一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法与流程

1.本发明涉及基于核磁共振技术的原子器件技术领域，特别是一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法。


背景技术：

2.陀螺仪作为惯性测量的核心部件，一直以来受到了广泛的关注，在军事以及民用领域都有着巨大的需求。其中，原子陀螺仪近些年发展迅速，性能以及实用性等方面都有了快速的进步。在基础物理研究中，与惯性测量密切相关的航空、航天、航海以及交通导航等领域都有着很好的应用前景。目前在原子陀螺仪领域主要分为利用原子自旋和原子干涉的陀螺仪。利用原子自旋相关的陀螺仪，可以分为补偿型陀螺仪和核磁共振陀螺仪等。补偿型陀螺仪实验装置复杂，数据处理繁琐，在未来的小型化和实用化过程中可能会遇到众多困难。核磁共振陀螺仪则有可能解决这些问题，但是，核磁共振陀螺仪也遭遇了其他挑战。
3.核磁共振陀螺仪是利用惰性气体核自旋-碱金属系统来工作的，我们实验中采用rb-129
xe/
131
xe系统。铷原子在这里具有两个作用，一个作用是可以通过碰撞来极化氙原子核，另一个作用则是作为内置的铷原子磁强计来探测氙核自旋的进动信号。氙核自旋则通过在不同等效磁场下的进动信号的变化来探测载体的转动，它是核磁共振陀螺仪的基础。在惰性气体原子中，氙气与碱金属原子铷原子的碰撞截面是最大的。这样，一方面它可以很快地被碱金属铷原子极化(极化时间约为1分钟)，另一方面，氙气的极化磁场也可以最灵敏地被碱金属铷原子磁强计探测到，探测到的信号经过处理就可以得到系统转动信息。
4.惰性气体氙核自旋共陀螺仪的长期稳定性最终正比于氙核自旋进动产生等效磁场信号的信噪比，反比于氙的共振线宽。但是在实际中，由于陀螺仪系统中各种不确定因素(电流源、气室温度、抽运光和探测光的光强和波长)导致磁强计系统对磁场信号相位测量产生的误差，使得陀螺仪的长期稳定性无法达到由惰性气体氙核的进动信号信噪比和线宽所决定的理论极限。对此本发明提出增加一组确定频率和幅值的标定圆偏振磁场，通过负反馈控制使得测得标定圆偏振磁场信号相位保持不变，使得由于磁强计探测系统带来的误差得到充分抑制，从而补偿由于实验环境变量带来的测量磁场信号的漂移，达到提高陀螺仪系统的长期稳定性的目的。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，能够通过主动施加标定圆偏振磁场信号且负反馈闭环补偿由于调制和仪器带来的测量误差，有利于实现高灵敏度、高准确性的对磁场相位的测量，进而提高了陀螺仪的长期稳定性。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，其特征在于，将差分光电探测器根据气室出光侧的探测光所形成的差分光电探测器输出电信号传输到第一锁相
放大器，所述第一锁相放大器对所述差分光电探测器输出电信号进行第一次解调，并将第一次解调后复值信号实部分别传输到第二锁相放大器和第三锁相放大器各自进行第二次解调，所述第二锁相放大器将其第二次解调后标定圆偏振磁场相位通过比例积分控制器负反馈至所述第一锁相放大器以确定圆偏振磁场的自标定，所述第三锁相放大器将其第二次解调后核自旋进动相位通过锁相环负反馈至激励磁场频率驱动端以保持核磁共振和实现陀螺仪闭环工作。
8.所述气室是含有碱金属铷rb原子和惰性气体氙xe的原子气室，其中rb包括
85
rb和
87
rb，xe包括
129
xe和
131
xe。
9.所述气室的外围向外依次设置有加热炉、励磁线圈和磁屏蔽筒，所述励磁线圈包括x方向磁场线圈、y方向磁场线圈和z方向磁场线圈，所述z方向磁场线圈有两组线圈以分别施加z方向偏置磁场和z方向调制磁场，所述z方向偏置磁场用来定义系统的极化轴方向且与抽运光方向平行，抽运光持续对铷原子进行极化，通过碰撞把极化传递给氙核，此时铷原子和氙核的极化都沿着抽运光的方向，所述z方向调制磁场的频率为碱金属铷原子的拉莫尔进动频率，所述x方向磁场线圈和y方向磁场线圈用于产生圆偏振标定磁场和氙核进动激励磁场。
10.所述差分光电探测器测量x方向线偏振探测光的两个线偏振分量的光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的输出电信号，所述圆偏振磁场的自标定是在横向施加一个确定频率和幅值的圆偏振标定磁场，将磁强计探测到的标定磁场的信号相位通过比例积分控制器负反馈至磁强计的第一次解调参考信号相移使得探测到的标定磁场相位保持不变，这样就完成了磁强计对确定圆偏振磁场的自标定。
11.所述第一锁相放大器包括具有第1输入端、第2输入端、第3输入端和第4输出端的第1解调器，具有第5设置端和第6输出端的第1振荡器，以及具有第19输入端和第20输出端的比例积分控制器，所述第二锁相放大器包括具有第7输入端、第8输入端、第9设置端和第10输出端的第2解调器，以及具有第11设置端和第12输出端的第2振荡器，所述第三锁相放大器包括具有第13输入端、第14输入端、第15设置端和第16输出端的第3解调器，具有y方向磁场线圈频率驱动端和第17输出端的第3振荡器，以及具有第21输入端和第22输出端的锁相环，差分光电探测器连接所述第1输入端，所述第6输出端分别连接所述第2输入端和压控电流源连接z方向磁场线圈，所述第4输出端分别连接所述第7输入端和所述第13输入端，所述第12输出端分别连接x方向磁场线圈、y方向磁场线圈和所述第8输入端，所述第10输出端连接所述第19输入端，所述第20输出端连接所述第3输入端，所述第17输出端分别连接y方向磁场线圈和所述第14输入端，所述第16输出端连接所述第21输入端，所述第22输出端连接所述y方向磁场线圈频率驱动端。
12.所述气室的探测光来自探测光发生器，所述探测光发生器发射的探测光依次通过第二偏振分光棱镜、噪声衰减器、第二格兰泰勒棱镜、气室、1/2波片和沃拉斯顿棱镜后进入所述差分光电探测器，所述气室的抽运光来自抽运光发生器，所述抽运光发生器发射的抽运光依次通过第一偏振分光棱镜、锥形放大器、第一凸透镜、声光调制器、光阑、第二光纤准直器、第三光纤准直器、分光镜、反射镜、第一格兰泰勒棱镜和1/4波片后穿越所述气室，所述第二偏振分光棱镜通过第四光纤准直器连接波长计，所述第一偏振分光棱镜通过第一光纤准直器连接波长计，所述分光镜通过第二凸透镜连接光电探测器。
13.包括以下表达式：b
ac
(t)＝b1cos(ω0t+θ
ac
)，其中b
ac
(t)为z方向调制磁场，b1为z方向调制磁场幅值，ω0为z方向调制磁场频率，t为时间，θ
ac
为z方向调制磁场相位。
14.第一次解调参考信号其中θ为第一次解调时参考信号的相移，e为自然常数，i为虚数单位；第二次解调参考信号其中ω为横向磁场频率。
15.所述气室出光侧的探测光通过沃拉斯顿棱镜分为功率不同的两束偏振光，分别入射所述差分光电探测器的两个二极管得到正比于x方向铷原子自旋系综平均值《s
x
》的法拉第转角θ
fr
，θ
fr
表达式如下：
[0016][0017]
其中；e为经典电子半径，c为真空光速，是铷原子d2线的振子强度，l为原子气室长度，t为气室温度，n
rb
(t)为依赖于温度t的铷原子数密度；v
prfbe
、分别为探测激光的频率和铷原子d2线共振频率，为铷原子吸收峰的半高半宽。
[0018]
所述第二次解调后标定圆偏振磁场相位设为∠c
(2)
(θ)，则∠c
(2)
(θ)的表达式如下：
[0019][0020]
其中k(η)为中间量，k(η)＝[j0(η)+j-2
(η)]/[j0(η)-j-2
(η)]，η为调制深度，j0(η)是以η为宗量的0阶贝塞尔函数，j-2
(η)是以η为宗量的-2阶贝塞尔函数，θ为第一次解调时参考信号的相移，θ
(y)
是磁强计最抑制y方向磁场的工作点相位，ω为圆偏振标定磁场的频率；γ2为铷的线宽。
[0021]
本发明的技术效果如下：本发明一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，主要由两个系统组成：1.利用极化的碱金属铷原子测量气室周围的磁场信号；2.通过极化的惰性气体氙在磁场下的进动频率信号测量等效的载体的转动信号。发明的核心部件为充入碱金属铷原子和氙气的两种同位素气体的玻璃气室。通过极化的碱金属铷原子的自旋交换碰撞将极化传递给惰性气体原子氙的核自旋。惰性气体原子由激励磁场连续驱动，然后惰性气体在驱动下开始进动并且产生等效的圆偏振磁场并且被极化的碱金属铷原子磁强计测得，进动产生的等效磁场的频率也就是惰性气体的进动频率通过锁相环负反馈激励磁场频率保持共振，实现陀螺仪的闭环工作。在磁强计系统中主动施加固定频率和幅值的标定圆偏振磁场，并且磁强计监测标定磁场的相位并且通过锁相环反馈使测得标定磁场相位保持不变从而实现磁强计对确定圆偏振磁场测量的自标定，同时可以避免外界环境的不稳定性对磁强计测量引入的干扰，从而最终提高陀螺仪系统的长期稳定性，同时该方法降低了陀螺仪对电子设备稳定性的要求，且不需要引入更多的设备，有利于陀螺仪的小型化。
附图说明
[0022]
图1为实施本发明一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法所涉及的装置结构示意图。
[0023]
图2为标定圆偏振磁场和激励磁场施加装置结构示意图。
[0024]
图3为抽运光和探测光的光路结构示意图。
[0025]
附图标记为：a1-气室(内含碱金属铷rb原子+惰性气体氙xe，rb包括
85
rb和
87
rb，xe包括
129
xe和
131
xe)；a2-加热炉(例如氮化硼陶瓷加热炉)；a3-x方向磁场线圈；a4-y方向磁场线圈；a5-z方向磁场线圈；a6-抽运光发生器或抽运光；a7-探测光发生器或探测光；a8-磁屏蔽筒；a9-差分光电探测器；a10-第一锁相放大器；a11-第二锁相放大器；a12-第三锁相放大器；a13-比例积分控制器；a14-锁相环；a15-y方向磁场线圈频率驱动端；a16-差分光电探测器输出电信号；a17-第一次解调后复值信号实部；a18-第二次解调后标定圆偏振磁场相位；a19-第二次解调后氙核自旋进动相位；demod1～demod3-第1解调器至第3解调器；osc1～osc3-第1振荡器至第3振荡器；b1～b3-第1至第3输入端；b4-第4输出端；b5-第5设置端；b6-第6输出端；b7～b8-第7至第8输入端；b9-第9设置端；b10-第10输出端；b11-第11设置端；b12-第12输出端；b13～b14-第13至第14输入端；b15-第15设置端；b16-第16输出端；b17-第17输出端；b18-压控电流源；b19-第19输入端；b20-第20输出端；b21-第21输入端；b22-第22输出端；c1-锥形放大器；c2-波长计；c3-第一偏振分光棱镜；c4-第一光纤准直器；c5-第一凸透镜；c6-声光调制器；c7-光阑；c8-第二光纤准直器；c9-第三光纤准直器；c10-分光镜；c11-第二凸透镜；c12-光电探测器；c13-反射镜(45
°
)；c14-第一格兰泰勒棱镜；c15-1/4波片；c16-第二偏振分光棱镜；c17-第四光纤准直器；c18-噪声衰减器；c19-第二格兰泰勒棱镜；c20-1/2波片；c21-沃拉斯顿棱镜；xyz-笛卡尔坐标系三轴(x轴，y轴，z轴)。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图(图1-图3)和实施例对本发明进行说明。
[0027]
图1为实施本发明一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法所涉及的装置结构示意图。图2为标定圆偏振磁场和激励磁场施加装置结构示意图。图3为抽运光和探测光的光路结构示意图。参考图1至图3所示，一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，将差分光电探测器a9根据气室a1出光侧的探测光a7所形成的差分光电探测器输出电信号a16传输到第一锁相放大器a10，所述第一锁相放大器a10对所述差分光电探测器输出电信号a16进行第一次解调，并将第一次解调后复值信号实部a17分别传输到第二锁相放大器a11和第三锁相放大器a12各自进行第二次解调，所述第二锁相放大器a11将其第二次解调后标定圆偏振磁场相位a18通过比例积分控制器a13负反馈至所述第一锁相放大器a10以确定圆偏振磁场的自标定，所述第三锁相放大器a12将其第二次解调后核自旋进动相位a19通过锁相环a14负反馈至激励磁场频率驱动端a15以保持核磁共振和实现陀螺仪闭环工作。
[0028]
所述气室a1是含有碱金属铷rb原子和惰性气体氙xe的原子气室，其中rb包括
85
rb和
87
rb，xe包括
129
xe和
131
xe。所述气室a1的外围向外依次设置有加热炉a2、励磁线圈和磁屏蔽筒a8，所述励磁线圈包括x方向磁场线圈a3、y方向磁场线圈a4和z方向磁场线圈a5，所述z方向磁场线圈a5有两组线圈以分别施加z方向偏置磁场和z方向调制磁场，所述z方向偏置磁场用来定义系统的极化轴方向且与抽运光方向平行，抽运光持续对铷原子进行极化，通过碰撞把极化传递给氙核，此时铷原子和氙核的极化都沿着抽运光的方向，所述z方向调制磁场的频率为碱金属铷原子的拉莫尔进动频率，所述x方向磁场线圈和y方向磁场线圈用于
产生圆偏振标定磁场和氙核进动激励磁场。
[0029]
所述差分光电探测器a9测量x方向线偏振探测光的两个线偏振分量的光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的输出电信号，所述圆偏振磁场的自标定是在横向施加一个确定频率和幅值的圆偏振标定磁场，将磁强计探测到的标定磁场的信号相位通过比例积分控制器a13负反馈至磁强计的第一次解调参考信号相移使得探测到的标定磁场相位保持不变，这样就完成了磁强计对确定圆偏振磁场的自标定。
[0030]
所述第一锁相放大器a10包括具有第1输入端b1、第2输入端b2、第3输入端b3和第4输出端b4的第1解调器demod1，具有第5设置端b5和第6输出端b6的第1振荡器osc1，以及具有第19输入端b19和第20输出端b20的比例积分控制器a13，所述第二锁相放大器a11包括具有第7输入端b7、第8输入端b8、第9设置端b9和第10输出端b10的第2解调器demod2，以及具有第11设置端b11和第12输出端b12的第2振荡器osc2，所述第三锁相放大器a12包括具有第13输入端b13、第14输入端b14、第15设置端b15和第16输出端b16的第3解调器demod3，具有y方向磁场线圈频率驱动端a15和第17输出端b17的第3振荡器osc3，以及具有第21输入端b21和第22输出端b22的锁相环a14，差分光电探测器a9连接所述第1输入端b1，所述第6输出端b6分别连接所述第2输入端b2和压控电流源b18连接z方向磁场线圈a5，所述第4输出端b4分别连接所述第7输入端b7和所述第13输入端b13，所述第12输出端b12分别连接x方向磁场线圈a3、y方向磁场线圈a4和所述第8输入端b8，所述第10输出端b10连接所述第19输入端b19，所述第20输出端b20连接所述第3输入端b3，所述第17输出端b17分别连接y方向磁场线圈a4和所述第14输入端b14，所述第16输出端b16连接所述第21输入端b21，所述第22输出端b22连接所述y方向磁场线圈频率驱动端a15。
[0031]
所述气室a1的探测光来自探测光发生器a7，所述探测光发生器a7发射的探测光依次通过第二偏振分光棱镜c16、噪声衰减器c18、第二格兰泰勒棱镜c19、气室a1、1/2波片c20和沃拉斯顿棱镜c21后进入所述差分光电探测器a9，所述气室a1的抽运光来自抽运光发生器a6，所述抽运光发生器a6发射的抽运光依次通过第一偏振分光棱镜c3、锥形放大器c1、第一凸透镜c5、声光调制器c6、光阑c7、第二光纤准直器c8、第三光纤准直器c9、分光镜c10、反射镜c13、第一格兰泰勒棱镜c14和1/4波片c15后穿越所述气室a1，所述第二偏振分光棱镜c16通过第四光纤准直器c17连接波长计c2，所述第一偏振分光棱镜c3通过第一光纤准直器c4连接波长计c2，所述分光镜c10通过第二凸透镜c11连接光电探测器c12。
[0032]
包括以下表达式：b
ac
(t)＝b1cos(ω0t+θ
ac
)，其中b
ac
(t)为z方向调制磁场，b1为z方向调制磁场幅值，ω0为z方向调制磁场频率，t为时间，θ
ac
为z方向调制磁场相位。第一次解调参考信号其中θ为第一次解调时参考信号的相移，e为自然常数，i为虚数单位；第二次解调参考信号其中ω为横向磁场频率。
[0033]
所述气室出光侧的探测光通过沃拉斯顿棱镜分为功率不同的两束偏振光，分别入射所述差分光电探测器的两个二极管得到正比于x方向铷原子自旋系综平均值《s
x
》的法拉第转角θ
fr
，θ
fr
表达式如下：
[0034][0035]
其中re为经典电子半径，c为真空光速，是铷原子d2线的振子强度，l为原
子气室长度，t为气室温度，n
rb
(t)为依赖于温度t的铷原子数密度；v
prfbe
、分别为探测激光的频率和铷原子d2线共振频率，为铷原子吸收峰的半高半宽。
[0036]
所述第二次解调后标定圆偏振磁场相位设为∠c
(2)
(θ)，则∠c
(2)
(θ)的表达式如下：
[0037][0038]
其中k(η)为中间量，k(η)＝[j0(η)+j-2
(η)]/[o0(η)-o-2
(η)]，η为调制深度，o0(η)是以η为宗量的0阶贝塞尔函数，o-2
(η)是以η为宗量的-2阶贝塞尔函数，θ为第一次解调时参考信号的相移，θ
(y)
是磁强计最抑制y方向磁场的工作点相位，ω为圆偏振标定磁场的频率；γ2为铷的线宽。
[0039]
本发明涉及原子器件领域，具体地说是一种基于核磁共振技术，利用自标定的磁强计来提高陀螺仪的长期稳定性的核磁共振陀螺仪实现方法。
[0040]
一种自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，使得磁强计对磁场相位信号探测的准确度提高至3mdeg以内(mdeg，毫度)，且具有操作简单、成本低、高稳定性的优点。常规的实验中没有考虑到磁强计本身由于实验变量的影响使得磁场相位探测存在误差，从而限制了陀螺仪达到理论的极限性能。本发明使用负反馈使标定圆偏振磁场相位不变的这种主动方法在补偿实验变量对磁场相位探测造成的误差后，可以大幅提高陀螺的稳定性。其典型的长期稳定性参数可以达到：0.2
°
/h。
[0041]
一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，其特征在于：将充有碱金属铷原子和惰性气体氙的气室进行加热使其达到工作状态，然后使用圆偏振抽运激光极化碱金属铷原子，线偏振探测激光检测气室內碱金属铷原子产生的法拉第旋转信号；设定抽运方向为z方向，检测方向为x方向，与检测方向水平垂直的方向为y方向，其中z方向为纵向，x和y方向为横向。我们利用碱金属铷原子自旋极化惰性气体氙核自旋，并且可以用碱金属铷原子作为内置磁强计探测氙核自旋的进动信号。为了准备碱金属铷原子磁强计，我们在z方向施加固定的直流偏置磁场，并且施加幅值相同的交流磁场调制，其中调制磁场的频率为碱金属铷原子的拉莫尔进动频率。将经过气室的x方向的线偏振激光产生的法拉第旋转信号通过差分光电探测器将光信号转化为电信号，电信号参考拉莫尔进动频率并且选择合适的参考信号相移进行第一次解调就可以得到只正比于x方向的磁场信号，经过第一次解调后的信号然后参考待测磁场信号频率进行第二次解调，最终得到横向待测频率磁场信号的相位和幅值。当我们在y方向施加与惰性气体氙拉莫尔频率相等的激励磁场，用于驱动惰性气体氙的核自旋产生稳定进动的等效横向磁场，进而将磁强计探测到的x方向的氙核进动的相位信号通过锁相环回路负反馈给激励磁场的频率，从而实现闭环操作。利用内置的碱金属铷原子磁强计获取惰性气体氙的核自旋信号得到转动信息，实现陀螺仪的功能，至此完成系统的准备工作。最后我们在横向施加一个确定频率和幅值的圆偏振标定磁场，将磁强计探测到的标定磁场的信号相位通过比例积分控制器负反馈至磁强计的第一次解调参考信号相移使得探测到的标定磁场相位保持不变，这样就完成了磁强计对确定圆偏振磁场的自标定。
[0042]
本发明的一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，包括：含有碱金属铷原子和惰性气体氙的原子气室、温度控制单元、励磁单元和磁屏蔽桶、激光控制单
元、信号采集和处理单元；
[0043]
含有碱金属铷原子和惰性气体氙的原子气室与加热单元、励磁线圈放置在坡莫合金制成的磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰；
[0044]
温度控制单元，对含有碱金属铷原子和惰性气体氙的原子气室中的原子进行加热，使铷原子处于一个稳定的高原子数密度；因为碱金属铷原子在常温下的原子数密度是相对较低的，磁强计探测灵敏度以及超极化氙气的极化率较低。一般系统需要工作在100℃左右的温度来获得足够大的信噪比。加热模块为一片聚酰亚胺加热薄膜片，由高频交流电驱动实现加热，加热片紧贴在原子气室的四面，并且在气室底部粘有温度传感器pt1000，通过温度控制仪器反馈控制气室温度在
±
0.01℃；
[0045]
励磁单元包含x、y和z三个方向的励磁线圈，分别用来提供陀螺仪工作所需的直流偏置磁场、调制磁场和激励磁场，其中z方向有两组线圈，分别施加z方向的偏置磁场和调制磁场，其中偏置磁场用来定义系统的极化轴方向且与抽运光方向平行，抽运光持续对铷原子进行极化，通过碰撞把极化传递给氙原子核，此时铷原子和氙原子核的极化都沿着抽运光的方向。在z方向磁场单元施加偏置磁场和调制磁场，碱金属铷原子的拉莫尔频率和调制频率由偏置磁场决定，同时氙核的拉莫进动频率也由偏置磁场决定；在y方向磁场单元施加的单一频率的交流激励磁场的驱动，部分氙核极化会以激励磁场的频率在横向产生进动，同时在横向也需要主动施加固定频率和幅值的圆偏振标定磁场。原子气室以及加热片都是处于励磁线圈的内部，原子气室要尽量靠近磁场线圈的中心位置；
[0046]
信号采集和处理系统，由一个差分光电探测器和三个锁相放大器组成，探测器测量x方向线偏振探测光的两个线偏振分量的光功率，然后利用差分电路得到光偏振旋转的信号，这个信号输入至锁相放大器的输入端口进行数据处理；锁相放大器包括锁相环或者比例积分控制器和振荡器，锁相放大器对信号作相位灵敏探测，并对信号中的某个频率附近的部分进行分离探测；锁相放大器的振荡器信号一方面作为输出信号，来驱动氙气同位素进动和调制碱金属铷原子，另一方面，它也作为参考信号来解调光电探测器的输出信号，解调后就可以获取氙同位素各自进动信号或者横向标定圆偏振磁场的相位和幅值信号；氙进动相位信号通过锁相环负反馈至激励磁场的频率实现闭环，标定圆偏振磁场的相位信号通过比例积分控制器负反馈至第一次解调参考信号相移实现闭环。
[0047]
本发明的实现方法为：含有碱金属铷原子和惰性气体氙的原子气室、加热片以及x、y和z方向的励磁线圈都放置在三层磁屏蔽桶中，磁屏蔽桶起到屏蔽外界杂散磁场的作用，其他的组成单元放置在平台上用以采集实验数据，然后再对数据进行处理；设计的加热片通过大约400khz的交流电为原子加热，温度需要达到大约100℃，让原子处于一个稳定的高原子数密度下，得到足够高的信噪比；抽运光在原子陀螺仪的工作过程中要持续对铷原子进行极化，并且会通过碰撞把极化传递给氙原子核，在z方向的一组磁场线圈上通过高稳定性的电流源，产生稳定的偏置磁场b0，其中b0＝180mg，在z方向的另一组磁场线圈上通过频率与拉莫尔频率相同、幅值与偏置磁场相同的调制磁场b
ac
(t),其中t为时间，b
ac
(t)＝b1cos(ω0t+θ
ac
),其中ω0＝γ
rb
b0＝2π
×
85.5khz为调制磁场的频率,b1＝b0为调制磁场的幅值，θ
ac
为调制磁场相位，γ
rb
为碱金属铷原子的旋磁比；在偏置磁场为b0和调制磁场b
ac
(t)工作条件下，通过x方向的线偏振光经过气室利用法拉第旋光效应将碱金属原子的横向极化信号转化为光偏振角度的旋转，最后将光信号通过差分光电探测器提取光偏振的旋转
且转化为电信号。将电信号输入锁相放大器通过参考调制磁场频率进行第一次解调，需要选择合适的参考信号相移使第一次解调后信号只正比于x方向的磁场。此时，我们在横向方向主动施加一组确定频率和幅值的标定圆偏振标定磁场，并且将第一次解调后的信号再次参考标定圆偏振磁场频率进行第二次解调，此时可以得到标定圆偏振磁场信号的幅值和相位。对于固定频率幅值和相位的标定磁场，磁强计测得标定磁场的相位随着系统的不确定因素在改变，这样导致的测量误差会直接影响陀螺仪的长期稳定性。所以我们在使得惰性气体氙核自旋闭环工作以后，将通过比例积分控制器负反馈至第一次解调参考信号相移使得测得标定磁场信号的相位保持不变，这样磁强计就实时校准标定了对固定频率相位和幅值的信号的探测，充分补偿了由于系统不稳定因素带来的测量误差。
[0048]
我们在闭环磁强计标定相位之前，需要在y方向施加两组与
129
xe和
131
xe拉莫尔频率相同的交流激励磁场，使得部分氙核的极化会以激励磁场的频率在横向方向进动并产生等效的横向磁场，由于我们磁强计只敏感于x方向的磁场，所以磁强计不敏感y方向的激励磁场，而只探测到了x方向的两组氙核的进动信号。同样地我们可以得到两组氙核进动信号的幅值和相位，利用锁相环将两组氙核的进动相位分别闭环反馈输出至两个不同的激励场频率，从而使得核磁共振原子陀螺仪处于闭环工作状态，这样外界的转动等效为偏振磁场的改变量，它的变化会引起锁相环闭环反馈信号的改变，振荡器输出的激励磁场频率也随之发生改变，这样在频率测量端去采集频率的反馈量即实现对于转动的探测，基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪的功能则实现。
[0049]
本发明的优点和积极效果：在本发明中，使用调制磁场调制碱金属铷原子的自旋，随后通过解调抑制信号低频噪音，提高了磁强计的灵敏度。并且通过主动施加标定圆偏振磁场信号且负反馈闭环补偿了由于调制和仪器带来的测量误差，实现了高灵敏度、高准确性的对磁场相位的测量，进而提高了陀螺仪的长期稳定性。
[0050]
如图1所示，一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，包括碱金属铷原子的惰性气体氙的气室a1、氮化硼陶瓷加热炉a2、x方向磁场线圈a3、y方向磁场线圈a4、z方向磁场线圈a5、抽运光a6、探测光a7、磁屏蔽筒a8、差分光电探测器a9、第一锁相放大器a10、第二锁相放大器a11、第三锁相放大器a12、比例积分控制器a13、锁相环a14、驱动y方向磁场线圈的振荡器频率驱动端a15、差分光电探测器输出的电信号a16、第一次解调后的复值信号的实部a17、第二次解调后的标定圆偏振磁场的相位a18、第二次解调后的氙核自旋进动的相位a19。
[0051]
如图2所示，一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，包括第一锁相放大器a10的第一解调器demod1和第一振荡器osc1、第一解调器demod1的被解调信号输入b1、第一解调器demod1的参考信号输入b2、第一解调器demod1的参考信号相移b3、第一解调器demod1的解调后信号输出b4、第一振荡器osc1的频率设置端b5、第一振荡器osc1的振荡信号输出b6、第二锁相放大器a11的第二解调器demod2和第二振荡器osc2、第二解调器demod2的信号输入b7、第二解调器demod2的参考信号输入b8、第二解调器demod2的参考信号相移设置端b9、第二解调器demod2的解调后信号输出b10、第二振荡器osc2的频率b11、第二振荡器osc2的振荡信号输出b12、第三锁相放大器a12的第三解调器demod3和第三振荡器osc3、第三解调器demod3的信号输入b13、第三解调器demod3的参考信号输入b14、第三解调器demod3的参考信号相移b15、第三解调器demod3的解调后信号输出b16、第三振荡器osc3
的频率a15、第三振荡器osc3的振荡信号输出b17、驱动z方向线圈a5的压控电流源b18、比例积分控制器a13的标定磁场相位信号输入b19、比例积分控制器a13的相位反馈量输出b20、锁相环a14氙进动相位信号输入b21、锁相环a14频率反馈量输出b22。
[0052]
如图3所示，一种基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪实现方法，包括锥形放大器c1、波长计c2、偏振分光棱镜c3、光纤准直器c4、凸透镜c5、声光调制器c6、光阑c7、光纤准直器c8、光纤准直器c9、分光镜c10、凸透镜c11、光电探测器c12、45
°
反射镜c13、格兰泰勒棱镜c14、1/4波片c15、偏振分光棱镜c16、光纤准直器c17、噪声衰减器c18、格兰泰勒棱镜c19、1/2波片c20、沃拉斯顿棱镜c21。
[0053]
如图1所示，磁屏蔽a8和气室a1。本发明的测试是在一个由三层坡莫合金制成的圆柱形磁屏蔽桶a8中进行，屏蔽桶可以屏蔽地磁场以及外界杂散磁场的干扰以便获得可以控制大小的磁场。其中原子气室是发明的核心部分，原子气室a1是玻璃器壁中充有自然丰度铷原子(其中
85
rb和
87
rb的含量分别为72.2％和27.8％),4torr
12g
xe，14torr
131
xe，450torr n2作为缓冲气体。
[0054]
加热单元。我们可以通过控制气室a1温度达到控制气室内铷原子的数密度的目的，在实验中，探测光探测到的信号强度正相关于铷原子数密度，为了使信号信噪比最佳，需将气室加热到100℃左右。为此我们设计了高导热无磁材料氮化硼陶瓷制做的加热炉a2，用来放置原子气室。加热炉开有通光孔，便于实验中使用激光抽运和探测原子。通过加热整个加热炉，将加热炉和气室温度控制在设定的温度上。加热炉外壁贴有无磁加热片和温度传感器pt1000，温度传感器连接温控仪，由温控仪内部pid算法输出调制电压，反馈给信号发生器输出的交流信号幅度，最后通过功率放大器将放大后的交流电流输给加热片。加热炉和加热片外由保温材料包裹，最终控温可以精确到
±
0.01℃。实验中磁强计工作频率通常在100khz左右，为了避免加热电流干扰磁强计的信号，通常我们将加热电流频率设定在远高于磁强计工作频率的位置400khz左右，同时在处理磁强计或陀螺信号时选取合适的低通滤波器，将电加热产生的影响抑制到最低。
[0055]
磁场线圈a3、a4和a5。磁强计和核磁共振陀螺仪工作时需要在各个方向上施加不同的磁场，使用线圈和电流源可以方便地获得需要的磁场。在z方向有两组亥姆霍兹线圈a5，其中一组线圈由低噪音的电流源直流驱动提供偏置磁场，偏置磁场b0大小为180mg，另一组亥姆霍兹线圈由第一锁相放大器的振荡器提供振荡信号，输出至压控电流源，最终由压控电流源交流驱动线圈产生调制磁场b
ac
(t)，其中b
ac
(t)＝b1cos(ω0t+θ
ac
)，ω0为调制磁场频率且与拉莫尔频率相同：ω0＝γ
rb
b0＝2π
×
85.5khz，γ
rb
为碱金属铷原子的旋磁比，b1为调制磁场的幅值且b1＝b0，t为时间，θ
ac
为调制磁场的相位。x和y横向方向分别有一组马鞍形线圈a3和a4，两组线圈都是由第二锁相放大器a11或者第三锁相放大器a12的振荡器提供的交流电压驱动产生我们所需的圆偏振标定磁场和激励氙进动的磁场。
[0056]
如图3所示，抽运光a6和探测光a7光路系统。光路主要分为两束，抽运光a6为铷原子d1线频率的激光，波长约795nm；从激光器出射后利用偏振分光镜c3分出一束至波长计c2，用于测量和控制抽运光的波长，另一束经锥形放大器c1放大功率，之后经过声光调制器c6且使用光阑c7只令一级衍射光透过，一级衍射光功率占比可由声光调制驱动器的调制电压调节，如图3虚线框内，我们在接近屏蔽筒处利用分光镜c10分出固定比例功率的采样光，利用光电探测器c12测量抽运采样光束的功率，再通过pid控制将采样光功率锁定在设定值
使得入射屏蔽筒内的抽运光功率稳定。随后为了使气室内原子极化磁场分布得尽量均匀，抽运光需尽可能覆盖满气室横截面。我们选择大直径的出射光纤准直器c9使其扩束，经光纤准直器c9扩束的光束用格兰泰勒棱镜c14和1/4波片c15调整为圆偏振光，沿z方向水平入射磁屏蔽筒；探测光a7为铷原子d2线略有失谐的激光，波长约780nm。从激光器出射后通过偏振分光棱镜c16分出一束光通过光纤准直器c17接至波长计c2，同样是用来测量和控制波长；另一透射的光束经过液晶噪声衰减器c18控制探测光的光功率，随后由格兰泰勒棱镜c19纯化偏振后由x方向水平入射磁屏蔽筒。穿过气室后探测光由沃拉斯顿棱镜c21分为偏振正交、夹角为20
°
的两束偏振光，分别入射差分光电探测器a9的两个二极管中，用来测量法拉第转角，转角θ
fr
依赖于碱金属铷原子在x方向的自旋系综平均值《s
x
》：
[0057][0058]
其中re为经典电子半径；c为真空光速；是铷原子d2线的振子强度；l为原子气室长度；t为气室温度，n
rb
(t)为依赖于温度的铷原子的数密度；v
prfbe
、分别为探测激光的频率和铷原子d2线共振频率；为铷原子吸收峰的半高半宽。
[0059]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：将原子气室加热至大约100℃，偏置磁场b0和抽运光方向平行，铷原子和氙核自旋被极化在z方向，同时在z方向还有被第一振荡器osc1输出的信号b6控制的调制磁场b
ac
(t)＝b1cos(ω0t+θ
ac
)，其中ω0为调制场的频率,b1为调制场的幅值，t为时间，θ
ac
为调制场的相位。当横向有交变磁场b
x0/y0 cos(ωt+φ
x/y
)，其中b
x0/y0
和φ
x/y
分别是x/y方向磁场的幅值和相位，ω为横向磁场的频率。铷原子自旋偏离z方向并且在探测光方向产生投影，随后通过探测光产生法拉第转角并进入差分光电探测器a9得到正比于x方向铷原子自旋系综平均值的电信号a16，因为调制磁场的存在使得信号不仅有频率ω的信号，而且信号还被频率ω0调制磁场调制，所以我们可以通过两次解调得到我们最终横向待测磁场的幅值和相位，流程如图2：从差分光电探测器a9得到正比于x方向铷原子自旋系综平均值的电信号a16直接输入至第一锁相放大器a10的第一解调器信号输入b1，首先将驱动z方向调制磁场频率为ω0的第一振荡器osc1信号输出b6作为参考信号输入至第一解调器demod1的参考信号输入端口b2，其中第一次解调参考信号其中θ为第一次解调时参考信号的相移，θ由第一解调器b3端口控制；ω0为调制磁场的频率；t为时间；e为自然常数；i为虚数单位。然后将参考信号与x方向铷原子自旋系统平均值信号a16相乘并通过低通滤波器进行第一次解调，信号输出端口b4输出解调后的复值信号的实部a17接着同时输入至第二解调器demod2信号输入端口b7和第三解调器demod3的信号输入端口b13，同样地，将第二锁相放大器中驱动横向磁场的第二振荡器osc2输出信号b12作为第二次解调参考信号输入至第二解调器参考信号输入端口b8，其中ω为横向磁场频率。经过相同解调操作得到第二次解调后得到横向磁场的复值解调信号c
(2)
(θ)：
[0060]
[0061]
其中θ为第一次解调时参考信号的相移，θ由第一解调器b3端口控制；b
x0/y0
和φ
x/y
分别是x/y方向磁场的幅值和相位，由第二振荡器osc2驱动；《sz》为z方向的铷原子自旋系综平均值；γ
rb
为铷原子的旋磁比；γ2为铷原子的线宽；e为自然常数；i为虚数单位；g
(2
x
/2y)
(θ)为由θ决定x/y方向磁强计的复值增益函数：
[0062][0063][0064][0065][0066]
θ
ac
为调制磁场的相位；η我们定义为调制深度，调制深度是调制场幅值b1相关的拉比频率与调制场频率的比：η＝γ
rb
b1/ω0，jn为以调制深度η为宗量的n阶的贝塞尔函数；n为整数；zn＝nω0/γ2+(γ
rbb0-ω0)/γ2；x＝ω/γ2。
[0067]
所以我们知道最终经过二次解调后的信号也就是由磁强计探测到的横向磁场信号由x和y方向磁场的幅值和相位与对应方向的复值增益函数决定，该复值信号的模和相位分别为磁强计探测到的待测磁场的幅值和相位。
[0068]
所以在找磁强计工作点时，首先在y方向线圈a4通过第二振荡器ocs2的信号输出b2主动施加一个线偏振磁场(b
x0
＝0)，通过选择合适的参考信号相移θ使得|c
(2)
(θ)|≈0,磁强计处于最抑制y方向的磁场的工作状态，此时的θ＝θ
(y)
为我们磁强计的工作点：
[0069][0070]
其中θ
ac
为调制磁场的相位；q(η)＝[j0(η)-j-2
(η)]/[j0(η)+j-2
(η)]；δ＝(γ
rbb0-ω0)/γ2；ζ＝ω0/γ2。
[0071]
磁强计在这样的一次解调参考信号相移θ在θ
(y)
附近的工作点下，我们通过第二振荡器osc2的信号输出b12同时驱动x和y方向线圈施加频率为ω的左旋圆偏振标定磁场，此时经过二次解调后磁强计探测到的标定磁场的相位∠c
(2)
(θ)为：
[0072][0073]
∠c
(2)
(θ)也就是图2中的a18，其中k(η)＝[j0(η)+j-2
(η)]/[j0(η)-j-2
(η)]，η为调制深度，γ
rb
为铷的旋磁比；j0(η)/j-2
(η)为以调制深度η为宗量的0阶/-2阶的贝塞尔函数；ω为圆偏振标定磁场的频率；γ2为铷的线宽；θ为第一次解调时参考信号的相移。从上我们可以看出，即使我们施加固定不变的圆偏振磁场和固定不变的一次参考信号相移，磁强计探测到的标定圆偏振磁场相位依然随着工作点θ
(y)
和铷的线宽γ2的改变而改变，θ
(y)
工作点的改变与偏置磁场b0的漂移，调制磁场的相位θ
ac
漂移有关，这两个物理的漂移与驱动磁场的电流源的不稳定有关；铷的线宽γ2的改变与气室温度和抽运光的光强的改变有关。所以我们磁强计探测的磁场相位会因为仪器、气室温度和激光的不稳定因素在漂移，我们
此时通过将探测到的标定圆偏振磁场的相位a18输入至比例积分控制器a13的输入端口b19，比例积分控制器闭环设定值为0
°
，将相位反馈量输出b20负反馈至第一解调器的b3端口控制的第一次解调时参考信号的相移θ使得测得的标定圆偏振磁场相位∠c
(2)
(θ)＝0，这样我们就完成了磁强计的自标定，我们通过施加标定圆偏振标定磁场并且负反馈一次参考信号相移可以补偿由于系统各种不稳定因素带来的测量误差。
[0074]
由于标定圆偏振磁场的相位在工作点范围内正比于z方向磁场的漂移的这个特性我们可以实现同时测量三个方向磁场的磁强计，其中z方向磁场大小的改变量正比于标定圆偏振磁场的相位，x方向磁场正比于第一次解调信号后的幅值，我们可以同样按照上述同样的操作找到第一次解调后的信号的幅值最抑制x方向磁场，而只敏感于y方向磁场的工作点，此时我们可以同时得到三个方向的磁场信号而实现三轴磁强计功能。
[0075]
在完成负反馈第一次参考信号相移完成自标定之前我们先需要使氙核自旋产生进动并闭环测得进动频率，如图2所示，我们使用第三振荡器osc3的信号输出b17驱动y方向线圈a4产生与
129
xe和
131
xe拉莫尔频率共振的线偏振磁场，使得氙核在横向产生稳定的自旋进动从而在探测光方向产生投影，同样地将驱动y线圈的振荡器信号输入至第三解调器demod3的b14端口作为参考信号第二次解调信号a17，将测得的氙核进动的相位信号a19通过第三解调器demod3信号输出端口b16输入至锁相环a14的输入端口b21，锁相环闭环设定值为0
°
，将锁相环频率反馈量b22输入至第三振荡器ocs3的频率a15，使得测得氙核进动的相位始终为0
°
，这样锁相环输出的频率偏移通过计算就是系统的等效转动信息，基于自标定磁强计的核磁共振原子陀螺仪功能就实现了。
[0076]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。