[发明专利]一种零偏自校准原子陀螺仪

说明书

本发明公开了本发明一种零偏自校准原子陀螺仪，包括：表头A、表头B、探测光路A、探测光路B、泵浦光路A、泵浦光路B、信号处理与控制系统、磁场驱动器A和磁场驱动器B；表头A和表头B的敏感方向同向，磁场驱动器A和磁场驱动器B依次改变表头中偏置主磁场线圈的电流方向，使得表头标度因子极性反向，信号处理与控制系统内部的零偏观测器实现表头A和表头B的零偏误差计算和主磁场的闭环稳定。本发明能够实现陀螺在动态条件下连续输出，通过计算反转前后两个表头各自双同位素对应的拉莫尔频率差之差可以精确稳定主磁场，而不受碱金属磁场和电四极矩漂移对主磁场闭环控制精度的影响。

技术领域

本发明属于原子传感器技术领域，尤其涉及原子陀螺仪。

背景技术

基于原子自旋的原子陀螺仪可以达到当前激光陀螺仪的精度水平，满足战术级精度导航控制的需求，在小型化和低成本上具有很大优势。美国专利(US4157495)介绍了一种基于核磁共振的原子陀螺，利用自旋交换极化使惰性气体原子产生宏观磁矩，在横向施加一个频率等于拉莫尔频率的交变激励磁场维持核自旋进动，横向激励磁场的频率需通过反馈使之始终等于观测的拉莫尔进动频率，观测拉莫尔频率的改变就是载体旋转的角速率。国内专利(申请号201410850412.4、申请号201410785182.8、申请号201310503732.8)基本原理都与国外专利(US4157495)相同。上述专利为了实现高精度角速率测量，采用两种核素，用以消除主磁场漂移引起的角速率漂移，采样此方法可以达到小于0.1°/h的偏置稳定性。该方法建立在两种同位素原子核附近沿敏感方向磁场相等的前提下，实际上除了主磁场B0以外，还存在碱金属原子极化产生的磁场，以及核自旋大于1/2的同位素核的电偶极矩产生的等效磁场。以129Xe、131Xe为例，对应的拉莫尔频率为：

ω₁₂₉＝B₀γ₁₂₉+δ₁₂₉S+ω_r；

ω₁₃₁＝B₀γ₁₃₁+δ₁₃₁S+ω_r+Q；

其中γ₁₂₉、γ₁₃₁分别为两种核素的旋磁比，δ₁₂₉、δ₁₃₁分别为两种核素受到的碱金属极化磁场的系数，ω₁₂₉为载体系旋转角速率，Q为131Xe电四极矩对应的等效磁场。

两种核素的拉莫尔进动频率差为：ω₁₂₉-ω₁₃₁＝(γ₁₂₉-γ₁₃₁)B₀+(δ₁₂₉-δ₁₃₁)S-Q

上式中后两项如果随时间漂移，则通过锁定差频的方式稳定B₀，该漂移量将反映在B₀补偿量中，不能实现B₀的高精度锁定。另一方面，除了B₀漂移引起的零偏误差，其他因素(碱金属场、电四极矩、系统时钟频率等)引起的零偏误差无法消除。

现有陀螺仪为了实现高精度角速率测量，通过采用两种核素用以消除主磁场漂移引起的角速率漂移，达到较好的偏置稳定性，但是两种同位素原子核附近沿敏感方向磁场相等的前提下，实际上除了主磁场以外，还存在碱金属原子极化产生的磁场，以及核自旋大于1/2的同位素核的电偶极矩产生的等效磁场，如果随时间漂移，通过锁定差频的方式稳定磁场，漂移量将出现在补偿量中，不能实现磁场的高精度锁定；此外，由其他因素(碱金属场、电四极矩、系统时钟频率等)引起的零偏误差无法消除。综上所述，现有的技术手段下，陀螺仪的零偏稳定性有待提高。

发明内容