[发明专利]一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪的激光稳频领域。特别时一种降低加热磁场对激光稳频精度产生影响的系统及方法。

背景技术

微型核磁共振陀螺仪具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺仪的性能受原子核自旋宏观磁矩的影响，且直接与被极化的碱金属原子密度相关。激光器的频率稳定性直接影响被极化的碱金属原子的密度，如果激光器频率波动较大，将导致碱金属原子极化率出现较大的波动，进而影响最终的测量精度。

为了实现激光频率的稳定度，可采用主动稳频和被动稳频的方法。被动稳频主要采用温度控制、机械防震等手段实现，其虽然可达到较高的精度，但仍不满足要求。主动稳频采用伺服控制系统，通过鉴频器，测量激光频率的变化，调整谐振腔或驱动电流动态稳定激光的频率，可实现较高的精度。

核磁共振陀螺仪采用饱和吸收伺服稳频技术，对激光器电流增加一个微小的调制信号，通过检测这一微小调制信号的变化来动态的调整电流或谐振腔以校准激光频率。由于核磁共振陀螺仪的气室需要在120℃的高温环境下工作，因此必须用电磁加热的方式提高气室的温度。气室对外界磁场非常敏感，当外界磁场变化时会影响激光的吸收比率，进而影响光电探测器的输出信号。因此当加热电流通过加热片时，会产生较大的加热磁场，使得检测到的信号累加一个加热磁场噪声，降低稳频的精度，一般精度(即频率稳定度)只能达到10^-7以下。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于温度控制的高精度分段脉冲产生系统及方法，解决了在核磁共振陀螺加热磁场影响下的高精度频率控制问题。

本发明解决的技术方案为：一种用于核磁共振陀螺仪的分时激光稳频系统，包括：PID温度控制器、PWM脉冲发生器、TEC温控模块、信号发生器、激光驱动恒流源、激光器、核磁共振陀螺、光电探测器、滤波放大模块、信号选择器、信号处理模块；驱动激光器为半导体激光器，内部设置有TEC；

TEC温控模块，产生温控电流，驱动激光器内部的TEC，控制激光器的温度，使激光器产生激光的频率在⁸⁷Rb第一线附近；

激光驱动恒流源，产生用于驱动激光器的恒定电流，驱动激光器的激光二级管，使激光器的频率进一步接近⁸⁷Rb第一线；

信号发生器，产生一个正弦波电压信号，调制激光驱动恒流源，使激光驱动恒流源产生的驱动电流产生微小变化；进而使得激光器的出光强度产生微小变化。

激光器产生的光通过核磁共振陀螺后，被陀螺后端的光电探测器接收，光电探测器接收到激光后，根据激光的强度产生微小的电流信号。电流信号经过滤波放大模块放大后转换为电压信号，输出给信号选择器。

PID温度控制器，根据设定的温度，产生一个加热信号，该信号用于控制PWM脉冲发生器产生脉冲信号的占空比，根据脉冲信号的占空比，实现对核磁共振陀螺温度调节；

PWM脉冲发生器根据PID温度控制器输出的加热信号，产生一组用于温度控制的脉冲信号，脉冲信号分为有效加热脉冲和无效加热脉冲，总脉冲长度为N。有效加热脉冲存在时，加热片中通入加热电流，产生热量和磁场；无效加热脉冲存在时，加热片中不存在电流，不产生磁场。PID控制器通过控制有效加热脉冲在总脉冲长度中所占的比例来实现温度控制。

PWM脉冲信号发生器在发生完一组用于温度控制的脉冲信号后，再额外产生一组与用于温度控制的脉冲信号长度相等的无效加热脉冲，使得每次温度控制脉冲发生后，都会存在一段无效加热的时间，这段时间与温度控制脉冲信号的持续时间相等。

PWM脉冲信号发生器产生一控制信号驱动信号选择器。使得用于温度控制的脉冲信号存在时，不采集滤波放大模块滤输出的电压信号，信号选择器输出为0送至信号处理模块，即不进行激光稳频；而额外无效加热脉冲存在时采集滤波放大模块输出的电压信号，进行激光稳频。通过周期性的采集和不采集光电探测器产生的信号，实现分时激光稳频。

信号处理模块将信号信号发生器产生的正弦波电压信号，和信号选择器输出的电压信号相乘，并进行积分运算，输出电流调节信号给激光驱动恒流源，调整激光器产生的恒定电流，即驱动电流，实现激光稳频。

所述N＝64，加热脉冲频率为100kHz-250kHz。

激光调制频率为10-20kHz，激光器的电流调节范围为50-100mA。