[发明专利]一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子陀螺仪表头，具体涉及一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，属于导航系统领域。

背景技术

定位导航是一种对运动载体实现实时定向、定位、定姿和测速，并引导其到达目的地的一门技术，能广泛应用于海、陆、空及水下、地下等领域，对于我国国民经济建设和国防建设的发展具有重要的意义。在不同的定位导航系统中，惯性定位导航是唯一的全自主、实时、连续、隐蔽、不受干扰、无时间地域和环境限制的定位导航技术，已广泛应用于飞机、舰船、导弹、测绘、交通运输、工业控制等领域。

惯性导航系统的核心部件是陀螺仪，它决定了系统的精度、成本、体积。陀螺仪作为一种测量载体惯性角速率的传感器，它能够不依赖任何外界信息而测得运动载体的角速率数据，从而解算出载体的姿态。陀螺仪按原理可分为机电式陀螺仪、光学陀螺仪、MEMS陀螺仪、原子陀螺仪等。机电式陀螺仪和光学陀螺仪具有较高的精度，但体积大、成本高；MEMS陀螺仪体积小、成本低，但精度也低。因此，传统的三种陀螺仪都不能满足大规模民用的需求，仅在一些精度要求低或昂贵的系统中使用。

20世纪60年代开始，欧美等发达国家利用核磁共振现象研制原子陀螺仪。该陀螺仪由于没有活动部件，性能由气态原子本身决定，具有耐冲击振动、启动时间短、分辨率高等突出特点，成为各国竞相研制的热点。但由于受当时工艺、技术及后来出现并迅速崛起的激光陀螺仪影响，导致原子陀螺仪仅以理论研究和实验验证为主，并未实现批量生产和广泛应用。

近年来，随着芯片原子钟技术、激光技术和微加工技术的发展，制约原子陀螺仪微型化的关键技术得到突破，原子陀螺仪重新引起了人们的研究兴趣，成为新一代高精度、小体积、低成本陀螺仪的发展方向。

核磁共振原子陀螺仪利用核磁共振现象，通过各种检测技术来测量惯性物体的角速度(图1)。当具有磁矩u的自旋原子处于磁场强度为B₀的静磁场中时，每一个自旋原子都会如陀螺一般绕着B₀矢量方向产生进动，称之为拉莫尔进动，其进动角频率ω_L称为拉莫尔频率，方向与B₀一致，其大小为：

ω_L＝γB₀ (1)

式中γ为旋磁比，为原子核特征常数，与原子核运动无关。

若核磁共振原子陀螺仪本体坐标系的z轴与B₀趋向一致，且与静磁场B₀方向相同的抽运光将原子极化后，当陀螺仪绕z轴转动，转动角速度为ω_R，通过与静磁场B₀正交的探测光强变化可以探测到的转动角速度ω_obs为：

ω_obs＝ω_L+ω_R(2)

由此可得：

ω_R＝ω_obs-ω_L＝ω_obs-γB₀(3)

由于ω_obs，γ，B₀均为已知，故测量得陀螺仪绕z轴转动的角速度ω_R。由式(3)可知，磁场B₀的波动对于核磁共振原子陀螺仪探测信号的输出有极大的影响，因此设计上一定要尽量减小磁场波动。

核磁共振原子陀螺仪由表头部分和伺服电路部分组成，其中表头部分是制约其性能、功耗和体积的主要因素。表头部分主要由激光光源、光学组件、MEMS原子泡、三轴磁场线圈、无磁电加热模块、密闭结构、磁屏组件组成。激光系统产生两束传播方向正交的激光，一束为抽运光，一束为探测光。抽运光用于极化在磁场作用下发生拉莫尔进动的原子，方向与B0相同；探测光用于检测拉莫尔进动频率。原子气泡中包含碱金属原子、稀有气体原子和缓冲气体。无磁电加热模块将MEMS原子泡稳定在特定温度值，并且产生尽可能低的磁场；磁屏组件用于屏蔽外界的磁场波动。传统的MEMS原子泡为手工吹制玻璃泡。需要特别指出的是国内目前尚未原子陀螺仪原理样机，国外也仅有基于手工吹制玻璃泡的原子陀螺仪。

公开号为CN1967145A的中国发明专利公开了“一种微型原子陀螺仪”，此专利涉及的原子陀螺仪是基于冷原子干涉原理。实现冷原子干涉原子陀螺仪的前提是冷原子制备，该理论目前尚处于实验室验证阶段，尚无工程化产品出现。从目前的国内研究现状和该专利的具体描述来看，其装置至少应为数升。

发明内容