[发明专利]一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪

权利要求书

1.一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，包括泵浦光源(1)、光源控制单元(15)、准直透镜、起偏器(3)、1/4波片(4)、三轴磁场线圈(5)、多层磁屏蔽筒(6)、原子气室(7)、无磁恒温控制单元(11)、无磁光电探测器(9)、光电采集单元(10)、X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)、Z轴磁补偿单元(14)和反正切计算单元(16)；

泵浦光源(1)由光源控制单元(15)控制，泵浦光源(1)发射的光经第一准直透镜(2)、起偏器(3)和1/4波片(4)后，转化为圆偏振光，经过原子气室(7)，原子气室(7)由无磁恒温加热单元(11)进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室(7)后，经第二准直透镜(8)聚焦到无磁光电探测器(9)上，转换为电信号；

光电采集单元(10)获取光电探测器(9)输出的电压信号，并将信号传递给X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)可根据光电探测器(9)输出的电压信号动态调节三轴磁场线圈(5)产生的补偿磁场，使三轴磁场线圈(5)产生的磁场与原子气室(7)内部惰性气体被极化产生的磁场抵消，使陀螺转动时惰性气体极化磁场保持定轴性，此时碱金属原子探测到的总磁场接近零；通过X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)将三轴磁场线圈(5)的补偿磁场值传递给反正切计算单元(16)求得的角度值即为原子自旋陀螺仪X轴或Y轴旋转的角度。

2.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，多层磁屏蔽筒(6)内只包括一束泵浦光，不包括任何与泵浦光交叉、垂直或平行的其它光束。

3.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，泵浦光源(1)、准直透镜、起偏器(3)、1/4波片(4)、三轴磁场线圈(5)、原子气室(7)、无磁光电探测器(9)均置于多层磁屏蔽筒(6)内。

4.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，泵浦光源(1)为半导体激光器、或通过尾纤式激光器或通过光纤准直器输出的平行光束，或是采用无极放电效应的碱金属光谱灯。

5.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)通过闭环控制算法，自动调节三轴磁场线圈(5)的驱动电流，使得三轴磁场线圈(5)产生的矢量合成磁场与惰性气体被极化后产生的磁场大小相等，方向相反。

6.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，当陀螺绕X或Y轴旋转时，由于三轴磁场线圈(5)产生的抵消磁场始终与惰性气体宏观极化磁场大小相等，方向相反，此时惰性气体宏观极化磁场具有定轴性，当陀螺仪绕X/Y轴旋转时，惰性气体宏观极化磁场指向恒定不变。

7.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，将X轴补偿磁场B_x除以Z轴补偿磁场B_z得k_xz，将k_xz求反正切，可以得到陀螺仪绕Y轴旋转的角度deg_y。

8.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，将Y轴补偿磁场B_y除以Z轴补偿磁场B_z得k_yz，将k_yz求反正切，可以得到陀螺仪绕X轴旋转的角度deg_x。

9.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)驱动三轴磁场线圈(5)产生补偿磁场，补偿磁场的强度通过模拟量或者数字量表征。

10.根据权利要求1所述的一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，其特征在于，X轴磁补偿单元(12)、Y轴磁补偿单元(13)和Z轴磁补偿单元(14)，其内部组成均包括正弦信号发生器、锁相放大器、PID控制器、移项器、加法器和压控恒流源；

正弦信号发生器输出的调制信号与PID控制器输出补偿磁场信号，经加法器相加后，传递给压控恒流源，驱动磁场线圈；

锁相放大器将光电采集单元(10)作为输入，将经移项器移项后的正弦信号作为参考信号进行相敏检波，获得误差信号；将误差信号传递给PID控制器，PID控制器通过改变线圈产生磁场的大小，使得误差信号为0，此时PID控制器输出的信号即为线圈的补偿磁场信号。