一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法与流程

1.本发明涉及原子自旋陀螺输出信号误差补偿技术，特别是一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法。


背景技术：

2.基于无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free，serf)的原子自旋惯性测量仪表相比于传统的惯性测量仪表具有同体积下实现更高精度或同精度下实现更小体积的潜力，从而引起了广泛的研究兴趣。零偏稳定性是评价陀螺仪性能的重要指标，标度因数误差是限制serf陀螺仪零偏稳定性的重要误差项之一。
3.在serf原子自旋陀螺中，降低原子自旋进动信号的偏置大小是提升陀螺仪标度因数误差的方法之一，因为当陀螺的输出偏置不为零时，光功率波动会引入标度因数误差，限制陀螺仪零偏稳定性的提高。此前调节偏置的方法大多为旋转安装在检测光路沃拉斯顿棱镜前的1/2波片光轴方向，补偿陀螺仪的输出偏置。该类方法存在着缺点，即只能在检测激光固定波长下调整信号偏置，此时的偏置调整并不能完全消除检测光路中的残余旋光角(或称为残余旋转光角)，而且该方法并没有给出理论上的统一调整标准。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法，对检测激光进行温度扫描，根据输出的陀螺信号估计残余旋光角，通过液晶控制器反馈控制液晶相位延迟器，降低陀螺信号偏置大小，从而提高陀螺仪的零偏稳定性。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法，其特征在于，通过在碱金属气室与沃拉斯顿棱镜之间的检测光路上设置液晶相位延迟器，所述液晶相位延迟器根据陀螺仪输出信号形成的反馈控制信号调整检测光相位以抑制残余旋光角。
7.穿过所述碱金属气室的检测光为线偏振光，由于角速率输入的存在，该线偏振光携带有旋光角信息，所述残余旋光角为由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角。
8.所述液晶相位延迟器通过液晶控制器连接数据处理单元，所述数据处理单元分别连接锁相放大器和激光管温度控制器，所述激光管温度控制器连接检测激光器，所述锁相放大器分别连接第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器接收所述沃拉斯顿棱镜出射的第一束检测光，所述第二光电探测器接收所述沃拉斯顿棱镜的出射的第二束检测光，所述锁相放大器根据第一束检测光信号和第二束检测光信号解调得到检测光一次谐波信号幅值，此信号幅值即为陀螺仪输出信号，所述检测光一次谐波信号幅值作为反馈量反馈给所述液晶控制器，所述液晶控制器对所述液晶相位延迟器实现pid控制，进而抑制残余旋光角。
9.所述检测激光器顺序通过第一光隔离器iso、第一起偏器、第一1/2波片和检偏器连接所述碱金属气室，所述碱金属气室具有磁屏蔽层，所述磁屏蔽层上设置有检测光传输
孔。
10.所述碱金属气室的抽运光路上包括抽运激光器，所述抽运激光器顺序通过第二光隔离器iso、第二1/2波片和第二起偏器连接所述碱金属气室。
11.具体包括以下步骤：
12.步骤1，利用激光头温度控制器对检测激光器的温度进行快速扫描，进而实现检测激光器的频率扫描功能；
13.步骤2，透过碱金属气室的线偏振光经过液晶相位延迟器后，通过沃拉斯顿棱镜分为两束检测光，并分别被不同的光电探测器接收；
14.步骤3，两个光电探测器的输出信号连接同一个锁相放大器，所述锁相放大器解调得到检测光一次谐波信号幅值，此信号幅值即为陀螺仪输出信号；
15.步骤4，为了使步骤1中经过碱金属气室后的线偏振光不包含由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角，对已经从碱金属气室出射的检测光相位进行闭环控制，用锁相放大器解调得到的检测光一次谐波信号幅值作为反馈量，使用液晶控制器对液晶相位延迟器实现pid控制，进而抑制残余旋光角。
16.包括通过激光扫频估计出检测光路的残余旋光角θ
′
：
17.原子自旋进动系统的输出信号s在无残余旋光角时表示为：
18.s＝k
amp
i0e-od
θ
19.其中，k
amp
为陀螺仪中与检测激光光强、频率无关的系数，取常值；i0为检测光光强，e为自然常数，od为rb原子d1线检测光通过极化碱金属气室时对应的光学深度，θ为线偏振旋光角，通过测量θ可得外界输入的角速率；由于存在由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角θ
′
，将上式修正为：
20.s＝k
amp
i0e-od
(θ θ
′
)
21.继续展开化简后得到下式：
22.s＝k1(v)ωy k2(ν)b(v) k3(v)θ
′
23.其中，k1(v)为外界输入角速率的刻度系数，ωy为外界输入的角速率，k2(ν)为与光吸收和光频移相关项的刻度系数，b(ν)为与光吸收和光频移相关的项，k3(v)为残余旋光角θ
′
的刻度系数；
24.至此，在已知原子自旋陀螺仪各项参数条件下，通过检测激光器扫频得到的检测光吸收光谱估计出当前陀螺信号所包含的残余旋光角。
25.本发明的技术效果如下：本发明的一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法，与现有的调节陀螺信号偏置方法相比，它可从原理上分离出与输入角速率正相关的旋光角和由光学器件、光路准直引起的残余旋光角，对残余旋光角进行抑制可以有效减少由于光功率波动、温度波动等背景噪声对检测结果的影响，提高了serf原子自旋陀螺的零偏稳定性。并且本方法只需在原光路的基础上用液晶相位延迟器替换1/2波片，即可实现抑制残余旋转光角的功能，可大大减小光路复杂程度，有利于系统的小型化。
26.本发明提供的一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法，将检测激光从检测激光器中发出，依次经过光隔离器iso、起偏器、1/2波片和检偏器后变为线偏振光进入碱金属气室，携带角速率信息的线偏振光出气室后通过磁屏蔽层上的小孔射出，出射的检测光经过液晶相位延迟器和沃拉斯顿棱镜分为独立的两束检测光分别由两个光电探测器接收后
通过锁相放大器传输给数据处理单元，数据处理单元通过激光管温度控制器控制检测激光器，通过液晶控制器控制液晶相位延迟器以实现对残余旋光角的抑制，降低陀螺信号偏置，提升陀螺仪零偏稳定性，提高陀螺仪综合性能。
附图说明
27.图1是实施本发明一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法的原子自旋陀螺仪系统结构原理示意图。
28.附图标记列示如下：1-检测激光器；2-第一光隔离器is0(optical isolator)；3-第一起偏器；4-第一1/2波片；5-检偏器；6-碱金属气室；7-磁屏蔽层；8-液晶相位延迟器；9-沃拉斯顿棱镜；10-第一光电探测器；11-第二光电探测器；12-锁相放大器；13-数据处理单元；14-激光管温度控制器；15-液晶控制器；16-抽运激光器；17-第二光隔离器iso；18-第二1/2波片；19-第二起偏器。xyz-坐标轴。
具体实施方式
29.下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
30.图1是实施本发明一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法的原子自旋陀螺仪系统结构原理示意图。参考图1所示，一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法，其特征在于，通过在碱金属气室6与沃拉斯顿棱镜9之间的检测光路上设置液晶相位延迟器8，所述液晶相位延迟器8根据陀螺仪输出信号形成的反馈控制信号调整检测光相位以抑制残余旋光角。穿过所述碱金属气室6的检测光为线偏振光，由于角速率输入的存在，该线偏振光携带有旋光角信息，所述残余旋光角为由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角。
31.所述液晶相位延迟器8通过液晶控制器15连接数据处理单元13，所述数据处理单元13分别连接锁相放大器12和激光管温度控制器14，所述激光管温度控制器14连接检测激光器1，所述锁相放大器12分别连接第一光电探测器10和第二光电探测器11，所述第一光电探测器10接收所述沃拉斯顿棱镜9出射的第一束检测光，所述第二光电探测器11接收所述沃拉斯顿棱镜9的出射的第二束检测光，所述锁相放大器12根据第一束检测光信号和第二束检测光信号解调得到检测光一次谐波信号幅值，此信号幅值即为陀螺仪输出信号，所述检测光一次谐波信号幅值作为反馈量反馈给所述液晶控制器15，所述液晶控制器15对所述液晶相位延迟器8实现pid控制(pid，proportion integration differentiation，比例积分微分)，进而抑制残余旋光角。
32.所述检测激光器1顺序通过第一光隔离器iso2、第一起偏器3、第一1/2波片4和检偏器5连接所述碱金属气室6，所述碱金属气室6具有磁屏蔽层7，所述磁屏蔽层7上设置有检测光传输孔。所述碱金属气室6的抽运光路上包括抽运激光器16，所述抽运激光器16顺序通过第二光隔离器iso17、第二1/2波片18和第二起偏器19连接所述碱金属气室6。
33.具体包括以下步骤：步骤1，利用激光头温度控制器对检测激光器的温度进行快速扫描，进而实现检测激光器的频率扫描功能；步骤2，透过碱金属气室的线偏振光经过液晶相位延迟器后，通过沃拉斯顿棱镜分为两束检测光，并分别被不同的光电探测器接收；步骤3，两个光电探测器的输出信号连接同一个锁相放大器，所述锁相放大器解调得到检测光一次谐波信号幅值，此信号幅值即为陀螺仪输出信号；步骤4，为了使步骤1中经过碱金属气室
后的线偏振光不包含由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角，对已经从碱金属气室出射的检测光相位进行闭环控制，用锁相放大器解调得到的检测光一次谐波信号幅值作为反馈量，使用液晶控制器对液晶相位延迟器实现pid控制，进而抑制残余旋光角。
34.包括通过激光扫频估计出检测光路的残余旋光角θ
′
：原子自旋进动系统的输出信号s在无残余旋光角时表示为：s＝k
amp
i0e-od
θ
35.其中，k
amp
为陀螺仪中与检测激光光强、频率无关的系数，取常值；i0为检测光光强，e为自然常数，od为rb原子d1线检测光通过极化碱金属气室时对应的光学深度，θ为线偏振旋光角，通过测量θ可得外界输入的角速率；由于存在由光学器件和/或光路准直引起的残余旋光角θ
′
，将上式修正为：s＝k
amp
i0e-od
(θ θ
′
)
36.继续展开化简后得到下式：s＝k1(v)ωy k2(ν)b(v) k3(v)θ
′
37.其中，k1(v)为外界输入角速率的刻度系数，ωy为外界输入的角速率，k2(ν)为与光吸收和光频移相关项的刻度系数，b(ν)为与光吸收和光频移相关的项，k3(v)为残余旋光角θ
′
的刻度系数；
38.至此，在已知原子自旋陀螺仪各项参数条件下，通过检测激光器扫频得到的检测光吸收光谱估计出当前陀螺信号所包含的残余旋光角。
39.本发明提供一种抑制原子自旋陀螺仪残余旋转光角方法。检测激光从检测激光器1中发出，依次经过光隔离器iso 2、起偏器3、1/2波片4和检偏器5后变为线偏振光进入碱金属气室6，携带角速率信息的线偏振光出气室后通过磁屏蔽层7上的小孔射出，出射的检测光经过液晶相位延迟器8和沃拉斯顿棱镜9分为独立的两束检测光(p光和s光)分别由光电探测器10和光电探测器11接收，光电探测器10和光电探测器11的输出端连接锁相放大器12，锁相放大器12的输出端连接到数据处理单元13，数据处理单元13连接激光管温度控制器14和液晶控制器15，激光管温度控制器14连接检测激光器1，液晶控制器连接液晶相位延迟器8。本发明通过扫描检测激光管温度，输出检测光吸收光谱信号，通过数据处理单元估计检测光路中因光学器件、光路准直等问题引起的残余旋光角，最后利用液晶控制器来控制液晶相位延迟器实现残余旋光角的抑制，该方法可以降低陀螺信号偏置，提升陀螺仪零偏稳定性，提高陀螺仪综合性能。
40.残余旋光角的估计包括以下步骤：
41.(1)激光头温度控制器对检测激光器的温度进行快速扫描，进而实现检测激光器的频率扫描功能。
42.(2)透过碱金属气室的线偏振光经过液晶相位延迟器后，通过沃拉斯顿棱镜分为两束检测光，并分别被不同的探测器接收。
43.(3)两个探测器的输出信号连接同一锁相放大器，用于解调得到检测光一次谐波信号幅值，此信号幅值即为陀螺仪输出信号。
44.(4)为了使步骤(1)中经过气室后的线偏振光不包含由光学器件和光路准直引起的残余旋光角，需对出气室的检测光相位进行闭环控制。用锁相放大器解调得到的检测光一次谐波信号幅值作为反馈量，使用液晶控制系统对液晶相位延长器实现pid控制，进而抑制残余旋光角。
45.原子自旋进动系统的输出信号s在无残余旋光角时表示为：
46.s＝k
amp
i0e-od
θ
47.其中，k
amp
＝ηm
ac
αm为陀螺仪中与检测激光光强、频率无关的系数，η为探测器的光电转换效率，m
ac
为前置放大器增益，αm为调制幅度，一般情况下认为k
amp
为常值。i0为检测激光光强，e为自然常数，od为rb原子d1线检测光通过极化碱金属气室时对应的光学深度，θ为线偏振旋光角，通过测量该参数可得外界输入的角速率。在实际工程中，当检测光通过一系列光学器件以及气室时，不可避免的会出现残余旋光角θ
′
，考虑该影响上式可写成：
48.s＝k
amp
i0e-od
(θ θ
′
)
49.将上式展开化简后可写成：
50.s＝k1(v)ωy k2(v)b(v) k3(v)θ
′
51.其中，k1(v)为外界输入角速率的刻度系数，ωy为外界输入的角速率，k2(v)为与光吸收和光频移相关项的刻度系数，b(ν)为与光吸收和光频移相关的项，k3(v)为残余旋光角的刻度系数，θ
′
为残余旋光角。
52.在已知serf陀螺仪各项参数条件下，可由检测激光扫频得到的检测光吸收光谱估计出当前陀螺信号所包含的残余旋光角。
53.总之，本方法对残余旋光角抑制可以有效减少由于光功率波动、温度波动等背景噪声对检测结果的影响，提高了serf原子自旋陀螺仪的零偏稳定性。并且本方法只需在原光路的基础上用液晶相位延长器替换1/2波片，即可实现抑制残余旋转光角的功能，可大大减小光路复杂程度，有利于系统的小型化。
54.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。