空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验

在空间探测过程中,采用高灵敏无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计在行星表面进行磁场测量是原位物质成分分析的有效手段之一。为了提高SERF原子磁强计的磁场测量灵敏度,必须减小外界磁场扰动对其原子自旋SERF态质量的影响,基于SERF原子磁强计的测量原理,设计了一套主动磁补偿系统。首先,通过测量驱动激光光强获得3个方向的磁场信息;在此基础上,控制电流源和线圈主动产生一个与外界磁场扰动大小相同、方向相反的磁场来补偿扰动,以提高原子自旋SERF态的质量;最后,结合现有的SERF原子磁强计实验平台进行了实验验证。实验结果表明,与手动补偿方式相比,采用本文所述的主动磁补偿系统,可以实时跟踪磁场补偿点,降低系统信号的噪声,补偿了外界磁场的扰动,验证了磁强计主动磁补偿技术的有效性,为后续样机的研制奠定了技术基础。     

基于热磁耦合分析的高性能磁屏蔽系统设计

近零磁工作环境是实现无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置的必要条件,但在实际中由于装置内部气室加热和环境温度变化引起的磁屏蔽性能变化是影响系统性能的一个主要因素。基于热-磁耦合理论建立了惯性测量装置的有限元分析模型,对加热条件下磁屏蔽筒内磁场均匀性及其剩余磁场进行了分析。结果表明,气室加热至200℃时,附近温度场对磁屏蔽筒内部磁场梯度的影响较小可以忽略,但磁屏蔽筒内部剩磁相比数值解增加了0.09nT。同时基于上述模型对磁屏蔽材料的温度稳定性进行了研究,当采用高温稳定磁屏蔽材料时,惯性测量装置的长期稳定性有所提高,但磁屏蔽效能会降低。该研究为高性能磁屏蔽筒的热磁耦合误差及磁屏蔽材料性能的研究提供了理论与方法支撑,同时也为SERF原子自旋惯性测量装置的研制提供了有力的技术保障。     

SERF陀螺仪研究进展及关键技术

SERF(Spin Exchange Relaxation Free)陀螺仪利用电子自旋在惯性空间的定轴性敏感载体转动信息,具有超高精度、小体积的特点,已成为国内外惯性技术领域的研究热点之一.本文介绍了SERF陀螺仅的基本原理,回顾了SERF陀螺仪的国内外发展历程,指出SERF陀螺仪发展需要解决原子气室抗弛豫、核自旋磁场补偿闭环和高精度的信号检测三个关键技术,并展望了SERF陀螺仪在未来潜在的应用前景.     

重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动

建立了自旋稳定卫星姿态摄动的数值分析方法及模型,对重力梯度力矩作用下自旋卫星自旋轴相对于地心惯性系进动和章动以及赤经和赤纬的变化进行了仿真分析。对重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动的演化规律进行了研究。指出在重力梯度力矩的作用下：自旋轴指向绕轨道面法线进动;章动角速度远小于进动角速度;轨道角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越大,赤经和赤纬的变化率越大;自旋角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越小,赤经和赤纬的变化率越小。     

铯光泵原子磁强计研制进展

铯光泵原子磁强计利用极化铯原子自旋拉莫尔相干进动探测和测量磁场,具有精度高、响应快等特点。围绕铯光泵原子磁强计的技术特点,重点介绍了其工作原理及研制工作,实现了一款铯光泵原子磁强计整机。测试结果表明,该款磁强计磁场测量范围为20000~100000nT,峰-峰噪声值为0.0017nT,能满足磁异常探测对高精度磁强计的需求。     

金刚石氮-空位色心惯性测量技术发展与展望

金刚石内嵌负电荷氮-空位(NV-)色心,因其结构性质稳定、常压室温下自旋弛豫时间长、易于操控和检测等特点,已广泛应用于磁场、电场、温度等物理量的测量。基于金刚石NV-色心的惯性测量技术是基于量子效应的原子自旋惯性测量领域的新兴方向之一。首先介绍了金刚石NV-色心的结构与性质,其次阐述了量子体系几何相的基本原理以及NV-色心几何相的惯性测量方案和系统,然后总结了自提出以来金刚石NV-色心惯性测量的国内外发展现状,最后对金刚石NV-色心惯性测量技术的未来发展趋势进行了展望。     

原子气室内自旋极化率的空间操控与测量

目前,对原子气室内自旋极化率的空间操控与测量已有不少研究,但是对这类研究缺乏系统的分析、整理和综述。通过对文献的梳理,将现有的操控与测量方法分为三类,即光操控/磁测量方法、磁操控/光测量方法和光操控/光测量方法。分别对这三类方法进行了叙述,尤其是对笔者所在小组提出和研究的光操控/光测量方法进行了详细的介绍。该方法采用时空双重调制技术和正交隔离技术,实现了13.7μm线宽的自旋极化率空间操控与测量。此结果不仅远小于之前毫米量级的空间分辨率,而且突破了无扩散干扰距离的限制。基于上述实验进展,对原子气室内自旋极化率操控与测量的空间分辨率理论极限进行了初步分析。     

基于高频激励的高精度交流电桥测温系统研究

为实现对原子气室温度的高精度测量,同时避免测温电路产生的直流磁场或低频磁场对原子自旋系综运动状态的影响,设计了一种基于高频激励的交流电桥温度测量方法。首先,建立了测温电路的数学模型,并对模型中各元件参数之间的内在联系进行了分析。其次,对测温电路进行了灵敏度分析。然后,针对力学环境微小扰动对测温电路中导线分布参数的影响,优化设计了测温电路中相关元件的参数。最后,实验数据表明,优化后的交流测温系统测温稳定性提升了1个数量级。     

SERF原子磁力仪关键技术及应用

无自旋交换弛豫磁力仪利用碱金属原子自旋交换弛豫消除效应实现弱磁场信息测量,具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点,已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一.介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪的工作原理和国内外研究现状,重点讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等关键技术,并对无自旋交换弛豫原子磁力仪的发展趋势和应用前景进行了展望.     

核磁共振陀螺原子核自旋进动的建模与仿真

针对87Rb-129Xe核磁共振陀螺中原子核的自旋进动,基于核磁共振Bloch方程,给出了Xe原子核自旋进动模型,详细分析了横向激励磁场的相位和幅值对Xe原子宏观磁矩进动的影响,以及实现稳态进动的条件。建立了Xe原子宏观磁矩进动的仿真模型,对激励磁场反馈控制、陀螺角位移信号相位解调进行了仿真。分析和仿真结果表明,当载体系旋转时,陀螺角位移线性调制Xe原子宏观磁矩水平分量的进动相位,为了维持磁共振,横向激励磁场相位应与宏观磁矩y向分量的进动相位保持一致;模型能够准确地实现对陀螺载体坐标系旋转位移的观测。     

光力惯性传感技术研究进展

光力惯性传感技术是利用光子与机械振子的相互作用,通过出射光的动量和角动量的变化实现对振子运动状态的监测,进而实现对其受力（矩）,以及（角）速度、（角）加速度测量的新型惯性传感技术。该技术既有高极限精度的原理优势,又有微型化的技术优势,是惯性传感技术的前沿领域,具有极大的发展潜力。首先介绍了基于光阱系统和微腔系统的两类光力惯性技术,分析了其基本工作原理与物理特征;其次介绍了国内外光力惯性传感器件的研究现状;最后对光力惯性技术的发展特点、国内外差距进行了总结,并给出了我国发展光力惯性传感技术的建议。     

空间失效慢旋卫星视觉特征跟踪与位姿测量

空间碎片或者失效卫星往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比三轴稳定目标而言又增加了许多,主要体现在复杂光场环境下和目标观测面周期性进出视场引起的特征点丢失、尺度变化和旋转变化,以及长时间连续观测引起的累积误差增大、位姿解算不收敛等难题。通过构建优化目标特征数据库,将传统测量方式中前后帧的匹配转变为当前帧与特征数据库的匹配和特征点的优化,即使中间过程帧出现了偏差仍然可以较好地跟踪后续图像帧的正确位置。在李代数空间下建立位姿向量微分扰动方程,获得测量值与估计值的残差目标函数,基于贝叶斯法则最大后验概率和李群与李代数的对指变换法则,求取位姿向量最优解。解决了李群空间下由于位姿变换矩阵不可加性而无法优化的问题,提高了连续测量过程中系统的测量精度。实验结果表明,无优化测量方法无法保证整个旋转周期的有效测量;通过增加位姿优化过程,连续稳定测量时间明显延长,针对以12（°）/s自旋运动的目标,测量稳定段误差在2°以内,旋转角速度测量误差为0.12（°）/s。     

Angular velocity determination of spinning solar sails using only a sun sensor

The direction of the sun is the easiest and most reliable observation vector for a solar sail running in deep space exploration. This paper presents a new method using only raw measurements of the sun direction vector to estimate angular velocity for a spinning solar sail. In cases with a con-stant spin angular velocity, the estimation equation is formed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector;the least-squares solution is then easily calculated. A performance criterion is defined and used to analyze estimation accuracy. In cases with a variable spin angular velocity, the estimation equation is developed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector and the attitude dynamics equation. Simulation results show that the proposed method can quickly yield high-precision angular velocity estimates that are insensitive to certain measurement noises and modeling errors.     

Navigation Computation in Terrestrial Strapdown Inertial Navigation Systems

The problem of computing the translational velocity and position relative to earth, which has to be solved by the processor of a strapdown inertial navigation system is discussed. Several approaches are briefly examined with consideration given to the form in which the sensor data are generated and to the computational burden involved in each approach. A computational scheme is finally selected in which the computation is divided into three rate levels. The differential equations of this scheme are developed and the assumptions on which the development is founded are stated. Three variants of the basic scheme are presented, each based on a different level of simplifying assumptions. The main purpose of this work is to develop the differential equations to be solved at each stage of the computation, rather than the numerical implementation of the solution. This work supplies the theoretical background for some of the numerical methods which are now being used.     

无陀螺惯性测量组合设计及角速度误差补偿方法研究

提出了九加速度计无陀螺惯性测量组合(NGIMU)配置方案,并建立了其实验系统.由于加速度计输出误差的存在,必然引起角速度计算误差随时间累积.针对该项误差,采用一种提高角速度解算精度的新方法,该方法利用角速度乘积项可有效对误差进行补偿.另外在分析加速度计安装位置存在误差的基础上,提出了对加速度计输出具有补偿效应的解算方法,间接提高了角速度的解算精度.最后对上述两种补偿方法进行了角速度仿真和角度测试实验.实验结果证明了方案的可行性和有效性.     

金属壳谐振子研究进展

金属壳谐振陀螺是利用驻波的进动特性来敏感输入角速率的一种新型壳体振动陀螺，具有结构简单、功耗低、抗冲击性强、稳定性高等优点，可被广泛应用于中低精度角速度测量领域。金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质，而且具有抗高过载、量程大的特点，这是其他类型陀螺所不具备的。作为金属壳谐振陀螺的核心部件，金属壳谐振子的性能至关重要。结合金属壳谐振陀螺综述了金属壳谐振子的研究进展，从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论，并指出了金属壳谐振陀螺及其谐振子的发展趋势。     

Inertial deposition of suspended particles in a flow around a porous cylinder

The results of studying a dispersed airflow around a single porous cylinder are presented. The flow field of carrying medium outside the cylinder is described within the framework of the Navier-Stokes equations for incompressible gas; inside the porous cylinder the Darcy-Brinkman extended equations for averaged velocity are used. The numerical solution of the medium equations is achieved in the FLUENT package. In the found field of carrying medium velocities the suspended particle trajectories are calculated. Also given are the dependences of the particle inertial deposition effectiveness on the Stokes number at various values of the Darcy number.