[发明专利]一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪

说明书

本发明涉及一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，包括泵浦光源、光源控制单元、准直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、多层磁屏蔽筒、原子气室、无磁恒温控制单元、无磁光电探测器、光电采集单元、X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元、Z轴磁补偿单元和反正切计算单元；泵浦光源由光源控制单元控制，泵浦光源发射的光经第一准直透镜、起偏器和1/4波片后，转化为圆偏振光，经过原子气室，原子气室由无磁恒温加热单元进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室后，经第二准直透镜聚焦到无磁光电探测器上，转换为电信号。本发明可以同时实现双轴旋转角度的直接测量。

技术领域

本发明涉及一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，属于原子自旋原子陀螺 仪技术领域。

背景技术

在惯性导航技术领域，高精度、小型化、低成本的陀螺仪具有重要的研究 意义。原子自旋原子陀螺仪是一种新型原子陀螺，可以实现角速度/旋转角度的 高精度测量，理论零偏稳定性可达到10^-8°/h。

传统原子自旋陀螺仪包含两束光路，一束泵浦光用于泵浦原子气室中的碱 金属原子，如钾、铷、铯等，使碱金属原子处于极化状态，并通过自旋交换碰 撞极化气室内部的惰性气体；一束与泵浦光垂直的探测光，用于检测被极化的 惰性气体产生的磁场，并利用惰性气体极化磁场的定轴性实现旋转角速度测量。 该方案有诸多缺点，例如双光束很难保证严格垂直，进而引入测量误差；并且 探测光稳频系统尺寸大，导致陀螺体积较大，很难实现小型化集成。

在原子自旋陀螺仪闭环控制方面，传统原子自旋陀螺仪为开环测量模式， 只能敏感载体的转动角速度，并且X轴和Y轴的角速度无法区分，存在交叉耦 合问题，测量范围较小，带宽低，无法满足平台惯性系统的实际应用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种单光束双轴闭 环原子自旋陀螺仪，不存在交叉耦合问题，可以同时实现双轴旋转角度的直接 测量。

本发明解决技术的方案是：

一种单光束双轴闭环原子自旋陀螺仪，包括泵浦光源、光源控制单元、准 直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、多层磁屏蔽筒、原子气室、无磁 恒温控制单元、无磁光电探测器、光电采集单元、X轴磁补偿单元、Y轴磁补 偿单元、Z轴磁补偿单元和反正切计算单元；

泵浦光源由光源控制单元控制，泵浦光源发射的光经第一准直透镜、起偏 器和1/4波片后，转化为圆偏振光，经过原子气室，原子气室由无磁恒温加热 单元进行加热，并使碱金属原子气化，极化惰性气体原子，光透过原子气室后， 经第二准直透镜聚焦到无磁光电探测器上，转换为电信号；

光电采集单元获取光电探测器输出的电压信号，并将信号传递给X轴磁补 偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单 元和Z轴磁补偿单元可根据光电探测器输出的电压信号动态调节三轴磁场线圈 产生的补偿磁场，使三轴磁场线圈产生的磁场与原子气室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、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补 偿单元将三轴磁场线圈的补偿磁场值传递给反正切计算单元求得的角度值即为 原子自旋陀螺仪X轴或Y轴旋转的角度。

进一步的，多层磁屏蔽筒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。

进一步的，泵浦光源、准直透镜、起偏器、1/4波片、三轴磁场线圈、原 子气室、无磁光电探测器均置于多层磁屏蔽筒内。

进一步的，泵浦光源为半导体激光器、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。

进一步的，X轴磁补偿单元、Y轴磁补偿单元和Z轴磁补偿单元通过闭环 控制算法，自动调节三轴磁场线圈的驱动电流，使得三轴磁场线圈产生的矢量 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。