阅读说明：本技术 一种核磁共振陀螺探测系统及方法 (Nuclear magnetic resonance gyro detection system and method ) 是由 雷兴 蒋樱子 胡强 李俊 李攀 郭卫华 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：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。(The invention belongs to the field of inertial navigation, and particularly relates to a detection system and a detection method of an atomic nuclear magnetic resonance gyroscope. The nuclear magnetic resonance gyro detection system comprises a magnetic shielding system, an atomic gas chamber, a non-magnetic heating system, a circular polarization pumping light path and two linear polarization detection light paths. The non-magnetic heating system is arranged on the surface of the atomic gas chamber, and the non-magnetic heating system and the magnetic shielding system are arranged in the magnetic shielding system, wherein the two lines of polarized detection light paths are respectively received by the detector after orthogonally passing through the atomic gas chamber, and the difference detection system is used for carrying out signal processing to obtain a gyro signal. The invention provides a method for extracting the nuclear magnetic resonance gyroscope by using an orthogonal detection scheme, which can effectively improve the extraction of the transverse magnetic moment signal of the inert gas, inhibit the coupling between different axial signals and realize the accurate measurement of the nuclear magnetic resonance gyroscope signal. In addition, the invention does not need to require the amplitude of the sinusoidal component of the gyro signal to be zero, is easy to realize and is simple and feasible.)

一种核磁共振陀螺探测系统及方法

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。

所述差分探测系统包括偏振分光棱镜、两个滤光片、两个探测器，其中，偏振分光棱镜接收从原子气室出射的光束并分成光强相等的两路，并分别经过滤光片由探测器接收。

所述滤光片相对于光路倾斜设置。

所述探测器连接信号处理模块，所述信号处理模块包括两个信号输入端、两个参考信号端、两个乘法器、两个滤波器、加法器、减法器及两个信号输出端，其中，两个信号输入端分别与两个参考信号端连接到各自乘法器上，乘法器连接滤波器，两个滤波器输出分别连接加法器和减法器并输出，其中，两个信号输入端分别为两路线偏振探测光路的差分探测系统所输出的差分探测信号。

一种核磁共振陀螺探测方法，从抽运光垂直方向横向注入两束正交的线偏振探测光，采用正交解调的方式差分提取惰性气体磁矩。

所述的核磁共振陀螺探测方法，过程如下：两束正交的线偏振探测光分别进入原子气室，并与原子气室中的碱金属相互作用，使得各自偏振方向发生改变，并分别被差分探测系统所接收后，再由信号处理模块对两路差分探测信号输出进行正交解调处理，实现对惰性气体磁矩的提取，实现对陀螺信号的检测。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

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。

本发明提出关于正交探测方案的数据处理方案，对实现核磁共振陀螺的性能具有重要意义。

附图说明

图1为本方案提出的核磁共振陀螺方案；

图2是数据具体处理流程；

图中的部件用数字表示

1-探测光源、2-准直透镜、3-透反镜、4-第一反射镜、5-第二反射镜、6-横向振荡磁场组、7-第一偏振分光棱镜、8-第一滤光片、9-第一探测器、10、第二滤光片、11-第二探测器、12-第二偏振分光棱镜、13-第三滤光片、14-第三探测器、15-第四滤光片、16-第四探测器、17-磁屏蔽系统、18-原子气室系统、19-无磁加热系统；

20-x轴测量输入信号、21-y轴测量输入信号、22-第一调制解调信号、23-第二调制解调信号、24-第一乘法器、25-第二乘法器、26-第一滤波器、27-第二滤波器、28-第一加法器、29-第一减法器、30-第一增益因子、31-第二增益因子、32-第二加法器、33-第二减法器、34-Y轴磁场信号输出端口、31-x轴磁场信号输出端口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

请参阅图1，z轴垂直直面向外，在该方向上存在频率为所涉碱金属D1线频率的圆偏振抽运光以及静态磁场线圈，该线圈可为亥姆霍兹线圈对，亦可为同轴螺线圈。检测光源1经准直透镜2之后发出线偏振光，其频率为所涉碱金属D2线频率。检测光经分束镜3分为两束光强相等的偏振光，其中一路依次穿过磁屏蔽系统17，原子气室18，被第一探测器9，第二探测器11所接收，探测器9，11，第一偏振分光棱镜7以及滤光片8，10组成差分探测系统，用于抑制探测光自身光强抖动产生的测量干扰。被分束镜3反射的另一路探测光经过第一反射镜4、第二反射镜5之后进入磁屏蔽系统17，依次穿过横向振荡磁场8，无磁加热系统19，原子气室18之后穿出磁屏蔽系统17，而后被第三探测器14以及第四探测器16接收，探测器14，16，第二偏振分光棱镜12以及滤光片13，16组成差分探测系统，用于抑制探测光自身光强抖动产生的测量干扰。其中所涉滤光片均倾斜放置以消除避免散射光重新进入气室限制陀螺精度提升。

在图2中，将差分之后测量到的x，y轴信号通过输入端口20，21进入数据处理系统。第一参考信号22，第二参考信号23分别对两路信号进行解调，两路参考信号频率相同，相位严格正交，利用低通滤波器26，27对解调信号滤波，随后在28-第一加法器、29-第二减法器中进行相加，相减处理，对处理之后的信号通过特定的增益因子处理之后，在30-第二加法器、31-第二减法器中再次相加、相减，随后输出，实现x，y轴磁场之间的解偶，提升陀螺信号信噪比。

该方法基于以下原理：在原子气室中，惰性气体进动磁矩产生的宏观磁场会影响碱金属对探测光(碱金属D2线频率，线偏振)的偏振方向的改变，从抽运光垂直方向横向注入两束正交的探测光，有利于剔除测量结果惰性气体正交轴方向磁矩之间的串扰，提升信号检测信噪比。

下面给出本发明核磁共振陀螺探测方法的信号处理过程：

根据原子与光之间相互作用，从X，Y方向分别提取的信号为：

表示n阶贝塞尔函数，为简要起见，下文中以J_n代替

上式中Sig_x，Sig_y分别表示直接测量到的x轴，y轴信号，B_x，B_y则分别表示陀螺x，y轴磁场，当共振磁场施加于x轴时，B_x为共振磁场与惰性气体磁矩x轴分量，B_y为惰性气体磁矩y轴分量，γ_Alkali为碱金属磁旋比，B_c为载波磁场幅值，ω_c为载波磁场频率。由式1)、2)可见之间测量信号内包含x，y信号的串扰，无法直接得到惰性气体磁矩，需采取进一步处理实现x，y轴磁场信号的解调。

利用同频信号cos(ω_ct+θ)，sin(ω_ct+θ)对其公式(1)，(2)中的一次谐波进行解调，其中θ为系统延迟导致解调信号调制信号之间的相位失匹配。公式(1)利用cos(ω_ct+θ)解调经过低通之后输出为：

Sig'_x＝KJ₁(-B_y(J₂+J₀)cosθ+B_x(J₂-J₀)sinθ) (3)

公式(2)利用sin(ω_ct+θ)解调经过低通之后输出为：

Sig'_y＝KJ₁(B_x(J₂+J₀)sinθ-B_y(J₂-J₀)cosθ) (4)

将解调之后的结果作差有：

A＝(4)+(5)＝2KJ₁(-B_yJ₂cosθ+B_xJ₂sinθ) (5)

将解调之后的结果作和有：

B＝(4)-(5)＝2KJ₁(-B_yJ₀cosθ-B_xJ₀sinθ) (6)

调整A，B增益如下:

经过从式1)～式7)的处理，实现了对B_x，B_y信号的分离，当振荡磁场施加在x轴时，陀螺信号则选择y轴信号，此时振荡磁场最终陀螺信号的影响最低。整个过程无需要求调整参考信号相位使其严格对准，而仅仅通过正交解调即可得实现x，y轴磁场的解偶，因此简单易于实现，具有较大的实际应用价值。