一種基于serf原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法，首先制作充有正壓氣體的內(nèi)含堿金屬的玻璃氣室以及真空氣室；加熱烤箱，使堿金屬氣室溫度達(dá)到SERF態(tài)所需要的溫度；開始操作周期：對(duì)堿金屬氣室進(jìn)行抽運(yùn)；中斷抽運(yùn)，在垂直抽運(yùn)方向作用90°射頻脈沖；中斷射頻，在垂直抽運(yùn)方向間隔進(jìn)行兩次探測(cè)光脈沖檢測(cè)，由以上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度；然后使用圓偏振光抽運(yùn)一段時(shí)間后在垂直抽運(yùn)方向進(jìn)行探測(cè)光檢測(cè)，由該步實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償可得到高精度慣性角速率，結(jié)束抽運(yùn)和檢測(cè)。本發(fā)明的磁場(chǎng)測(cè)量和慣性測(cè)量是在同一實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件下進(jìn)行，并利用測(cè)得的磁場(chǎng)補(bǔ)償了由于干擾磁場(chǎng)引起的慣性角速率誤差，提高了測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】
一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種基于SERF (Spin-Exchange-Relaxati on-Free，無(wú)自旋交換弛豫） 原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法，特別是一種在同一實(shí)驗(yàn)條件和同一套 實(shí)驗(yàn)設(shè)備下分時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)和慣性角速度的SERF原子器件的設(shè)計(jì)，可用于高精度的慣性地磁 組合導(dǎo)航。
【背景技術(shù)】
[0002] 國(guó)防軍事需要高精度的慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)以及極微弱的磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。目前， 陀螺儀精度難以提高成為了制約慣導(dǎo)系統(tǒng)性能提高的關(guān)鍵。現(xiàn)有的高精度陀螺儀主要有轉(zhuǎn) 子陀螺儀與光學(xué)陀螺儀，但遇到了精度進(jìn)一步提高的技術(shù)瓶頸。隨著量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展， 基于SERF原子自旋效應(yīng)的慣性測(cè)量裝置成為可能并得以原理驗(yàn)證，已經(jīng)成為下一代超高精 度慣性測(cè)量設(shè)備的發(fā)展方向，其基于原子自旋的定軸性和進(jìn)動(dòng)性測(cè)量角運(yùn)動(dòng)，具有超高精 度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。微弱磁場(chǎng)測(cè)量需要磁強(qiáng)計(jì)具有超高的靈敏度。目前，應(yīng)用較為 廣泛的磁強(qiáng)計(jì)主要有磁通門磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)和原子自旋磁強(qiáng)計(jì)，其中具有被 動(dòng)磁屏蔽系統(tǒng)的基于原子自旋效應(yīng)的磁場(chǎng)測(cè)量裝置取得了人類目前最高的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏 度。而基于主動(dòng)磁補(bǔ)償技術(shù)的無(wú)屏蔽SERF原子自旋磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)也在逐漸發(fā)展。
[0003] 基于SERF原子自旋效應(yīng)的慣性測(cè)量裝置和磁場(chǎng)測(cè)量裝置具有超高的預(yù)期靈敏度， 國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)開展了實(shí)驗(yàn)研究工作，但將二者集成一體的測(cè)量技術(shù)卻未見報(bào)道，所 以當(dāng)需要同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)和慣性量時(shí)，磁場(chǎng)測(cè)量和慣性角速度測(cè)量往往要在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下 兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備下進(jìn)行，占用空間大，耗用資金高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于SERF原子器件的 磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法，磁場(chǎng)測(cè)量和慣性測(cè)量是在同一實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件下 進(jìn)行，并利用測(cè)得的磁場(chǎng)補(bǔ)償了由于干擾磁場(chǎng)引起的慣性角速率誤差，提高了測(cè)量精度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精 度測(cè)量方法，其特征在于:磁場(chǎng)測(cè)量和慣性角速度測(cè)量在同一實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行而不是使用 兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備;磁場(chǎng)和慣性角速度的測(cè)量是相互分開的，分時(shí)交替進(jìn)行，周期進(jìn)行，其實(shí)現(xiàn) 步驟如下：
[0006] (1)使用一束圓偏振光穿過(guò)堿金屬氣室(Z方向）對(duì)堿金屬原子進(jìn)行抽運(yùn)，持續(xù)14~ 15ms ；
[0007] (2)中斷抽運(yùn)，在垂直于抽運(yùn)方向（X方向）作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持 續(xù)三到五個(gè)周期；
[0008] (3)中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進(jìn)行第一次探測(cè)光脈沖 檢測(cè)，測(cè)量探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，持續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期；
[0009] (4)間隔時(shí)間20~30個(gè)拉莫周期后，用線偏振光在y方向進(jìn)行第二次探測(cè)光脈沖， 測(cè)量探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，持續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期，由第一次探測(cè)和第二次探測(cè)中探 測(cè)光偏振方向第一次旋轉(zhuǎn)了 η角的時(shí)間^^，及七到^期間探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角達(dá)到^整 數(shù)倍的次數(shù)m可通過(guò)計(jì)算得到磁場(chǎng)強(qiáng)度，Β = 23?πι/γτ。，其中為堿金屬原子的電 子自旋旋磁比；
[0010] (5)結(jié)束檢測(cè)，然后使用圓偏振光在Z方向進(jìn)行抽運(yùn)，抽運(yùn)14~15ms后在X方向用線 偏振光進(jìn)行探測(cè)光檢測(cè)，測(cè)量探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)抽運(yùn)不中斷，然后結(jié)束抽運(yùn)和 檢測(cè)，步驟(4)計(jì)算出的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫礁呔鹊膽T性角速率，進(jìn)行下一個(gè)周期的操 作。
[0011]本發(fā)明的原理是：SERF原子自旋陀螺儀與原子磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量環(huán)境是相容的，SERF 原子陀螺儀和原子磁強(qiáng)計(jì)都以堿金屬氣室為核心，都要求低磁場(chǎng)，并且SERF(無(wú)自旋交換弛 豫)態(tài)下也可以進(jìn)行微弱磁場(chǎng)測(cè)量，兩者并不沖突。所以可以在SERF原子自旋陀螺儀的實(shí)驗(yàn) 條件下進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，并且利用測(cè)量得到的磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償慣性角速度的誤差積累。上文提到 的操作周期的前四步是進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，磁場(chǎng)測(cè)量的原理是:使用圓偏振光對(duì)堿金屬氣室進(jìn) 行抽運(yùn)，使堿金屬原子自旋被極化，自旋排列變得規(guī)則，但是由于存在磁場(chǎng)，堿金屬原子自 旋存在拉莫爾進(jìn)動(dòng)。在垂直于極化方向的方向上施加90度射頻，使得堿金屬進(jìn)動(dòng)角變大，進(jìn) 動(dòng)角變?yōu)?0度，從而原子僅在垂直于抽運(yùn)方向的平面內(nèi)自旋，并由于射頻的作用，自旋同 相。然后使用探測(cè)光在垂直于極化方向上進(jìn)行探測(cè)，由于法拉第旋光效應(yīng)，原子自旋方向與 探測(cè)光不同的夾角會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光偏振方向改變不同的角度。則探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角的變 化頻率即為二倍的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，因?yàn)槔獱栠M(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)成比例，則可以得到磁場(chǎng) 大小。上文提到的操作周期的第五步是進(jìn)行慣性角速率的測(cè)量，慣性角速率測(cè)量的原理是： 由于實(shí)驗(yàn)載體相對(duì)于慣性空間存在角速率，由于原子自旋存在慣性將存在相對(duì)于慣性空間 自旋方向不變的趨勢(shì)，于是在抽運(yùn)光和慣性共同的作用下，原子自旋與抽運(yùn)方向存在與慣 性角速率相關(guān)的夾角，由法拉第旋光效應(yīng)，利用探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度可以求得原子 自旋與抽運(yùn)方向的夾角，進(jìn)而求得慣性角速率。
[0012] 一般SERF原子陀螺儀在使用中存在干擾磁場(chǎng)，將每一個(gè)操作周期中磁場(chǎng)測(cè)量得到 的磁場(chǎng)強(qiáng)度帶入下面Bloch方程中的B，通過(guò)解算Bloch方程求解慣性角速率Ω，可達(dá)到補(bǔ)償 慣性角速率，提高慣性角速率測(cè)量精度的目的。
[0015]方程中各參數(shù)的物理含義為：γ(3:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原 子的核自旋旋磁比；堿金屬原子的電子自旋極化率；聲1V惰性氣體原子的核自旋極化率； Q:減慢因子；:電子自旋感受到核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)；核自旋感受到電子自旋 產(chǎn)生的磁場(chǎng);L堿金屬原子的光位移;汰載體系相對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度:抽運(yùn)激光的 光子角動(dòng)量傳遞方位;R P :抽運(yùn)激光的光抽運(yùn)率;I:檢測(cè)激光的光抽運(yùn)率，反映檢測(cè)激光對(duì) 電子自旋的極化作用；檢測(cè)激光的光子角動(dòng)量傳遞方位;馬P核自旋抽運(yùn)率，反映惰性 氣體原子核自旋對(duì)堿金屬原子電子自旋的極化作用；把心電子自旋抽運(yùn)率，反映堿金屬原 子電子自旋對(duì)惰性氣體原子核自旋的極化作用；Rtot:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率； 惰性氣體原子核自旋的總弛豫率。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的磁場(chǎng)測(cè)量和慣性測(cè)量是在同一套實(shí) 驗(yàn)設(shè)備和同一條件下進(jìn)行的，因此大大減少了設(shè)備占有空間和資金消耗，并且每一個(gè)操作 周期得到的磁場(chǎng)都用來(lái)補(bǔ)償慣性角速率的測(cè)量，所以測(cè)量精度較高。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法 的流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明中基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量系統(tǒng)示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：
[0020] 1、制作充有正壓的氣體和真空條件的內(nèi)含堿金屬的玻璃氣室以及真空氣室，并置 于如圖2所示的烤箱9中，圖2中的儀器設(shè)備分別為：1、DFB(分布反饋式)激光器，2、擴(kuò)束鏡， 3、偏振器，4、1/4波片，5、平面反射鏡，6、法拉第調(diào)制器，7、光電探測(cè)器，8、磁屏蔽桶，9、無(wú)磁 恒溫烤箱，10、堿金屬氣室。
[0021] 2、加熱烤箱，使堿金屬氣室溫度達(dá)到實(shí)現(xiàn)SERF態(tài)所需要的溫度。
[0022] 3、打開抽運(yùn)激光器對(duì)堿金屬氣室中的堿金屬蒸汽進(jìn)行抽運(yùn)，持續(xù)14~15ms。
[0023] 4、中斷抽運(yùn)，在垂直于抽運(yùn)方向（X方向）作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持 續(xù)三到五個(gè)周期。
[0024] 5、中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進(jìn)行第一次探測(cè)光脈沖 檢測(cè)，持續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期。
[0025] 6、間隔時(shí)間20~30個(gè)拉莫周期后，用線偏振光在y方向進(jìn)行第二次探測(cè)光脈沖，持 續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期，由第一次探測(cè)和第二次探測(cè)中探測(cè)光偏振方向第一次旋轉(zhuǎn)了 π角的 時(shí)間^^^及七到^期間探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角達(dá)到^整數(shù)倍的次數(shù)^則可以求得氣室內(nèi) 磁場(chǎng)強(qiáng)度Β = 2πηι/γΤ。，其中Tc = t2-ti，γ為堿金屬原子的電子自旋旋磁比。
[0026] 7、結(jié)束檢測(cè)，然后使用圓偏振光在Ζ方向進(jìn)行抽運(yùn)，抽運(yùn)14~15ms后在X方向用線 偏振光進(jìn)行探測(cè)光檢測(cè)同時(shí)抽運(yùn)不中斷，持續(xù)一段時(shí)間后結(jié)束檢測(cè)，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 之前測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度B帶入下面的方程可以得到慣性角速度Ω，回到步驟3。
[0029] 方程中各參數(shù)的物理含義為：:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原 子的核自旋旋磁比；:堿金屬原子的電子自旋極化率;惰性氣體原子的核自旋極化率； Q:減慢因子;:電子自旋感受到核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng);.ΛΜ e聲e:.核自旋感受到電子自旋 產(chǎn)生的磁場(chǎng);I堿金屬原子的光位移;及載體系相對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度抽運(yùn)激光的 光子角動(dòng)量傳遞方位;R P :抽運(yùn)激光的光抽運(yùn)率;I:檢測(cè)激光的光抽運(yùn)率，反映檢測(cè)激光對(duì) 電子自旋的極化作用；檢測(cè)激光的光子角動(dòng)量傳遞方位;核自旋抽運(yùn)率，反映惰性 氣體原子核自旋對(duì)堿金屬原子電子自旋的極化作用；Rfi:電子自旋抽運(yùn)率，反映堿金屬原 子電子自旋對(duì)惰性氣體原子核自旋的極化作用；Rtot:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率； 惰性氣體原子核自旋的總弛豫率。
[0030] 本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量方法，其特征在于：磁 場(chǎng)測(cè)量和慣性角速度測(cè)量在同一實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行而不是使用兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備;磁場(chǎng)和慣性角 速度的測(cè)量是相互分開的，分時(shí)交替進(jìn)行，周期進(jìn)行，每一周期操作如下： (1) 使用一束圓偏振光穿過(guò)堿金屬氣室，即Z方向?qū)A金屬原子進(jìn)行抽運(yùn)； (2) 中斷抽運(yùn)，在垂直于抽運(yùn)方向，即X方向作用90°射頻脈沖，在賽曼共振頻率下持續(xù) 一段時(shí)間； (3) 中斷射頻脈沖，用線偏振光在垂直于Z和X方向的Y方向進(jìn)行第一次探測(cè)光脈沖檢 測(cè)，測(cè)量探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，持續(xù)一段時(shí)間； (4) 間隔一段時(shí)間后，用線偏振光在y方向進(jìn)行第二次探測(cè)光脈沖，測(cè)量探測(cè)光偏振方 向旋轉(zhuǎn)角度，持續(xù)一段時(shí)間，由第一次探測(cè)和第二次探測(cè)中探測(cè)光偏振方向第一次旋轉(zhuǎn)了η 角的時(shí)間^^^及七到^期間探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角達(dá)到^整數(shù)倍的次數(shù)^計(jì)算得到磁場(chǎng) 強(qiáng)度，Β = 2πηι/γΤ。，其中Tc = t2-ti，γ為堿金屬原子的電子自旋旋磁比； (5) 結(jié)束檢測(cè)，然后使用圓偏振光在Z方向進(jìn)行抽運(yùn)，抽運(yùn)后在X方向用線偏振光進(jìn)行探 測(cè)光檢測(cè)，測(cè)量探測(cè)光偏振方向旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)抽運(yùn)不中斷，然后結(jié)束抽運(yùn)和檢測(cè)，根據(jù)磁 場(chǎng)強(qiáng)度B計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫礁呔鹊膽T性角速率，進(jìn)行下一個(gè)周期的操作。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:步驟(5)中慣性角速率如下:SERF原子陀螺儀在使用中存在干擾磁場(chǎng)，將 每一個(gè)操作周期磁場(chǎng)測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度B代入下面Bloch方程中，通過(guò)解算Bloch方程求 魅僧袢#逋盡Ω .方程中各參數(shù)的物理含義為，Te:堿金屬原子的電子自旋旋磁比；γη:惰性氣體原子的 核自旋旋磁比；盧:堿金屬原子的電子自旋極化率;PiVl有性氣體原子的核自旋極化率;Q:減 慢因子;;IM nPft :電子自旋感受到核自旋產(chǎn)生的磁場(chǎng)；AMePe:核自旋感受到電子自旋產(chǎn)生 的磁場(chǎng);? 堿金屬原子的光位移;?:載體系相對(duì)慣性系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;fp;抽運(yùn)激光的光子 角動(dòng)量傳遞方位;Rp:抽運(yùn)激光的光抽運(yùn)率;Rm:檢測(cè)激光的光抽運(yùn)率，反映檢測(cè)激光對(duì)電子 自旋的極化作用；檢測(cè)激光的光子角動(dòng)量傳遞方位;E snA核自旋抽運(yùn)率，反映惰性氣體 原子核自旋對(duì)堿金屬原子電子自旋的極化作用；i?f en:電子自旋抽運(yùn)率，反映堿金屬原子電 子自旋對(duì)惰性氣體原子核自旋的極化作用;Rtcit:堿金屬原子電子自旋的總弛豫率;^惰 性氣體原子核自旋的總弛豫率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:所述步驟(1)和(5)中的抽運(yùn)持續(xù)14~15ms。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:所述步驟(1)中，在賽曼共振頻率下持續(xù)3-5個(gè)周期。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:所述步驟(3)中，持續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:所述步驟(4)中，間隔時(shí)間20~30個(gè)拉莫周期。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的高精度測(cè)量 方法，其特征在于:所述步驟(4)中，持續(xù)5~10個(gè)拉莫爾周期。
【文檔編號(hào)】G01C19/58GK106017451SQ201610576198
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日
【發(fā)明人】全偉, 房子善, 房建成, 李茹杰, 范文峰, 姜麗偉, 劉峰
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)