一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪

1.本发明涉及原子自旋陀螺仪技术领域，特别是一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪，通过一束椭圆偏振光入射原子气室，对碱金属原子和惰性气体核子进行抽运，使二者达到极化状态，同时在垂直于抽运的方向施加旋转调制磁场，使抽运方向的电子极化矢量产生调制作用，并携带转动信息，出射原子气室的抽运光经过反射镜反射，再次穿过原子气室，最后进入平衡差分模块并通过锁相放大器信号采集模块实现转动信号的提取和通过调整参考信号的相移以实现双轴惯性信号解耦，有利于小型化serf原子自旋陀螺的研制，有利于增强旋光角信号，提升信噪比和系统灵敏度，有利于提升陀螺仪的实用性。


背景技术：

2.导航技术在国家经济发展中起着举足轻重的作用。陀螺仪是惯性制导的关键部分，是影响导航系统性能的关键因素。随着量子调控技术不断发展，原子式惯性测量仪表已然成为新一代惯性测量仪表的重要发展方向，其中的serf原子自旋陀螺仪，因其所具有的超高极限精度，受到了国内外学者的广泛关注。
3.但是目前的serf原子自旋陀螺仪主要采用抽运-检测的信号提取方案，至少需要两套完整的激光系统，极大地增大了陀螺系统的体积，不利于陀螺的小型化集成；另一方面，采用双光束的serf陀螺仪在安装方面具有严格的光路正交要求，实际操作中因为安装误差，导致信号输出的灵敏度和长期稳定性质量下降，也影响实际使用。另外，输出信号与光通过气室与原子相互作用的长度有关，光束单次通过气室的方案测量效果会受到限制。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，提出一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪，通过一束椭圆偏振光入射原子气室，对碱金属原子和惰性气体核子进行抽运，使二者达到极化状态，同时在垂直于抽运的方向施加旋转调制磁场，使抽运方向的电子极化矢量产生调制作用，并携带转动信息，出射原子气室的抽运光经过反射镜反射，再次穿过原子气室，最后进入平衡差分模块并通过锁相放大器信号采集模块实现转动信号的提取和通过调整参考信号的相移以实现双轴惯性信号解耦，有利于小型化serf原子自旋陀螺的研制，有利于增强旋光角信号，提升信噪比和系统灵敏度，有利于提升陀螺仪的实用性。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪，其特征在于，包括沿z轴正向入射原子气室的第一抽运光束和沿z轴负向入射所述原子气室的第二抽运光束，所述第二抽运光束是所述第一抽运光束从所述原子气室出射后通过反射镜反射形成的反射光束，所述第二抽运光束从所述原子气室出射后通过非偏振分光棱镜反射侧反射到光电探测平衡差分检测模块，所述光电探测平衡差分检测模块将差分信号传输给锁相放大器信号采集模块，所述锁相放大器信号采集模块采集转动信号并通过调整参考信号的相移实现双轴惯性信号解耦。
7.所述第一抽运光束来自激光器，所述激光器通过依次串联的第一1/2波片、第一偏
振分光棱镜、第一起偏器、液晶相位延迟器、第二起偏器、第二1/2波片、格兰泰勒棱镜、1/4波片和所述非偏振分光棱镜连接所述原子气室。
8.所述第一偏振分光棱镜的反射侧连接频率稳定模块，所述频率稳定模块连接所述激光器，所述格兰泰勒棱镜的反射侧连接抽运激光光强稳定电路，所述抽运激光光强稳定电路连接所述液晶相位延迟器。
9.所述光电探测平衡差分检测模块包括分别连接所述锁相放大器信号采集模块的第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器连接第二偏振分光棱镜的透射侧，所述第二光电探测器连接第二偏振分光棱镜的反射侧，所述第二偏振分光棱镜的输入侧通过第三1/2波片连接所述非偏振分光棱镜的反射侧。
10.所述原子气室的外围向外依次设置有烤箱、三轴线圈和磁屏蔽层。
11.所述原子气室内充有碱金属、惰性气体和淬灭气体。
12.所述调整参考信号的相移包括通过高精度转台输入y方向固定角速率，调整解调参考信号的相移φ，当解调信号不再敏感y方向角速率，定义该相移对应的系统输出通道为第一输出通道ch1，该通道仅敏感x方向的转动输入；另一输出通道的解调相位则为φ+90
°
，定义该相移对应的系统输出通道为第二输出通道ch2，该通道仅敏感y方向的转动输入，完成双轴信号解耦。
13.所述双轴惯性信号解耦包括所述第一输出通道ch1输出的相移φ通过归零y方向转动输入的耦合响应来确定，所述第二输出通道ch2的具体相移根据归零x方向的转动耦合响应来确定。
14.陀螺仪操作包括以下步骤：
15.步骤1，把反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪安装于载体平台上，开启加热系统，对屏蔽系统内的剩磁进行磁场精准补偿，对原子系综进行光抽运，为了方便说明原理，我们定义z方向为抽运光第一次入射原子气室时的传播方向，定义陀螺仪指天的方向为y方向，x方向通过右手定则可以获得；
16.步骤2，在垂直于抽运光的平面上施加一个旋转调制磁场步骤2，在垂直于抽运光的平面上施加一个旋转调制磁场其中bm是旋转调制磁场的幅值，ω是旋转调制磁场的角频率，和是x和y方向的单位矢量，该旋转调制磁场对电子自旋产生调制作用，使得转动信息被调制至高频，进而用于信号提取；
17.步骤3，抽运光束第一次出射气室后，调整反射镜的位置和方向，使得光束经过反射镜反射再次经过气室，与原子相互作用的长度提高了一倍，信号强度也相应得到了增加，可以有效增加信噪比；
18.步骤4，待系统信号稳定后，利用三轴磁场线圈施加z方向补偿磁场，把陀螺仪调整至核自旋自补偿状态，使之具有抵御环境低频磁噪声波动的能力；
19.步骤5，反射后的抽运光束被非偏振分光棱镜改变传播方向，进入平衡差分检测模块，经过锁相放大器信号采集模块对光强信号中的一倍频信号进行解调，提取得到由转动输入产生的电压响应信号；
20.步骤6，通过高精度转台输入y方向固定角速率，调整解调参考信号的相移φ，当解调信号不再敏感y方向角速率，定义该相移对应的系统输出通道为第一输出通道ch1，该通道仅敏感x方向的转动输入；另一输出通道的解调相位则为φ+90
°
，定义该相移对应的系统
输出通道为第二输出通道ch2，该通道仅敏感y方向的转动输入，完成双轴信号解耦；
21.步骤7，通过高精度转台依次输入不同的角速率，采集对应的电压信号响应，从而标定电压信号和转动输入之间的关系，得到转动标度因数，完成校准并可开始使用。
22.本发明的技术效果如下：本发明一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪相比于现有技术，该陀螺仪仅使用一束光束即可同时完成光抽运和双轴惯性测量，有利于小型化serf原子自旋陀螺的研制。该陀螺仪光束两次穿过原子气室的设置，有利于增强旋光角信号，提升信噪比和系统灵敏度。该陀螺仪实现双轴惯性信号解耦，有利于提升陀螺仪的实用性。
23.本发明一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪中，二次经过原子气室的抽运光，光的偏振态中所携带的转动信号被二次增强，相比普通单次通过原子气室的单光束陀螺仪能有效提高有用信号的强度，实现信噪比和惯性灵敏度的提升。通过锁相放大器信号采集模块获取转动信号的时候，我们对光信号中的一倍频分量进行解调。通过如步骤6中说明的方式，通过调节解调参考信号的相位，实现双通道对x和y方向测量轴信号的独立输出，实现了双轴信号解耦，该解耦方法提升了陀螺仪的实用性，为未来小型化实用型的原子自旋陀螺仪奠定了坚实的基础。
附图说明
24.图1是一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪的结构示意图。
25.附图标记列示如下：a1-激光器；a2-第一1/2波片；a3-第一偏振分光棱镜；a4-第一起偏器；a5-液晶相位延迟器；a6-第二起偏器；a7-第二1/2波片；a8-格兰泰勒棱镜；a9-1/4波片；a10-反射镜；a11-非偏振分光棱镜；a12-第三1/2波片；a13-第二偏振分光棱镜；a14-第一光电探测器；a15-第二光电探测器；b1-频率稳定模块；b2-抽运激光光强稳定系统；b3-锁相放大器信号采集模块；c1-原子气室；c2-烤箱；c3-三轴线圈；c4-磁屏蔽层。
具体实施方式
26.下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
27.图1是一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪的结构示意图。参考图1所示，反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪采用一束椭圆偏振光入射原子气室，使碱金属原子与惰性气体核子被抽运并进入极化状态，同时施加与抽运方向垂直的旋转调制磁场，调制电子极化矢量，并使抽运方向的电子自旋分量携带旋转信息。出射气室的抽运光经反射镜反射，再次通过原子气室，最后进入平衡差分模块，并通过锁相放大器解调一倍频信号，完成转动信号的提取与输出。该陀螺仪仅用一束光束就能同时完成光抽运和双轴惯性测量，为研制小型化serf原子自旋陀螺奠定了基础。光束经过原子气室的设置，使旋光角信号得到增强，信噪比提高，系统灵敏度提高。通过调整参考信号的相位偏移，提出了一种双轴惯性信号的解耦方法，提高了原子陀螺仪的实用性。
28.一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪具体包括以下部分：
29.其中的核心敏感系统包括原子气室c1、烤箱c2、三轴线圈c3和磁屏蔽层c4。原子气室c1含有钾原子、铷原子的碱金属液滴，用于提供电子自旋，另外还包括氮气和惰性气体氖气21。烤箱c2由薄膜加热电阻片包裹，以实现温度加热；采用pt1000铂电阻采集加热温度，
并与电路系统相结合，实现温度控制。三轴线圈c3用于提供三个正交方向的偏置磁场和旋转调制磁场，以补偿剩磁和调制电子自旋。磁屏蔽层c4由三层坡莫合金和一层锰锌铁氧体组成，它起屏蔽环境磁场、提供近零磁场的作用，是电子自旋实现无自旋交换弛豫态的必要条件，是实现高精度惯性测量的基础。
30.其中的光学系统包括：激光器a1、第一1/2波片a2、第一偏振分光棱镜a3、第一起偏器a4、液晶相位延迟器a5、第二起偏器a6、第二1/2波片a7、格兰泰勒棱镜a8、1/4波片a9、反射镜a10、非偏振分光棱镜a11、第三1/2波片a12、第二偏振分光棱镜a13、第一光电探测器a14、第二光电探测器a15、频率稳定模块b1、抽运激光光强稳定系统b2组成的光学系统；所述光学系统各部件应该共光轴。其中抽运激光从激光器a1出射，经过第一1/2波片a2、第一偏振分光棱镜a3实现第一次起偏，部分主路激光通过第一偏振分光棱镜a3反射至旁路，进入频率稳定模块b1实现抽运激光的频率锁定，稳定在钾原子的d1线；主路的抽运激光继续传播，经过第一起偏器a4、液晶相位延迟器a5、第二起偏器a6、第二1/2波片a7、格兰泰勒棱镜a8以及抽运激光光强稳定系统b2实现主路光强的稳定控制；稳定光强和频率的抽运激光经过1/4波片a9转变为椭圆偏振光经过非偏振分光棱镜a11继续传播入射到原子气室c1之中，第一次出射的抽运光经过反射镜a10沿反方向传播并再次进入原子气室c1，再次出射的抽运光经过非偏振分光棱镜a11改变传播方向，进入由第三1/2波片a12、第二偏振分光棱镜a13、第一光电探测器a14、第二光电探测器a15组成的平衡差分检测模块实现光强信号的获取；采集得到的光强信号经过锁相放大器信号采集模块b3实现转动信号的提取。
31.一种反射式单光束双轴原子自旋陀螺仪的使用方法包括以下步骤：
32.步骤1，把serf原子自旋陀螺仪安装于载体平台上，开启加热系统，对屏蔽系统内的剩磁进行磁场精准补偿，对原子系综进行光抽运。为了方便说明操作方法，我们定义了z方向为抽运光第一次入射原子气室时的传播方向，定义陀螺仪指天的方向为y方向，x方向通过右手定则可以获得。
33.步骤2，在垂直于抽运光的平面上施加一个旋转调制磁场步骤2，在垂直于抽运光的平面上施加一个旋转调制磁场其中bn是旋转调制磁场的幅值，ω是旋转调制磁场的角频率，和是x和y方向的单位矢量。该旋转调制磁场对电子自旋产生调制作用，使得转动信息被调制至高频，进而用于信号提取，一般bm在100
±
10nt范围内，ω在6280
±
1256rad/s范围内，综合调整二者具体取值使调制信号峰峰值达到最大即可。
34.步骤3，抽运光束第一次出射气室后，调整反射镜a10的位置和方向，使得光束经过反射镜反射再次经过气室，与原子相互作用的长度提高了一倍，信号强度也相应得到了增加，可以有效增加信噪比。
35.步骤4，待系统信号稳定后，利用三轴磁场线圈施加z方向补偿磁场，把陀螺仪调整至核自旋自补偿状态，使之具有抵御环境低频磁噪声波动的能力。
36.步骤5，反射后的抽运光束被非偏振分光棱镜改变传播方向，进入平衡差分检测模块，经过锁相放大器信号采集模块对光强信号中的一倍频信号进行解调，提取得到由转动输入产生的电压响应信号。
37.步骤6，通过高精度转台输入y方向固定角速率0.1
°
/s，调整解调参考信号的相移φ，当解调信号不再敏感y方向角速率，定义该相移对应的系统输出通道为第一输出通道ch1，该通道仅敏感x方向的转动输入；另一输出通道的解调相位则为φ+90
°
，定义该相移对
应的系统输出通道为第二输出通道ch2，该通道仅敏感y方向的转动输入，完成双轴信号解耦。
38.步骤7，通过高精度转台依次输入从-0.1
°
/s至0.1
°
/s，步长为0.01
°
/s的角速率，采集对应的电压信号响应，从而标定电压信号和转动输入之间的关系，得到转动标度因数，完成校准并可开始使用。
39.下面通过公式推导解释该方案的具体原理。在陀螺仪进入正常运转状态时，在惯性转动发生时，沿z方向的电子自旋中一倍频分量可以表达为以下形式：
[0040][0041]
其中
[0042][0043][0044][0045][0046]
其中ω
x
和ωy为x和y方向的角速率输入，ω是旋转调制磁场的角频率；γe和γn是电子自旋和核自旋的旋磁比；be和bn分别是电子自旋和核自旋所产生的等效磁场；是电子自旋沿z方向的稳态直流分量；j0(u)和j1(u)是0阶和1阶的第一类贝塞尔函数，参数u定义为u＝γ
ebm
/(qω)，其中bm是旋转调制磁场的幅值，q是减慢因子；和分别是电子自旋和核自旋对应的总弛豫。a、b、γ1、γ2是中间变量，t是时间。
[0047]
抽运光经过原子气室c1出射后，入射反射镜a10后反射再次入射原子气室，并反向传播，经过非偏振分光棱镜a11反射改变方向，最终经过平衡差分模块得到待解调的光强信号i，表达式如下所示
[0048][0049]
其中，i0是光强系数，c是光速，f是钾原子d1线的谐振强度，n是钾原子数密度，l是光与原子相互作用的长度，re是电子半径，γ是洛伦兹线型展宽的半高全宽，v是光束的实际频率，v0是原子气室中钾原子的中心频率，是z方向的电子自旋中一倍频分量，θ是1/4波片a9的快轴和格兰泰勒棱镜a8的透射光(e光)偏振方向之间的夹角。
[0050]
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。