本發(fā)明涉及一種原子陀螺儀表頭，具體涉及一種芯片級(jí)核磁共振原子陀螺儀表頭，屬于導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
定位導(dǎo)航是一種對(duì)運(yùn)動(dòng)載體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定向、定位、定姿和測速，并引導(dǎo)其到達(dá)目的地的一門技術(shù)，能廣泛應(yīng)用于海、陸、空及水下、地下等領(lǐng)域，對(duì)于我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)的發(fā)展具有重要的意義。在不同的定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣性定位導(dǎo)航是唯一的全自主、實(shí)時(shí)、連續(xù)、隱蔽、不受干擾、無時(shí)間地域和環(huán)境限制的定位導(dǎo)航技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、測繪、交通運(yùn)輸、工業(yè)控制等領(lǐng)域。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件是陀螺儀，它決定了系統(tǒng)的精度、成本、體積。陀螺儀作為一種測量載體慣性角速率的傳感器，它能夠不依賴任何外界信息而測得運(yùn)動(dòng)載體的角速率數(shù)據(jù)，從而解算出載體的姿態(tài)。陀螺儀按原理可分為機(jī)電式陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、MEMS陀螺儀、原子陀螺儀等。機(jī)電式陀螺儀和光學(xué)陀螺儀具有較高的精度，但體積大、成本高；MEMS陀螺儀體積小、成本低，但精度也低。因此，傳統(tǒng)的三種陀螺儀都不能滿足大規(guī)模民用的需求，僅在一些精度要求低或昂貴的系統(tǒng)中使用。20世紀(jì)60年代開始，歐美等發(fā)達(dá)國家利用核磁共振現(xiàn)象研制原子陀螺儀。該陀螺儀由于沒有活動(dòng)部件，性能由氣態(tài)原子本身決定，具有耐沖擊振動(dòng)、啟動(dòng)時(shí)間短、分辨率高等突出特點(diǎn)，成為各國競相研制的熱點(diǎn)。但由于受當(dāng)時(shí)工藝、技術(shù)及后來出現(xiàn)并迅速崛起的激光陀螺儀影響，導(dǎo)致原子陀螺儀僅以理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為主，并未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。近年來，隨著芯片原子鐘技術(shù)、激光技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，制約原子陀螺儀微型化的關(guān)鍵技術(shù)得到突破，原子陀螺儀重新引起了人們的研究興趣，成為新一代高精度、小體積、低成本陀螺儀的發(fā)展方向。核磁共振原子陀螺儀利用核磁共振現(xiàn)象，通過各種檢測技術(shù)來測量慣性物體的角速度(圖1)。當(dāng)具有磁矩u的自旋原子處于磁場強(qiáng)度為B0的靜磁場中時(shí)，每一個(gè)自旋原子都會(huì)如陀螺一般繞著B0矢量方向產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，稱之為拉莫爾進(jìn)動(dòng)，其進(jìn)動(dòng)角頻率ωL稱為拉莫爾頻率，方向與B0一致，其大小為：ωL＝γB0(1)式中γ為旋磁比，為原子核特征常數(shù)，與原子核運(yùn)動(dòng)無關(guān)。若核磁共振原子陀螺儀本體坐標(biāo)系的z軸與B0趨向一致，且與靜磁場B0方向相同的抽運(yùn)光將原子極化后，當(dāng)陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ωR，通過與靜磁場B0正交的探測光強(qiáng)變化可以探測到的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ωobs為：ωobs＝ωL+ωR(2)由此可得：ωR＝ωobs-ωL＝ωobs-γB0(3)由于ωobs，γ，B0均為已知，故測量得陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ωR。由式(3)可知，磁場B0的波動(dòng)對(duì)于核磁共振原子陀螺儀探測信號(hào)的輸出有極大的影響，因此設(shè)計(jì)上一定要盡量減小磁場波動(dòng)。核磁共振原子陀螺儀由表頭部分和伺服電路部分組成，其中表頭部分是制約其性能、功耗和體積的主要因素。表頭部分主要由激光光源、光學(xué)組件、MEMS原子泡、三軸磁場線圈、無磁電加熱模塊、密閉結(jié)構(gòu)、磁屏組件組成。激光系統(tǒng)產(chǎn)生兩束傳播方向正交的激光，一束為抽運(yùn)光，一束為探測光。抽運(yùn)光用于極化在磁場作用下發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)的原子，方向與B0相同；探測光用于檢測拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率。原子氣泡中包含堿金屬原子、稀有氣體原子和緩沖氣體。無磁電加熱模塊將MEMS原子泡穩(wěn)定在特定溫度值，并且產(chǎn)生盡可能低的磁場；磁屏組件用于屏蔽外界的磁場波動(dòng)。傳統(tǒng)的MEMS原子泡為手工吹制玻璃泡。需要特別指出的是國內(nèi)目前尚未原子陀螺儀原理樣機(jī)，國外也僅有基于手工吹制玻璃泡的原子陀螺儀。公開號(hào)為CN1967145A的中國發(fā)明專利公開了“一種微型原子陀螺儀”，此專利涉及的原子陀螺儀是基于冷原子干涉原理。實(shí)現(xiàn)冷原子干涉原子陀螺儀的前提是冷原子制備，該理論目前尚處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，尚無工程化產(chǎn)品出現(xiàn)。從目前的國內(nèi)研究現(xiàn)狀和該專利的具體描述來看，其裝置至少應(yīng)為數(shù)升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種芯片級(jí)核磁共振原子陀螺儀表頭，本發(fā)明基于核磁共振原理，與公開號(hào)為CN1967145A的“一種微型原子陀螺儀”有本質(zhì)區(qū)別，最主要解決現(xiàn)有原子陀螺儀表頭體積大、磁場波動(dòng)大、測量精度不高的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種芯片級(jí)核磁共振原子陀螺儀表頭，包括密閉結(jié)構(gòu)，位于密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的激光光源、光學(xué)組件、光電探測器件、MEMS原子泡，所述激光光源為兩個(gè)，光學(xué)組件也為兩個(gè)，并分別位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光學(xué)組件下方，光電探測器件為兩個(gè)，其中一個(gè)位于MEMS原子泡玻璃下方并位于其中一個(gè)激光光源正下方，另一個(gè)位于MEMS原子泡玻璃上方，所述MEMS原子泡玻璃內(nèi)設(shè)有兩個(gè)硅基反射面，所述其中一個(gè)激光光源所產(chǎn)生的光束經(jīng)過其中一個(gè)硅基反射面后反射至另一個(gè)硅基反射面后反射至另一個(gè)光電探測器件。具體地，所述兩個(gè)激光光源分別為抽運(yùn)光源、檢測光源，所述抽運(yùn)光源所產(chǎn)生的光束以法線方向入射并依次經(jīng)過光學(xué)組件、MEMS原子泡玻璃至其中一個(gè)光電探測器件，所述檢測光源所產(chǎn)生的光束以法線方向入射并依次經(jīng)過光學(xué)組件、其中一個(gè)硅基反射面后與來自所述抽運(yùn)光源的光束正交，然后通過另一個(gè)硅基反射面后正交反射至另一個(gè)光電探測器件；所述兩個(gè)激光光源由一個(gè)特定波長的縱腔面發(fā)射激光管分束產(chǎn)生，或由兩個(gè)特定波長的縱腔面發(fā)射激光管分別產(chǎn)生?？v腔面發(fā)射激光管波長由MEMS原子泡內(nèi)沖入的堿金屬元素類型確定。進(jìn)一步地，所述光學(xué)組件包括透鏡、偏振片或衰減片、1/4波片。光學(xué)組件使得激光源發(fā)出的光束變?yōu)橐欢ü鈴?qiáng)、平行出射的圓偏光，并滿足光束的入射和出射方向。更進(jìn)一步地，所述MEMS原子泡玻璃內(nèi)包含由堿金屬元素、惰性氣體組成的MEMS原子泡。所述MEMS原子泡玻璃與硅基反射面通過陽極鍵合工藝組裝。再進(jìn)一步地，所述MEMS原子泡玻璃的上下兩面均設(shè)有無磁電加熱模塊。無磁電加熱模塊的作用是將MEMS原子泡控溫到一定溫度，一般情況下約為100℃，并且加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場應(yīng)盡可能的小，以減小其抖動(dòng)對(duì)陀螺儀指標(biāo)的影響。一般情況下，加熱模塊包括加熱部分和感溫部分，且加熱部分和感溫部分都應(yīng)采用雙繞線的方式，加熱部分可采用電鍍銦錫氧化物(ITO)薄膜或粘接軟加熱薄膜的工藝制成。再進(jìn)一步地，所述密閉結(jié)構(gòu)外還纏繞有三軸磁場線圈。所述密閉結(jié)構(gòu)外并位于三軸磁場線圈外還設(shè)有磁屏組件。三軸磁場線圈產(chǎn)生繞X軸，Y軸和Z軸三個(gè)軸的磁場，用于抵消MEMS原子泡處的干擾磁場，即實(shí)現(xiàn)主動(dòng)磁補(bǔ)償，降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響。磁屏組件的作用是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)磁補(bǔ)償，以降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響。另外，所述密閉結(jié)構(gòu)為真空密閉結(jié)構(gòu)，并采用非金屬材料制作而成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：(1)本發(fā)明的硅基反射面在MEMS原子氣泡的硅基上刻蝕出反射面，其中一個(gè)硅基反射面使得檢測光束與抽運(yùn)光束正交，然后經(jīng)過另一硅基反射面再將檢測光束反射至另一個(gè)光電探測器件。這樣可以避免采用額外光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)檢測光束與抽運(yùn)光束正交，極大的減小了原子陀螺儀物理系統(tǒng)的體積；(2)本發(fā)明的密閉結(jié)構(gòu)將激光光源、光學(xué)組件、光電探測器件、MEMS原子泡組裝密閉起來，同時(shí)也是三軸磁場線圈的載體。密閉結(jié)構(gòu)用非金屬材料制成，同時(shí)為真空封裝，非金屬材料不會(huì)被磁化，無干擾磁場，真空封裝無空氣對(duì)流，可提高M(jìn)EMS原子泡的溫度穩(wěn)定性，真空封裝下MEMS原子泡加熱到同樣的溫度加熱電流比非真空條件下要小得多，這可以降低加熱電流引起的干擾磁場；(3)本發(fā)明的無磁電加熱模塊將MEMS原子泡控溫到一定溫度，一般情況下約為100℃，并且加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場很小，減小了抖動(dòng)對(duì)陀螺儀指標(biāo)的影響；(4)本發(fā)明的三軸磁場線圈產(chǎn)生繞X軸、Y軸和Z軸三個(gè)軸的磁場，用于抵消MEMS原子泡處的干擾磁場，即實(shí)現(xiàn)主動(dòng)磁補(bǔ)償，降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響；(5)本發(fā)明的磁屏組件實(shí)現(xiàn)被動(dòng)磁補(bǔ)償，以降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響；(6)本發(fā)明結(jié)構(gòu)特殊，解決了現(xiàn)有陀螺儀表頭磁場波動(dòng)大、測量精度不高的問題，并且體積小，應(yīng)用廣泛。附圖說明圖1為核磁共振原子陀螺儀工作原理圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖中附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的零部件名稱為：1-激光光源，2-光學(xué)組件，3-無磁電加熱模塊，4-MEMS原子泡玻璃，5-硅基反射面，6-光電探測器件，7-密閉結(jié)構(gòu)，8-三軸磁場線圈，9-磁屏組件。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。實(shí)施例如圖2所示，一種芯片級(jí)核磁共振原子陀螺儀表頭，包括密閉結(jié)構(gòu)7，位于密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的激光光源1、光學(xué)組件2、光電探測器件6、MEMS原子泡玻璃4、無磁電加熱模塊，所述激光光源為兩個(gè)，分別為抽運(yùn)光源、檢測光源，光學(xué)組件也為兩個(gè)并分別位于激光光源下方，MEMS原子泡玻璃位于光學(xué)組件下方，光電探測器件為兩個(gè)，其中一個(gè)位于MEMS原子泡玻璃下方并位于抽運(yùn)光源正下方，另一個(gè)位于MEMS原子泡玻璃上方，MEMS原子泡玻璃上下兩面均設(shè)有無磁電加熱模塊3，MEMS原子泡玻璃內(nèi)設(shè)有兩個(gè)硅基反射面5，兩個(gè)硅基反射面均呈45°并相對(duì)設(shè)置，一個(gè)硅基反射面位于檢測光源正下方，另一個(gè)硅基反射面位于另一個(gè)光電探測器件正下方，檢測光源所產(chǎn)生的光束以法線方向入射并依次經(jīng)過光學(xué)組件、無磁電加熱模塊、其中一個(gè)硅基反射面后正交反射至另一個(gè)硅基反射面，然后正交反射至另一個(gè)光電探測器件；抽運(yùn)光源所產(chǎn)生的光束以法線方向入射并依次經(jīng)過光學(xué)組件、無磁電加熱模塊、MEMS原子泡玻璃至其中一個(gè)光電探測器件。在本實(shí)施例中，抽運(yùn)光源和檢測光源由一個(gè)特定波長的縱腔面發(fā)射激光管分束產(chǎn)生，或由兩個(gè)特定波長的縱腔面發(fā)射激光管分別產(chǎn)生。縱腔面發(fā)射激光管的波長由MEMS原子泡內(nèi)充入的堿金屬元素類型確定，例如，若堿金屬為銣87，則波長為780nm或795nm；若堿金屬為銫133，則波長為852nm或894nm。在本實(shí)施例中，密閉結(jié)構(gòu)外還纏繞有三軸磁場線圈8，所述密閉結(jié)構(gòu)外并位于三軸磁場線圈外還設(shè)有磁屏組件9。三軸磁場線圈產(chǎn)生繞X軸，Y軸和Z軸三個(gè)軸的磁場，用于抵消MEMS原子泡處的干擾磁場，即實(shí)現(xiàn)主動(dòng)磁補(bǔ)償，降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響。磁屏組件的作用是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)磁補(bǔ)償，以降低環(huán)境磁場對(duì)陀螺儀輸出的影響。密閉結(jié)構(gòu)將激光光源、光學(xué)組件、光電探測器件、MEMS原子泡組裝密閉起來，同時(shí)也是三軸磁場線圈的載體。密閉結(jié)構(gòu)用非金屬材料制成，同時(shí)為真空封裝，這樣有三個(gè)好處：1)非金屬材料不會(huì)被磁化，無干擾磁場；2)真空封裝無空氣對(duì)流，可提高M(jìn)EMS原子泡的溫度穩(wěn)定性；3)真空封裝下MEMS原子泡加熱到同樣的溫度加熱電流比非真空條件下要小得多，這可以降低加熱電流引起的干擾磁場。光學(xué)組件包括透鏡、偏振片或衰減片、1/4波片。光學(xué)組件使得激光光源發(fā)出的光束變?yōu)橐欢ü鈴?qiáng)、平行出射的圓偏光，并滿足如圖2圖示的入射和出射方向。無磁電加熱模塊的作用是將MEMS原子泡控溫到一定溫度，一般情況下約為100℃，并且加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場應(yīng)盡可能的小，以減小其抖動(dòng)對(duì)陀螺儀指標(biāo)的影響。一般情況下，無磁電加熱模塊包括加熱部分和感溫部分，加熱部分和感溫部分都應(yīng)采用雙繞線的方式，加熱部分可采用電鍍銦錫氧化物(ITO)薄膜或粘接軟加熱薄膜的工藝制成。MEMS原子泡玻璃內(nèi)包含由堿金屬元素、惰性氣體組成的MEMS原子泡。所述MEMS原子泡玻璃與硅基反射面通過陽極鍵合工藝組裝。MEMS原子泡玻璃上層為檢測光束的輸入/輸出面和抽運(yùn)光束的輸入面，MEMS原子泡玻璃下層為抽運(yùn)光束的輸出面。硅基反射面在MEMS原子氣泡的硅基上刻蝕出反射面，其中一個(gè)硅基反射面使得檢測光束與抽運(yùn)光束正交，然后經(jīng)過另一硅基反射面再將檢測光束反射至另一個(gè)光電探測器件。這樣可以避免采用額外光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)檢測光束與抽運(yùn)光束正交，極大的減小了原子陀螺儀物理系統(tǒng)的體積。光電探測器件用以探測激光光源產(chǎn)生的抽運(yùn)光束和檢測光束信號(hào)，通過二次解調(diào)檢測光信號(hào)，可以獲得載體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信息。利用探測得的抽運(yùn)光的多普勒背景吸收峰穩(wěn)定激光光源的頻率和功率。光電探測器件可采用光電池或光電二極管。按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。值得說明的是，基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，為解決同樣的技術(shù)問題，即使在本發(fā)明上做出的一些無實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)或潤色，所采用的技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)仍然與本發(fā)明一樣，故其也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。