本發(fā)明涉及serf慣性測量，特別是一種serf慣性測量裝置電子極化率在線測量與閉環(huán)方法，通過調(diào)制抽運光在左旋圓偏振態(tài)和右旋圓偏振態(tài)之間快速切換，和電子自旋指向隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，利用抽運光出筒光強變化反映電子縱向極化率的變化情況實現(xiàn)電子縱向極化率的在線測量，并通過相位延遲量調(diào)節(jié)抽運光入筒光強，和使抽運光出筒光強峰值電壓保持不變，實現(xiàn)電子縱向極化率實時原位閉環(huán)控制。該方法實驗步驟簡便，可實現(xiàn)堿金屬原子縱向極化率的實時原位閉環(huán)控制，有助于提高原子自旋慣性測量系統(tǒng)的噪聲，提升測量靈敏度和長期穩(wěn)定性，以及提升系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的魯棒性。

背景技術(shù)：

1、serf(spin-exchange?relaxation-free，無自旋交換弛豫)原子慣性測量裝置具備實現(xiàn)超高靈敏度慣性測量的潛力，該裝置應(yīng)用于前沿基礎(chǔ)物理研究，包括暗物質(zhì)探測、奇異相互作用力的測量以及cpt(cpt，charge?conjugation,parity?and?time?reversal，電荷共軛c、宇稱變換p和時間反演t)對稱性破缺驗證等。serf原子慣性測量裝置集成的高精度陀螺儀兼具精度高、體積較小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在長航時高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，對于國防安全具有重大意義。

2、在serf原子自旋慣性測量裝置中，堿金屬電子自旋極化率的波動引入極化噪聲，影響慣性測量靈敏度；同時作為測量系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的一階誤差項，堿金屬電子自旋極化率的波動是造成系統(tǒng)零偏不穩(wěn)定性的主要因素，因此需要實現(xiàn)堿金屬原子極化率的實時原位閉環(huán)控制從而提升系統(tǒng)的靈敏度與長期穩(wěn)定性。此前研究人員針對電子極化率穩(wěn)定控制提出了抽運光強穩(wěn)定系統(tǒng)，通過基于液晶相位延遲器的穩(wěn)功率系統(tǒng)對抽運光路分光的光功率進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對抽運主光路的間接控制，抑制電子極化率的波動。該方法不能實現(xiàn)原子系綜電子極化率的原位控制，且光學(xué)器件分光比受環(huán)境溫度等影響較大，控制效果有限。此外研究人員還通過鎖定電子共振峰幅值或者相位測量電子極化率，實現(xiàn)極化率閉環(huán)控制，但極化率與共振峰之間轉(zhuǎn)換系數(shù)受溫度等參數(shù)影響，且該方法需要施加的調(diào)制磁場在測量過程中可能會使系統(tǒng)弛豫。因此實現(xiàn)原子系綜電子極化率原位直接測量與閉環(huán)控制仍需進一步研究。

3、為了克服上述方法的不足，本發(fā)明則提出通過引入電光調(diào)制器(eom，electro-optic?modulators)實現(xiàn)抽運入筒圓偏振光的左、右旋調(diào)制，進而控制電子自旋在縱向反轉(zhuǎn)，通過抽運光出筒光強的變化峰值實現(xiàn)電子極化率原位在線測量。通過控制液晶相位延遲器lcvr的相位延遲量來調(diào)節(jié)抽運光入筒光強控制電子極化率穩(wěn)定(lcvr，liquidcrystal?variable?retarder，液晶相位延遲器)，從而實現(xiàn)serf慣性測量裝置電子縱向極化率原位實時閉環(huán)控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，提出一種serf慣性測量裝置電子極化率在線測量與閉環(huán)方法，能夠通過調(diào)制抽運光在左旋圓偏振態(tài)和右旋圓偏振態(tài)之間快速切換，和電子自旋指向隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，利用抽運光出筒光強變化反映電子縱向極化率的變化情況實現(xiàn)電子縱向極化率的在線測量，并通過相位延遲量調(diào)節(jié)抽運光入筒光強，和使抽運光出筒光強峰值電壓保持不變，實現(xiàn)電子縱向極化率實時原位閉環(huán)控制。該方法實驗步驟簡便，可實現(xiàn)堿金屬原子縱向極化率的實時原位閉環(huán)控制，有助于提高原子自旋慣性測量系統(tǒng)的噪聲，提升測量靈敏度和長期穩(wěn)定性，以及提升系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的魯棒性。

2、本發(fā)明技術(shù)解決方案如下：

3、一種serf慣性測量裝置電子極化率在線測量與閉環(huán)方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、步驟1，將serf慣性測量裝置中的原子氣室加熱至工作溫度；

5、步驟2，在原子氣室的抽運光入射側(cè)光路上控制所述抽運光依次形成左旋圓偏振光和右旋圓偏振光；

6、步驟3，等待抽運達到穩(wěn)態(tài)，進行三軸磁補償，使得系統(tǒng)工作在陀螺狀態(tài)下；

7、步驟4，采集抽運光出筒光功率信號在調(diào)制頻率下的峰值電壓，該峰值電壓變化反應(yīng)原子系綜電子極化率變化情況，以此實現(xiàn)電子極化率原位在線測量；

8、步驟5，以所述峰值電壓為閉環(huán)反饋量，采用比例積分微分pid控制策略產(chǎn)生控制信號，利用所述控制信號調(diào)節(jié)抽運光入筒光功率，以通過閉環(huán)控制使抽運光出筒光強峰值電壓保持不變，從而實現(xiàn)serf慣性測量裝置的電子縱向極化率的實時原位閉環(huán)控制。

9、步驟1中的原子氣室安裝在無磁電加熱烤箱內(nèi)，所述無磁電加熱烤箱放置在線圈骨架內(nèi)，線圈骨架表面為三軸磁補償線圈，所述三軸磁補償線圈外為一層錳鋅鐵氧體磁屏蔽筒，所述錳鋅鐵氧體磁屏蔽筒外是三層坡莫合金磁屏蔽筒，在所述原子氣室的抽運光輸入側(cè)，順z軸方向由抽運激光器出射，依次連接第一1/2波片、第一偏振分光棱鏡、液晶相位延遲器、第二偏振分光棱鏡、電光調(diào)制器晶體、第三偏振分光棱鏡和1/4波片，所述1/4波片連接所述原子氣室的抽運光輸入側(cè)，所述電光調(diào)制器晶體通過電光調(diào)制器控制器連接外部信號觸發(fā)器，所述原子氣室的抽運光輸出側(cè)依次通過衰減片、第一光電探測器、鎖相放大器和電控單元連接所述液晶相位延遲器，在所述原子氣室的檢測光輸入側(cè)，順x軸方向由檢測激光器出射，依次連接第二1/2波片和第四偏振分光棱鏡，所述第四偏振分光棱鏡連接所述原子氣室的檢測光輸入側(cè)，所述原子氣室的檢測光輸出側(cè)依次通過第三1/2波片和第二光電探測器連接上位機。

10、步驟2中包括將抽運光頻率鎖定在k原子吸收峰d1線，將脈沖方波電壓施加給電光調(diào)制器，所述脈沖方波電壓的低電平電壓為0，高電平電壓為電光調(diào)制器的半波電壓且低電平電壓信號占空比大于高電平電壓信號占空比，脈沖低電平持續(xù)期間對應(yīng)所述左旋圓偏振光，脈沖高電平持續(xù)期間對應(yīng)所述右旋圓偏振光。

11、步驟4中包括以下公式：

12、

13、其中imax(z)是左旋圓偏振光作用下電子縱向極化率逐漸增大到暫穩(wěn)態(tài)時的抽運光出筒光強即最大出筒光強，i(0)是抽運光入筒處初始光強，e是自然常數(shù)，n為氣室中堿金屬的原子數(shù)密度，σp為光的吸收截面積，它表示每個原子對光子的吸收能力，即當(dāng)光子與原子相互作用時被吸收的概率，z為抽運光在原子氣室中的傳播距離，是增大到暫穩(wěn)態(tài)的左旋圓偏振光作用下電子縱向極化率，imin(z)是右旋圓偏振光作用下電子縱向極化率逐漸減小到暫穩(wěn)態(tài)時的抽運光出筒光強即最小出筒光強，是減小到暫穩(wěn)態(tài)的右旋圓偏振光作用下電子縱向極化率。

14、步驟4中包括以下公式：

15、

16、其中u是抽運光出筒光強信號的峰值電壓，kpd是光電探測器轉(zhuǎn)換系數(shù)。

17、步驟4中包括以下公式：

18、

19、其中arcsinh是雙曲正弦函數(shù)的反函數(shù)。

20、本發(fā)明的技術(shù)效果如下：本發(fā)明一種serf慣性測量裝置電子極化率在線測量與閉環(huán)方法，通過電光調(diào)制器調(diào)制抽運光在左旋圓偏振態(tài)和右旋圓偏振態(tài)之間快速切換，電子自旋指向隨之發(fā)生翻轉(zhuǎn)，縱向極化率也隨之發(fā)生變化。抽運光光吸收隨電子自旋縱向極化率的變化而變化，因此抽運光出筒光強的變化反映電子縱向極化率的變化情況。通過鎖相放大器解調(diào)脈沖調(diào)制頻率下抽運光出筒光強的峰值即實現(xiàn)serf慣性測量裝置電子縱向極化率的在線測量。通過控制液晶相位延遲器lcvr的相位延遲量來調(diào)節(jié)抽運光入筒光強，控制鎖相放大器解調(diào)得到的抽運光出筒光強峰值電壓保持不變，從而實現(xiàn)serf慣性測量裝置電子縱向極化率實時原位閉環(huán)控制。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明一種serf慣性測量裝置電子極化率在線測量與閉環(huán)方法，與此前抽運入筒前分光反饋閉環(huán)、以及鎖定電子共振峰幅值或者相位反饋實現(xiàn)極化率閉環(huán)控制等方法相比，本發(fā)明能實現(xiàn)堿金屬原子縱向極化率的實時直接測量與原位閉環(huán)控制，有助于提高原子自旋慣性測量系統(tǒng)的噪聲，提升測量靈敏度和長期穩(wěn)定性，以及提升系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的魯棒性。