一種基于serf原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法
【專利摘要】一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，首先建立慣性/磁場一體化測量的整體模型；第二，制作測量敏感單元，進行高頻交流無磁電加熱；開啟驅動激光(z軸)對敏感單元進行光抽運；在其垂直方向射入檢測激光(x軸)；第三，通過三維磁補償線圈進行主動磁補償，抵消外界磁場；第四，將主磁場與驅動激光進行方位對準，超極化核子自旋，實現(xiàn)核自旋-電子自旋的強耦合；第五，采用閉環(huán)法拉第調制檢測方法，提取出檢測激光中原子自旋進動的信息，獲得慣性角速度信息；最后，獲取磁場補償信號的電流值，計算得到當前磁場信息。本發(fā)明具有測量精度高、自主性強的特點。
【專利說明】一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，可用于研究基于慣性和磁場組合的新型導航系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]國防軍事需要高精度的慣性導航與制導系統(tǒng)以及極微弱的磁場測量技術。目前，陀螺儀精度難以提高成為了制約慣導系統(tǒng)性能提高的關鍵?，F(xiàn)有的高精度陀螺儀主要有轉子陀螺儀與光學陀螺儀，但遇到了精度進一步提高的技術瓶頸。隨著量子調控技術的發(fā)展，基于SERF原子自旋效應的慣性測量裝置成為可能并得以原理驗證，已經成為下一代超高精度慣性測量設備的發(fā)展方向，其基于原子自旋的定軸性和進動性測量角運動，具有超高精度、結構簡單、體積小等優(yōu)點。微弱磁場測量需要磁強計具有超高的靈敏度。目前，應用較為廣泛的磁強計主要有磁通門磁強計、超導量子干涉磁強計和原子自旋磁強計，其中具有被動磁屏蔽系統(tǒng)的基于原子自旋效應的磁場測量裝置取得了人類目前最高的磁場測量靈敏度。而基于主動磁補償技術的無屏蔽SERF原子自旋磁強計技術也在逐漸發(fā)展。
[0003]基于SERF原子自旋效應的慣性測量裝置和磁場測量裝置具有超高的預期靈敏度，國內外多家研究機構開展了實驗研究工作，但將二者集成一體的測量技術卻未見報道。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種非屏蔽磁場下的基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，本發(fā)明具有測量精度高、自主性強的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案為:基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，其特征在于該方法首先建立慣性和磁場一體化測量的整體模型；第二，制作測量敏感單元，進行高頻交流無磁電加熱；開啟驅動激光(z軸)對敏感單元進行光抽運；在其垂直方向射入檢測激光(X軸)；第三，通過三維磁補償線圈進行主動磁補償，抵消外界磁場；第四，將主磁場與驅動激光進行方位對準，超極化核子自旋，實現(xiàn)核自旋-電子自旋的強耦合；第五，采用閉環(huán)法拉第調制檢測方法，提取出檢測激光中原子自旋進動的信息，獲得慣性角速度信息；最后，獲取磁場補償信號的電流值，計算得到當前磁場信息。具體步驟如下:
[0006]1、建立慣性/磁場一體化測量裝置的整體模型整體模型包括基于SERF原子自旋效應的慣性角速度測量模型和基于主動磁補償技術的電流反饋磁場測量模型；
[0007](I)基于SERF原子自旋效應的慣性角速度測量模型包括SERF態(tài)原子自旋動力學模型和原子自旋進動檢測模型；
[0008]在外部磁場、旋轉角速度的影響下，電子自旋和核子自旋的極化率，可運用Bloch方程組描述為:
【權利要求】
1.一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，其特征在于包括以下步驟: (1)建立慣性和磁場一體化測量的整體模型，所述整體模型包括基于SERF原子自旋效應的慣性角速度測量模型和基于主動磁補償技術的電流反饋磁場測量模型； (2)制作測量敏感單元并進行高頻交流無磁電加熱，在z軸方向放置驅動激光，并調整頻率為堿金屬原子的Dl線，對敏感單元進行光抽運，在X軸射入檢測激光，并調整頻率為堿金屬原子的D2線； (3)將步驟(2)制作的敏感單元置于三軸亥姆霍茲線圈中心，采用基于光抽運的三維磁場原位主動磁補償方法進行主動磁補償，抵消敏感單元的磁場； (4)以z軸為主磁場方向，將步驟(3)中的主磁場與步驟(2)驅動激光進行方位對準； (5)經步驟(4)主磁場與驅動激光方位對準后，X軸和y軸磁場趨近零，操縱驅動激光，主動增加一個主磁場Bz，進行核自旋超極化，實現(xiàn)核自旋-電子自旋強耦合； (6)輸入角速度，根據步驟(1)建立的基于SERF原子自旋效應的慣性角速度測量模型，采用閉環(huán)法拉第調制檢測方法，提取出檢測激光中原子自旋進動的信息，進而獲得慣性角速度；根據步驟(1)建立的基于主動磁補償技術的電流反饋磁場測量模型，得到當前載體坐標系下的磁場測量值。
2.根據權利要求1所述的一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，其特征在于:所述的步驟(1)中的基于SERF原子自旋效應的慣性角速度測量模型包含SERF態(tài)原子自旋動力學模型和原子自旋進動檢測模型: (1)SERF態(tài)原子自旋動力學模型: 在外部磁場、旋轉角速度的影響下，電子自旋和核子自旋的極化率，運用Bloch方程組描述為:
3.根據權利要求1所述的一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，其特征在于:所述的步驟(I)中的基于主動磁補償技術的電流反饋磁場測量模型如下: 采用三軸亥姆霍茲線圈作為三維磁補償的驅動器，由畢奧-薩伐爾定律有:
4.根據權利要求1所述的一種基于SERF原子自旋效應的慣性和磁場一體化測量方法，其特征在于所述的步驟(3)中的三軸主動磁補償過程如下:(1)以圓偏振光在Z軸方向入射堿金屬氣室，透過堿金屬氣室的激光，被光電探測器吸收； (2)通過X線圈嘗試產生兩個補償磁場Bc3l與Bc32,比較這兩個磁場下的輸出Ptransl Ptrans2， 若 Ptransl 比 Ptrans2 大，則Brad使剩余磁場更接近零，保留Bc3l,產生另一個Bc32并比較，保留更佳的補償磁場，直到Ptansl與Ptans2不能再分辨，定義磁補償的誤差磁場Δ Bx= (Bcxl-Bcx2) /2，最終的補償磁場 Bcx 為(Bcx1+Bcx2) /2 ； (3)通過y線圈嘗試產生兩個補償磁場Bct1與Bct2,比較這兩個磁場下的輸出Ptransl Ptrans2， 若 Ptransl 比 Ptrans2 大，則Bct1使剩余磁場更接近零，保留Bct1,產生另一個Bct2并比較，保留更佳的補償磁場，直到Ptansl與Ptans2不能再分辨，定義磁補償的誤差磁場Δ By= (Bcyl-Bcy2) /2，最終的補償磁場 Bey 為(Beyl+Bey2) /2 ； (4)通過z線圈嘗試產生兩個補償磁場Bral與Bra2,比較這兩個磁場下的輸出Ptransl Ptrans2， 若 Ptransl 比 Ptrans2 ,J、， 則Bral使剩余磁場更接近零，保留Bral，產生另一個Bra2并比較，保留更佳的補償磁場，直到Ptransl與Ptens2不能再分辨，定義磁補償的誤差磁場ABz =(Bczl-Bez2)/2，最終的補償磁場 Bcz 為(Bcz1+Bcz2)/2 ； (5)重復步驟(2)?(4)，以在自然環(huán)境磁場下找到補償點，以抵消環(huán)境磁場。
5.根據權利要求1所述的一種基于SERF原子自旋效應的慣性/磁場一體化測量方法，其特征在于:所述的步驟(4)中的采用基于光抽運的主磁場與驅動激光方位對準方法實現(xiàn)如下:. (1)通過三維磁場主動磁補償方法，將Bx、By、Bz盡可能的調節(jié)為零；主動產生一個Bz，成為主磁場； (2)在X軸施加調制磁場BxfSinω t,調節(jié)驅動激光在x軸的方位投影，直到Ptrans的輸出不再包含頻率為ω的項； (3)在y軸施加調制磁場ByfSinω t,調節(jié)驅動激光在y軸的方位投影，直到Ptrans的輸出不再包含頻率為ω的項； (4)產生不同的主磁場強度,分別在X軸施加調制磁場BxfSinω?、在y軸施加調制磁場ByfSin on，檢驗Ptons的輸出中是否包含頻率為ω的項，若無則完成對準；否則重復步驟(I)?⑷。
【文檔編號】G01C19/02GK103438877SQ201310390987
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權日:2013年9月2日
【發(fā)明者】全偉, 鄭慧婕, 房建成, 龍保華, 李洋, 劉翔, 吳雙卿 申請人:北京航空航天大學, 上海航天控制工程研究所