一种核磁共振陀螺横向磁场线圈耦合标定方法

磁场线圈是核磁共振陀螺磁场系统的核心部件,是惰性气体磁共振激励维持、主动磁补偿的核心部件。横向磁场线圈的耦合对磁补偿精度与磁共振激励都有较大影响。因此,横向磁场线圈的耦合标定尤为重要。为解决上述问题,提出了一种基于核磁共振陀螺内置磁力仪的横向磁场线圈耦合标定方法,通过理论仿真和实验设计,验证了其正确性与可行性。实验结果表明,采用所提出的耦合标定方法对X轴对Y轴耦合和Y轴对X轴耦合进行标定,分别为1.86%和3.11%。通过旋转线圈改变装配角度,表明此方法在较小旋转角度时,测量结果不受装配误差的影响。通过标定同一批次的5只线圈,根据结果从中选取耦合较小的线圈进行装配,为核磁共振陀螺线圈的筛选奠定了基础。

光电技术类专业课程混合式教学探索——以核磁共振陀螺实验课程为例

本文以核磁共振陀螺实验课程为例,针对光电技术类专业课程开展混合式教学模式改革探索,借助数字孪生、人工智能等现代信息技术手段从教学内容、教学方法、教学评估三个方面进行了课程的优化设计,同时展望了其与《激光物理》等传统光电技术类专业课程的课程群建设方案。通过线上线下、虚实结合的混合式教学模式改革,可以培养学生的实践探索与自主创新能力,也可为光电技术类其它专业课程的优化改进提供参考。

核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计性能分析

核磁共振陀螺通过处于磁共振态的原子核进动频率在惯性系下的不变性实现载体角速度的敏感测量。为实现高灵敏度的核自旋磁矩测量,通常基于核磁共振陀螺气室构建原位参量调制磁强计,因此内嵌碱金属参量调制磁强计性能直接影响陀螺仪指标。开展核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计特性研究,分析了原子磁矩测量误差及其对陀螺性能的影响,并建立理论模型,仿真结果表明,泵浦光频率波动控制在1 GHz以内,探测光频率波动控制在0.1 GHz以内,可有效提高磁强计信噪比。研究结果对于提高碱金属磁强计灵敏度和信噪比、抑制核自旋磁矩测量误差具有理论指导意义。

核磁共振陀螺横向补偿磁场优化设计

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境,高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制,还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布,并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍,满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

小型核磁共振陀螺无磁加热线圈设计与仿真

针对小型核磁共振陀螺原子气室加热与剩磁抑制要求,设计了一种用于毫米级原子气室的无磁加热线圈。利用热-磁仿真分析了加热线圈结构参数和加热电流对原子气室温度和剩磁的影响规律。针对给定的原子气室加热方案,开展了加热线圈结构和电流参数优化。设计结果表明:原子气室内部最大直流剩磁<0.3 nT,所设计的加热线圈和方案满足样机气室无磁加热要求。

核磁共振陀螺仪研究进展

核磁共振陀螺(NMRG)是基于量子原理的陀螺仪,具有高精度、体积小、抗干扰能力强等特点,是陀螺仪发展的重点方向之一。简要回顾了核磁共振陀螺的发展历史,介绍了20世纪有代表性的研究成果。叙述了核磁共振陀螺的基本工作原理和硬件系统构成。按照4种不同的技术路径:微型核磁共振陀螺、无自旋弛豫交换(SERF)核自旋陀螺、芯片级组合原子导航仪和基于金刚石氮空位的核磁共振陀螺,重点阐述近年来国外研究机构在核磁共振陀螺研究领域取得的最新成果,之后再介绍了近年来国内研究机构取得的主要研究成果。最后总结了核磁共振陀螺技术的最新发展趋势。

核磁共振陀螺仪分析及发展方向

论述了核磁共振陀螺仪的基本原理,跟踪了国际上几种核磁共振陀螺仪,重点讨论了最有前景的低温超导核磁共振陀螺仪。随着低温和超导量子干涉仪与核磁共振技术的结合,将突破核磁共振陀螺仪的微弱信号提取等关键技术难点,指出了低温超导核磁共振陀螺仪是核磁共振陀螺仪的发展方向,其精度高,寿命长等优点将带来可观的前景。

核磁共振陀螺中原子气室温度场的研究

为研究核磁共振陀螺中加热机构对原子气室性能的影响,设计了5种典型加热方式。利用有限元分析软件ANSYS建立了原子气室的温度场模型,给出了原子气室表面的稳态温度场分布情况。同时设计了探测精度为0.01℃的测温电路,对原子气室表面不同位置的温度进行监控,获得了不同加热方式下原子气室表面的温度变化情况。将仿真和实验结果进行比较,发现误差在5%之内,验证了仿真模型的正确性。综合仿真和实验结果比较了不同加热方式下原子气室表面温度分布情况,获得了能够使原子气室表面温度分布最均匀的加热方式。

核磁共振陀螺仪研究进展

核磁共振陀螺仪(NMRG)是基于量子原理的、目前世界上体积最小的导航级陀螺仪,具有加速度不敏感、抗干扰能力强且没有运动部件等优势,有望在与微机电陀螺仪同等体积、成本下达到光学陀螺仪的精度,受到了国内外广泛关注.介绍了核磁共振陀螺仪基于核磁共振技术的基本工作原理,然后回顾了核磁共振陀螺仪自20世纪60年代起的发展历史,重点分析了21世纪以来国内外研究机构在核磁共振陀螺领域取得的重大研究成果,并对国内外核磁共振陀螺仪的最新研究进展进行了跟踪,美国Northrop Grumman公司已经率先研制出了面向军事领域的微小型导航级核磁共振陀螺仪.最后对核磁共振陀螺仪未来发展的方向进行展望,将进一步向高精度、低成本和小体积方向发展,同时分析了核磁共振陀螺可能应用前景,将广泛应用于民用领域以及军用领域.

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

低温超导核磁共振陀螺仪模型

建立了单工作物质的三自由度3He低温超导核磁共振陀螺仪结构;利用了量子力学和经典动力学,经过严密的力学分析和数学演算,给出了三轴陀螺仪的工作原理和结构示意图;针对陀螺仪的交叉轴角速率耦合问题,给出了附加磁场线圈解耦法和冗余设计结构,最后建立了基于超导量子干涉仪探测磁矩,并采用最小二乘估计法来推导陀螺进动频率。陀螺仪测速范围可以达到10-9～103 rad/s,漂移为10-4(°)/h。该陀螺仪结合低温超导技术具有高精度的前景。需要进一步对超导量子干涉磁矩检测仪的精度与陀螺性能进行研究。

核磁共振陀螺仪泵浦光频率波动抑制

核磁共振陀螺仪利用原子核自旋磁矩在静磁场中进动频率的不变性敏感载体转动信息。针对泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能的问题,研究了泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能机理和抑制方法。通过分析核磁共振陀螺仪理论输出的数学模型和自旋光泵极化^(129)Xe核子的过程,阐明了泵浦激光频率波动对陀螺仪性能影响的机理。分析表明,为了获得更高的碱金属极化率和稳定性,从而得到更好的陀螺仪零偏稳定性,需要将泵浦光的频率稳定在^(87)Rb的原子的共振跃迁频率处。采用波长调制法实现了泵浦光频率的稳定控制。通过实验对比发现:稳频使得陀螺仪的零偏稳定性从389.68(°)/h(1σ)降低至40.74(°)/h(1σ),降低了89.5%。因而得出结论:抑制泵浦激光频率的漂移可以有效提高核磁共振陀螺仪的性能,主要体现在陀螺仪的零偏稳定性上。

核磁共振微陀螺的现状与发展

基于核磁共振的微型陀螺仪以其小体积、低功耗、低成本等优势成为了惯性传感器领域新的研究热点。回顾了核磁共振陀螺仪的发展历程,并跟踪了国际上基于核磁共振的微型陀螺仪的最新研究动态。从核磁共振、光抽运和自旋交换碰撞三个方面介绍了核磁共振微陀螺的理论基础和主要涉及的物理效应。针对核磁共振微陀螺的不同结构对其进行分类,并从工作原理和性能参数等方面分别进行了阐述。最后,分析了核磁共振微陀螺的应用领域,对其发展趋势和实际应用所面临的挑战进行了展望,并指出磁抑制和磁屏蔽技术将会成为制约核磁共振微陀螺实际应用的难点。

核磁共振陀螺静磁系统端口漏磁抑制技术

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,核磁共振陀螺的陀螺精度与静磁场的均匀性、稳定性密切相关。然而核磁共振陀螺静磁系统往往存在端口漏磁,形成杂散磁场,在长期工作过程中会磁化磁屏蔽罩,最终干扰陀螺精度。从核磁共振陀螺静磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了静磁系统的端口漏磁,并对静磁系统进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺静磁系统端口漏磁在1.5倍螺线管直径范围内较传统方案平均减小45.4%,满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

核磁共振陀螺磁屏蔽罩内静磁场系统优化设计

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。为获得高精度与大动态范围,核磁共振陀螺通常工作在磁屏蔽罩中。根据静磁场的惟一性定理,磁力线会在磁屏蔽罩表面反射,从而影响核磁共振陀螺静磁场区域的磁场均匀性。从核磁共振陀螺静磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了磁屏蔽罩对静磁系统的影响,通过综合调整螺线管与屏蔽罩的交互参数,对静磁系统进行了优化设计,同时还确认了螺线管加工误差对系统性能的影响。设计的核磁共振陀螺静磁系统磁场优于1.11×10^(–5),较优化前提高至少一个数量级,满足核磁共振陀螺的使用需求。

核磁共振陀螺中内嵌碱金属磁力仪研究

核磁共振陀螺利用核自旋的闭环磁共振实现角速度的测量,其磁共振信号一般由内嵌碱金属磁力仪测出。为了提高磁力仪性能,对描述磁力仪的Bloch方程,采用微扰迭代法和级数展开法,求出了各磁矩分量的近似解,然后讨论了线性测量范围随纵向与横向弛豫时间的变化规律以及频率响应特性。利用数值仿真,对上述近似解析解进行了验证。结果表明,磁力仪的线性测量范围随纵向、横向弛豫时间的增大而减小,其频率响应为一阶低通,截止频率仅与横向弛豫时间有关。上述研究对核磁共振陀螺的优化有一定的参考意义。

导航级微型核磁共振陀螺仪技术综述

导航级微型核磁共振陀螺仪是美国国防高级研究项目局为了克服全球定位系统(GPS)在受到强干扰或GPS星座受损而失效的潜在威胁而开发的,其技术特点是通过微制造技术将所有必须的组件封装成为一个小型、低功耗、片式、高精度的惯性测量组合。从核磁共振原理、核磁共振陀螺仪原理、发展现状以及关键技术等方面对核磁共振陀螺仪进行了介绍。

一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法

维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共振陀螺的应用范围。为解决以上问题,提出了一种基于自激励的闭环控制方法,通过理论仿真模型和实验设计,验证了其正确性与可行性。仿真结果表明,采用所提出闭环控制方法的陀螺漂移可达到9×10^(-4)°/h,角速率分辨率可达到0.1°/s以内。实验结果表明,与传统方法相比,采用所提出的方法使得陀螺漂移精度提高了一个数量级,同时,为未来核磁共振陀螺小型化奠定了基础。

加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响分析

为研究加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响,提出了基于流体力学模型的分析方法。首先,根据核磁共振陀螺气室的结构特点建立了形状固定的封闭系统自然对流换热模型;然后,采用有限元法给出了不同大小的加速度下气室温度场的稳态分布特性;在此基础上,分析了温度场变化对陀螺零位漂移产生的影响,进而得到加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响关系。分析结果表明,与零加速度的结果相比,0.6倍、1.5倍、5.2倍和36.5倍重力加速度将分别导致陀螺产生约0.01°/h、0.1°/h、1°/h和10°/h的零位漂移变化量。研究成果为核磁共振陀螺在过载条件下的应用提供了参考。

核磁共振陀螺高精度磁场驱动技术

核磁共振陀螺(NMRG)是利用激光与核磁共振气室中的碱金属原子和惰性气体原子的相互作用使核子以拉莫尔频率进动,并通过磁场驱动技术对气室磁场实现闭环控制和对剩磁进行补偿来维持核子的共振状态,进而能够检测载体的角速度信息。磁场驱动技术作为磁场闭环控制的重要部分,直接影响核磁共振陀螺的磁场控制精度和稳定性。为了解决核磁共振陀螺磁场控制精度和稳定性不足的关键问题,采用交直流分离设计的压控电流源方案改善磁场驱动问题,基于噪声分析理论对电路进行建模和噪声分析,并通过实验验证对三轴线圈的横向磁场控制精度达±0. 046 2 n T,纵向磁场控制精度为±0. 003 1 nT,实验证明该技术方案具有较强的工程应用价值。