抑制温度波动引起的原子自旋惯性或磁场测量误差的方法与流程

本发明涉及一种抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法，属于原子自旋惯性测量或磁场测量领域，可用于抑制由气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号的误差。

背景技术：

基于无自旋交换弛豫(spin-exchangerelaxation-free，serf)技术的原子自旋惯性测量或磁场测量系统具有理论精度高、体积小、成本低等特点，是未来超高灵敏磁场/惯性角速度测量的发展方向，在前沿科学研究、导航、地质勘探及生物医学等领域具有广泛的应用前景。要实现serf态，必须增大碱金属原子的数密度，通常通过加热碱金属气室的方式提高碱金属原子数密度。碱金属原子数密度与气室的温度密切相关，但是气室温度难免产生波动，温度波动引起原子数密度变化，进而引起原子极化率、光学深度、旋光角等的改变，最终导致系统出现误差。因此，为了提高系统的测量精度，需要抑制由于气室温度波动引起的系统误差。

一般情况下，碱金属气室的温度会通过闭环控制稳定到某个工作温度点，但是闭环之后气室温度仍存在微小波动；另外，闭环加热系统以测量点的温度为测量值进行闭环控制，其余没有布置测温点位置处的温度波动更加剧烈。因此，虽然使用了闭环反馈加热系统，惯性测量或磁场测量仍然不能消除serf原子自旋惯性测量或磁场测量系统气室温度的波动，故而需要提出另外的方法来抑制由于气室温度波动带来的系统输出误差。

技术实现要素：

本发明提供一种抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法，通过调节气室温度到“气室温度不敏感点”，即通过改变碱金属原子数密度，使得serf原子自旋惯性测量或磁场测量系统的输出信号对气室温度波动不敏感，从而抑制气室温度波动引起的误差，提高测量精度。

本发明技术方案如下：

一种抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法，通过调节气室温度改变气室内碱金属原子的数密度，进而改变原子自旋惯性测量或磁场测量系统的温度系数kt，所述温度系数kt为单位温度变化引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号的变化量；当所述温度系数的绝对值最小时，达到气室温度不敏感点；在所述气室温度不敏感点，气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号变化最小，从而抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差。

作为优选，所述抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法，具体包括下列步骤：

(1)启动原子自旋惯性测量或磁场测量装置，使原子达到极化稳定的状态，进行磁场补偿，即，使原子自旋惯性测量或磁场测量系统正常工作；

(2)测量并计算当前气室工作温度下的原子自旋惯性测量或磁场测量系统的温度系数kt，进入下一步；

(3)判断所述温度系数是否为零，如果温度系数为零，则当前气室温度工作点为原子自旋惯性测量或磁场测量系统的气室温度不敏感点；如果温度系数不为零，则进入下一步骤；

(4)改变气室工作温度，待原子重新极化稳定后，进行磁场补偿，然后重复步骤(2)-(4)，直到在所述正常工作温度范围内，找到所述温度系数的绝对值的最小值。

作为优选，所述步骤(1)和(4)中，所述磁场补偿采用磁场交叉调制补偿方法，通过三维磁补偿线圈实现；首先使用y方向磁补偿线圈在y方向施加幅度a＝(a·10²)pt，0<a≤10)的方波磁场，改变z方向磁场，使得惯性角速率测量系统对y方向调制磁场的稳态响应差值为0，即找到z磁场补偿点，记录为bzc；然后，用z方向磁补偿线圈在z方向施加幅度apt、偏置为bzc的方波磁场，改变y方向磁场，使得惯性角速率测量系统对z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到y磁场补偿点；最后，用z方向磁补偿线圈在z方向施加幅度apt、偏置为(bzc+apt)的方波磁场，改变x方向磁场，使得惯性角速率测量系统对z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到x磁场补偿点。

作为优选，所述步骤(2)中温度系数的测量方法为，根据当前气室工作温度t0设定一测量区间[t0-t1，t0+t1]，0.01k≤t1≤0.2k，等间隔改变温度所述的取值范围为以(t0-t1)为起点取气室温度值并记录对应不同气室温度的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号si，采用线性最小二乘方法拟合si与ti的线性关系，记录斜率为k1；用k1除以原子自旋惯性测量或磁场测量系统的标度因数kc就可以得到温度系数kt，所述对应于惯性测量系统的温度系数kt的单位为°/s/k或°/h/k，对应于磁场测量系统的温度系数kt的单位为nt/hz^1/2/k。

作为优选，所述气室温度不敏感点为原子自旋惯性测量或磁场测量系统正常工作时所述温度系数为零的特定气室温度点，气室温度大于所述气室温度不敏感点与气室温度小于所述气室温度不敏感点时对应的温度系数符号相反，气室温度越接近所述气室温度不敏感点，温度系数kt的绝对值越小。

本发明相对于现有技术优势在于：

在研究中发现，原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号对原子数密度的一阶导数随着原子数密度不同而变化，当该一阶导数为0时，原子自旋惯性测量或磁场测量系统对于原子数密度变化不敏感，即对气室温度波动不敏感。故而可以利用气室温度与原子数密度一一对应的特性，通过改变气室工作温度调节碱金属原子数密度进而得到原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号对原子数密度的一阶导数为0的点，该一阶导数即为所述温度系数kt，该一阶导数为0的点即为所述气室温度不敏感点。本方法判断的依据是温度系数kt，测量方法简单不需要知道具体的原子数密度、原子弛豫率和极化率等参数；只要保证温度系数为零就可以实现对气室温度波动引起误差的抑制，不需要增加额外的器件和装置，操作简单，易于实现，能有效地抑制气室温度波动引起系统输出误差，提高测量精度和长期稳定性。

附图说明

图1是本发明一种抑制气室温度引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法的流程图；

图2是本发明所述原子自旋惯性测量/磁场测量系统示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。

本发明的技术原理为：

原子自旋惯性测量或磁场测量系统系统的输出信号s可以表示为：

式中各参数含义如下：

a是光电转换系数，i0是检测入射光强，l是球形原子气室的直径，re是电子半径，c为真空中的光速，fd1是原子d1线的共振强度，是原子共振线宽，v0是原子吸收峰中心频率，v是检测激光的频率，σ(v)是原子吸收截面积，以上参数与原子数密度无关，不随着气室温度变化而改变，在本方法中属于常数；n代表被检测碱金属原子的数密度，原子数密度与气室温度的关系如下：

其中t代表气室温度，na、nb是与原子种类有关的常数，碱金属原子一旦确定，这两个参数就确定了；稳态原子极化率在x方向的分量可以表示为：

其中，是z方向的稳态极化率，近似认为是常数，γ^e、γⁿ分别是电子、核子的旋磁比，rp是抽运率，是与碱金属原子数密度无关的弛豫项，是原子自旋碰撞截面积，表示原子运动相对热速度，ωy是系统敏感轴方向的角速率。

综上所述，原子自旋惯性测量测量系统输出可以表示为碱金属原子数密度n的函数：

上式对原子数密度求导：

其中，

当时，原子数密度变化引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号改变最少，即原子自旋惯性测量或磁场测量系统对由于气室温度波动引起的原子数密度变化不敏感。调节气室温度使即就可以抑制气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差。

一种抑制气室温度引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法，通过调节气室温度改变气室内碱金属原子的数密度，进而改变原子自旋惯性测量或磁场测量系统的“温度系数”，达到其气室温度不敏感点，在该气室温度不敏感点气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号变化最小，从而抑制了气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差。所述气室温度不敏感点指的是原子自旋惯性测量或磁场测量系统正常工作的温度系数为零时的特定气室温度点，气室温度大于所述气室温度不敏感点与气室温度小于所述气室温度不敏感点时对应的温度系数符号相反，气室温度越接近所述气室温度不敏感点，所述温度系数的绝对值越小。

如图1-2所示，为本发明的抑制气室温度引起的原子自旋惯性测量或磁场测量误差的方法的流程图和原子自旋惯性测量或磁场测量系统示意图。

其具体实施步骤如下：

(1)启动原子自旋惯性测量或磁场测量装置，加热碱金属原子气室，使原子达到极化稳定的状态，使用交叉调制方法补偿磁场，使原子自旋惯性测量或磁场测量系统正常工作。

其中，碱金属气室16安装在烤箱15中，烤箱15由加热电路控制系统14驱动，改变加热电路控制系统14的设定值就可以相应改变烤箱15的温度，进而改变碱金属气室16的温度。三维磁补偿线圈包括x方向磁补偿线圈10、y方向磁补偿线圈17和z方向磁补偿线圈9，三维磁补偿线圈通过信号发生器5驱动。抽运激光器1输出的激光经过光功率及频率稳定系统2，实现抽运激光的功率稳定和频率稳定；然后经过扩束组件3，将抽运激光的光斑直径扩大；利用反射镜4改变抽运激光的方向，然后扩束后的抽运激光经过圆偏振起偏器18转变为圆偏振光照射到碱金属气室上，并使抽运激光与来自检测激光器13的检测激光正交。检测激光器13输出的检测激光经过光功率稳定系统12，然后再经过线偏振起偏器11变为线偏振光后通过碱金属气室16，照射到光电转换系统7上，将光信号转换为电信号，然后由数据采集系统6采集并保存。磁屏蔽系统8屏蔽外界磁场，以实现原子serf态提供极弱磁环境。

所述磁场补偿采用通过三维磁补偿线圈实现的磁场交叉调制补偿方法，具体为，首先将y方向磁补偿线圈17在y方向施加幅度约为200pt的方波磁场，改变z方向磁场，使得惯性角速率测量系统对y方向调制磁场的稳态响应差值为0，即找到z磁场补偿点，记录为160nt；然后，用z方向磁补偿线圈9在z方向施加幅度约为200pt、偏置为160nt的方波磁场，改变y方向磁场，使得惯性角速率测量系统对z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到y磁场补偿点；最后，用z方向磁补偿线圈9在z方向施加幅度约为200pt、偏置为(160nt+200pt)的方波磁场，改变x方向磁场，使得惯性角速率测量系统对z方向调制磁场的稳态响应差值为0，找到x磁场补偿点。

(2)测量并计算当前气室工作温度下的系统温度系数kt，具体为，检测步骤(1)的当前温度t0＝453.15k，设定测量区间为[453.05k，453.25k]，t1＝453.05k，调整改变加热控制电路系统14的设定值然后改变烤箱15的温度至t1＝453.05k，记录此时原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号s1，每次改变即在t2＝453.07k，t3＝453.09k，t4＝453.11k，……t10＝453.23k，t11＝453.25k时，均记录相应的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号s2、s3、s4……s10、s11，

采用线性最小二乘方法拟合si与ti的线性关系为si＝-46.442*ti+0.017，记录斜率为k1＝-46.442；用k1除以系统的标度因数kc＝4.75，得出温度系数kt＝-9.778°/h/k。

(3)此时，温度系数kt＝-9.778°/h/k，由于该温度系数kt不为零，则进行步骤(4)。

(4)继续改变气室工作温度，待原子重新极化稳定后，进行磁场补偿，然后重复步骤(2)，直至得到的温度系数kt＝0。

在该气室温度不敏感点处，气室温度波动引起的原子自旋惯性测量或磁场测量系统输出信号变化最小，从而抑制或大幅减小气室温度波动引起的原子自旋惯性测量/磁场测量误差。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。