一种基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法
【专利摘要】一种基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法，其特征在于，所述的测量方法采用同一元素、旋磁比不同的两种同位素原子核作为飞行器转动角度测量陀螺仪测量载体；基于自旋极化交换机理，在飞行器转动角度测量陀螺仪核磁共振谐振腔内的圆柱形玻璃封闭腔内加入一种碱金属元素，碱金属原子将自身的电子自旋极化传递给作为所述陀螺仪转速测量载体的两种同位素原子，导致两种同位素原子的净核自旋极化，提高同位素测量载体的磁性极化强度，提高检测信号的信噪比。
【专利说明】—种基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量飞行器自旋角度的测量方法，特别涉及一种基于核磁共振原 理的飞行器转动角度检测陀螺仪的测量方法。
【背景技术】
[0002]飞行器的飞行姿态控制是惯性导航中的重要任务。在飞行过程中，靠飞行器自身 的高速旋转能够维持一个稳定的飞行方向。陀螺仪可以有效的测量出物体实时的旋转角度 或者速度，从而给飞行导航控制提供了重要的技术参数。传统的陀螺仪，如机械陀螺仪、光 纤陀螺仪等，由于含有机械旋转部分、对运动过载和振动等很敏感，给陀螺仪的设计和功能 造成一定影响。
[0003]中国专利2006101715882《采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺》采用低偏和保偏 混合光路的光纤陀螺，由光学表头和电路信号处理部分组成，光学表头包括：光源、Y波导、 探测器、耦合器和光纤环，其中光源为低偏振光源，单模尾纤耦合；Y波导输入端采用单模 光纤，Y波导输出端光纤采用保偏光纤；所述的探测器输入尾纤为单模光纤；耦合器为2X2 偏振无关的单模光纤耦合器；光纤环为保偏光纤。但是这种陀螺的光路系统较为复杂，各部 件受温度变化影响光波的偏振态容易改变，从而影响标度因数的线性度和噪声水平。
[0004]美国专利U. S. 20070039881《紧凑型基于发散激光束的原子磁强计和陀螺仪》公 开了一种微型Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope (NMRG),主要包含三个部分：（1)装 有1个垂直腔表面发射激光光源和4个光电探测器的底板；（2)1/4波长晶片；（3)NMRG腔。 在静磁场和脉冲磁场作用下，圆偏振光被调制在NMRG腔内气化物的进动频率上，腔的4个 面作为微反射器使调制光返回到光电探测器。当陀螺仪以一定角速度旋转时，光电探测器 检测到的光强变换圆频率与气化物进动频率之差即为陀螺仪的旋转角速度。但是，由于采 用单一气化物作为媒质，检测得到的进动频率受外加磁场波动的影响非常明显，角度随机 变量（Angle Random Walk)的动态范围容易超出预定要求。
[0005]现有的核磁共振陀螺 仪只采用一种元素作为传感媒质捕获腔体转动惯量，因此其 测量精度受静磁场稳定性的影响，而现有技术下产生的静磁场的稳定性达不到要求，会造 成较大的测量误差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有核磁共振陀螺仪由于静磁场不稳定而造成的测量误差 较大的缺点，提出了一种新的用于飞行器转动角速度检测陀螺仪的测量方法。本发明基于 核磁共振原理，采用同一元素的旋磁比分别为正数和负数的两种同位素作为传感媒质来完 成腔体转动惯量的捕获，同时基于自旋极化交换机理，在腔内加入碱金属调整同位素测量 载体的磁性极化强度，提高检测信号的信噪比，从而消除静磁场不稳定对陀螺仪测量精度 的影响。
[0007]应用本发明的飞行器转动角度检测陀螺仪包括核磁共振谐振腔、激励用泵浦激光光源、检测用泵浦激光光源、外部参考频率源，以及光电二极管。激励用泵浦激光光源位于核磁共振腔的下方，检测用泵浦激光光源在核磁共振腔的左侧，外部参考频率源和光电二极管在核磁共振腔的右侧，且检测用泵浦激光光源、外部参考频率源和光电二极管的中心位于同一条直线上，此直线垂直于激励用泵浦激光光源中心所在直线。其中，所述的核磁共振谐振腔由圆柱形玻璃封闭腔和套装在玻璃封闭腔外的主静磁场线圈组成，玻璃封闭腔内充有两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的混合物。主静磁场线圈为两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的混合物提供偏置极化磁场。激励用泵浦激励光源沿玻璃封闭腔轴向照射气态碱金属，使其电子自旋的极化程度迅速升高，并传递给两种同位素的工作物质，增加或者减少其进动频率。检测用泵浦激光光源垂直于玻璃封闭腔体，轴向照射两种同位素的工作物质和一种气态碱金属，并使光电二极管输出吸收光强信号，从中分别解调出两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的进动频率。在玻璃封闭腔体转动过程中，通过反馈控制使主静磁场线圈产生恒定静磁场，实现两种同位素的进动信号之和与参考频率源锁相，其中一种同位素进动相位与频率源信号相位之差等于金属腔体的转动角度。
[0008]本发明基于以下原理:
[0009]自旋量子数不为零的同位素原子核在静磁场中，绕磁场方向做圆周进动，称为拉莫进动，其进动频率与同位素的旋磁比和静磁场成正比。当陀螺仪转动时，内部同位素原子核的转动速度等于进动频率与陀螺仪转速之和，因此根据已知静磁场强度和测量所得的进动频率，便可以求出陀螺仪的转速。
[0010]为了克服静磁场不稳定的影响，本发明采用同一元素、旋磁比不同的两种同位素原子核作为基于核磁共振的飞行器转动角度测量陀螺仪转速测量载体。另外基于自旋极化交换机理，在所述陀螺仪的核磁共振谐振腔内的玻璃封闭腔内加入一种气态碱金属兀素，碱金属原子将自身的电子自旋极化传递给作为陀螺仪转速测量载体的两种同位素原子，导致两种同位素原子的净核自旋极化，提高同位素测量载体的磁性极化强度，提高检测信号的信噪比。
[0011]本发明的方法的具体操作步骤如下:
[0012]首先将核磁共振谐振腔的圆柱形玻璃封闭腔抽真空，真空度为10Pa，然后充入惰性气体或气态Hg元素的两种同位素作为工作物质，即作为陀螺仪转速测量载体。所述工作物质的两种同位素具有符号相反的旋磁比。再充入一种气态碱金属元素Rb和为核磁共振腔内气体总量的1%的缓冲气体N2，然后将玻璃封闭腔封闭。沿所述玻璃封闭腔的轴向施加一个强度可控的主静磁场，使玻璃封闭腔内惰性气体和Hg元素的两种同位素物质预极化。接着，沿玻璃封闭腔轴向施加一束由激励用泵浦激光光源产生的圆偏振激光，所述的圆偏振激光频率对应于碱金属的共振频率，用以使碱金属电子自旋发生显著极化，并通过微观粒子之间的相撞作用使玻璃封闭腔内两种同位素的工作物质也发生显著极化，促使两种同位素的工作物质的原子核分别绕外加磁场，即玻璃封闭腔的轴向做高速的左旋和右旋运动。为了侦测出作为陀螺仪转速测量载体的两种同位素的工作物质的核自旋的转速，在垂直于玻璃封闭腔腔体的轴向方向上再施加另一束由检测用泵浦激光光源产生的与激励用圆偏振泵浦激光同频率的圆偏振检测激光，所述的圆偏振检测激光与两种同位素的工作物质自旋的水平分量发生相互作用后，在玻璃封闭腔腔体另一侧的光电二极管输出检测用泵浦激光光源产生的检测激光的光强调制信号，所述的光强调制信号中包含两种同位素的工作物质的进动频率。该光强调制信号与外部参考频率源的信号的相位之差即为飞行器的转动角度。
[0013]进一步对测得的两种同位素的进动频率相减，得到两种同位素的工作物质的总进动频率与实际静磁场强度，实际使用中主静磁场强度会有所偏移，不是固定的常数。由于此时此陀螺仪装置未发生转动，即处于非测量工作状态，所得到的两种同位素的工作物质的总进动频率与实际静磁场强度成正比，而与玻璃封闭腔体的旋转速度无关。然后将所述总进动信号锁相于一个外部参考频率源信号，此锁相通过与外部参考频率源和提供主静磁场的主静磁场线圈相连接的反馈控制电路，反馈控制由螺线管产生外加静磁场的强度来实现。最后，令此陀螺仪装置在实际磁场稳恒的条件下工作，测量得到工作物质的任意一种同位素的进动信号相位，此进动信号相位与所述外部参考频率源信号相位之差与玻璃封闭腔体的实时转动相位成正比。
[0014]因固定在飞行器上的陀螺仪的旋转速度与飞行器的旋转速度相同，本发明对飞行器旋转速度或角度的检测不受陀螺仪本体的惯性和机械振动等因素的影响，陀螺仪核磁共振谐振腔内不含转动部件，从而增加了工作的稳定性；另外，本发明基于两种不同旋磁比同位素的检测方法，克服了现有技术由于主磁场波动而造成的测量误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0016]图1本发明用于飞行转动角度检测的核磁共振陀螺仪工作原理图，图中，I玻璃封闭腔，2主磁场线圈，3第一种惰性气体同位素，4第二种惰性气体同位素，5碱金属电子自旋，6激励用泵浦激光光源，7检测用泵浦激光光源，8外部参考频率源，9光电二极管。
[0017]图2本发明的泵浦激光-碱金属磁性极化原理图。
【具体实施方式】
[0018]本发明的一种实施方案如图1所示，应用本发明方法的飞行器转动角度检测陀螺仪包括核磁共振谐振腔、激励用泵浦激光光源6、检测用泵浦激光光源7、外部参考频率源
8、光电二极管9。激励用泵浦激光光源6位于核磁共振腔的下方，检测用泵浦激光光源7在核磁共振腔的左侧，外部参考频率源8和光电二极管9在核磁共振腔的右侧，且检测用泵浦激光光源7、外部参考频率源8和光电二极管9的中心位于同一条直线上，此直线垂直于激励用泵浦激光光源中心所在直线。其中，核磁共振谐振腔由玻璃封闭腔I和位于玻璃封闭腔外的主磁场线圈2组成,玻璃封闭腔I内有两种惰性气体同位素和一种气态碱金属的混合物。所述主静磁场线圈2产生的磁场方向沿玻璃封闭腔I的轴向分布，为两种惰性气体同位素与气态碱金属的混合物提供极化偏置磁场，使气态碱金属在激励用泵浦激光光源6发出的激励激光作用下达到较大极化状态，并通过电子自旋传递使惰性气体同位素也处于强极化状态。随着飞行器的旋转，检测用泵浦激光光源7发出的激光穿过玻璃封闭腔I内的混合物后，照射光电二极管9产生调制信号，所述的调制信号包含两种惰性气体同位素的进动频率信息，该调制信号与外部参考频率源8的信号的相位之差即为飞行器的转动角度。
[0019]如图2所示，玻璃封闭腔I内充有某种气态碱金属，例如87Rb,在未经外部激励用泵浦激光照射下，所述碱金属电子自旋的磁场方向在空间呈杂乱无章地分布，施加泵浦激光后，每一个电子自旋的转动惯量趋向于激光传播方向，宏观上表现为形成一个较强的静磁场，其与线圈产生的静磁场共同决定惰性气体同位素的进动频率。另外，玻璃封闭腔I内混入一定量的碱金属可以使惰性气体工作物的极化强度显著提高约1000倍，极大地提高了检测信号的信噪比。
[0020]在图1所示的本发明实施例中，采用氙的两种同位素129Xe和131Xe作为玻璃封闭腔腔体转动角度，即陀螺仪转动角度检测的工作物质，两种氙同位素的旋磁比分别为-1.345*107rad/(T*s)和0.34911*107rad/ (T*s)。随着两种氙同位素绕腔体轴向旋转，其旋转矢量的垂直分量的圆周运动将影响检测用泵浦激光光源发出的激光在玻璃封闭腔I腔体另一侧的光电二极管中的吸收光强，当所述垂直分量的指向与检测用泵浦激光光源发出的激光传播方向相同时，玻璃封闭腔内气体对光强的吸收最小，反之当垂直分量指向与检测用泵浦激光光源发出的激光方向相反时，腔内气体对光强的吸收最大，即同位素的进动频率调制于激光吸收度信号。
[0021]在本发明的另一个实施例中，采用汞的两种同位素199Hg和2tllHg替换上述实施方案中的惰性气体同位素129Xe和mXe，作为玻璃封闭腔体转动角度检测的工作物质，两者的旋磁比分别为4.8154*107rad/(T*s)和-1.7776*10Trad/(T*s)。随着两种汞同位素绕腔体轴向旋转，其旋转矢量的垂直分量的圆周运动将影响检测用泵浦激光光源发出的激光在玻璃封闭腔腔体另一侧的光电二极管中的吸收光强，当所述旋转矢量垂直分量的指向与检测用泵浦激光光源发出的激光传播方向相同时，玻璃封闭腔内气体对光强的吸收最小，反之当所述的垂直分量指向与检测用泵浦激光光源发出的激光方向相反时，玻璃封闭腔内气体对光强的吸收最大，即同位素的进动频率调制于激光吸收度信号。
【权利要求】
1.一种基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法，其特征在于，所述的测量方法采用同一元素、旋磁比不同的两种同位素原子核作为飞行器转动角度测量陀螺仪测量载体；基于自旋极化交换机理，在飞行器转动角度测量陀螺仪核磁共振谐振腔内的圆柱形玻璃封闭腔内加入一种碱金属元素，碱金属原子将自身的电子自旋极化传递给作为所述陀螺仪转速测量载体的两种同位素原子，导致两种同位素原子的净核自旋极化，提高同位素测量载体的磁性极化强度，提高检测信号的信噪比。
2.根据权利要求1所述的基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法，其特征在于，所述的测量方法具体步骤如下: 首先将所述飞行器转动角度测量陀螺仪核磁共振谐振腔的圆柱形玻璃封闭腔抽真空至lOPa，然后充入同一元素的两种同位素作为工作物质，即作为陀螺仪转速测量载体；再充入一种气态碱金属兀素Rb和占核磁共振腔内气体总量1%的缓冲气体N2,然后将玻璃封闭腔封闭；沿所述玻璃封闭腔的轴向施加一个强度可控的主静磁场，使玻璃封闭腔内惰性气体或Hg元素的两种同位素物质预极化；接着，沿玻璃封闭腔轴向再施加一束由所述的激励用泵浦激光光源产生的圆偏振激光，所述的圆偏振泵浦激光频率对应于碱金属的共振频率，以使碱金属电子自旋发生显著极化，并通过微观粒子之间的相撞作用使玻璃封闭腔内两种同位素的工作物质也发生显著极化，促使两种同位素的工作物质的原子核分别绕外加磁场，即玻璃封闭腔的轴向做高速的左旋和右旋运动；为了侦测出作为陀螺仪转速测量载体的两种同位素的工作物质的核自旋的转速，在垂直于玻璃封闭腔腔体的轴向方向上再施加另一束由检测用泵浦激光光源产生的与激励用圆偏振泵浦激光同频率的圆偏振检测激光，所述的圆偏振检测激光与两种同位素的工作物质自旋的水平分量发生相互作用后，在玻璃封闭腔腔体另一侧的光电二极管输出检测用泵浦激光光源产生的检测激光的光强调制信号，所述的光强调制信号中包含两种同位素的工作物质的进动频率信号，该光强调制信号与外部参考频率源的信号的相位之差即为飞行器的转动角度； 进一步对测得的两种同位素进动频率相减，得到两种同位素的工作物质的总进动频率与实际静磁场强度的关系，即所得到的两种同位素的工作物质的总进动频率与实际静磁场强度成正比；然后将总进动信号锁相于一个外部参考频率源信号，测量所得任意一种工作物质同位素的进动信号相位与所述外部参考频率源信号相位之差与玻璃封闭腔体的实时转动相位成正比。
3.按照权利要求2所述的基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法，其特征在于，所述的工作物质为汞元素的两种同位素199Hg和2(llHg。
4.按照权利要求2所述的基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法，其特征在于，所述的工作物质为惰性气体氙元素的两种同位素129Xe和mXe。
【文档编号】G01C19/62GK103528580SQ201310503732
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】李晓南, 牛超群, 刘国强, 夏慧 申请人:中国科学院电工研究所