本發(fā)明涉及原子鐘和核磁共振陀螺儀領(lǐng)域，尤其涉及一種相干布局囚禁原子鐘和三軸核磁共振陀螺一體化系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人類(lèi)活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，導(dǎo)航定位系統(tǒng)在軍事和民用上的應(yīng)用越來(lái)越多，但隨著干擾技術(shù)的興起，常規(guī)導(dǎo)航技術(shù)難以在地下、水下等復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)連續(xù)可靠的導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航技術(shù)作為唯一全自主、實(shí)時(shí)、連續(xù)的導(dǎo)航技術(shù),成為了實(shí)現(xiàn)高精度無(wú)縫導(dǎo)航的關(guān)鍵方法?，F(xiàn)有慣性導(dǎo)航技術(shù)如光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)等體積重量大、預(yù)熱啟動(dòng)慢、成本高?；诂F(xiàn)代量子技術(shù)、電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(mems)和3d微組裝工藝的微型定位導(dǎo)航與授時(shí)(micro-position,navigation,timing,micro-pnt)技術(shù)兼顧低功耗、小體積、低成本、高精度、抗振動(dòng)等綜合優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代軍事和民用導(dǎo)航定位方法提供了新思路。

2、micro-pnt利用芯片級(jí)的原子鐘與微慣性測(cè)量單元(imu)技術(shù)融合取代傳統(tǒng)的pnt手段。其中，芯片原子鐘，通常為相干布局囚禁(cpt)原子鐘提供時(shí)間信息；組成微慣性測(cè)量單元的核磁共振陀螺儀(nmrg)和高精度微加速度計(jì)分別提供角速度信息和加速度信息。傳統(tǒng)的micro-pnt單元將芯片原子鐘、分別用于測(cè)量x、y、z三軸角速度的三個(gè)nmrg和高精度微加速度計(jì)作為獨(dú)立器件組裝使用，增加了系統(tǒng)的體積和成本。

3、公開(kāi)號(hào)cn201410605639.2提出了一種相干布局囚禁原子鐘和核磁共振原子陀螺儀一體化系統(tǒng)，但該方法中只能實(shí)現(xiàn)單軸陀螺和原子鐘的一體化集成，不利于導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用；公開(kāi)號(hào)cn202310440338.8提出了一種一體化三軸核磁共振原子陀螺儀系統(tǒng)，但該方法基于內(nèi)壁帶反射棱鏡的堿金屬原子氣室，增加了加工難度和制作成本，且反射棱鏡的高反膜通常為介質(zhì)膜或金屬膜，前者會(huì)和堿金屬反應(yīng)，后者會(huì)影響氣室空間磁場(chǎng)的分布，不利于復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種相干布局囚禁原子鐘和三軸核磁共振陀螺一體化系統(tǒng)。本發(fā)明利用六面通光的正方體玻璃氣室，將原子鐘與三軸陀螺儀集成到一套物理系統(tǒng)上，進(jìn)一步減小了micro-pnt系統(tǒng)的體積、功耗和成本，且加工難度小，工藝成熟度高，可以在復(fù)雜環(huán)境下，長(zhǎng)期穩(wěn)定地提供多維慣性信息。核磁共振狀態(tài)下堿金屬原子發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，原子繞磁場(chǎng)強(qiáng)度b0方向自旋進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率ωl＝γb0，式中γ為原子旋磁比，ωl為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率。沿b0方向施加一束抽運(yùn)光，垂直b0方向施加一束探測(cè)光，當(dāng)原子所在慣性系繞b0方向以ωr角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，探測(cè)光光強(qiáng)變化頻率ωobs＝ωl+ωr。已知旋磁比γ、磁場(chǎng)強(qiáng)度b0和光強(qiáng)變化頻率ωobs，可以得到慣性系轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。這就是nmrg的工作原理。

2、堿金屬原子在磁場(chǎng)作用下發(fā)生塞曼能級(jí)分裂，在相干雙色圓偏光作用下原子被抽運(yùn)到相干暗態(tài)，這兩束激光的頻率差嚴(yán)格等于原子兩超精細(xì)能級(jí)差對(duì)應(yīng)的頻率，此時(shí)，激發(fā)態(tài)上沒(méi)有原子，且原子不再吸收光子，原子被“布局囚禁”在基態(tài)的兩超精細(xì)能級(jí)上，透射光強(qiáng)最大。相干雙色光通常由微波電流調(diào)制的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(vcsel)提供。根據(jù)透射光強(qiáng)的變化將vcsel調(diào)制電流的微波頻率鎖定在原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)頻率差上，這樣就將能極差的高穩(wěn)定性傳遞給了微波頻率大小，從而得到穩(wěn)定的頻率信號(hào)。這就是cpt原子鐘的工作原理。

3、由上述nmrg和cpt原子鐘工作原理可知，兩者原子氣室成分相似、工作溫度相同、對(duì)靜磁場(chǎng)的要求相同、抽運(yùn)光頻率相同、偏振態(tài)相同，可以利用同一個(gè)氣室、結(jié)合同一套溫度控制、磁場(chǎng)屏蔽和抽運(yùn)光源，利用時(shí)分復(fù)用原理實(shí)現(xiàn)cpt原子鐘和三軸nmrg的共基簡(jiǎn)并集成。

4、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、一種相干布局囚禁原子鐘和三軸核磁共振陀螺一體化系統(tǒng)，包括原子氣室、位于原子氣室外的xyz三軸線圈、分別連接三軸線圈的三個(gè)信號(hào)發(fā)生器、分別設(shè)置于三軸方向的三個(gè)半導(dǎo)體激光器和三個(gè)光電探測(cè)器、三軸陀螺儀信號(hào)解調(diào)模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊、原子鐘穩(wěn)頻伺服環(huán)路和時(shí)分復(fù)用控制器；三軸陀螺儀信號(hào)解調(diào)模塊分別連接三個(gè)光電探測(cè)器，用于解調(diào)輸出陀螺信號(hào)；

6、所述的原子鐘穩(wěn)頻伺服環(huán)路包括與z軸光電探測(cè)器連接的鎖相放大器、與鎖相放大器連接的微波綜合器，所述微波綜合器通過(guò)bias-tee偏置器與z軸半導(dǎo)體激光器連接；所述的鎖相放大器還與連接z軸線圈的z軸信號(hào)發(fā)生器相連；在原子鐘工作的時(shí)間內(nèi)，z軸信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)在維持z軸線圈磁場(chǎng)的同時(shí)也用于調(diào)制鎖相放大器；

7、所述的時(shí)分復(fù)用控制器分別與三個(gè)信號(hào)發(fā)生器、光源驅(qū)動(dòng)模塊以及原子鐘穩(wěn)頻伺服環(huán)路中的微波綜合器相連，所述的光源驅(qū)動(dòng)模塊還連接x軸半導(dǎo)體激光器、y軸半導(dǎo)體激光器和bias-tee偏置器，光源驅(qū)動(dòng)模塊在時(shí)分復(fù)用控制器的控制下依次為三個(gè)半導(dǎo)體激光器供電。

8、進(jìn)一步地，所述原子氣室為六面通光的正方體玻璃氣室，內(nèi)部包含堿金屬原子rb或cs蒸氣、惰性氣體xe和緩沖氣體n2。

9、進(jìn)一步地，連接三軸線圈的x軸信號(hào)發(fā)生器、y軸信號(hào)發(fā)生器、z軸信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生正弦信號(hào)并施加在三軸線圈上，分別產(chǎn)生繞x、y、z三軸的磁場(chǎng)。

10、進(jìn)一步地，分別設(shè)置于三軸方向的x軸半導(dǎo)體激光器、y軸半導(dǎo)體激光器、z軸半導(dǎo)體激光器兩兩正交，其中，x軸半導(dǎo)體激光器、原子氣室和x軸光電探測(cè)器在x軸方向上直線對(duì)齊，組成x軸光路；y軸半導(dǎo)體激光器、原子氣室和y軸光電探測(cè)器在y軸方向上直線對(duì)齊，組成y軸光路；z軸半導(dǎo)體激光器、原子氣室和z軸光電探測(cè)器在z軸方向上直線對(duì)齊，組成z軸光路。

11、進(jìn)一步地，所述時(shí)分復(fù)用控制器通過(guò)時(shí)分復(fù)用方式分別實(shí)現(xiàn)三軸陀螺和原子鐘的功能，包括：

12、在第一時(shí)刻，原子鐘工作，三軸陀螺均不工作，此時(shí)控制z軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，同時(shí)控制光源驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以及控制微波綜合器產(chǎn)生調(diào)制微波信號(hào)，所述的直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和調(diào)制微波信號(hào)通過(guò)bias-tee偏置器耦合到z軸半導(dǎo)體激光器，z軸光路工作；在第二時(shí)刻，x軸陀螺工作，y軸陀螺、z軸陀螺、原子鐘不工作，此時(shí)控制x軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，控制y軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，此時(shí)x軸光路工作提供x軸陀螺抽運(yùn)光，y軸光路工作提供x軸陀螺探測(cè)光；

13、在第三時(shí)刻，y軸陀螺工作，x軸陀螺、z軸陀螺、原子鐘不工作，此時(shí)控制y軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，控制x軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，此時(shí)y軸光路工作提供y軸陀螺抽運(yùn)光，x軸光路工作提供y軸陀螺探測(cè)光；

14、在第四時(shí)刻，z軸陀螺工作，x軸陀螺、y軸陀螺、原子鐘不工作，此時(shí)控制z軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，控制x軸磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，此時(shí)z軸光路工作提供z軸陀螺抽運(yùn)光，x軸光路工作提供z軸陀螺探測(cè)光。

15、進(jìn)一步地，所述bias-tee偏置器由電容和電感構(gòu)成，其中電感一端與光源驅(qū)動(dòng)模塊連接，電容一端與微波綜合器連接，電容另一端與電感另一端與z軸半導(dǎo)體激光器相連。

16、進(jìn)一步地，所述微波綜合器接收鎖相放大器產(chǎn)生的反饋信號(hào)，產(chǎn)生特定頻率的調(diào)制微波信號(hào)，通過(guò)bias-tee偏置器將光源驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制為微波調(diào)制電流。

17、進(jìn)一步地，每個(gè)半導(dǎo)體激光器后依次設(shè)置起偏器和四分之一波片，半導(dǎo)體激光器在bias-tee偏置器產(chǎn)生的微波調(diào)制電流或者光源驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)出相干雙色光，經(jīng)過(guò)起偏器和四分之一波片后變?yōu)橄喔呻p色圓偏光。

18、本發(fā)明的有益效果在于：

19、(1)本發(fā)明提供的相干布局囚禁原子鐘與三軸核磁共振陀螺儀共用一個(gè)原子氣室和同一套物理系統(tǒng)，進(jìn)一步減小了micro-pnt系統(tǒng)的體積、功耗、重量，利用分時(shí)復(fù)用策略，可以在復(fù)雜環(huán)境下提供多維慣性信息，對(duì)于micro-pnt系統(tǒng)向著更小體積更高集成度方向發(fā)展具有推動(dòng)作用。

20、(2)本發(fā)明利用六面通光的正方體玻璃氣室組成光路，避免了在氣室內(nèi)加工反射結(jié)構(gòu)，顯著降低了工藝難度和加工成本，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

21、(3)本發(fā)明將原子鐘與三軸陀螺儀集成到一起，可以提高原子鐘和陀螺儀的性能，利用cpt原子鐘的高穩(wěn)定時(shí)鐘可以為核磁共振陀螺儀提供時(shí)間基準(zhǔn)，保證核磁共振陀螺儀的多路閉環(huán)控制能夠高精度實(shí)現(xiàn)，同時(shí)核磁共振陀螺儀中三軸磁場(chǎng)線圈的高控制精度保證了cpt原子鐘c場(chǎng)的穩(wěn)定，有利于提高原子鐘信號(hào)穩(wěn)定度。

22、(4)本發(fā)明既支持傳統(tǒng)工藝制作，也支持微納加工工藝實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)cpt原子鐘和三軸核磁共振陀螺儀共基簡(jiǎn)并集成，可作為micro-pnt系統(tǒng)的一種備選方案，具有很高的實(shí)用價(jià)值。