[發明專利]一種適用于SERF原子自旋陀螺儀的三軸剩余磁場測量與補償方法

在審

• 申請號: 201710938920.1
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107727089A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 房建成;張紅;劉剛;丁銘;胡朝暉;馬丹躍;姚涵
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/64
• 分類號: G01C19/64
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明旨在提出一種適用于無自旋交換弛豫(Spin exchange relaxation free，SERF)原子自旋陀螺儀的快速、原位、高精度三軸剩余磁場測量與補償方法，屬于光學檢測、磁場探測與分析技術領域。

背景技術

幾年來，基于無自旋交換弛豫的原子自旋陀螺儀(以下簡稱SERF原子陀螺儀)得到大力發展。該類型原子陀螺儀需要工作在SERF態環境，而磁場是限制SERF態實現的關鍵因素之一。因此，需要盡可能將環境磁場隔離。通常情況，利用由高導磁材料制成的多層磁屏蔽桶隔離環境磁場。然而，要實現完全隔離磁場是不可能的，總有一些磁場會漏進磁屏蔽桶內，對于桶內的這一部分剩余磁場，就需要結合主動磁補償技術進行抵消。

為確保原子陀螺儀操控在SERF態，普林斯頓大學的S.J.Seltzer和M.V.Romalis提出了一種三軸剩余磁場補償方法。該方法需要在x、y方向施加一個小幅值的調制磁場，然后，通過調節施加在三軸線圈三個方向上的電流實現磁場歸零目的。這種補償方法操作過程較為繁瑣，且在沒有實現自動化補償之前，因受人為因素影響較大補償精度不高。北京航空航天大學的王濤提出了一種同時考慮抽運光和檢測光抽運效果的三軸剩余磁場補償方法。該方法與普林斯頓大學的方法近似，因此存在類似不足。

超極化的惰性氣體，例如，³He和²¹Ne等，已被廣泛應用于磁共振成像(MRI)、材料科學、以及基礎科學研究等領域。由于超極化的惰性氣體對磁場即為敏感，那么，基于這一特點，可以利用超極化的惰性氣體來測定原子陀螺儀的三軸剩余磁場。

為解決上述問題、彌補不足，本發明提出一種適用于SERF原子自旋陀螺儀的快速、原位、高精度三軸剩余磁場補償方法。本發明針對原子自旋陀螺儀桶內剩余磁場影響輸出信號穩定性問題，提出了基于超級化²¹Ne氣體拉莫爾進動理論的三軸剩余磁場補償方法。本發明填補了無便捷、高精度的SERF原子陀螺儀三軸剩余磁場補償方法的缺憾，可為SERF原子自旋陀螺儀提升靈敏度和降低漂移提供基礎保障，并為三軸剩余磁場的自動化補償提供理論參考和方法支撐。

發明內容

本發明目的在于：為了彌補現有方法的不足，本發明立足于全光學SERF原子陀螺儀本身，提出一種適用于SERF原子自旋陀螺儀的快速、原位、高精度三軸剩余磁場補償方法，本方將為SERF原子自旋陀螺儀提升靈敏度和降低漂移提供基礎保障，并為三軸剩余磁場的自動化補償提供理論參考和方法支撐。

本發明采用的技術方案為：一種適用于SERF原子自旋陀螺儀的三軸剩余磁場測量與補償方法，該方法包括如下步驟：

步驟(1)自旋極化的堿金屬原子通過自旋交換碰撞將惰性氣體超極化，當超極化惰性氣體的自旋極化率達到飽和態后，關閉抽運激光，實現“暗態”環境，將“暗態”定義為：在關閉抽運光的情況下，一個原子或分子不吸收或釋放光子；

步驟(2)在“暗態”環境下，當施加應用磁場的情況下，超極化的惰性氣體會繞著此應用磁場進行拉莫爾進動，且進動頻率ω與應用磁場B幅值成正比，

ω＝γⁿ|B| (1)

式中，γⁿ為核子旋磁比；

步驟(3)沿某一軸施加幅值相等方向相反的兩個應用磁場和在剩余磁場B_rem的作用下，這兩個剩余磁場分別與剩余磁場形成兩個幅值不同、方向不同的合磁場和

步驟(4)在這兩個合磁場和下，超極化惰性氣體的拉莫爾進動頻率ω-和ω+分別為：

式中，γⁿ為核子旋磁比；

步驟(5)堿金屬原子可以反映出超極化惰性氣體在兩個合磁場下的拉莫爾進動過程，一束線偏振檢測光用于探測包含惰性氣體拉莫爾進動信息的堿金屬原子，將檢測信號進行快速傅里葉變換(Fast Fourier transform，FFT)以分別提取出超極化惰性氣體在兩個合磁場下的拉莫爾進動頻率；

步驟(6)分別將提取出的超極化惰性氣體在兩個合磁場下的拉莫爾進動頻率帶入公式(1)，即可得出兩個合磁場的幅值；

步驟(7)由公式(2)和公式(3)得出的兩個合磁場幅值相減再除以2，即為此軸向上的剩余磁場幅值，

步驟(8)剩余磁場方向與合磁場幅值較大的一個同向；

步驟(9)在獲得一個軸向上的剩余磁場幅值和方向后，利用步驟1至步驟8可以獲得其它兩個軸向上的剩余磁場幅值和方向。