[发明专利]一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法

说明书

技术领域

本发明旨在提出一种适用于无自旋交换弛豫(Spin exchange relaxation free，SERF)原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场测量与补偿方法，属于光学检测、磁场探测与分析技术领域。

背景技术

几年来，基于无自旋交换弛豫的原子自旋陀螺仪(以下简称SERF原子陀螺仪)得到大力发展。该类型原子陀螺仪需要工作在SERF态环境，而磁场是限制SERF态实现的关键因素之一。因此，需要尽可能将环境磁场隔离。通常情况，利用由高导磁材料制成的多层磁屏蔽桶隔离环境磁场。然而，要实现完全隔离磁场是不可能的，总有一些磁场会漏进磁屏蔽桶内，对于桶内的这一部分剩余磁场，就需要结合主动磁补偿技术进行抵消。

为确保原子陀螺仪操控在SERF态，普林斯顿大学的S.J.Seltzer和M.V.Romalis提出了一种三轴剩余磁场补偿方法。该方法需要在x、y方向施加一个小幅值的调制磁场，然后，通过调节施加在三轴线圈三个方向上的电流实现磁场归零目的。这种补偿方法操作过程较为繁琐，且在没有实现自动化补偿之前，因受人为因素影响较大补偿精度不高。北京航空航天大学的王涛提出了一种同时考虑抽运光和检测光抽运效果的三轴剩余磁场补偿方法。该方法与普林斯顿大学的方法近似，因此存在类似不足。

超极化的惰性气体，例如，³He和²¹Ne等，已被广泛应用于磁共振成像(MRI)、材料科学、以及基础科学研究等领域。由于超极化的惰性气体对磁场即为敏感，那么，基于这一特点，可以利用超极化的惰性气体来测定原子陀螺仪的三轴剩余磁场。

为解决上述问题、弥补不足，本发明提出一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场补偿方法。本发明针对原子自旋陀螺仪桶内剩余磁场影响输出信号稳定性问题，提出了基于超级化²¹Ne气体拉莫尔进动理论的三轴剩余磁场补偿方法。本发明填补了无便捷、高精度的SERF原子陀螺仪三轴剩余磁场补偿方法的缺憾，可为SERF原子自旋陀螺仪提升灵敏度和降低漂移提供基础保障，并为三轴剩余磁场的自动化补偿提供理论参考和方法支撑。

发明内容

本发明目的在于：为了弥补现有方法的不足，本发明立足于全光学SERF原子陀螺仪本身，提出一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的快速、原位、高精度三轴剩余磁场补偿方法，本方将为SERF原子自旋陀螺仪提升灵敏度和降低漂移提供基础保障，并为三轴剩余磁场的自动化补偿提供理论参考和方法支撑。

本发明采用的技术方案为：一种适用于SERF原子自旋陀螺仪的三轴剩余磁场测量与补偿方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)自旋极化的碱金属原子通过自旋交换碰撞将惰性气体超极化，当超极化惰性气体的自旋极化率达到饱和态后，关闭抽运激光，实现“暗态”环境，将“暗态”定义为：在关闭抽运光的情况下，一个原子或分子不吸收或释放光子；

步骤(2)在“暗态”环境下，当施加应用磁场的情况下，超极化的惰性气体会绕着此应用磁场进行拉莫尔进动，且进动频率ω与应用磁场B幅值成正比，

ω＝γⁿ|B| (1)

式中，γⁿ为核子旋磁比；

步骤(3)沿某一轴施加幅值相等方向相反的两个应用磁场和在剩余磁场B_rem的作用下，这两个剩余磁场分别与剩余磁场形成两个幅值不同、方向不同的合磁场和

步骤(4)在这两个合磁场和下，超极化惰性气体的拉莫尔进动频率ω-和ω+分别为：

式中，γⁿ为核子旋磁比；

步骤(5)碱金属原子可以反映出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动过程，一束线偏振检测光用于探测包含惰性气体拉莫尔进动信息的碱金属原子，将检测信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier transform，FFT)以分别提取出超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率；

步骤(6)分别将提取出的超极化惰性气体在两个合磁场下的拉莫尔进动频率带入公式(1)，即可得出两个合磁场的幅值；

步骤(7)由公式(2)和公式(3)得出的两个合磁场幅值相减再除以2，即为此轴向上的剩余磁场幅值，

步骤(8)剩余磁场方向与合磁场幅值较大的一个同向；

步骤(9)在获得一个轴向上的剩余磁场幅值和方向后，利用步骤1至步骤8可以获得其它两个轴向上的剩余磁场幅值和方向。