CN109186578A - 一种三轴一体的serf原子自旋陀螺仪 - Google Patents

一种三轴一体的serf原子自旋陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三轴一体的SERF(Spin‑Exchange‑Relaxation‑Free)原子自旋陀螺仪，包括碱金属气室，无磁电加热***，磁屏蔽***，磁补偿***，抽运***与检测***。碱金属气室是陀螺仪的敏感核心，无磁电加热***提高原子密度，磁屏蔽***提供极弱磁场环境，磁补偿***精确补偿剩余磁场，抽运***使碱金属外层电子自旋极化并使惰性气体核子自旋超极化，检测***探测转动信号。本发明通过将两个碱金属气室放置于同一磁屏蔽筒内，并提供配套的抽运与检测***，用一个陀螺仪实现三轴转动测量，有利于提高陀螺仪精度，减小导航***体积，拓宽SERF原子自旋陀螺仪的应用范围。

Description

一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪
技术领域
本发明涉及原子陀螺仪的技术领域，具体涉及一种三轴一体的SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free)原子自旋陀螺仪，能够精确地测量出载体三轴转动信息，可应用于长航时高精度惯性导航***。
背景技术
原子陀螺仪是新一代高精度陀螺仪的重要发展方向，其中，SERF原子自旋陀螺仪具有超高的惯性测量灵敏度，其理论零偏稳定性指标可高达10-8°/h，是未来长航时、高精度惯性导航***的首选；发展SERF原子自旋陀螺仪对于国防安全和经济发展具有重大意义。
目前一台SERF原子自旋陀螺仪只能敏感两个方向的惯性转动信息，如果应用于惯性导航至少需要两台传统的SERF原子自旋陀螺仪，使***体积大、结构复杂、成本高，限制了SERF原子自旋陀螺仪的应用。本发明是一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，一台陀螺仪可以输出载体三轴的惯性转动信号，具有精度高、体积小、结构简单的优点，有利于扩大SERF原子自旋陀螺仪的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于设计一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，两个碱金属气室共用SERF陀螺仪的其他部分，可以保证一致性，节省了空间，降低***复杂程度，可以减少成本，拓宽SERF原子自旋陀螺仪的应用。
本发明采用的技术方案为：一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，包括光抽运***、检测***、磁屏蔽***、磁补偿***、无磁电加热***和碱金属气室；光抽运***通过与碱金属原子跃迁频率相同频率的圆偏振激光使碱金属原子自旋极化，极化的碱金属原子通过自旋交换碰撞超极化惰性气体核子；检测***通过线偏振光检测原子极化率变化引起的光旋角，经过进一步数据转换与处理输出惯性转动信号；磁屏蔽***由多层磁屏蔽筒组成，使用多层屏蔽筒可以增大屏蔽因子，提高磁屏蔽性能，减小外界磁场对原子的干扰；磁补偿***由三轴主动磁补偿线圈构成，主动磁补偿线圈通过改变流经线圈的电流产生补偿磁场，实现高精度的剩磁补偿，为使碱金属原子处于SERF态提供良好的磁场环境；无磁电加热***由双绞对绕电阻丝加热膜和温度控制电路以及烤箱组成，采用高频交流加热的方式，流过双绞对绕电阻丝的电流产生的磁场相互抵消，几乎不影响屏蔽筒内的弱磁环境，同时，加热电流频率高，远离碱金属原子能够感受的范围，不影响原子处于SERF态；碱金属气室是由透光材料制成的密闭气室，形状一般为球形或立方体，其内充入碱金属原子、惰性气体核子和淬灭气体(N2)，内部气压高于大气压，它是陀螺仪的敏感核心元件。
其中，使用两个碱金属气室，每个碱金属气室可以敏感两个方向的惯性转动信号；两个碱金属气室组合，实现三轴惯性转动测量。
其中，所用的两个碱金属气室放置在同一套无磁电加热***、磁屏蔽及磁补偿***中，便于减小体积；它们感受到的温度及磁场信息相同，可以通过冗余轴的信息来补偿其余三轴的输出信号，进一步提高惯性测量精度。
其中，通过两个碱金属气室的抽运光方向正交，即两个气室内碱金属原子极化方向不同，从而敏感到不同方向的惯性转动信号。
其中，通过两个碱金属气室的两束检测光可以相互平行，也可以正交；但是，通过某个气室的检测光要正交于通过该气室的抽运光。
本发明原理在于：一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，其敏感惯性转动量的核心部件是两个正压充制的碱金属气室，气室内充入碱金属原子、惰性气体核子和淬灭气体(N2)；通过无磁电加热***加热气室提高原子密度，通过磁屏蔽及磁补偿实现极弱的磁场环境，在这两种条件下使碱金属原子处于无自旋交换驰豫状态，即实现SERF态，此时，原子自旋横向弛豫时间T2远远大于碰撞破坏弛豫时间，为实现高精度惯性测量提供保障。通过一束频率与碱金属原子跃迁频率相同的圆偏振光抽运碱金属原子，使其自旋极化即原子自旋指向一致，可大大提高信噪比。通过碱金属原子与惰性气体核子的碰撞交换，超极化惰性气体核子自旋，即使核子自旋指向一致，核子自旋产生的磁场能够自动跟踪补偿外界磁场变化，抑制碱金属原子自旋感受到的外界磁场。一般情况下，一束检测光可以敏感正交与检测光及抽运光方向的惯性转动信号；以抽运光传播方向为Z轴，以检测光方向为X轴，Y轴方向根据右手定制确定，这样配置的SERF原子自旋陀螺仪可以敏感到Y轴方向的转动信号。北京航空航天大学的姜丽伟等人提出了一种调制式的SERF原子自旋陀螺仪，通过调制碱金属原子外层电子自旋的方式实现双轴惯性转动测量，这种配置可以同时敏感到X轴和Y轴方向的惯性转动信号。但是，以上两种方法都不能敏感到Z轴即抽运光传播方向的惯性转动信号。如果需要用SERF原子自旋陀螺仪组成惯性导航***，则至少需要两台陀螺仪，这样的***结构复杂，成本高，体积大；本发明提出一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，通过在磁屏蔽筒内安装两个碱金属气室实现三轴惯性转动信号的测量。这两个碱金属气室放置在同一套无磁电加热***、磁屏蔽及磁补偿***中，透过两个气室的两束抽运光是由一束光通过分束而来，透过两个气室的两束检测光是也由一束光通过分束得来。这样，两个碱金属气室共用SERF陀螺仪的其他部分，可以保证一直性，节省了空间，降低***复杂程度，可以减少成本，拓宽SERF原子自旋陀螺仪的应用。
所述的碱金属气室是陀螺仪的敏感核心部件，它一般由透光材料制成，是一个内部气压高于大气压的密闭气室，形状一般为球形或立方体；在碱金属气室内部充入碱金属原子、惰性气体核子和淬灭气体(N2)；通过选取合适的原子源、气室内气压值和气室材料可以提高原子自旋陀螺仪的性能。本发明涉及的原子自旋陀螺仪包含两个碱金属气室。
所述的磁屏蔽/磁补偿***主要由多层磁屏蔽筒和主动磁补偿线圈组成；要实现原子SERF态需要极弱的磁场环境，通过被动磁屏蔽和主动磁补偿的方式可以大大减小碱金属气室周围的磁场，实现极弱磁环境。被动磁屏蔽的手段是将气室放在磁屏蔽筒内；当不考虑为了让激光通过而预留几个小孔时，磁屏蔽筒是一个几乎完全封闭的壳体，能够有效的屏蔽外界磁场；为了提高磁屏蔽的能力，可以使用多层屏蔽筒来增大屏蔽因子，提高磁屏蔽性能。通过磁屏蔽之后，能够实现屏蔽筒内部剩磁为nT量级的磁屏蔽性能。在屏蔽筒内部放置三维主动磁补偿线圈，通过改变流经线圈的电流可以改变产生的补偿磁场的大小和方向，可以实现pT甚至更高量级的磁补偿精度。
所述的无磁电加热***由双绞对绕电阻丝加热膜和温度控制电路以及烤箱组成。加热膜贴在烤箱上，碱金属气室放置在烤箱中，烤箱处于屏蔽筒内部；碱金属原子汽化需要高温，通过无磁电加热提升气室温度，大大提高原子的密度。流过双绞对绕电阻丝电流产生的磁场相互抵消，几乎不影响屏蔽筒内的弱磁环境；采用高频交流加热的方式，加热电流频率高，产生的磁场的远离碱金属原子能够感受的范围，即使有少量剩磁也不会对原子的SERF态产生影响。
所述的光抽运***由抽运激光器、起偏器、1/4波片、功率稳定模块和频率稳定模块等组成。抽运激光的频率与工作原子的跃迁频率相同，这样才能被原子吸收，起到抽运原子、极化原子自旋的作用。抽运激光首先经过频率稳定模块和功率稳定和模块，保证激光功率、频率稳定；然后激光依次通过起偏器和对应的1/4波长波片，通过起偏器后的激光变为线偏振光，然后调节相应的1/4波长波片，使1/4波片的光轴与起偏器光轴成45°角，保证进入工作气室的抽运激光为圆偏振光。透过两个碱金属气室的抽运光方向互相垂直，可以使两个气室敏感不同方向的惯性转动信号，从而实现三轴的惯性转动测量。
所述的检测***由检测激光器、起偏器、功率稳定模块、频率稳定模块、检偏器和探测器组成。频率稳定模块和功率稳定模块使检测激光频率、功率稳定。载体转动或磁场变化会引起极化率的改变，由于碱金属气室的双折射效应，会引起通过的线偏振光偏振面发生偏转，因此，一般的检测方式为线偏振光检测。检测光通过频率稳定模块和功率稳定模块后，再经过起偏器将检测激光变为线偏振光照射到工作原子上。检偏器安放在气室之后，与探测器配合感受陀螺信号，经过信号处理后输出载体角速度信息并作为伺服框架机构的控制输入信号。检测光方向与透过气室的抽运光方向垂直。
本发明的优势在于将两个敏感核心——碱金属气室放置于同一个SERF原子自旋陀螺仪中，实现了一种三轴一体的原子自旋陀螺仪。SERF原子自旋陀螺仪具有超高的惯性灵敏度，其理论零偏稳定性指标可达到10-8°/h，可以应用到长航时、高精度的惯性导航中。但是，组成惯性导航***至少需要两台一般的SERF原子自旋陀螺仪，这样的***结构复杂，体积大，成本高。本发明一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪可以实现三轴惯性转动测量，由其构成的惯性导航***具有精度高、体积小、结构简单的优点，有利于扩大SERF原子自旋陀螺仪的应用范围。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明的光抽运***示意图；
图3为本发明的光检测***示意图；
图4为一种检测光与抽运光的配置方式，其中，图4(a)为气室1的检测光与抽运光的配置方式，图4(b)为气室2的检测光与抽运光的配置方式；
图5为另一种检测光与抽运光的配置方式，其中，图5(a)为气室1的检测光与抽运光的配置方式，图5(b)为气室2的检测光与抽运光的配置方式。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示：光抽运***1、检测***2、磁屏蔽***3、磁补偿***4、无磁电加热***5、碱金属气室6。两个碱金属气室放置在烤箱中，烤箱位于磁屏蔽线圈内，再外层是磁屏蔽筒；抽运***与检测***位于屏蔽筒之外。通过每个气室的抽运激光与检测激光正交，通过屏蔽筒上开的小孔照射到碱金属气室的中心位置。
所述的碱金属气室是陀螺仪的敏感核心部件，它一般由透光材料制成，是一个内部气压高于大气压的密闭气室，形状一般为球形或立方体；在碱金属气室内部充入碱金属原子、惰性气体核子和淬灭气体(N2)；通过选取合适的原子源、气室内气压值和气室材料可以提高原子自旋陀螺仪的性能；本发明涉及的三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪使用两个碱金属气室。
所述的磁屏蔽/磁补偿***主要由多层磁屏蔽筒和主动磁补偿线圈组成；要实现原子SERF态需要极弱的磁场环境，通过被动磁屏蔽和主动磁补偿的方式可以大大减小碱金属气室周围的磁场，实现极弱磁环境。被动磁屏蔽的手段是将气室放在磁屏蔽筒内；当不考虑为了让激光通过而预留的几个小孔时，磁屏蔽筒是一个几乎完全封闭的壳体，能够有效的屏蔽外界磁场；为了提高磁屏蔽的能力，可以使用多层屏蔽筒来增大屏蔽因子，提高磁屏蔽性能。通过磁屏蔽之后，能够实现屏蔽筒内部剩磁为nT量级的磁屏蔽性能。在屏蔽筒内部放置三维主动磁补偿线圈，通过改变流经线圈的电流可以改变产生的补偿磁场的大小和方向，可以实现pT甚至更高精度的磁补偿。
所述的无磁电加热***由双绞对绕电阻丝加热膜和温度控制电路以及烤箱组成。加热膜贴在烤箱上，碱金属气室放置在烤箱中，烤箱处于屏蔽筒内部；碱金属原子汽化需要高温，通过无磁电加热提升气室温度，大大提高原子的密度。流过双绞对绕电阻丝的电流产生的磁场相互抵消，几乎不影响屏蔽筒内的弱磁环境；采用高频交流加热的方式，加热电流频率高，产生的磁场的远离碱金属原子能够感受的范围，即使有少量剩磁也不会对原子处于SERF态产生影响。
如图2所示：所述的光抽运***由抽运激光器、起偏器、1/4波片、功率稳定模块、频率稳定模块和分束模块等组成。抽运激光的频率与工作原子的跃迁频率相同，这样才能被原子吸收，起到抽运原子、极化原子自旋的作用。抽运激光首先经过频率稳定模块和功率稳定和模块，保证激光功率、频率稳定；然后激光依次通过起偏器和对应的1/4波长波片，通过起偏器后的激光变为线偏振光，然后调节相应的1/4波长波片，使1/4波片的光轴与起偏器光轴成45°角，保证进入工作气室的抽运激光为圆偏振光。通过两个气室的抽运光共用上述抽运光***中的器件，在1/4波片之后通过分束分成两束抽运光分别通过两个碱金属气室。
如图3所示：所述的检测***由检测激光器、起偏器、功率稳定模块、频率稳定模块、分束模块、检偏器和探测器以及信号转换模块组成。频率稳定模块和功率稳定模块使检测激光频率、功率稳定。载体转动或磁场变化会引起极化率的改变，由于碱金属气室的双折射效应，会引起通过的线偏振光偏振面发生偏转，因此，一般的检测方式为线偏振光检测。检测光通过频率稳定模块和功率稳定模块后，再经过起偏器将检测激光变为线偏振光照射到工作原子上。分束模块在起偏器之后，将激光分成两束检测激光，分别通过两个碱金属气室。检偏器安放在气室之后，其光轴与起偏器光轴呈90°。探测器与检偏器配合感受陀螺信号，经过信号转换模块的信号采集与信号处理后输出载体转动信息。
一种检测光与抽运光的配置方式为透过两个碱金属气室的抽运光方向正交，检测光方向也正交。如图4所示：以通过气室1的检测光方向为X轴，通过气室1的抽运光方向为Z轴，Y轴由右手定则确定；则通过气室2的抽运光沿着X轴方向，通过气室2的检测光沿着Z轴方向。在这样的配置下，通过调制方式，气室1可以敏感到X轴和Y轴的惯性转动信息，气室2可以敏感到Z轴和Y轴的惯性转动信号；这样，X/Y/Z三轴惯性转动信号都可以被敏感到。本发明也可以选择其他方式建立坐标系，抽运光与检测光的相对位置不变。
另一种检测光与抽运光的配置方式为透过两个碱金属气室的抽运光方向正交，检测光方向平行。如图5所示：以通过气室1的抽运光方向为X轴，通过气室1的检测光方向为Z轴，Y轴由右手定则确定；则通过气室2的抽运光与Y轴方向相同，通过气室2的检测光沿着Z轴方向。在这样的配置下，通过调制方式，气室1可以敏感到Y轴和Z轴的惯性转动信息，气室2可以敏感到X轴和Z轴的惯性转动信号；这样，X/Y/Z三轴惯性转动信号都可以被敏感到。
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。

Claims (5)

1.一种三轴一体SERF原子自旋陀螺仪，其特征在于：包括光抽运***(1)、检测***(2)、磁屏蔽***(3)、磁补偿***(4)、无磁电加热***(5)和碱金属气室(6)；光抽运***(1)通过与碱金属原子跃迁频率相同频率的圆偏振激光使碱金属原子自旋极化，极化的碱金属原子通过自旋交换碰撞超极化惰性气体核子；检测***(2)通过线偏振光检测原子极化率变化引起的光旋角，经过进一步数据转换与处理输出惯性转动信号；磁屏蔽***(3)由多层磁屏蔽筒组成，使用多层屏蔽筒可以增大屏蔽因子，提高磁屏蔽性能，减小外界磁场对原子的干扰；磁补偿***(4)由三轴主动磁补偿线圈构成，主动磁补偿线圈通过改变流经线圈的电流产生补偿磁场，实现高精度的剩磁补偿，为使碱金属原子处于SERF态提供良好的磁场环境；无磁电加热***(5)由双绞对绕电阻丝加热膜和温度控制电路以及烤箱组成，采用高频交流加热的方式，流过双绞对绕电阻丝的电流产生的磁场相互抵消，几乎不影响屏蔽筒内的弱磁环境，同时，加热电流频率高，远离碱金属原子能够感受的范围，不影响原子处于SERF态；碱金属气室(6)是由透光材料制成的密闭气室，形状一般为球形或立方体，其内充入碱金属原子、惰性气体核子和淬灭气体(N2)，内部气压高于大气压，它是陀螺仪的敏感核心元件。
2.根据权利要求1所述的一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，其特征在于：使用两个碱金属气室，每个碱金属气室可以敏感两个方向的惯性转动信号；两个碱金属气室组合，实现三轴惯性转动测量。
3.根据权利要求1所述的一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，其特征在于：所用的两个碱金属气室放置在同一套无磁电加热***、磁屏蔽及磁补偿***中，便于减小体积；它们感受到的温度及磁场信息相同，可以通过冗余轴的信息来补偿其余三轴的输出信号，进一步提高惯性测量精度。
4.根据权利要求1所述的一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，其特征在于：通过两个碱金属气室的抽运光方向正交，即两个气室内碱金属原子极化方向不同，从而敏感到不同方向的惯性转动信号。
5.根据权利要求1所述的一种三轴一体的SERF原子自旋陀螺仪，其特征在于：通过两个碱金属气室的两束检测光可以相互平行，也可以正交；但是，通过某个气室的检测光要正交于通过该气室的抽运光。
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