[发明专利]一种核磁共振陀螺探测系统及方法

说明书

本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种原子核磁共振陀螺的探测系统及方法。本发明核磁共振陀螺探测系统包括磁屏蔽系统，原子气室、无磁加热系统、一路圆偏振抽运光路、两路线偏振探测光路。所述无磁加热系统设置在原子气室表面，且二者设置在磁屏蔽系统内，其中，所述两路线偏振探测光路正交穿过原子气室后分别被探测器接收，并由差分探测系统进行信号处理得到陀螺信号。本发明提出通过利用正交探测的方案进行核磁共振陀螺提取，能有效提升对惰性气体横向磁矩信号的提取，抑制不同轴信号之间的耦合，可以实现对核磁共振陀螺信号的精确测量。另外，本发明无需要求陀螺信号的正弦分量幅值为零，易于实现，简单可行。

技术领域

本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种原子核磁共振陀螺(Nuclear MagneticResonance gyroscope，or NMRG)的探测系统及方法。

背景技术

核磁共振陀螺概念起源于20世纪60年代，由于其小型化、高精度的优势近年来愈受学界的重视，其主要包括原子气室系统、光学系统、磁场系统和探测系统。其中气室系统是核磁共振陀螺核心部件。

原子气室系统内包含、碱金属原子、惰性气体、缓冲气体原子蒸汽以及若干淬灭气体。主要工作流程是通过光抽运极化碱金属原子，在经过自旋碰撞交换作用，将碱金属原子的极化状态传递给惰性气体原子使得出现惰性气体原子宏观磁矩。将气室置于静磁场中，惰性气体宏观磁矩绕静磁场进行拉莫尔进动，通过测量拉莫尔进动频率的变化获知载体转速信息。因此核磁共振陀螺关键技术又可分为1)惰性气体原子极化；2)惰性气体原子宏观进动磁矩测量。

针对惰性气体原子宏观进动磁矩测量目前通用的方案是利用气室内极化碱金属原子天然的测磁能力进行测量，该方案测量精度高，一般可达pT量级，而气室内惰性气体进动磁矩产生的磁场超过nT量级。

在垂直于抽运光与静磁场方向施加线偏振检测光，检测光经过原子气室之后偏振方向将会被惰性气体宏观磁矩调制，调制频率为拉莫尔进动频率。为提升陀螺信噪比，通常在静磁场方向施加高频载波磁场，利用相敏解调实现对陀螺信号的提取，该功能的实现主要是通过调整参考信号相位使其与直接测量信号中的x轴或者y轴磁场分量所对应的交流量相位对准，如与x轴磁场分量所对应的交流量相位对准，则可实现剔除y轴磁场，测量x轴磁场的目的，针对y轴磁场也是一样。x，y轴磁场则对应惰性气体宏观磁矩x，y分量，通过检测该分量变化周期实现对载体转速的测量。

然而这种测量方式存在以下缺点：在实际操作用中，由于存在相位延迟，很难实现相敏解调相位严格对准，导致x，y轴磁场的解偶并不彻底，陀螺信噪比难以提升，精度提升受限。

发明内容

本发明的目的是：

针对目前核磁共振陀螺测量方案中，对惰性气体磁矩测量存在误差这一现状，提出在与抽运光以及原有探测光的正交方向引入另一束探测光，采用正交解调的方式提取惰性气体磁矩的系统及方法。

本发明的技术方案：

一种核磁共振陀螺探测系统，其包括磁屏蔽系统17、原子气室18、无磁加热系统19、一路圆偏振抽运光路、两路线偏振探测光路，其中，所述无磁加热系统19设置在原子气室18表面，且二者设置在磁屏蔽系统17内，其中，所述两路线偏振探测光路正交穿过原子气室后分别被探测器接收，并由差分探测系统进行信号处理得到陀螺信号，所述一路圆偏振抽运光路垂直上述正交光束，同时垂直穿过原子气室。

所述两路线偏振探测光路由同一光源经分光镜所分成的两路正交光束或由两个独立光源所发出的正交光束构成。

所述线偏振探测光路一路包括沿光路顺次设置的检测光源1、准直透镜2、分束镜3及差分探测系统，其中，分束镜4和差分探测系统分别位于磁屏蔽系统17两侧，另一路线偏振探测光路同时包括上述部件之外，还包括两个反射镜与分束镜相匹配，实现两路线偏振探测光的正交。