一种相干布局囚禁原子钟和三轴核磁共振陀螺一体化系统

本发明涉及原子钟和核磁共振陀螺仪领域，尤其涉及一种相干布局囚禁原子钟和三轴核磁共振陀螺一体化系统。

背景技术：

1、随着人类活动范围的扩大，导航定位系统在军事和民用上的应用越来越多，但随着干扰技术的兴起，常规导航技术难以在地下、水下等复杂环境实现连续可靠的导航。惯性导航技术作为唯一全自主、实时、连续的导航技术,成为了实现高精度无缝导航的关键方法。现有惯性导航技术如光纤惯导、激光惯导等体积重量大、预热启动慢、成本高。基于现代量子技术、电子技术、微机电系统(mems)和3d微组装工艺的微型定位导航与授时(micro-position,navigation,timing,micro-pnt)技术兼顾低功耗、小体积、低成本、高精度、抗振动等综合优势，为现代军事和民用导航定位方法提供了新思路。

2、micro-pnt利用芯片级的原子钟与微惯性测量单元(imu)技术融合取代传统的pnt手段。其中，芯片原子钟，通常为相干布局囚禁(cpt)原子钟提供时间信息；组成微惯性测量单元的核磁共振陀螺仪(nmrg)和高精度微加速度计分别提供角速度信息和加速度信息。传统的micro-pnt单元将芯片原子钟、分别用于测量x、y、z三轴角速度的三个nmrg和高精度微加速度计作为独立器件组装使用，增加了系统的体积和成本。

3、公开号cn201410605639.2提出了一种相干布局囚禁原子钟和核磁共振原子陀螺仪一体化系统，但该方法中只能实现单轴陀螺和原子钟的一体化集成，不利于导航系统在复杂环境下的应用；公开号cn202310440338.8提出了一种一体化三轴核磁共振原子陀螺仪系统，但该方法基于内壁带反射棱镜的碱金属原子气室，增加了加工难度和制作成本，且反射棱镜的高反膜通常为介质膜或金属膜，前者会和碱金属反应，后者会影响气室空间磁场的分布，不利于复杂环境下长期稳定工作。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种相干布局囚禁原子钟和三轴核磁共振陀螺一体化系统。本发明利用六面通光的正方体玻璃气室，将原子钟与三轴陀螺仪集成到一套物理系统上，进一步减小了micro-pnt系统的体积、功耗和成本，且加工难度小，工艺成熟度高，可以在复杂环境下，长期稳定地提供多维惯性信息。核磁共振状态下碱金属原子发生拉莫尔进动，原子绕磁场强度b0方向自旋进动，进动频率ωl＝γb0，式中γ为原子旋磁比，ωl为拉莫尔进动频率。沿b0方向施加一束抽运光，垂直b0方向施加一束探测光，当原子所在惯性系绕b0方向以ωr角速度旋转时，探测光光强变化频率ωobs＝ωl+ωr。已知旋磁比γ、磁场强度b0和光强变化频率ωobs，可以得到惯性系转动角速度。这就是nmrg的工作原理。

2、碱金属原子在磁场作用下发生塞曼能级分裂，在相干双色圆偏光作用下原子被抽运到相干暗态，这两束激光的频率差严格等于原子两超精细能级差对应的频率，此时，激发态上没有原子，且原子不再吸收光子，原子被“布局囚禁”在基态的两超精细能级上，透射光强最大。相干双色光通常由微波电流调制的垂直腔面发射半导体激光器(vcsel)提供。根据透射光强的变化将vcsel调制电流的微波频率锁定在原子基态超精细能级频率差上，这样就将能极差的高稳定性传递给了微波频率大小，从而得到稳定的频率信号。这就是cpt原子钟的工作原理。

3、由上述nmrg和cpt原子钟工作原理可知，两者原子气室成分相似、工作温度相同、对静磁场的要求相同、抽运光频率相同、偏振态相同，可以利用同一个气室、结合同一套温度控制、磁场屏蔽和抽运光源，利用时分复用原理实现cpt原子钟和三轴nmrg的共基简并集成。

4、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、一种相干布局囚禁原子钟和三轴核磁共振陀螺一体化系统，包括原子气室、位于原子气室外的xyz三轴线圈、分别连接三轴线圈的三个信号发生器、分别设置于三轴方向的三个半导体激光器和三个光电探测器、三轴陀螺仪信号解调模块、光源驱动模块、原子钟稳频伺服环路和时分复用控制器；三轴陀螺仪信号解调模块分别连接三个光电探测器，用于解调输出陀螺信号；

6、所述的原子钟稳频伺服环路包括与z轴光电探测器连接的锁相放大器、与锁相放大器连接的微波综合器，所述微波综合器通过bias-tee偏置器与z轴半导体激光器连接；所述的锁相放大器还与连接z轴线圈的z轴信号发生器相连；在原子钟工作的时间内，z轴信号发生器产生的正弦信号在维持z轴线圈磁场的同时也用于调制锁相放大器；

7、所述的时分复用控制器分别与三个信号发生器、光源驱动模块以及原子钟稳频伺服环路中的微波综合器相连，所述的光源驱动模块还连接x轴半导体激光器、y轴半导体激光器和bias-tee偏置器，光源驱动模块在时分复用控制器的控制下依次为三个半导体激光器供电。

8、进一步地，所述原子气室为六面通光的正方体玻璃气室，内部包含碱金属原子rb或cs蒸气、惰性气体xe和缓冲气体n2。

9、进一步地，连接三轴线圈的x轴信号发生器、y轴信号发生器、z轴信号发生器用于产生正弦信号并施加在三轴线圈上，分别产生绕x、y、z三轴的磁场。

10、进一步地，分别设置于三轴方向的x轴半导体激光器、y轴半导体激光器、z轴半导体激光器两两正交，其中，x轴半导体激光器、原子气室和x轴光电探测器在x轴方向上直线对齐，组成x轴光路；y轴半导体激光器、原子气室和y轴光电探测器在y轴方向上直线对齐，组成y轴光路；z轴半导体激光器、原子气室和z轴光电探测器在z轴方向上直线对齐，组成z轴光路。

11、进一步地，所述时分复用控制器通过时分复用方式分别实现三轴陀螺和原子钟的功能，包括：

12、在第一时刻，原子钟工作，三轴陀螺均不工作，此时控制z轴磁场线圈产生直流磁场，同时控制光源驱动模块产生直流驱动信号，以及控制微波综合器产生调制微波信号，所述的直流驱动信号和调制微波信号通过bias-tee偏置器耦合到z轴半导体激光器，z轴光路工作；在第二时刻，x轴陀螺工作，y轴陀螺、z轴陀螺、原子钟不工作，此时控制x轴磁场线圈产生直流磁场，控制y轴磁场线圈产生交流磁场，此时x轴光路工作提供x轴陀螺抽运光，y轴光路工作提供x轴陀螺探测光；

13、在第三时刻，y轴陀螺工作，x轴陀螺、z轴陀螺、原子钟不工作，此时控制y轴磁场线圈产生直流磁场，控制x轴磁场线圈产生交流磁场，此时y轴光路工作提供y轴陀螺抽运光，x轴光路工作提供y轴陀螺探测光；

14、在第四时刻，z轴陀螺工作，x轴陀螺、y轴陀螺、原子钟不工作，此时控制z轴磁场线圈产生直流磁场，控制x轴磁场线圈产生交流磁场，此时z轴光路工作提供z轴陀螺抽运光，x轴光路工作提供z轴陀螺探测光。

15、进一步地，所述bias-tee偏置器由电容和电感构成，其中电感一端与光源驱动模块连接，电容一端与微波综合器连接，电容另一端与电感另一端与z轴半导体激光器相连。

16、进一步地，所述微波综合器接收锁相放大器产生的反馈信号，产生特定频率的调制微波信号，通过bias-tee偏置器将光源驱动模块产生的直流驱动信号调制为微波调制电流。

17、进一步地，每个半导体激光器后依次设置起偏器和四分之一波片，半导体激光器在bias-tee偏置器产生的微波调制电流或者光源驱动模块产生的直流驱动信号的驱动下发出相干双色光，经过起偏器和四分之一波片后变为相干双色圆偏光。

18、本发明的有益效果在于：

19、(1)本发明提供的相干布局囚禁原子钟与三轴核磁共振陀螺仪共用一个原子气室和同一套物理系统，进一步减小了micro-pnt系统的体积、功耗、重量，利用分时复用策略，可以在复杂环境下提供多维惯性信息，对于micro-pnt系统向着更小体积更高集成度方向发展具有推动作用。

20、(2)本发明利用六面通光的正方体玻璃气室组成光路，避免了在气室内加工反射结构，显著降低了工艺难度和加工成本，增加了系统的稳定性，可以在复杂环境下长期稳定工作。

21、(3)本发明将原子钟与三轴陀螺仪集成到一起，可以提高原子钟和陀螺仪的性能，利用cpt原子钟的高稳定时钟可以为核磁共振陀螺仪提供时间基准，保证核磁共振陀螺仪的多路闭环控制能够高精度实现，同时核磁共振陀螺仪中三轴磁场线圈的高控制精度保证了cpt原子钟c场的稳定，有利于提高原子钟信号稳定度。

22、(4)本发明既支持传统工艺制作，也支持微纳加工工艺实现，可以实现芯片级cpt原子钟和三轴核磁共振陀螺仪共基简并集成，可作为micro-pnt系统的一种备选方案，具有很高的实用价值。