프를 나타낸다.
도 2는 주파수/전압 환산 신호의 기울기의 예를 나타낸다.
도 3은 2차원 검출 빔의 일 예를 나타낸다.
도 4는 검출 빔이 2차원일 때의 검출 빔 마스크를 나타낸다.
도 5는 코일의 형태의 일 예시를 나타낸다.
도 6은 코일의 형태의 다른 예시를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기울기 보정 방법을 나타낸다.
1 shows an atomic spin gyroscope according to an embodiment of the present invention.
2 shows an example of the slope of the frequency / voltage conversion signal.
3 shows an example of a two-dimensional detection beam.
4 shows a detection beam mask when the detection beam is two-dimensional.
5 shows an example of the form of a coil.
6 shows another example of the form of a coil.
7 shows a tilt correction method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자 스핀 자이로스코프를 나타내고, 도 2는 주파수/전압 환산 신호의 기울기의 예를 나타낸다.1 shows an atomic spin gyroscope according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an example of a slope of a frequency / voltage conversion signal.

도 1을 참조하면, 원자 스핀 자이로스코프(1)는 두 개의 검출 빔들(probe lasers)(pl1, pl2)을 조사(irradiation)하고, 두 개의 검출 빔들(pl1, pl2)을 사용하여 회전량을 측정할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 본 명세서에서는 검출 빔들(pl1, pl2)은 x 방향으로 진행하는 것으로 가정하지만, 이에 한정되지 않는다. 즉, 검출 빔들(pl1, pl2)의 진행 방향은 실시 예에 따라 자유롭게 설정될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하고자 하는 본 발명의 특징은 검출 빔들의 진행 방향에 구속되지 않는다.Referring to FIG. 1, the atomic spin gyroscope 1 irradiates two probe beams pl1 and pl2, and measures the amount of rotation using two detection beams pl1 and pl2 can do. For convenience of description, in the present specification, the detection beams pl1 and pl2 are assumed to travel in the x direction, but are not limited thereto. That is, the traveling directions of the detection beams pl1 and pl2 may be freely set according to an embodiment, and the features of the present invention to be described herein are not limited to the traveling directions of the detection beams.

검출 빔들(pl1, pl2) 각각은 원자 가스 쉘(20) 내의 제1 지점(z1) 및 제2 지점(z2)를 통과할 수 있다. 검출 빔들(pl1, pl2)은 제1 지점(z1) 및 제2 지점(z2)을 통과한 이후 반-파장 판(half-wave plate)(30)과 편광 빔 가르개(polarization beam splitter)(40)를 통과할 수 있다.Each of the detection beams pl1 and pl2 may pass through the first point z1 and the second point z2 in the atomic gas shell 20. The detection beams pl1 and pl2 pass through a first point z1 and a second point z2, and then a half-wave plate 30 and a polarization beam splitter 40 ).

원자 스핀 자이로스코프(1)는 반-파장 판 및 편광 빔 가르개를 통과한 검출 빔들(pl1, pl2)의 라머 주파수(larmor frequency)를 측정하기 위해 패러데이 회전을 측정할 수 있다. 선형 편광된 검출 빔들(pl1, pl2)을 원자 셀(10)에 입사시키면, 좌원 편광과 우원 편광된 검출 빔이 서로 다른 위상을 느끼고, 이로 인하여 검출 빔들(pl1, pl2)의 선형 편광이 회전하게 되는데, 패러데이 회전은 이와 같은 편광의 변화를 이용하여 편광 빔 가르개(40)를 통과한 검출 빔의 세기 변화로 측정하는 방식이다. 알칼리 원자의 스핀이 세차 운동하고 있다면 알칼리 원자의 스핀 방향에 따라 편광 변화 정도가 달라지게 된다. 따라서 편광 변화 정도의 주파수를 알아냄으로써 라머 주파수를 검출할 수 있다.The atomic spin gyroscope 1 may measure the Faraday rotation to measure the larmor frequency of the detection beams pl1 and pl2 that have passed through the half-wave plate and the polarization beam splitter. When the linearly polarized detection beams pl1 and pl2 are incident on the atomic cell 10, the left and right circularly polarized detection beams sense different phases, thereby causing the linear polarization of the detection beams pl1 and pl2 to rotate. However, the Faraday rotation is a method of measuring the intensity change of the detection beam passing through the polarization beam splitter 40 using the change in polarization. If the spin of the alkali atom is precessing, the degree of polarization change varies depending on the spin direction of the alkali atom. Therefore, the rammer frequency can be detected by finding the frequency of the degree of polarization change.

원자 스핀 자이로스코프(1)는 포토다이오드 배열(photodiode array)을 이용하여 검출 빔들(pl1, pl2) 각각의 세기를 측정하고, 균형 검파(balanced detection)를 수행할 수 있다. 이때, 원자 스핀 자이로스코프(1)는 제1 지점(z1) 및 제2 지점(z2)에서의 자기장의 크기를 산출할 수 있다.The atomic spin gyroscope 1 may measure the intensity of each of the detection beams pl1 and pl2 using a photodiode array and perform balanced detection. At this time, the atomic spin gyroscope 1 may calculate the magnitude of the magnetic field at the first point z1 and the second point z2.

자기장의 크기는 이종 원자 동작을 통해 산출될 수 있다. 포토다이오드 배열에서 측정되고 균형 검파를 수행한 신호에는

Figure 112019075201290-pat00008
주파수로 진동하는 제1 신호와
Figure 112019075201290-pat00009
주파수로 진동하는 제2 신호가 섞여 있다. 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 락-인-증폭기(lock-in-amplifier)를 이용하여 전압 신호로 변환될 수 있다. 이때, 주파수/전압 환산 비율(기울기)은 이미 알고 있다고 가정한다.The magnitude of the magnetic field can be calculated through heteroatomic motion. The signal measured in the photodiode array and the balance detection
Figure 112019075201290-pat00008
The first signal vibrating at frequency
Figure 112019075201290-pat00009
The second signal vibrating at the frequency is mixed. The first signal and the second signal may be converted into a voltage signal using a lock-in-amplifier. At this time, it is assumed that the frequency / voltage conversion ratio (slope) is already known.

도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 129Xe의 주파수/전압 환산 기울기를 나타내고, 도 2의 (b)는 131Xe의 주파수/전압 환산 기울기를 나타낸다. 예컨대, 제1 신호가 129Xe로 구성되고, 제1 신호의 주파수가 대략 118.0 Hz라면, 제1 신호는 락-인-증폭기를 이용하여 대략 -0.5 V의 전압을 갖는 전압 신호로 변환될 수 있다. 또한, 제2 신호가 131Xe로 구성되고, 제2 신호의 주파수가 대략 34.8 Hz라면, 제2 신호는 락-인-증폭기를 이용하여 대략 1 V의 전압을 갖는 전압 신호로 변환될 수 있다.Referring to FIG. 2, FIG. 2 (a) shows a frequency / voltage conversion slope of 129 Xe, and FIG. 2 (b) shows a frequency / voltage conversion slope of 131 Xe. For example, if the first signal consists of 129 Xe, and the frequency of the first signal is approximately 118.0 Hz, the first signal can be converted into a voltage signal having a voltage of approximately -0.5 V using a lock-in-amplifier. . Further, if the second signal consists of 131 Xe, and the frequency of the second signal is approximately 34.8 Hz, the second signal may be converted into a voltage signal having a voltage of approximately 1 V using a lock-in-amplifier.

또한, 상기 제1 원자의 신호를 p11이라고 하고, 제2 지점(z2)을 지나는 제2 원자의 신호를 p12라고 한다면, 원자의 라머 주파수는 아래의 수학식 4와 같이 결정될 수 있다.In addition, if the signal of the first atom is called p 11 and the signal of the second atom passing through the second point z2 is called p 12 , the atom's lamer frequency may be determined as shown in Equation 4 below.

Figure 112019075201290-pat00010
Figure 112019075201290-pat00010

Figure 112019075201290-pat00011
Figure 112019075201290-pat00011

이때, f10은 제1 원자의 스핀 세차 운동을 유도하기 위해 x-방향의 자기장 코일에 적용하는 자기장의 주파수를 의미하고, f20은 제2 원자의 스핀 세차 운동을 유도하기 위해 x-방향의 자기장 코일에 적용하는 주파수를 의미한다.At this time, f 10 means the frequency of the magnetic field applied to the magnetic field coil in the x-direction to induce the spin precession motion of the first atom, and f 20 is the x-direction to induce spin precession motion of the second atom. It means the frequency applied to the magnetic field coil.

또한, p11,0은 f10의 주파수로 세차 운동한 제1 원자를 락-인-증폭기을 이용하여 변환한 전압 신호를 의미하고, p12,0은 f20의 주파수로 세차 운동한 제2 원자를 락-인-증폭기를 이용하여 변환한 전압 신호를 의미한다. S1은 제1 원자에 대한 주파수/전압 환산 기울기를 의미하고, S2는 제2 원자에 대한 주파수/전압 환산 기울기를 의미한다.In addition, p 11,0 means a voltage signal obtained by converting the first atom pre-moved at a frequency of f 10 using a lock-in-amplifier, and p 12,0 is a second atom pre-moved at a frequency of f 20 Denotes a voltage signal converted using a lock-in-amplifier. S 1 means the frequency / voltage conversion slope for the first atom, and S 2 means the frequency / voltage conversion slope for the second atom.

세차 운동한 원자에 회전이 존재할 경우, 원자의 라머 주파수는 아래의 수학식 5와 같이 결정될 수 있다.When there is rotation in the precessional atom, the atom's lamer frequency may be determined as shown in Equation 5 below.

Figure 112019075201290-pat00012
Figure 112019075201290-pat00012

Figure 112019075201290-pat00013
Figure 112019075201290-pat00013

제1 지점(z1)을 지나는 제1 원자의 제1 자기장(Bz1)은 아래의 수학식 6을 이용하여 결정될 수 있다.The first magnetic field B z1 of the first atom passing through the first point z1 may be determined using Equation 6 below.

Figure 112019075201290-pat00014
Figure 112019075201290-pat00014

제1 자기장(Bz1)을 결정하는 방법과 동일한 방법을 통하여 제2 지점(z2)을 지나는 제2 원자의 제2 자기장(Bz2) 또한 결정될 수 있다.The second magnetic field B z2 of the second atom passing through the second point z2 may also be determined through the same method as the method for determining the first magnetic field B z1 .

제1 지점(z1)과 제2 지점(z2) 사이가 충분히 가까운 경우, 자기장 기울기는 아래의 수학식 7을 이용하여 계산될 수 있다.When the distance between the first point z1 and the second point z2 is sufficiently close, the magnetic field gradient may be calculated using Equation 7 below.

Figure 112019075201290-pat00015
Figure 112019075201290-pat00015

자기장 기울기가 0이 되도록 z-축 경사자장 코일(z-gradient coil)에 특정 전류를 가해주면 1차 자기장 기울기 성분 중 하나를 보상시킬 수 있다. z-축 경사자장 코일은 안티-헬름홀츠(anti-helmholtz) 조건에 의할 수 있다. 이때, 자이로스코프의 출력은 각 지점에서 구한 각속도의 평균으로 결정될 수 있다.By applying a specific current to the z-axis gradient magnetic coil so that the magnetic field gradient becomes 0, one of the primary magnetic field gradient components can be compensated. The z-axis gradient magnetic field coil may be subject to anti-helmholtz conditions. At this time, the output of the gyroscope can be determined by the average of the angular velocity obtained at each point.

즉, 원자 스핀 자이로스코프의 출력을 결정하기 위한 동작은 아래와 같을 수 있다.That is, the operation for determining the output of the atomic spin gyroscope may be as follows.

(1) 제1 지점(z1)을 통과하는 제1 검출 빔 및 제2 지점(z2)을 통과하는 제2 검출 빔의 라머 주파수를 결정하고, 결정된 라머 주파수를 이용하여 제1 지점(z1) 및 제2 지점(z2)에서의 자기장 및 각속도를 결정한다.(1) Determine the rammer frequency of the first detection beam passing through the first point (z1) and the second detection beam passing through the second point (z2), and using the determined rammer frequency, the first point (z1) and The magnetic field and angular velocity at the second point z2 are determined.

(2) 결정된 제1 지점(z1)에서의 자기장 값과 제2 지점(z2)에서의 자기장 값을 제1 지점(z1)과 제2 지점(z2) 간의 거리로 나누어 자기장 기울기를 결정한다.(2) A magnetic field gradient is determined by dividing the determined magnetic field value at the first point z1 by the magnetic field value at the second point z2 by the distance between the first point z1 and the second point z2.

(3) 결정된 자기장 기울기에 따라, z-축 경사자장 코일에 흐르는 전류를 비례-적분-미분(Proportional-Integral-Differential, PID) 방식을 이용하여 제어한다. 이때, 자이로스코프의 출력 각속도는 (1) 단계에서 결정된 각속도의 평균일 수 있다.(3) According to the determined magnetic field gradient, the current flowing through the z-axis gradient magnetic field coil is controlled using a Proportional-Integral-Differential (PID) method. At this time, the output angular velocity of the gyroscope may be an average of the angular velocity determined in step (1).

도 3은 2차원 검출 빔을 나타내고, 도 4는 검출 빔이 2차원일 때의 검출 빔 마스크를 나타내고, 도 5 및 도 6은 코일의 형태의 일 예시를 나타낸다.3 shows a two-dimensional detection beam, FIG. 4 shows a detection beam mask when the detection beam is two-dimensional, and FIGS. 5 and 6 show an example of the form of a coil.

도 3을 참조하면, 검출 빔이 1차원으로 전송될 때뿐만 아니라, 2차원으로 전송될 때도 본 발명을 적용할 수 있다.Referring to FIG. 3, the present invention can be applied not only when the detection beam is transmitted in one dimension, but also when it is transmitted in two dimensions.

Figure 112019075201290-pat00016
기울기는 도 3에 도시된 (y1, z2), (y1, z1)(또는 (y2, z2), (y2, z1)) 빔 조합을 통하여 알아낼 수 있고,
Figure 112019075201290-pat00017
기울기는 (y1, z2), (y2, z2)(또는 (y1, z1), (y2, z1)) 빔 조합을 통하여 알아낼 수 있다.
Figure 112019075201290-pat00016
The inclination can be found through the (y 1 , z 2 ), (y 1 , z 1 ) (or (y 2 , z 2 ), (y 2 , z 1 )) beam combinations illustrated in FIG. 3,
Figure 112019075201290-pat00017
The inclination can be determined through a combination of (y 1 , z 2 ), (y 2 , z 2 ) (or (y 1 , z 1 ), (y 2 , z 1 )) beams.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 자기장 기울기

Figure 112019075201290-pat00018
가 0이 되도록
Figure 112019075201290-pat00019
코일에 전류를 가하는 경우, z-축 경사자장 코일은 도 5의 왼쪽과 같이 제작한 코일을 도 5의 오른쪽과 같이 실린더 형으로 둥글게 말아놓은 형태를 가질 수 있다.To achieve the object of the present invention, the magnetic field gradient
Figure 112019075201290-pat00018
So that 0
Figure 112019075201290-pat00019
When applying a current to the coil, the z-axis gradient magnetic field coil may have a form in which the coil produced as shown in the left side of FIG. 5 is rolled in a cylindrical shape as shown in the right side of FIG. 5.

또한, 자기장 기울기

Figure 112019075201290-pat00020
가 0이 되도록
Figure 112019075201290-pat00021
코일에 전류를 가하는 경우, z-축 경사자장 코일은 도 6의 왼쪽과 같은 고레이 코일(Golay coil)을 도 6의 오른 쪽과 같이 실린더 형으로 둥글게 말아놓은 형태를 가질 수 있다. Also, the magnetic field gradient
Figure 112019075201290-pat00020
So that 0
Figure 112019075201290-pat00021
When applying a current to the coil, the z-axis gradient magnetic field coil may have a form in which a Golay coil as shown in the left side of FIG. 6 is rolled in a cylinder shape as shown in the right side of FIG. 6.

도 6을 참조하면, 고레이 코일은 제1 부분들의 전류 방향이 서로 반대가 되어 자기장 효과를 상쇄시키고, 4개의 루프로 이루어진 제2 부분들의 전류 방향이 서로 동일함으로써, 코일의 효과를 최대화할 수 있다. 즉, 제1 부분들은 방향이 서로 반대가 되는 전류들로 구성됨으로써 그 효과가 상쇄되고, 제2 부분들은 방향이 일치하는 전류들로 구성됨으로써 자기장 형성에 기여할 수 있다.Referring to FIG. 6, in the high-ray coil, the current directions of the first portions are opposite to each other to cancel the magnetic field effect, and the current directions of the second portions composed of four loops are the same, thereby maximizing the coil effect. have. That is, the first parts are composed of currents whose directions are opposite to each other, thereby canceling the effect, and the second parts are composed of currents having the same directions, thereby contributing to the formation of a magnetic field.

2차원 검출 빔 배열에서는

Figure 112019075201290-pat00022
값이 주어지지 않을 수 있다.
Figure 112019075201290-pat00023
값을 결정하기 위해, y-방향으로의 검출 빔을 이용할 수 있다. y-방향으로 진행하는 빔의 마스크는 도 4와 같을 수 있다.
Figure 112019075201290-pat00024
코일은
Figure 112019075201290-pat00025
코일과 패턴은 같으나,
Figure 112019075201290-pat00026
코일로부터 90도 회전된 코일일 수 있다.In the two-dimensional detection beam arrangement
Figure 112019075201290-pat00022
Values may not be given.
Figure 112019075201290-pat00023
To determine the value, a detection beam in the y-direction can be used. The mask of the beam traveling in the y-direction may be as shown in FIG. 4.
Figure 112019075201290-pat00024
Coils
Figure 112019075201290-pat00025
Same pattern as coil,
Figure 112019075201290-pat00026
It may be a coil rotated 90 degrees from the coil.

각 코일은 z-방향 코일에

Figure 112019075201290-pat00027
코일,
Figure 112019075201290-pat00028
코일 및
Figure 112019075201290-pat00029
코일을 겹칠 후, 실린더 형태로 말아서 구현될 수 있다.Each coil is in a z-direction coil
Figure 112019075201290-pat00027
coil,
Figure 112019075201290-pat00028
Coil and
Figure 112019075201290-pat00029
After overlapping the coil, it can be implemented by rolling in the form of a cylinder.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기울기 보정 방법을 나타낸다.7 shows a tilt correction method according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 원자 스핀 자이로스코프는 복수의 검출 빔들이 통하는 복수의 검출 지점에서, 복수의 검출 빔들 각각에 대응하는 자기장들을 구할 수 있다(S700). 예컨대, 원자 스핀 자이로스코프는 제1 검출 지점(z1)을 통하는 제1 검출 빔(pl1)에 대한 제1 라머 주파수(larmor frequency)를 결정하고, 제2 검출 지점(z2)을 통하는 제2 검출 빔(pl2)에 대한 제2 라머 주파수를 결정하고, 상기 제1 라머 주파수 및 상기 상기 제2 라머 주파수를 이용하여, 상기 제1 검출 빔(pl1)에 대한 제1 자기장 및 상기 제2 검출 빔(pl2)에 대한 제2 자기장을 결정할 수 있다. 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장은 위에서 설명한 수학식 4 내지 수학식 6을 이용하여 결정될 수 있다.Referring to FIG. 7, the atomic spin gyroscope may obtain magnetic fields corresponding to each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points through a plurality of detection beams (S700). For example, the atomic spin gyroscope determines the first larmor frequency for the first detection beam pl1 through the first detection point z1, and the second detection beam through the second detection point z2 A first magnetic field for the first detection beam pl1 and the second detection beam pl2 are determined by determining a second rammer frequency for (pl2) and using the first and second rammer frequencies ) Can determine a second magnetic field. The first magnetic field and the second magnetic field may be determined using Equations 4 to 6 described above.

원자 스핀 자이로스코프는 획득한 자기장들을 이용하여 원자 스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 결정할 수 있다(S710). 예컨대, 원자 스핀 자이로스코프는 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장을 이용하여, 상기 제1 자기장 및 상기 제2 자기장에 대한 자기장 기울기를 결정할 수 있다. 상기 자기장 기울기는 위에서 설명한 수학식 7을 이용하여 결정될 수 있다.The atomic spin gyroscope may determine the magnetic field gradient of the atomic spin gyroscope using the obtained magnetic fields (S710). For example, the atomic spin gyroscope may determine the magnetic field gradients for the first magnetic field and the second magnetic field using the first magnetic field and the second magnetic field. The magnetic field gradient may be determined using Equation 7 described above.

원자 스핀 자이로스코프는 z-축 기울기 보상 코일(z-gradient coil)에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정할 수 있다(S720). 이때, 원자 스핀 자이로스코프는 상기 자기장 기울기가 0이 되도록 전류를 제어할 수 있다.The atomic spin gyroscope may correct the magnetic field gradient by controlling the current supplied to the z-axis gradient compensation coil (S720). At this time, the atomic spin gyroscope can control the current so that the magnetic field gradient is zero.

본 발명에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 인코딩 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 인코딩 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방법으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.Combinations of each block in the block diagrams and respective steps in the flow diagrams attached to the present invention may be performed by computer program instructions. These computer program instructions may be mounted on an encoding processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment, so that the instructions performed through the encoding processor of a computer or other programmable data processing equipment may include each block in the block diagram or In each step of the flowchart, means are created to perform the functions described. These computer program instructions can also be stored in computer readable or computer readable memory that can be oriented to a computer or other programmable data processing equipment to implement a function in a particular way, so that computer readable or computer readable memory The instructions stored in it are also possible to produce an article of manufacture containing instructions means for performing the functions described in each block or flowchart step of the block diagram. Since computer program instructions may be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, a series of operational steps are performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a process that is executed by the computer to generate a computer or other programmable data. It is also possible for instructions to perform processing equipment to provide steps for executing the functions described in each block of the block diagram and in each step of the flowchart.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.Further, each block or each step may represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing the specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative embodiments it is also possible that the functions mentioned in blocks or steps occur out of order. For example, two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially simultaneously, or it is also possible that the blocks or steps are sometimes performed in reverse order depending on the corresponding function.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential quality of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

1: 원자 스핀 자이로스코프 장치
10: 원자 셀
20: 원자 가스 쉘
30: 반-파장 판
40: 편광 빔 가르개
1: Atomic spin gyroscope device
10: atomic cell
20: atomic gas shell
30: half-wave plate
40: polarized beam splitter

Claims (11)

복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계;
상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 원자 스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 결정하는 단계; 및
기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정하는 단계를 포함하는
자기장 기울기를 보정하는 방법.
Determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes;
Determining a magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using magnetic field values for each of the plurality of detection beams; And
Comprising the step of correcting the magnetic field gradient by controlling the current supplied to the gradient compensation coil
How to correct the magnetic field gradient.
제1 항에 있어서,
상기 자기장 기울기를 보정하는 단계는 상기 자기장 기울기가 0이 되도록 보정하는
자기장 기울기를 보정하는 방법.
According to claim 1,
The step of correcting the gradient of the magnetic field corrects the gradient of the magnetic field to be 0
How to correct the magnetic field gradient.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계는,
상기 복수의 검출 빔들 중에서 제1 검출 빔의 제1 라머 주파수(larmor frequency)를 결정하는 단계;
상기 복수의 검출 빔들 중에서 제2 검출 빔의 제2 라머 주파수를 결정하는 단계; 및
상기 제1 라머 주파수 및 상기 제2 라머 주파수를 이용하여, 상기 제1 검출 빔에 대한 제1 자기장 값 및 상기 제2 검출 빔에 대한 제2 자기장 값을 결정하는 단계를 포함하는
자기장 기울기를 보정하는 방법.
According to claim 1,
Determining the magnetic field values for each of the plurality of detection beams,
Determining a first larmor frequency of a first detection beam among the plurality of detection beams;
Determining a second rammer frequency of a second detection beam among the plurality of detection beams; And
And determining a first magnetic field value for the first detection beam and a second magnetic field value for the second detection beam by using the first and second second rammer frequencies.
How to correct the magnetic field gradient.
제1 항에 있어서,
포토다이오드 배열을 이용하여 상기 검출 빔들 각각의 세기를 측정하는 단계를 더 포함하는
자기장 기울기를 보정하는 방법.
According to claim 1,
And measuring the intensity of each of the detection beams using a photodiode array.
How to correct the magnetic field gradient.
제4 항에 있어서,
상기 포토다이오드 배열은 1차원 또는 2차원인
자기장 기울기를 보정하는 방법.
According to claim 4,
The photodiode array is one-dimensional or two-dimensional
How to correct the magnetic field gradient.
적어도 하나 이상의 프로그램에 대한 정보를 저장하는 메모리; 및
상기 메모리를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하고;
상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 자기장 기울기를 결정하고;
기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정하는
원자 스핀 자이로스코프.
A memory for storing information about at least one program; And
And a processor that controls the memory to execute the at least one program,
The processor,
Determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes;
Determining a magnetic field gradient using magnetic field values for each of the plurality of detection beams;
Correcting the magnetic field slope by controlling the current supplied to the slope compensation coil
Atomic spin gyroscope.
제6 항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 자기장 기울기가 0이 되도록 보정하는
원자 스핀 자이로스코프.
The method of claim 6,
The processor corrects the magnetic field gradient to be zero.
Atomic spin gyroscope.
제6 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 복수의 검출 빔들 중에서 제1 검출 빔의 제1 라머 주파수(larmor frequency)를 결정하고;
상기 복수의 검출 빔들 중에서 제2 검출 빔의 제2 라머 주파수를 결정하고; 및
상기 제1 라머 주파수 및 상기 상기 제2 라머 주파수를 이용하여, 상기 제1 검출 빔에 대한 제1 자기장 값 및 상기 제2 검출 빔에 대한 제2 자기장 값을 결정하는
원자 스핀 자이로스코프.
The method of claim 6,
The processor,
Determining a first larmor frequency of a first detection beam among the plurality of detection beams;
Determine a second rammer frequency of a second detection beam among the plurality of detection beams; And
Determining a first magnetic field value for the first detection beam and a second magnetic field value for the second detection beam using the first rammer frequency and the second rammer frequency
Atomic spin gyroscope.
제6 항에 있어서,
상기 프로세서는 포토다이오드 배열을 이용하여 상기 검출 빔들 각각의 세기를 측정하는
원자 스핀 자이로스코프.
The method of claim 6,
The processor measures the intensity of each of the detection beams using a photodiode array
Atomic spin gyroscope.
제9 항에 있어서,
상기 포토다이오드 배열은 1차원 또는 2차원인
원자 스핀 자이로스코프.
The method of claim 9,
The photodiode array is one-dimensional or two-dimensional
Atomic spin gyroscope.
복수의 검출 빔들 각각이 지나는 복수의 검출 지점들에서, 상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 결정하는 단계;
상기 복수의 검출 빔들 각각에 대한 자기장 값들을 이용하여 원자 스핀 자이로스코프의 자기장 기울기를 결정하는 단계; 및
기울기 보상 코일에 공급되는 전류를 제어하여 상기 자기장 기울기를 보정하는 단계를 포함하는
자기장 기울기를 보정하는 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된
컴퓨터 판독가능한 기록매체.
Determining magnetic field values for each of the plurality of detection beams at a plurality of detection points where each of the plurality of detection beams passes;
Determining a magnetic field gradient of an atomic spin gyroscope using magnetic field values for each of the plurality of detection beams; And
Comprising the step of correcting the magnetic field gradient by controlling the current supplied to the gradient compensation coil
A program has been written to implement a method to correct the magnetic field gradient.
Computer-readable recording media.
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