【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微型核磁共振陀螺仪，尤其是微型核磁共振陀螺高均匀轴向磁补偿线圈及其设计方法。
技术介绍
1、核磁共振陀螺因兼具小型化、高精度、低成本的优势在惯性导航领域具有广阔的应用前景；而气室内部轴向磁场的均匀性则会降低系统的横向弛豫时间，影响核磁共振陀螺的信噪比，进而影响系统的零偏稳定性。
2、地球上大约存在50000nt的地磁场环境，为保证不受外界地磁场的影响，核磁共振陀螺需要通过外部高磁导率材料构成的磁屏蔽层屏蔽外界地磁场，使其内部达到弱磁甚至零磁环境，磁屏蔽层内部则需要通过线圈产生的高强度高均匀轴向磁场驱动原子以拉莫尔频率进行进动。
3、高磁导率材料构成的外部屏蔽层由于磁阻较低，具有吸聚磁力线的功能，因此会改变内部线圈产生的理论磁场分布，降低内部磁场均匀性。
4、线圈与外部屏蔽层耦合程度与两者之间的距离直接相关，常规轴向磁补偿线圈在设计时并没有考虑外部高磁导率屏蔽层对磁场理论分布的影响；因此，在核磁共振陀螺小型化的趋势下，建立屏蔽层与线圈耦合情况下准确数学模型来优化内部磁场的均匀性至关重要。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种微型核磁共振陀螺高均匀轴向磁补偿线圈及其设计方法，解决了轴向磁补偿线圈产生的磁场在靠近外部屏蔽层时因高磁导率材料吸聚改变理论磁场分布的问题，有助于提高轴向磁场均匀性，增加弛豫时间，提升系统零偏稳定性。
2、微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈及其设计方法，其中：
3、
4、所述两层磁屏蔽层均为：方形薄层屏蔽层；用于屏蔽外界地磁场，使内部达到零磁或者近零磁环境；
5、作为一种举例说明，所述方形薄层屏蔽层的材质为：坡莫合金。
6、所述内层方形线圈骨架为：两端开口的空心方形结构，方形骨架四个外表面沿轴向方向开有走线槽，用于缠绕轴向高均匀磁补偿线圈；
7、所述轴向高均匀磁补偿线圈为：高电导率的金属质线圈，导线截面为圆形，用来传导电流；
8、作为一种举例说明，所述高电导率的金属质线圈外部包有绝缘层，用于防止电流泄露。
9、作为一种举例说明，所述轴向高均匀磁补偿线圈包括：多组方形线圈。
10、一种微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，包括如下具体方案：
11、步骤一、计算单根直导线对空间中任一点的磁感应强度值；
12、计算过程如下：
13、①建立空间坐标系；
14、假设线圈两个端点的坐标分别为p(xp,yp,zp)和q(xq,yq,zq)，待测点的坐标为c(xc,yc,zc)，则根据毕奥-萨伐尔定律可得导线pq对c点处的磁感应强度的大小为：
15、
16、式中，μ0＝4π*10-7n·a-2为真空磁导率,i为电流大小，d是待测点到导线的距离。
17、
18、α是电流流入端与待测点之间的夹角，β电流流出端与待测点之间的夹角；即
19、
20、
21、②通过计算磁感应强度在3个方向的单位矢量，得到磁场在三个方向的分量bx,by,bz；
22、
23、③因此，只需通过所述单根直导线两个端点的坐标值以及待求点的坐标就可以得到该导线对任一点的磁场值。
24、步骤二、同理，可以得到一组方形线圈对空间中任一点的磁场值：
25、
26、其中：n代表方形线圈的四条边,dn代表方形线圈每条边到待测点的距离，αn,βn代表每根导线端点到与待测点连线的夹角；
27、步骤三、针对外部高磁导率材料会改变内部磁场分布的情况，通过镜像法来分析，所述镜像法的分析模型中，只需要知道镜像电流的坐标和幅值便可建立耦合情况的数学模型，因此所述镜像电流的引入能够准确有效的分析外部媒质对内部磁场分布的影响；
28、传统镜像法在分析屏蔽层较厚的情况可以视为无限厚度，但是小型化原子陀螺屏蔽层厚度一般小于2mm，因此需要建立考虑厚度情况下的改进型镜像法，本专利技术通过引入多重反射理论，最终得到一组方形线圈中4个交点的多次镜像位置坐标公式:
29、
30、其中，m为镜像次数，t为屏蔽层厚度，通过多重反射理论得到镜像电流的计算公式为：
31、
32、式中：
33、
34、μ1,μ2,μ3代表不同介质的相对磁导率，电流方向如表1所示
35、表1镜像次数与电流方向
36、
37、最终，一组方形线圈经过多次镜像后对空间中任一点的磁场公式为：
38、
39、i,j,k分别代表线圈各点沿x,y,z三个方向的镜像次数，正负号代表沿坐标轴正反方向；
40、同理，可得多组方形线圈经过多次镜像后对空间中任一点的磁场计算公式。
41、步骤四、面对这种复杂的多组方形线圈磁场均匀度优化问题，本专利技术选择基因优化算法来寻找满足条件的最优解；
42、作为一种举例说明，所述基因优化算法是一种基于自然选择和基因遗传学原理的优化搜索算法，通过引入待优化参数形成的编码串体，按照一定的适配值函数及一系列遗传操作对个体进行筛选，从而使适配值高的个体被保留下来，组成新的群体，新群体中个体适应度不断提高，直至满足一定的极限条件；此时，群体中适配值最高的个体即为待优化参数的最优解。
43、作为一种举例说明，所述基因优化算法具备独有的工作原理，使它能够在复杂空间进行全局优化搜索，并且具有较强的鲁棒性。
44、本文优化的目标函数为：
45、
46、作为一种举例说明，假设每组方形线圈的边长为18mm，线圈与四周屏蔽层的距离为1mm，线圈为3对，优化参数为线圈匝数、线圈z轴坐标；考虑到均匀区是关于z＝0平面对称，所以线圈分布同样采用关于z＝0平面对称，这样在设置参数时只需取线圈组数的一半进行优化，大大增加了计算效率。
47、本专利技术的有益效果：
48、本专利技术在设计磁补偿线圈时考虑了线圈产生的磁场外部屏蔽层层耦合的情况，可在缩小两者距离降低核磁共振陀螺系统体积的情况下产生高均匀度的内部磁场。
49、本专利技术将基因优化算法引入到线圈设计中，能够显著提升陀螺仪内部气室感受到磁场的均匀性。
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1.微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，由外到内依次包括：两层磁屏蔽层、内层方形线圈骨架和轴向高均匀磁补偿线圈；
2.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述方形薄层屏蔽层的材质为：坡莫合金。
3.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述高电导率的金属质线圈外部包有绝缘层，用于防止电流泄露。
4.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述轴向高均匀磁补偿线圈包括：多组方形线圈。
5.微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，包括如下具体方案：
6.根据权利要求5所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，所述基因优化算法具备独有的工作原理，使它能够在复杂空间进行全局优化搜索，并且具有较强的鲁棒性。
7.根据权利要求5所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，所述基因优化算法是一种基于自然选择和基因遗传学原理的优化搜索算法
8.根据权利要求5所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，假设每组方形线圈的边长为18mm，线圈与四周屏蔽层的距离为1mm，线圈为3对，优化参数为线圈匝数、线圈z轴坐标；考虑到均匀区是关于z＝0平面对称，所以线圈分布同样采用关于z＝0平面对称，这样在设置参数时只需取线圈组数的一半进行优化，大大增加了计算效率。
...【技术特征摘要】
1.微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，由外到内依次包括：两层磁屏蔽层、内层方形线圈骨架和轴向高均匀磁补偿线圈；
2.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述方形薄层屏蔽层的材质为：坡莫合金。
3.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述高电导率的金属质线圈外部包有绝缘层，用于防止电流泄露。
4.根据权利要求1所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈，其特征在于，所述轴向高均匀磁补偿线圈包括：多组方形线圈。
5.微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，包括如下具体方案：
6.根据权利要求5所述的微型核磁共振陀螺仪高均匀轴向磁补偿线圈的设计方法，其特征在于，所述基因优化算法具备独有的工作原理，使它能够在复杂空间进...
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