[发明专利]一种基于核磁共振的飞行器转动角度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量飞行器自旋角度的测量方法，特别涉及一种基于核磁共振原理的飞行器转动角度检测陀螺仪的测量方法。

背景技术

飞行器的飞行姿态控制是惯性导航中的重要任务。在飞行过程中，靠飞行器自身的高速旋转能够维持一个稳定的飞行方向。陀螺仪可以有效的测量出物体实时的旋转角度或者速度，从而给飞行导航控制提供了重要的技术参数。传统的陀螺仪，如机械陀螺仪、光纤陀螺仪等，由于含有机械旋转部分、对运动过载和振动等很敏感，给陀螺仪的设计和功能造成一定影响。

中国专利2006101715882《采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺》采用低偏和保偏混合光路的光纤陀螺，由光学表头和电路信号处理部分组成，光学表头包括：光源、Y波导、探测器、耦合器和光纤环，其中光源为低偏振光源，单模尾纤耦合；Y波导输入端采用单模光纤，Y波导输出端光纤采用保偏光纤；所述的探测器输入尾纤为单模光纤；耦合器为2×2偏振无关的单模光纤耦合器；光纤环为保偏光纤。但是这种陀螺的光路系统较为复杂，各部件受温度变化影响光波的偏振态容易改变，从而影响标度因数的线性度和噪声水平。

美国专利U.S.20070039881《紧凑型基于发散激光束的原子磁强计和陀螺仪》公开了一种微型Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope(NMRG)，主要包含三个部分：（1）装有1个垂直腔表面发射激光光源和4个光电探测器的底板；（2）1/4波长晶片；（3）NMRG腔。在静磁场和脉冲磁场作用下，圆偏振光被调制在NMRG腔内气化物的进动频率上，腔的4个面作为微反射器使调制光返回到光电探测器。当陀螺仪以一定角速度旋转时，光电探测器检测到的光强变换圆频率与气化物进动频率之差即为陀螺仪的旋转角速度。但是，由于采用单一气化物作为媒质，检测得到的进动频率受外加磁场波动的影响非常明显，角度随机变量（Angle Random Walk）的动态范围容易超出预定要求。

现有的核磁共振陀螺仪只采用一种元素作为传感媒质捕获腔体转动惯量，因此其测量精度受静磁场稳定性的影响，而现有技术下产生的静磁场的稳定性达不到要求，会造成较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有核磁共振陀螺仪由于静磁场不稳定而造成的测量误差较大的缺点，提出了一种新的用于飞行器转动角速度检测陀螺仪的测量方法。本发明基于核磁共振原理，采用同一元素的旋磁比分别为正数和负数的两种同位素作为传感媒质来完成腔体转动惯量的捕获，同时基于自旋极化交换机理，在腔内加入碱金属调整同位素测量载体的磁性极化强度，提高检测信号的信噪比，从而消除静磁场不稳定对陀螺仪测量精度的影响。

应用本发明的飞行器转动角度检测陀螺仪包括核磁共振谐振腔、激励用泵浦激光光源、检测用泵浦激光光源、外部参考频率源，以及光电二极管。激励用泵浦激光光源位于核磁共振腔的下方，检测用泵浦激光光源在核磁共振腔的左侧，外部参考频率源和光电二极管在核磁共振腔的右侧，且检测用泵浦激光光源、外部参考频率源和光电二极管的中心位于同一条直线上，此直线垂直于激励用泵浦激光光源中心所在直线。其中，所述的核磁共振谐振腔由圆柱形玻璃封闭腔和套装在玻璃封闭腔外的主静磁场线圈组成，玻璃封闭腔内充有两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的混合物。主静磁场线圈为两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的混合物提供偏置极化磁场。激励用泵浦激励光源沿玻璃封闭腔轴向照射气态碱金属，使其电子自旋的极化程度迅速升高，并传递给两种同位素的工作物质，增加或者减少其进动频率。检测用泵浦激光光源垂直于玻璃封闭腔体，轴向照射两种同位素的工作物质和一种气态碱金属，并使光电二极管输出吸收光强信号，从中分别解调出两种同位素的工作物质和一种气态碱金属的进动频率。在玻璃封闭腔体转动过程中，通过反馈控制使主静磁场线圈产生恒定静磁场，实现两种同位素的进动信号之和与参考频率源锁相，其中一种同位素进动相位与频率源信号相位之差等于金属腔体的转动角度。

本发明基于以下原理：

自旋量子数不为零的同位素原子核在静磁场中，绕磁场方向做圆周进动，称为拉莫进动，其进动频率与同位素的旋磁比和静磁场成正比。当陀螺仪转动时，内部同位素原子核的转动速度等于进动频率与陀螺仪转速之和，因此根据已知静磁场强度和测量所得的进动频率，便可以求出陀螺仪的转速。