[發(fā)明專利]一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811186728.2
• 申請(qǐng)日: 2018-10-12
• 公開（公告）號(hào): CN109373989B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 房建成;姜麗偉;全偉;劉剛;范文峰;劉峰;梁逸翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/60
• 分類號(hào): G01C19/60
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;賈玉忠

本發(fā)明公開了一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法，該方法首先測(cè)量陀螺儀橫向交流磁場(chǎng)響應(yīng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，找到堿金屬電子共振峰對(duì)應(yīng)的共振頻率和共振相位，然后通過頻率閉環(huán)方式或相位閉環(huán)方式動(dòng)態(tài)調(diào)整縱向補(bǔ)償偏置磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)控制堿金屬電子共振峰保持不變，使堿金屬電子感受的縱向磁場(chǎng)恒定，從而實(shí)現(xiàn)核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)的閉環(huán)控制。本發(fā)明可降低縱向環(huán)境磁場(chǎng)和惰性氣體核子縱向磁場(chǎng)波動(dòng)對(duì)堿金屬電子的影響，抑制SERF原子自旋陀螺雙軸角速率測(cè)量的信號(hào)波動(dòng)和耦合誤差，提高陀螺儀的精度和刻度系數(shù)線性度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法，屬于SERF原子自旋陀螺精密閉環(huán)操控領(lǐng)域，可用于提高SERF原子自旋陀螺的精度和刻度系數(shù)線性度。

背景技術(shù)

陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器，決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的總體性能。隨著量子操控技術(shù)的快速發(fā)展，原子陀螺成為新一代陀螺儀的重要發(fā)展方向。其中，無自旋交換弛豫(Spin-exchange relaxation-free，SERF)原子自旋陀螺具有超高的極限精度和易于集成等優(yōu)勢(shì)，成為原子陀螺儀的研究熱點(diǎn)。SERF原子自旋陀螺通常在抽運(yùn)激光方向(縱向)施加偏置補(bǔ)償磁場(chǎng)來抵消惰性氣體核子和堿金屬電子產(chǎn)生的縱向等效磁場(chǎng)，操控堿金屬原子工作在弱磁場(chǎng)條件下，從而有效降低自旋交換弛豫率，提高測(cè)量靈敏度。需施加的補(bǔ)償磁場(chǎng)稱為核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)，是SERF原子自旋陀螺實(shí)現(xiàn)精密慣性測(cè)量的工作點(diǎn)。但是，目前核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)工作在開環(huán)狀態(tài)，堿金屬感受的磁場(chǎng)易受縱向外界環(huán)境磁場(chǎng)和惰性氣體核子縱向磁場(chǎng)波動(dòng)的影響，從而引入陀螺漂移；此外，SERF原子自旋陀螺是一種雙軸陀螺儀，核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)波動(dòng)還會(huì)引起雙軸角速率測(cè)量耦合系數(shù)波動(dòng)，引入耦合誤差，降低刻度系數(shù)線性度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法，對(duì)自補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行閉環(huán)控制，有效降低縱向磁場(chǎng)波動(dòng)對(duì)SERF原子自旋陀螺輸出信號(hào)的影響，提高陀螺儀的精度和刻度系數(shù)線性度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法，包括下列步驟：

步驟(1)、首先將SERF原子自旋陀螺固定在靜止基座上，進(jìn)行光抽運(yùn)和磁場(chǎng)補(bǔ)償后，調(diào)試至正常工作狀態(tài)，在垂直于抽運(yùn)激光方向(即橫向)施加不同頻率的交流磁場(chǎng)，測(cè)量陀螺儀橫向交流磁場(chǎng)響應(yīng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線，找到堿金屬電子共振峰對(duì)應(yīng)的共振頻率和共振相位。

步驟(2)通過閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整平行于抽運(yùn)激光方向(即縱向)補(bǔ)償偏置磁場(chǎng)，實(shí)時(shí)控制堿金屬電子共振峰的位置不變，使堿金屬電子不受縱向環(huán)境磁場(chǎng)和惰性氣體核子縱向磁場(chǎng)波動(dòng)的影響。

所述的一種SERF原子自旋陀螺核自旋自補(bǔ)償點(diǎn)閉環(huán)控制方法中鎖定堿金屬電子共振峰位置的實(shí)現(xiàn)方式包括如下兩種：

(I)頻率閉環(huán)控制方式，通過鎖相環(huán)控制橫向線圈驅(qū)動(dòng)，使SERF原子自旋陀螺橫向線圈產(chǎn)生交流驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，跟蹤堿金屬電子共振頻率，鎖相環(huán)輸出的頻率與堿金屬電子初始共振頻率比較，通過控制器控制縱向線圈驅(qū)動(dòng)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)節(jié)陀螺儀縱向線圈產(chǎn)生補(bǔ)償偏置磁場(chǎng)，使堿金屬電子共振頻率始終等于初始共振頻率，從而使堿金屬電子感受的縱向磁場(chǎng)不變；低通濾波器濾除堿金屬電子對(duì)橫向交流磁場(chǎng)的高頻響應(yīng)，可得到SERF原子自旋陀螺角速率測(cè)量信號(hào)。

(II)相位閉環(huán)控制方式，通過橫向線圈驅(qū)動(dòng)控制SERF原子自旋陀螺橫線線圈產(chǎn)生頻率為堿金屬電子初始共振頻率的交流磁場(chǎng)，調(diào)制堿金屬電子極化矢量，鎖相放大器參考驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)相位與電子共振初始相位比較，通過控制器控制縱向線圈驅(qū)動(dòng)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使陀螺儀縱向線圈產(chǎn)生補(bǔ)償偏置磁場(chǎng)，使堿金屬電子共振解調(diào)相位始終等于初始相位，從而使堿金屬電子感受的縱向磁場(chǎng)不變；低通濾波器濾除堿金屬電子對(duì)橫向交流磁場(chǎng)的高頻響應(yīng)，可得到SERF原子自旋陀螺角速率測(cè)量信號(hào)。