阅读说明：本技术 一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法 (Closed-loop magnetic resonance method of nuclear magnetic resonance gyroscope ) 是由 汪之国 罗晖 张燚 赵洪常 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法,它利用自反馈方法实现相位闭环,同时利用放大限幅与滤波的方法获得振幅稳定的闭环激励磁场。包括采用自旋进动磁矩信号的自反馈方法实现相位闭环；利用放大限幅与滤波的方法实现激励磁场的振幅闭环；利用移相器调整闭环相位实现准确的闭环磁共振。与锁相环方法相比,其结构简单、所需元器件少带宽大响应快,与自激方法相比,其振幅稳定,零偏稳定性好,具有较好的应用前景。(The invention provides a closed-loop magnetic resonance method of a nuclear magnetic resonance gyroscope, which realizes phase closed loop by using a self-feedback method and obtains a closed-loop excitation magnetic field with stable amplitude by using an amplification amplitude limiting and filtering method. The method comprises the steps of realizing phase closed loop by adopting a self-feedback method of a spinning precession magnetic moment signal; the amplitude closed loop of the excitation magnetic field is realized by using an amplification amplitude limiting and filtering method; and the phase shifter is utilized to adjust the closed-loop phase to realize accurate closed-loop magnetic resonance. Compared with a phase-locked loop method, the phase-locked loop method has the advantages of simple structure, less required components, large bandwidth, quick response, stable amplitude, good zero bias stability and better application prospect.)

一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法

技术领域

本发明涉及基于原子自旋对角速度甚至自旋与其它物理场相互作用的高灵敏度测量，属于原子传感领域，特别涉及一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法。

背景技术

利用原子自旋（如碱金属电子自旋、惰性气体核自旋）可实现角速度等物理量的精确测量，如基于原子自旋的核磁共振陀螺兼有小体积、高精度等优点，已成为当前惯性技术领域的一个重要研究方向。

为了使核磁共振陀螺持续测量角速度，核磁共振陀螺需要采用闭环磁共振系统维持核自旋的进动。常见的闭环磁共振系统采用锁相环实现，具有频率分辨率高、激励磁场振幅稳定等优点，但其响应速度和带宽较小。另一种常用的闭环磁共振系统采用自激振荡实现，具有响应快、带宽大等优点，但其振幅稳定性差，而振幅的变化会影响核磁共振陀螺的零偏稳定性。

发明内容

本发明提出一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，它利用与自激类似的自反馈方法实现相位闭环，同时利用放大限幅与滤波的方法获得振幅稳定的闭环激励磁场。

本发明的技术方案是：一种核磁共振陀螺闭环磁共振方法，具体内容为：

1、采用自旋进动磁矩信号的自反馈方法实现相位闭环；

2、利用放大限幅与滤波的方法实现激励磁场的振幅闭环；

3、利用移相器调整闭环相位实现准确的闭环磁共振。

在一个密闭玻璃气室中，装填有过量碱金属（Rb或Cs中的至少一种）、惰性气体（3He、21Ne、83Kr、129Xe和131Xe中的一种或多种），有时还包括氮气、氢气等气体。将玻璃气室加热到合适温度（50℃-200℃范围内）使碱金属成为蒸气，然后利用与碱金属原子D1线共振的圆偏振激光使碱金属电子自旋产生极化。圆偏振激光由激光器产生，通过第二偏振器Ⅱ（3）、1/4波片（9）、后成为圆偏振激光。加热器（11）用来使玻璃气室（15）维持在合适温度从而使碱金属保持密度足够的气态。碱金属原子与惰性气体原子不停发生碰撞，通过自旋交换极化作用，惰性气体核自旋也产生极化。在z向通过第一线圈（14）施加磁场

，其大小通常在1μT-50μT之间。激光器（4）输出激光与碱金属原子D1线近共振（共振峰±20GHz），经过第一偏振器Ⅰ（2）后成为线偏振光，经反射后沿x方向通过玻璃气室（15），然后再反射到偏振分光器（6）上。从偏振分光器（6）透射的激光被平衡光电探测器（7）接收并转换为电信号。偏振分光器（6）的方位最好调整到分光输出的光强相等。平衡光电探测器（7）输出的电信号送入到信号处理系统（8），并经过处理后产生稳定磁场驱动信号和闭环共振磁场驱动信号。稳定磁场驱动信号经第一磁场驱动电路（10）后转换为电流，输入到第一线圈（14）产生稳定磁场。闭环共振磁场驱动信号经第二磁场驱动电路（12）后转换为电流，输入第二线圈（13）产生闭环共振磁场。闭环共振磁场的作用是产生磁场

，其频率为

，这里

为惰性气体的旋磁比，

为载体角速度。如果核磁共振陀螺采用

(

)种惰性气体核自旋作为工作气体，应在x方向施加

个频率的交变磁场，且满足

，

。

磁屏蔽（1）的作用是衰减外界磁场，使玻璃气室中的自旋处于比较稳定的磁场环境中。

本发明与锁相环方法相比，其结构简单、所需元器件少带宽大响应快，与自激方法相比，其振幅稳定，零偏稳定性好，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为核磁共振陀螺构成图，

图2为反馈系统框图。

具体实施方案

下面结合图1对

具体实施方式

进行详细说明。

在一个密闭玻璃气室（15）中，装填有过量碱金属（Rb或Cs中的至少一种）、惰性气体（3He、21Ne、83Kr、129Xe和131Xe中的一种或多种），有时还包括氮气、氢气等气体。将玻璃气室（15）加热到合适温度（50℃-200℃范围内）使碱金属成为蒸气，然后利用与碱金属原子D1线共振的圆偏振激光使碱金属电子自旋产生极化。圆偏振激光由激光器（5）产生，通过第二偏振器（3）、1/4波片（9）、后成为圆偏振激光。加热器（11）用来使玻璃气室（15）维持在合适温度从而使碱金属保持密度足够的气态。碱金属原子与惰性气体原子不停发生碰撞，通过自旋交换极化作用，惰性气体核自旋也产生极化。在z向通过第一线圈（14）施加磁场

，其大小通常在1μT-50μT之间。激光器（4）输出激光与碱金属原子D1线近共振（共振峰±20GHz），经过第一偏振器（2）后成为线偏振光，经反射后沿x方向通过玻璃气室（15），然后再反射到偏振分光器（6）上。从偏振分光器（6）透射的激光被平衡光电探测器（7）接收并转换为电信号。偏振分光器（6）的方位最好调整到分光输出的光强相等。图中磁屏蔽（1）的作用是衰减外界磁场，使玻璃气室中的自旋处于比较稳定的磁场环境中。平衡光电探测器（7）输出的电信号送入到信号处理系统（8），并经过处理后产生稳定磁场驱动信号和闭环共振磁场驱动信号。稳定磁场驱动信号经第一磁场驱动电路（10）后转换为电流，输入到第一线圈（14）产生稳定磁场。闭环共振磁场驱动信号经第二磁场驱动电路（12）后转换为电流，输入第二线圈（13）产生闭环共振磁场。闭环共振磁场的作用是产生磁场，其频率为

，这里

为惰性气体的旋磁比，

为载体角速度。如果核磁共振陀螺采用

(

)种惰性气体核自旋作为工作气体，应在x方向施加个频率的交变磁场，且满足

，

。

我们以一种惰性气体核自旋的闭环磁共振为例介绍闭环共振磁场的产生原理。为了使核自旋维持磁共振，需要采用反馈系统对核自旋系综在y向产生的磁场分量

进行探测、放大、移相、电压-电流转换，最后送入到磁场线圈产生交变磁场。

图2给出了信号处理系统（8）的一种具体实施方式。模数转换器（20）将平衡光电探测器（7）输出的电压信号转换为数字信号，并给锁相放大器（21）。经过锁相放大器（21）处理后，得到玻璃气室中核自旋产生的磁场信号，这里为磁场振幅，

为相位，为角频率。利用限幅器（22）对

进行限幅，输出信号成为

，这里为限幅器（22）设定幅度，表示方波函数，

为限幅器（22）引入的相移。限幅器可采用数字程序（如Labview程序）实现，通过对

的振幅进行判断，当

时输出

，反之输出

。限幅器（22）的输出送入到移相器（23），得到

，这里

为移相器导致的相移，然后再输入到滤波器（24）。移相器（23）可采用数字程序实现，通过一个高频时钟对限幅器的输出以频率Fs进行采样，然后经过寄存器延迟N个周期，则可延迟N/（Fs）时间，等效为相位延迟。滤波器（24）可以为低通滤波器，截止频率设置为频率为

的成分通过，频率大于

的成分截止。由于方波可以分解为

奇次谐波的叠加，通过滤波器后信号可以表示为

，

为滤波器引入的相移。移相器（23）的相位调整到

，

究竟是+还是-，根据核自旋的旋磁比来定。将滤波器（24）的输出连接到数模转换器（25），产生模拟电压信号，它输入到第二磁场驱动电路（12），驱动第二线圈（13）产生闭环共振磁场，这时核自旋系统可维持闭环磁共振。

为了提高抗噪声能力，限幅器（22）可采用迟滞比较器实现。滤波器（24）可以为带通滤波器，截止频率设置为频率为

的成分通过，频率大于

或小于1Hz的成分截止。信号处理系统（8）还可采用单片机或DSP或FPGA实现，也可采用模拟电路实现。