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CN114923473A - 一种自振荡式核磁共振陀螺仪及信号测量方法 - Google Patents

一种自振荡式核磁共振陀螺仪及信号测量方法 Download PDF

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CN114923473A CN202210461254.8A CN202210461254A CN114923473A CN 114923473 A CN114923473 A CN 114923473A CN 202210461254 A CN202210461254 A CN 202210461254A CN 114923473 A CN114923473 A CN 114923473A
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Abstract

本发明提供了一种自振荡式核磁共振陀螺仪及信号测量方法，磁屏蔽套筒在Y轴和Z轴方向分别开有窗口用于激光入射或出射，在磁屏蔽套筒内设有三组亥姆霍兹线圈，分别位于X、Y、Z三个方向，构成三维亥姆霍兹线圈；原子蒸气室置于三维亥姆霍兹线圈中心；激光极化装置通过磁屏蔽套筒的窗口极化原子蒸气室内的原子气体；激光探测装置通过磁屏蔽套筒的窗口检测原子自旋运动，给出的电信号通过电路装置放大滤波，最终读取NMR频率。本发明不依赖于外界调制解调，在抑制噪声、提升信号的同时，也延长了衰减时间，从而实现更高精度的惯性传感测量。

Description

一种自振荡式核磁共振陀螺仪及信号测量方法
技术领域
本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种基于碱金属电子-惰性气体核混合自旋体系的核磁共振陀螺仪，可用于惯性导航传感领域。
背景技术
核磁共振陀螺仪是一种基于量子物理效应的惯性传感器件。其基本原理是利用核自旋不为零的惰性气体元素(如129Xe,131Xe)在磁场B中的Larmor运动产生的核磁共振(Nuclear magnetic resonance,NMR)信号，该信号的频率被称为NMR频率f，f与磁场成正比：f＝gB，其中g为核自旋的旋磁比，对具体的每种惰性气体元素均为固定常数，且不同元素g不相等。当陀螺仪相对于惯性参考系以速率fr转动时，该NMR频率发生频移，频移多少等于转动速率fr，通过测量该频移的大小可获知转动速率的信息，从而实现惯性传感。
由于环境噪声的存在，磁场B一直处于随机起伏状态，因此对NMR频率的测量存在一定不确定性，使核磁共振陀螺仪对惯性转动测量的精度受限制。因此，实践中一般同时使用两种不同的非零核自旋惰性气体元素，如3He和129Xe，或129Xe和131Xe等组合，同时测量两个NMR频率，f1＝g1B+fr，f2＝g2B+fr，其中g1不等于g2，可通过简单运算得到fr＝(f1g2-f2g1)/(g2-g1)，该公式中不存在磁场B的项，转动速率fr由实验观测的两个NMR频率f1、f2和两个核自旋旋磁比常数g1、g2完全决定，因此，消除了对磁场的依赖，因而实现更灵敏的核磁共振陀螺仪(如文献“3He-129Xe Comagnetometery using 87Rb Detection and Decoupling,M.E.Limes,D.Sheng,and M.V.Romalis,Physical Review Letters 120,033401(2018),ASynchronous Spin-Exchange Optically Pumped NMR-Gyroscope S.S.Sorensen,D.A.Thrasher and T.G.Walker Applied Sciences 10,7099(2020)”记载)。
在核磁共振陀螺仪的具体实践中，对NMR频率的精密测量是提高惯性测量精度的关键。影响NMR频率测量精度的因素主要有两个，都与NMR信号相关，该信号可近似表达为S(t)＝A exp(-t/T)cos(ft)，即一个指数衰减的振荡信号，其中S(t)为信号随时间变化的函数，t为时间自变量，A为信号幅度，T为指数衰减的特征时间，对具体核自旋元素，一般为常数，f为NMR频率。
理论上，信号幅度A越大，衰减时间T越长，对频率f的分辨能力越好，进而陀螺仪精度越高。科研工作者的大量时间精力都用于增强A，延长T。比如常用的调制解调技术，在抑制噪声的同时，等效提升了A的相对强度，常用的抗弛豫涂层与缓冲气体技术，也是为了延长核自旋的衰减特征时间T。
目前已有与本发明方案最接近的闭环核磁共振陀螺仪方案，采用外加交流磁场驱动核自旋Larmor进动(如文献“Herriott-cavity-assisted closed-loop Xe isotopecomagnetometer,C.P.Hao,Q.Q.Yu,C.Q.Yuan,S.Q.Liu,and D.Sheng,Physical Review A103,053523(2021)”记载)，虽然实现了核磁共振信号的增强，但不能完全保证原子进动信号与驱动磁场在频率与相位上的完全同步。另外一种闭环式核磁共振陀螺仪，利用外加信号源调制，并通过锁相放大器解调技术产生反馈信号，增加了系统的复杂性(如公开号为CN105258690 A的专利申请“一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法”记载)。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自振荡式核磁共振陀螺仪，借鉴磁强计中的自振荡技术方案(如文献“Self-oscillating rubidium magnetometer usingnonlinear magneto-optical rotation,P.D.D.Schwindt,L.Hollberg,and J.KitchingReview of Scientific Instruments 76,126103(2005)”记载)，对核自旋NMR信号进行放大、滤波、相移处理，反过来施加到交流磁场线圈上，实现一种不依赖于外界调制解调的完全自振荡式的核磁共振陀螺仪方案，在抑制噪声、提升信号的同时，也延长了衰减时间，从而实现更高精度的惯性传感测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自振荡式的核磁共振陀螺仪，包括原子蒸气室、磁屏蔽套筒、亥姆霍兹线圈、激光极化装置、激光探测装置和电路装置。
所述的磁屏蔽套筒在Y轴和Z轴方向分别开有窗口用于激光入射或出射，在磁屏蔽套筒内设有三组亥姆霍兹线圈，分别位于X、Y、Z三个方向，构成三维亥姆霍兹线圈；所述的原子蒸气室置于三维亥姆霍兹线圈中心；所述的激光极化装置通过磁屏蔽套筒的窗口极化原子蒸气室内的原子气体；所述的激光探测装置通过磁屏蔽套筒的窗口检测原子自旋运动，给出的电信号通过电路装置放大滤波，最终读取NMR频率。
所述的激光极化装置包括抽运激光器和四分之一波片，抽运激光器发射出的线偏振激光经过四分之一波片转化为圆偏振光后入射磁屏蔽套筒。
所述的激光检测装置包括探测激光器、线偏振棱镜、偏振分束棱镜和光电探测器；探测激光器发射的探测激光通过线偏振棱镜提高激光线偏振度后入射磁屏蔽套筒；探测激光穿过原子蒸气室后通过偏振分束棱镜被光电探测器采集，实现光电信号转换。
所述的光电探测器采用平衡光电探测器。
所述的电路装置包括初级放大器、低通滤波器、带通滤波器、次级放大器、相移器和频率计数器；所述的初级放大器实现电信号初步放大；所述的低通滤波器去除高频电子学噪声，保留原子核自旋运动低频信号；所述的带通滤波器选择性保留原子核自旋运动低频信号；所述的次级放大器进一步放大原子核自旋运动NMR信号；所述的相移器任意调节原子核自旋运动NMR信号相位；所述的频率计数器读取原子核自旋NMR信号频率。
所述的低通滤波器的截止频率不低于核自旋NMR频率f1、f2中较大值的5-10倍。
所述的带通滤波器为双通道带通滤波器，通带中心频率分别为两个核自旋NMR频率f1、f2。
本发明还提供一种利用上述自振荡式核磁共振陀螺仪的信号测量方法，包括以下步骤：
步骤1，将原子蒸气室温度提升到不低于100℃，以抽运激光器输出激光通过的方向为Z轴，打开Z轴线圈磁场，调节抽运激光器输出激光的频率，激光与原子蒸气室中的碱金属原子电偶极跃迁共振，将碱金属原子极化；碱金属与惰性气体原子在高温下发生碰撞，进而将惰性气体元素的核自旋极化，在Z轴方向产生宏观的核自旋磁矩；
步骤2，关闭Z轴线圈磁场，以探测激光器输出激光通过的方向为Y轴，打开Y轴线圈磁场，保持设定时间，在该磁场作用下，核自旋磁矩偏离Z轴方向；再打开Z线圈磁场，关闭Y轴线圈磁场，此时核自旋磁矩将在Z轴线圈磁场施加的磁力矩作用下发生Larmor进动；
步骤3，打开探测激光器，探测激光通过偏振分束棱镜后分成两束不同强度的光，分别照射在平衡光电探测器的两个光电转换二极管上，导致光电探测器的输出随之改变，反映出核自旋磁矩随时间的变化；
步骤4，光电探测器输出信号依次经过初级放大、低通滤波、带通滤波、次级放大和相移，施加到X轴磁场线圈中，实现对核自旋运动的同步驱动，从而实现自振荡功能。
所述的步骤4从0°到180°调节相移，以实现NMR信号振幅最大为目的。
本发明的有益效果是：
1)利用核自旋进动信号自身产生的信号反馈到X轴磁场线圈，产生同步驱动核自旋进动的交流磁场；
2)X轴磁场永远保持与核自旋进动同频，其物理共振效应对核自旋NMR信号起到增强放大的作用，有效增强了信号幅度A；
3)适当调节相移器的相位延迟，可使核磁共振陀螺仪处于自振荡的闭环模式，振荡信号更为持久，等效延长了NMR信号的衰减时间T；
4)因此，该核磁共振陀螺仪能有效提升对NMR频率的测量精度，进而提供陀螺仪精度；同时闭环锁定模式也可以适当提升陀螺仪的动态响应范围。
5)本发明方案没有额外的调制信号源和锁相放大器等解调电路，结构更简单，有利于整体器件的小型化，并降低器件的总功耗。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图中，1-抽运激光器；2四分之一波片；3-原子气室；4-y轴磁场线圈；5-z轴磁场线圈；6-x轴磁场线圈；7-探测激光器；8-线偏振棱镜；9-偏振分束棱镜；10-平衡光电探测器；11-初级放大器；12-低通滤波器；13-带通滤波器；14-次级放大器；15-相移器；16-频率计数器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种自振荡式的核磁共振陀螺仪装置，包括原子蒸气室，包括包围原子蒸气室的磁屏蔽套筒，包括放置在磁屏蔽套筒内的分别位于X、Y、Z三个方向的三组亥姆霍兹线圈，用于极化原子蒸气室内原子气体的激光极化装置，用于检测原子自旋运动的激光探测装置，用于放大并进行滤波处理的电子学电路装置，包括用于读取NMR频率的频率计数器。
如上所述的原子蒸气室包含充有碱金属、惰性元素及缓冲气体等多种混合气体成分(例如100毫克的Rb原子，10torr压强的129Xe，30torr压强的131Xe原子气体)，并包含相应的低剩磁加热温度控制装置(一般通过在原子蒸气室周围缠绕一定阻值的镍铬铜合金电热丝，施加一定功率的交流电流进行加热，交流频率从几十kHz到几百kHz不等，并以负反馈控制的PID算法将温度控制在一定值，如120℃，保证其随机波动不超过0.01℃。)。
如上所述的激光极化装置包括抽运激光器和用于将抽运激光器发射出的线偏振激光转化为圆偏振光的四分之一波片。
如上所述的激光检测装置包括探测激光器、用于提高激光线偏振度的高消光比线偏振棱镜。
如上所述的激光检测装置包括用于分析探测激光穿过原子蒸气室后的偏振特性变化信号的偏振分束棱镜，用于实现光电信号转换的光电探测器。
如上所述的电子学电路装置包括用于实现初步电信号放大的初级放大器。
如上所述的电子学电路装置包括去除高频电子学噪声、保留原子核自旋运动低频信号的低通滤波器，低通滤波器的截止频率不低于核自旋NMR频率f1、f2中的较大值的5-10倍(否则信号失真)；此处的低通滤波器可以是模拟滤波器，也可以是数字滤波器。
如上所述的电子学电路装置包括选择性保留原子核自旋运动低频信号的双通道带通滤波器，带通滤波器的通带中心频率分别为两个核自旋NMR频率f1、f2；此处的带通滤波器可以是模拟滤波器，也可以是数字滤波器。
如上所述的电子学电路装置包括进一步放大原子核自旋运动NMR信号的次级放大器。
如上所述的电子学电路装置包括可任意调节原子核自旋运动NMR信号相位的双通道相移器。
如上所述的电子学电路装置包括读取原子核自旋NMR信号频率的频率计数器。
本发明还包括以下一种自振荡式核磁共振陀螺仪信号测量方法：
步骤1：首先将原子蒸气室温度提升到不低于100℃(例如Cs原子110℃，Rb原子120℃)，打开Z轴线圈磁场，调节抽运激光器输出激光的频率，与原子蒸气室中的碱金属原子电偶极跃迁共振，将碱金属原子极化；碱金属与惰性气体原子在高温下发生碰撞，进而将惰性气体元素的核自旋极化，在Z轴方向产生宏观的核自旋磁矩。
步骤2：关闭Z轴线圈磁场，同时打开Y轴线圈磁场，保持一定时间(约300毫秒)，在该磁场作用下，核自旋磁矩偏离Z轴方向，然后再打开Z线圈磁场，关闭Y轴线圈磁场，此时核自旋磁矩将在Z轴线圈磁场施加的磁力矩作用下发生Larmor进动。
步骤3：打开探测激光器，根据物理学中的磁旋光效应，核自旋磁矩的变化将导致探测激光的光偏振方向发生旋转，此时通过偏振分束棱镜后分成两束不同强度的光，分别照射在平衡光电探测器的两个光电转换二极管上，导致光电探测器的输出随之改变，反映出核自旋磁矩随时间的变化。
步骤4：光电探测器输出信号经过初级放大，再经过低通滤波和带通滤波，再经过次级放大和一定的相移(考虑到NMR信号在电子线路中传输的相位延迟效应，范围从0°到180°调节，以实现NMR信号振幅最大为目的)，施加到X轴磁场线圈中，实现对核自旋运动的同步驱动，从而实现自振荡功能。
如图1所示，本发明的实施例提供一种自振荡式的核磁共振陀螺仪装置，包括原子蒸气室3，包括包围原子蒸气室的磁屏蔽套筒17，包括放置在磁屏蔽套筒17内的分别位于X、Y、Z三个方向的三组亥姆霍兹线圈6、4、5，用于极化原子蒸气室3内原子气体的激光极化装置1、2，用于检测原子自旋运动的激光探测装置7、8、9、10，用于放大并进行滤波处理的电子学电路装置11、12、13、14、15，包括用于读取NMR频率的频率计数器16。
原子蒸气室3包含充有碱金属、惰性元素及缓冲气体等多种混合气体成分(例如100毫克的Rb原子，10torr压强的129Xe，30torr压强的131Xe原子气体)，并包含相应的低剩磁加热温度控制装置(一般通过在原子蒸气室周围缠绕一定阻值的镍铬铜合金电热丝，施加一定功率的交流电流进行加热，交流频率从几十kHz到几百kHz不等，并以负反馈控制的PID算法将温度控制在一定值，如120℃，保证其随机波动不超过0.01℃。)。
激光极化装置包括抽运激光器1和用于将抽运激光器发射出的线偏振激光转化为圆偏振光的四分之一波片2。
激光检测装置包括探测激光器7、用于提高激光线偏振度的高消光比线偏振棱镜8、用于分析探测激光穿过原子蒸气室3后的偏振特性变化信号的偏振分束棱镜9，以及用于实现光电信号转换的光电探测器10。
电子学电路装置包括用于实现初步电信号放大的初级放大器11、用于消除高频噪声、保留原子核自旋运动低频信号的低通滤波器12，其中低通滤波器12的截止频率不低于核自旋NMR频率f1、f2(例如，根据129Xe,131Xe原子的旋磁比参数，对于B＝10mG的磁场，f1＝11.86Hz,f2＝3.52Hz)中的较大值的5-10倍。
电子学电路装置还包括用于保留原子核自旋运动低频信号的双通道带通滤波器13，其中带通滤波器13的通带中心频率分别为两个核自旋NMR频率f1、f2。
电子学电路装置包括进一步放大原子核自旋运动低频信号的次级放大器14、可任意调节原子核自旋运动振荡信号相位的双通道相移器15。
电子学电路装置包括读取原子核自旋振荡信号频率的频率计数器16。
本发明的实施例还提供一种自振荡式核磁共振陀螺仪信号测量方法，包括以下步骤：
步骤1：首先将原子蒸气室3的温度提升到约120℃附近，对z轴线圈5施加一定直流电流，产生静磁场B(一般B＝10mG)，调节抽运激光器1输出激光的频率，激光通过四分之一波片2转换为圆偏振光，并进入原子蒸气室3，与其中的碱金属原子电偶极跃迁共振，将碱金属原子极化；碱金属与惰性气体原子在高温下发生碰撞，进而将惰性气体元素的核自旋极化，在z轴方向产生宏观的核自旋磁矩。
步骤2：截断z轴线圈5的电流，关闭静磁场B，同时对y轴线圈4施加一定直流电流(约2mG)，产生静磁场，持续时间约为几百毫秒，在该磁场作用下，核自旋磁矩偏离z轴方向，然后再打开z轴线圈5磁场B＝10mG，此时核自旋磁矩将在z轴线圈5磁场施加的磁力矩作用下发生Larmor进动。
步骤3：打开探测激光器7，激光通过线偏振棱镜8，并进入原子蒸气室3，与做Larmor进动的核自旋磁矩发生作用，通过磁致旋光效应，从原子蒸气室3出射的探测激光的偏振方向将发生改变，通过调节线偏振棱镜8和偏振分束棱镜9的相对光轴角度，并通过平衡光电探测器10，可分析出光偏振方向受核自旋磁矩改变产生的偏转角度。
步骤4：平衡光电探测器10的输出电信号经过初级放大器11，再经过低通滤波器12和带通滤波器13，再经过次级放大器14和相移器15，施加到x轴线圈6中，产生交变的驱动磁场，同步驱动核自旋Larmor进动，从而实现自振荡式核磁共振陀螺仪。

Claims (9)

1.一种自振荡式核磁共振陀螺仪，包括原子蒸气室、磁屏蔽套筒、亥姆霍兹线圈、激光极化装置、激光探测装置和电路装置，其特征在于，所述的磁屏蔽套筒在Y轴和Z轴方向分别开有窗口用于激光入射或出射，在磁屏蔽套筒内设有三组亥姆霍兹线圈，分别位于X、Y、Z三个方向，构成三维亥姆霍兹线圈；所述的原子蒸气室置于三维亥姆霍兹线圈中心；所述的激光极化装置通过磁屏蔽套筒的窗口极化原子蒸气室内的原子气体；所述的激光探测装置通过磁屏蔽套筒的窗口检测原子自旋运动，给出的电信号通过电路装置放大滤波，最终读取NMR频率。
2.根据权利要求1所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的激光极化装置包括抽运激光器和四分之一波片，抽运激光器发射出的线偏振激光经过四分之一波片转化为圆偏振光后入射磁屏蔽套筒。
3.根据权利要求1所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的激光检测装置包括探测激光器、线偏振棱镜、偏振分束棱镜和光电探测器；探测激光器发射的探测激光通过线偏振棱镜提高激光线偏振度后入射磁屏蔽套筒；探测激光穿过原子蒸气室后通过偏振分束棱镜被光电探测器采集，实现光电信号转换。
4.根据权利要求3所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的光电探测器采用平衡光电探测器。
5.根据权利要求1所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的电路装置包括初级放大器、低通滤波器、带通滤波器、次级放大器、相移器和频率计数器；所述的初级放大器实现电信号初步放大；所述的低通滤波器去除高频电子学噪声，保留原子核自旋运动低频信号；所述的带通滤波器选择性保留原子核自旋运动低频信号；所述的次级放大器进一步放大原子核自旋运动NMR信号；所述的相移器任意调节原子核自旋运动NMR信号相位；所述的频率计数器读取原子核自旋NMR信号频率。
6.根据权利要求5所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的低通滤波器的截止频率不低于核自旋NMR频率f1、f2中较大值的5-10倍。
7.根据权利要求5所述的自振荡式核磁共振陀螺仪，其特征在于，所述的带通滤波器为双通道带通滤波器，通带中心频率分别为两个核自旋NMR频率f1、f2。
8.一种利用权利要求1所述自振荡式核磁共振陀螺仪的信号测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将原子蒸气室温度提升到不低于100℃，以抽运激光器输出激光通过的方向为Z轴，打开Z轴线圈磁场，调节抽运激光器输出激光的频率，激光与原子蒸气室中的碱金属原子电偶极跃迁共振，将碱金属原子极化；碱金属与惰性气体原子在高温下发生碰撞，进而将惰性气体元素的核自旋极化，在Z轴方向产生宏观的核自旋磁矩；
步骤2，关闭Z轴线圈磁场，以探测激光器输出激光通过的方向为Y轴，打开Y轴线圈磁场，保持设定时间，在该磁场作用下，核自旋磁矩偏离Z轴方向；再打开Z线圈磁场，关闭Y轴线圈磁场，此时核自旋磁矩将在Z轴线圈磁场施加的磁力矩作用下发生Larmor进动；
步骤3，打开探测激光器，探测激光通过偏振分束棱镜后分成两束不同强度的光，分别照射在平衡光电探测器的两个光电转换二极管上，导致光电探测器的输出随之改变，反映出核自旋磁矩随时间的变化；
步骤4，光电探测器输出信号依次经过初级放大、低通滤波、带通滤波、次级放大和相移，施加到X轴磁场线圈中，实现对核自旋运动的同步驱动，从而实现自振荡功能。
9.根据权利要求1所述的信号测量方法，其特征在于，所述的步骤4从0°到180°调节相移，以实现NMR信号振幅最大为目的。
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