一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核磁共振陀螺操控方法技术领域，具体涉及一种可以实现核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场闭环控制的操控方法。
【背景技术】
[0002]核磁共振陀螺是目前可以达到导航级精度体积最小的陀螺仪，其高精度、对加速度不敏感、标度因数稳定以及小体积低功耗等特点，被视为下一代导航级精度陀螺的发展方向。核磁共振陀螺是通过检测原子源振荡频率，并扣除原子源自身所带有的振荡频率来得到载体转动角速率的目的的。但由于原子源振荡信号较微弱，需要外加与原子源震荡频率相同的磁共振激励磁场，使其达到共振状态，增强信号提高检测灵敏度以及精度。
[0003]但目前核磁共振陀螺仪的磁共振激励磁场由于缺乏有效反馈手段只能在开环状态下进行工作，无法实时跟踪核磁共振陀螺内原子源的震荡频率，也就无法保证其处于实时共振状态，并且当陀螺仪有较大角速率输入时，原子源振荡频率远离磁共振激励磁场频率，陀螺输出信号会有较大幅度的衰减。在这种状态下，核磁共振陀螺输出信号强度变得微弱，陀螺检测系统的灵敏度以及精度也都会受到较大影响。
[0004]因此在核磁共振陀螺仪中单纯施加固定频率的磁共振激励磁场会导致陀螺仪的控制精度低以及动态范围小等问题，会严重制约核磁共振陀螺仪的应用范围，需要一种闭环控制方法，来使核磁共振陀螺仪中磁共振激励磁场可以实时跟踪原子源的振荡频率。保证陀螺仪输出信号的强度以及其检测系统的灵敏度和精度。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种闭环操控方法，从而可以克服现有技术不足，保证核磁共振陀螺仪内磁共振激励磁场可以实时跟踪原子源的振荡频率。
[0006]为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是:
[0007]一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法，应用于核磁共振陀螺，包括以下步骤:
[0008](1)根据经验参数给陀螺仪设定初始电压V。，通过电压转换装置将初始电压转换为初始频率B，使核磁共振陀螺仪在静态环境下达到幅值最大的共振状态；
[0009](2)将给定的初始频率V。转换成正弦交流信号，再将正弦交流信号分两路输送到核磁共振陀螺仪中的线圈，分别使线圈产生磁共振激励磁场和给锁相放大参考信号；
[0010](3)线圈上所产生的磁共振激励磁场使磁共振气室内原子源的频率达到共振状态，将步骤(2)中的正弦交流信号调制为高频交流信号作为陀螺仪输出信号；
[0011](4)将步骤(3)输出的陀螺仪输出信号与步骤(2)输出的锁相放大参考信号进行锁相放大，提取出陀螺仪输出信号中所包含的磁共振激励磁场所施加频率的幅度信息，将步骤(3)中的高频交流信号解调为直流电压信号；
[0012](5)对步骤(4)中提取出的直流电压信号进行求导运算，并变换正负符号，使其变成在共振频率±0.1Hz范围内单调上升而且过零点的信号，将该信号直接作为反馈信号送入PID控制器；
[0013](6)将PID控制器的控制点设置为零，调整PID控制器的参数，将频率误差值锁定在0±0.5Hz范围，PID控制器的输出电压Vi.加上初始电压V。作为控制参数，从而实时控制核磁共振陀螺磁共振激励磁场，使其实时跟踪原子源的振荡频率，保持原子源一直处于共振状态。
[0014]进一步的，如上所述的一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法，步骤(5)中，调整PID控制器的参数，将频率误差值锁定在0±0.1Hz范围。
[0015]本发明技术方案的有益效果在于:本发明利用当磁共振激励磁场的频率与原子源振荡频率一致时，会使其达到共振状态，输出信号幅度达到最大，这一物理特征，采用锁相放大技术，提取出输出信号的幅度信息。如图1所示，由于幅度信息是极大值，没有办法指示方向，并不能直接作为反馈信号，因此，对其进行求导运算，并变换符号，使其在共振点附近单调上升并且过零点，这样就可以直接作为反馈信号输入控制器，同来调整磁共振激励磁场的频率，最终达到实时跟踪核磁共振陀螺内原子源振荡频率的目的。
【附图说明】
[0016]图1是陀螺仪输出信号以及变换后的信号示意图；
[0017]图2是核磁共振陀螺磁共振激励磁场闭环控制流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
[0019]一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法，应用于核磁共振陀螺，包括以下步骤:
[0020](1)根据经验参数给陀螺仪设定初始电压V。，通过电压转换装置将初始电压转换为初始频率B，使核磁共振陀螺仪在静态环境下达到幅值最大的共振状态；
[0021](2)将给定的初始频率V。转换成正弦交流信号，再将正弦交流信号分两路输送到核磁共振陀螺仪中的线圈，分别使线圈产生磁共振激励磁场和给锁相放大参考信号；
[0022](3)线圈上所产生的磁共振激励磁场使磁共振气室内原子源的频率达到共振状态，将步骤(2)中的正弦交流信号调制为高频交流信号作为陀螺仪输出信号；
[0023](4)将步骤(3)输出的陀螺仪输出信号与步骤(2)输出的锁相放大参考信号进行锁相放大，提取出陀螺仪输出信号中所包含的磁共振激励磁场所施加频率的幅度信息，将步骤(3)中的高频交流信号解调为直流电压信号；
[0024](5)对步骤(4)中提取出的直流电压信号进行求导运算，并变换正负符号，使其变成在共振频率±0.1Hz范围内单调上升而且过零点的信号，将该信号直接作为反馈信号送入PID控制器；
[0025](6)将PID控制器的控制点设置为零，调整PID控制器的参数，将频率误差值锁定在0±0.5Hz范围(优选的控制范围是0±0.lHz)，PID控制器的输出电压Vi叠加上初始电压V。作为控制参数，从而实时控制核磁共振陀螺磁共振激励磁场，使其实时跟踪原子源的振荡频率，保持原子源一直处于共振状态。
[0026]根据以上操作，只要PID控制器的误差值一直保持在零附近，就可以保证原子源一直处于共振状态，这样就可以提高陀螺仪输出信号的强度以及信噪比，弥补核磁共振陀螺仪在开环状态下控制精度不高以及动态性能差的缺陷，增强了核磁共振陀螺仪的环境适应能力，拓宽其应用范围。
【主权项】
1.一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法，应用于核磁共振陀螺，其特征在于:包括以下步骤: (1)根据经验参数给陀螺仪设定初始电压V。，通过电压转换装置将初始电压转换为初始频率B，使核磁共振陀螺仪在静态环境下达到幅值最大的共振状态； (2)将给定的初始频率V。转换成正弦交流信号，再将正弦交流信号分两路输送到核磁共振陀螺仪中的线圈，分别使线圈产生磁共振激励磁场和给锁相放大参考信号； (3)线圈上所产生的磁共振激励磁场使磁共振气室内原子源的频率达到共振状态，将步骤(2)中的正弦交流信号调制为高频交流信号作为陀螺仪输出信号； (4)将步骤(3)输出的陀螺仪输出信号与步骤(2)输出的锁相放大参考信号进行锁相放大，提取出陀螺仪输出信号中所包含的磁共振激励磁场所施加频率的幅度信息，将步骤(3)中的高频交流信号解调为直流电压信号； (5)对步骤(4)中提取出的直流电压信号进行求导运算，并变换正负符号，使其变成在共振频率±0.1Hz范围内单调上升而且过零点的信号，将该信号直接作为反馈信号送入PID控制器； (6)将PID控制器的控制点设置为零，调整PID控制器的参数，将频率误差值锁定在0±0.5Hz范围，PID控制器的输出电压Vi.加上初始电压V。作为控制参数，从而实时控制核磁共振陀螺磁共振激励磁场，使其实时跟踪原子源的振荡频率，保持原子源一直处于共振状态。2.如权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法，其特征在于:步骤(5)中，调整PID控制器的参数，将频率误差值锁定在0±0.1Hz范围。
【专利摘要】本发明提供一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法。主要针对目前核磁共振陀螺仪在磁共振激励磁场开环状态下控制精度低，动态范围小等问题。通过锁相放大技术对核磁共振陀螺仪共振激励磁场的频率信息进行提取；使用解调出来的信息作为反馈构建成磁共振激励磁场闭环控制系统，最终通过优化闭环参数提高了磁共振激励磁场的控制精度，同时解决了核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场动态范围小的问题。
【IPC分类】G01C19/60
【公开号】CN105258690
【申请号】CN201510713518
【发明人】郑辛, 孙晓光, 秦杰, 汪世林, 万双爱
【申请人】北京自动化控制设备研究所
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月28日