一种陀螺仪的特征研究

陈东营, 杨远洪, 王中亮, 刘峰, 姜丽伟, 全伟, 房建成. 无自旋交换弛豫原子自旋陀螺非线性特性实验研究[J]. 光学学报, 2019, 39(8): 0806004

人们早从儿童玩的地陀螺中发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒且保持与地面垂直,即陀螺仪具有稳定性和进动性。这个特征一直吸引着人们研究,如可以帮助手机摄像头防抖,在我们按下快门时,陀螺仪测量出手机翻转的角度,将手抖产生的偏差反馈给图像处理器,用计算出的结果控制补偿镜片组,对镜头的抖动方向以及位移作出补偿,实现更清晰的拍照效果。

除此之外,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪是惯性系统的核心部件,主要负责感知航天器自身的姿态变化情况,再实时传输相应数据,确保航天器按预定轨迹飞行,并保持姿态的稳定。

基于无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)技术的原子自旋陀螺仪因其具有超越现有相关测量手段的超高理论精度,其理论灵敏度可高达2×10-10 rad s-1 Hz-1/2,是长航时、高精度惯性导航系统的首选。除灵敏度和零偏稳定性外,SERF陀螺的动态范围和线性度也是需要重点关注的特性参数。

北京航空航天大学激光与光子传感实验室杨远洪教授课题组针对基于线偏光的检测方法检测范围有限、抗干扰能力弱等问题,提出并实现了一种新型反射式光纤Sagnac干涉仪的原子自旋进动检测方案,用圆偏振光作为探测光,采用闭环检测电路实现了原子进动的线性测量。通过实验发现SERF原子陀螺输出的非线性特性,并对原有的理论进行了修订和完善,获得了SERF陀螺的非线性输出模型。

SERF陀螺采用全光纤自旋进动检测装置如图1所示,是一种基于两旋向相反圆偏振探测光的反射型Sagnac干涉仪,通过检测左右旋圆偏振光往返通过气室后产生的相位差实现原子自旋进动的测量。这种进动检测方案采用闭环位相检测技术,消除了光强波动、光路损耗和电路增益等的影响,抗干扰能力强,而且灵敏度高,不存在原理性非线性误差,测量范围宽。


图1 圆偏振光检测系统结构示意图

在进行SERF陀螺测试实验时,SERF陀螺气室组件与泵浦系统和光纤检测系统集成安装在专用转台上,如图2所示,可以精确调整使SERF陀螺y轴与转台旋转主轴平行,检测信号和电源由电缆连接到转台仪器台,转台由转台控制器控制,陀螺信号由计算机采集保存。采用大功率泵浦激光极化K原子,通过自旋交换碰撞极化Rb原子来实现21Ne的超极化,采用方波调制/解调法补偿核自旋磁场,保证原子气室中电子和核子自旋极化处于动态平衡状态。


图2 SERF陀螺实验装置

分别对两种不同泵浦状态的SERF陀螺进行了测试,测试结果如图3所示,在小转速范围内,SERF陀螺的输出呈现较好的线性,当转速增大时,SERF陀螺的输出呈现明显的非线性。理论和实验研究表明:SERF原子自旋陀螺的非线性是由原子内在属性决定的。


图3 SERF陀螺的响应

SEFR陀螺具有重要的应用潜力,后续将针对SERF陀螺线性范围有限的问题,开展深入的机理和技术研究,在工作模式和信号检测体制上取得突破,为SERF陀螺的理论和技术发展提供支撑。