一种SERF原子自旋陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法技术

一种SERF原子自旋陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，在x轴施加一个数倍于电子共振频率的正弦调制磁场，将系统输出信号分成两路，一路输入低通滤波器，用于输出角速度响应信号，另一路接入锁相放大器进行相位解调，相位解调结果反馈至控制器，从而实现对纵轴磁场的闭环控制。该方法既实现了角速度和纵轴磁场的解耦测量，又实现了纵轴磁场的原位测量。通过解调相位来建立和纵轴磁场的映射关系，理论上不受抽运激光功率、检测激光功率、温度等其他参数影响。而且施加的调制频率高于电子共振频率时，可以降低调制磁场导致的电子自旋交换弛豫率，从而保证了施加调制磁场时与无调制状态相同，并且显著提高了陀螺仪标度因数的重复性、非线性度以及零偏稳定性。性度以及零偏稳定性。性度以及零偏稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种SERF原子自旋陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法


[0001]本专利技术涉及一种SERF原子自旋陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，属于陀螺仪参数闭环控制


技术介绍

[0002]基于无自旋交换弛豫(Spin
‑
Exchange Relaxation
‑
Free，SERF)的原子自旋陀螺仪具有超高的理论角速度测量灵敏度，其理论精度可达10
‑6°
/h量级，理论极限精度远超其它类型陀螺仪，是新一代运动载体用超高精度惯性导航的重要发展方向之一。
[0003]从SERF原子自旋陀螺仪原理来看，磁场和惯性输入均会引起陀螺仪输出响应。因此，环境磁场变化等因素会导致原子感受到的磁场漂移，最终影响陀螺仪输出稳定性。具体到纵轴方向磁场漂移，不仅会加剧电子自旋交换弛豫率，还会直接降低陀螺仪标度因数的重复性，从而最终使得陀螺仪零偏稳定性变差，这极大限制了SERF原子自旋陀螺仪的指标的提升。对于追求长期稳定性性能指标的SERF原子自旋陀螺仪，如何实现磁场的原位测量，并通过闭环控制抑制磁场漂移，已经成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：针对SERF原子自旋惯性测量系统中纵轴(z轴)磁场漂移问题，提供一种SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，在横轴方向(x轴)施加一个数倍于电子共振频率的正弦调制磁场，可以通过检测信号的直流量实现对角速度的测量，同时利用锁相放大器对系统检测信号进行相位解调可以实现对纵轴磁场方向剩磁的原位测量。将锁相放大器的相位解调结果反馈至控制器，从而实现对纵轴剩磁的闭环控制。解调相位理论上不受抽运激光功率、检测激光功率、温度等影响。而且施加的调制频率高于电子共振频率时，可以降低调制磁场导致的电子自旋交换弛豫率，从而保证了施加调制磁场时与无调制状态相同。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，包括在SERF陀螺仪系统对碱金属气室中的原子实现极化稳定后，通过在x轴线圈施加一个n倍于电子共振频率的调制磁场以避免施加的所述调制磁场额外带来电子自旋交换弛豫率，从而保证了陀螺仪闭环控制状态下的标度因数与开环状态下相同，其中n为大于等于2的整数；然后，将系统输出信号分成两路以实现角速度和磁场的原位解耦测量，一路输入低通滤波器，经过滤波后输出直流分量，所述直流分量用于输出角速度响应信号，另一路接入锁相放大器进行相位解调，以解调相位值来反应纵轴磁场大小，并将锁相放大器的相位解调结果反馈至控制器，从而实现对Z轴磁场的闭环控制。
[0007]包括建立纵轴磁场和相位的映射关系，相位理论上不受抽运激光功率、检测激光功率、和温度影响，从而避免其他参数的漂移对控制效果的影响。
[0008]所述对Z轴磁场的闭环控制可以降低纵轴磁场漂移对陀螺仪标度因数的影响，包
括但不限于陀螺仪标度因数的重复性、和标度因数非线性度。
[0009]所述调制磁场的频率和幅度根据SERF原子陀螺仪的工作状态和参数进行多次实验后确定。
[0010]所述调制磁场的表达式如下：其中，B
A
是调制磁场幅值，ω1是调制磁场频率，t是时间，是x方向单位矢量。
[0011]所述锁相放大器的相位解调表达式如下：
[0012][0013]其中λ2是与碱金属原子与惰性气体原子耦合状态下的弛豫相关参数，ω1是所施加调制磁场的频率，γ
e
是电子旋磁比，是碱金属原子横向弛豫率，ω
e
是电子共振频率，以上参数为物理常数，只有原子感受到的磁场δB
z
随环境和外部参数变化而变化较大，θ是通过锁相放大器解调相位，当原子感受磁场δB
s
变化时，解调相位θ随之发生变化，因此以解调相位来当作反馈量，实现纵轴原子敏感纵轴磁场δB
s
的闭环控制，使其一直保持为0。
[0014]包括以下步骤：
[0015]步骤1，在x轴线圈施加交流幅值为2.5nT，频率为0.01Hz～400Hz的不同频率的扫频正弦波，通过锁相放大器解调并记录对应扫描频率下的峰峰值，得到系统电子共振频率ω0；
[0016]步骤2，停止施加扫频正弦波信号，重新在x轴线圈上施加频率ω1＝3ω0，幅度为2.5nT的正弦调制磁场；
[0017]步骤3，将系统输出信号分为两路，一路接至低通滤波器后输出得到直流信号，用来对角速度进行测量；另一路接至锁相放大器，在调制磁场一倍频基础上进行相位解调，并将解调相位结果反馈至控制器，由于此时原子敏感纵轴磁场δB
s
等于0，定义此时的相位解调结果为初始解调相位，并记为θ0；
[0018]步骤4，对控制器中的比例积分微分PID参数进行整定；
[0019]步骤5，锁相放大器实时对系统输出信号进行相位解调，并将实时解调相位θ1反馈给控制器，实时解调相位θ1与初始解调相位θ0相减，产生相位误差信号θ
err
；
[0020]步骤6，控制器根据相位误差信号θ
err
产生控制电压U
c
，并施加在纵轴补偿线圈以保证原子敏感纵轴磁场δB
s
为0。
[0021]所述步骤1中包括：将充制有K、Rb、和Ne原子系综的碱金属气室通过无磁电加热装置加热至190℃；通过饱和吸收方法，将抽运激光器频率锁定在钾原子的D1线770.108nm，使用扩束器将抽运光斑扩大至足以覆盖碱金属气室，经四分之一波片得到沿z方向传播的圆偏振抽运光，使用该光对碱金原子和惰性气体原子进行极化；在x轴方向使用远失谐于Rb原子D1线的检测激光，来提取系统输出信号；待碱金属原子和惰性气体原子极化稳定后，采用磁场交叉调制方法通过x轴线圈、y轴线圈、和z轴线圈补偿磁场，此时陀螺仪工作在陀螺仪补偿点B
c0
，满足B
c0
＝
‑
B
e0
‑
B
n0
‑
δB
z0
，其中B
e0
为电子极化等效磁场，B
n0
为核子极化等效磁场，δB
z0
为三轴剩磁，此时原子敏感纵轴磁场δB
s
为0。
[0022]所述SERF陀螺仪系统包括顺序连接的抽运激光器、凹透镜、第一格兰棱镜、第一液
晶相位调制器、第二格兰棱镜、凸透镜、反射镜、第一λ/2波片、第三格兰棱镜、第一λ/4波片、碱金属气室和第三光电探测器，所述第三格兰棱镜依次通过第一光电探测器和第一电控单元连接所述第一液晶相位调制器；所述碱金属气室的外围向外依次设置有无磁加热装置、线圈、铁氧体屏蔽层、第二层坡莫合金屏蔽筒和最外层坡莫合金屏蔽筒；所述线圈包括连接控制器的Z轴补偿线圈、分别连接信号发生器的Z轴内层线圈、X轴线圈和Y轴线圈；所述碱金属气室的检测光输入侧依次通过第六格兰棱镜、第二λ/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，包括在SERF陀螺仪系统对碱金属气室中的原子实现极化稳定后，通过在x轴线圈施加一个n倍于电子共振频率的调制磁场以避免施加的所述调制磁场额外带来电子自旋交换弛豫率，从而保证了陀螺仪闭环控制状态下的标度因数与开环状态下相同，其中n为大于等于2的整数；然后，将系统输出信号分成两路以实现角速度和磁场的原位解耦测量，一路输入低通滤波器，经过滤波后输出直流分量，所述直流分量用于输出角速度响应信号，另一路接入锁相放大器进行相位解调，以解调相位值来反应纵轴磁场大小，并将锁相放大器的相位解调结果反馈至控制器，从而实现对Z轴磁场的闭环控制。2.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，包括建立纵轴磁场和相位的映射关系，相位理论上不受抽运激光功率、检测激光功率、和温度影响，从而避免其他参数的漂移对控制效果的影响。3.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，所述对Z轴磁场的闭环控制可以降低纵轴磁场漂移对陀螺仪标度因数的影响，包括但不限于陀螺仪标度因数的重复性、和标度因数非线性度。4.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，所述调制磁场的频率和幅度根据SERF原子陀螺仪的工作状态和参数进行多次实验后确定。5.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，所述调制磁场的表达式如下：其中，B
A
是调制磁场幅值，ω1是调制磁场频率，t是时间，是x方向单位矢量。6.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，所述锁相放大器的相位解调表达式如下：其中λ2是与碱金属原子与惰性气体原子耦合状态下的弛豫相关参数，ω1是所施加调制磁场的频率，γ
e
是电子旋磁比，是碱金属原子横向弛豫率，ω
e
是电子共振频率，以上参数为物理常数，只有原子感受到的磁场δB
z
随环境和外部参数变化而变化较大，θ是通过锁相放大器解调相位，当原子感受磁场δB
s
变化时，解调相位θ随之发生变化，因此以解调相位来当作反馈量，实现纵轴原子敏感纵轴磁场δB
s
的闭环控制，使其一直保持为0。7.根据权利要求1所述的SERF原子陀螺仪纵轴磁场闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在x轴线圈施加交流幅值为2.5nT，频率为0.01Hz～400Hz的不同频率的扫频正弦波，通过锁相放大器解调并记录对应扫描频率下的峰峰值，得到系统电子共振频率ω0；步骤2，停止施加扫频正弦波信号，重新在x轴线圈上施加频率ω1＝3ω0，幅度为2.5nT的正弦调制磁场；步骤3，将系统输出信号分为两路，一路接至低通滤波器后输出得到直流信号，用来对角速度进行测量；另一路接至锁相放大器，在调制磁场一倍频基础上进行相位解调，并将解调相位结果反馈至控制器，由于此时原子敏感纵轴磁场δB
s

【专利技术属性】
技术研发人员：全伟，张开，杜鹏程，蔡泽，范文峰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：