[发明专利]一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法

说明书

本发明公开了一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，该方法首先测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，找到碱金属电子共振峰对应的共振频率和共振相位，然后通过频率闭环方式或相位闭环方式动态调整纵向补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰保持不变，使碱金属电子感受的纵向磁场恒定，从而实现核自旋自补偿点的闭环控制。本发明可降低纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动对碱金属电子的影响，抑制SERF原子自旋陀螺双轴角速率测量的信号波动和耦合误差，提高陀螺仪的精度和刻度系数线性度。

技术领域

本发明涉及一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，属于SERF原子自旋陀螺精密闭环操控领域，可用于提高SERF原子自旋陀螺的精度和刻度系数线性度。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器，决定了惯性导航系统的总体性能。随着量子操控技术的快速发展，原子陀螺成为新一代陀螺仪的重要发展方向。其中，无自旋交换弛豫(Spin-exchange relaxation-free，SERF)原子自旋陀螺具有超高的极限精度和易于集成等优势，成为原子陀螺仪的研究热点。SERF原子自旋陀螺通常在抽运激光方向(纵向)施加偏置补偿磁场来抵消惰性气体核子和碱金属电子产生的纵向等效磁场，操控碱金属原子工作在弱磁场条件下，从而有效降低自旋交换弛豫率，提高测量灵敏度。需施加的补偿磁场称为核自旋自补偿点，是SERF原子自旋陀螺实现精密惯性测量的工作点。但是，目前核自旋自补偿点工作在开环状态，碱金属感受的磁场易受纵向外界环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响，从而引入陀螺漂移；此外，SERF原子自旋陀螺是一种双轴陀螺仪，核自旋自补偿点波动还会引起双轴角速率测量耦合系数波动，引入耦合误差，降低刻度系数线性度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，对自补偿点进行闭环控制，有效降低纵向磁场波动对SERF原子自旋陀螺输出信号的影响，提高陀螺仪的精度和刻度系数线性度。

本发明采用的技术方案如下：一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法，包括下列步骤：

步骤(1)、首先将SERF原子自旋陀螺固定在静止基座上，进行光抽运和磁场补偿后，调试至正常工作状态，在垂直于抽运激光方向(即横向)施加不同频率的交流磁场，测量陀螺仪横向交流磁场响应的幅频特性曲线和相频特性曲线，找到碱金属电子共振峰对应的共振频率和共振相位。

步骤(2)通过闭环控制系统动态调整平行于抽运激光方向(即纵向)补偿偏置磁场，实时控制碱金属电子共振峰的位置不变，使碱金属电子不受纵向环境磁场和惰性气体核子纵向磁场波动的影响。

所述的一种SERF原子自旋陀螺核自旋自补偿点闭环控制方法中锁定碱金属电子共振峰位置的实现方式包括如下两种：

(I)频率闭环控制方式，通过锁相环控制横向线圈驱动，使SERF原子自旋陀螺横向线圈产生交流驱动磁场，跟踪碱金属电子共振频率，锁相环输出的频率与碱金属电子初始共振频率比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，调节陀螺仪纵向线圈产生补偿偏置磁场，使碱金属电子共振频率始终等于初始共振频率，从而使碱金属电子感受的纵向磁场不变；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。

(II)相位闭环控制方式，通过横向线圈驱动控制SERF原子自旋陀螺横线线圈产生频率为碱金属电子初始共振频率的交流磁场，调制碱金属电子极化矢量，锁相放大器参考驱动频率对陀螺仪输出信号进行解调，解调相位与电子共振初始相位比较，通过控制器控制纵向线圈驱动改变驱动信号，使陀螺仪纵向线圈产生补偿偏置磁场，使碱金属电子共振解调相位始终等于初始相位，从而使碱金属电子感受的纵向磁场不变；低通滤波器滤除碱金属电子对横向交流磁场的高频响应，可得到SERF原子自旋陀螺角速率测量信号。