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。     

量子惯性仪表用磁屏蔽材料进展

量子惯性仪表是利用光场和磁场等手段操控原子、电子等微观粒子实现载体运动信息测量的新型惯性设备,量子惯性仪表对外界磁场的大小、稳定性和均匀性等提出了很高的要求,需要高性能的磁屏蔽技术与之相匹配。回顾了目前常用的磁屏蔽方式,针对最常用的被动型磁屏蔽所涉及的材料铁镍合金、非晶合金和软磁铁氧体等进行了梳理和总结,阐述了上述三种材料的优缺点以及适用范围,并展望了量子惯性仪表用磁屏蔽材料的发展趋势。     

基于数值微分计算的SERF原子自旋惯性测量动态仿真

基于量子调控技术的SERF原子自旋惯性测量仪表与传统惯性测量仪表相比,具有精度高、无活动部件、对加速度不敏感等优点,被公认是下一代高精度惯性测量的发展方向。分析了SERF原子自旋惯性装置Bloch微分方程组模型下磁场、激光、角速度输入对碱金属电子极化率和惰性气体核子极化率的影响。针对实验条件下原子系综Bloch微分方程组难以解析求解的问题,基于可变阶次数值微分计算,建立了相应的Simulink模型对实验条件下的原子系综进行数值求解,并分析了极化率对光场、磁场、角速度输入的瞬态响应与稳态响应。仿真结果与理论计算结果相吻合,验证了Bloch方程数值求解的可行性与准确性。该方法可得到惯性测量系统的动态响应,可用于模拟复杂输入下的SERF原子自旋惯性测量系统的输出响应。     

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.     

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.     

应力状态对磁记忆信号的影响

 通过对20#钢试件拉伸时表面磁场的在线测量和20#钢试件经过不同程度拉伸并卸载后的表面磁场的测量，研究应力状态对磁记忆信号的影响。20#钢进行拉伸试验时，在应力集中部位，当变形很小时磁场信号变化平缓；产生一定程度塑性变形后磁场信号变化相对剧烈；出现颈缩现象时磁场信号变化非常剧烈。经分析认为，磁记忆信号的变化与材料内部微观组织的状态有关，试件变形很小时，磁弹性效应对试件表面磁场的变化起主要作用;试件变形较大时，其表面磁场的变化主要受塑性变形区内位错聚集产生的微缺陷的影响。     

基于磁共振线宽的Xe核自旋横向弛豫时间测量方法

随着核磁共振陀螺技术的发展,高精度核磁共振陀螺对原子气室性能提出了更高要求.原子气室内Xe核自旋的横向弛豫时间(T2)是衡量原子气室性能的重要参数之一,T2的常用测量方法为自由感应衰减法(Free Induction Decay,FID).当T2较短时,由于自旋进动信号易受外界干扰,FID方法难以对T2进行精确测量.根据磁共振线宽理论以及自旋进动信号检测技术,针对T2较短的原子气室,提出了基于磁共振线宽的Xe核自旋横向弛豫时间测量方法,构建了测试装置,对Xe核自旋进行了测试.测试结果表明,该测量方法能够有效获得Xe核自旋的横向弛豫时间,克服了FID方法对T2较短的原子气室难以测量的局限性,为检验核磁共振陀螺中原子气室的性能提供了有效测试手段.     

霍尔推进器磁屏蔽对磁场的优化效应研究

为研究磁屏蔽对霍尔推进器磁场位形分布的影响，以轴对称环形霍尔推进器为研究对象，采用FEMM软件对各种磁屏蔽情况下的磁场分布进行仿真；结合流体模型，利用四阶龙格库塔方法对放电通道内各粒子的输运性质进行研究。结果表明：内外磁屏蔽材料高度变化时磁场位形存在最优分布；电子温度在放电通道出口附近达到最大值，约64eV。离子化频率和电子轴向有效散射频率峰值也出现在通道出口附近。     

SERF陀螺气室温度对碱金属谱线漂移的影响

SERF陀螺具有高精度、小体积和双轴输出等特点，是新型陀螺技术中重要的发展方向之一。SERF陀螺中，碱金属气室的吸收峰谱线变化对SERF陀螺性能具有重要影响。重点研究了SERF陀螺原子气室温度对87Rb吸收谱D1线和D2线谱线移动的影响，随着温度变化，D1线和D2线有着相反的移动方向，频率移动系数分别为30.4MHz/K和-45.4MHz/K。碱金属吸收谱线移动会引起泵浦激光极化原子效率降低，进而导致SERF陀螺零偏稳定性变差。     

光纤陀螺磁屏蔽效能仿真及实验研究

光纤陀螺处于磁场环境中会产生漂移,降低了光纤陀螺精度。光纤陀螺的磁场敏感性制约了其在高精度导航领域的应用。本文建立了光纤陀螺三维磁屏蔽仿真模型,给出了光纤陀螺磁屏蔽效能与磁屏蔽结构参数之间的关系并得到实验验证,为光纤陀螺磁屏蔽设计提供了依据。     

基于PDR和磁场匹配的智能手机室内定位

目前，基于磁场的室内定位方法存在指纹采集无法快速建库的问题，导致匹配特征较少、无法快速进行匹配操作和航向角估计精度低。基于磁场梯度的快速近似，使用高斯牛顿迭代方法结合通过PDR测量的轨迹进行磁场轮廓匹配定位，提高了单点磁场指纹的可分辨性。基于步态模型的更新用作测量信息以改善C-INS的导航性能，提出了一种基于捷联惯性导航系统的行人航位推算算法。基于MFS参考位置，使用扩展Kalman滤波器控制PDR惯性导航的位置漂移误差，进一步提高了轨迹轮廓的精度。测试结果表明，该算法可以获得更好的位置估计和航向估计结果。     

核磁共振陀螺用高均匀磁场线圈设计方法

核磁共振陀螺代表了新一代高精度、微小型陀螺的发展方向之一,随着陀螺体积的降低,磁屏蔽层与磁场线圈随之减小,且二者贴合更加紧密,高导磁性的磁屏蔽层及低导磁性的空气介质交错分布,改变了线圈的磁通路径,导致线圈的磁场均匀性下降,制约了陀螺精度的提高。针对这一问题,提出了磁场等效增益系数,模拟磁屏蔽边界对线圈磁场的影响,据此建立了磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈模型,优化了线圈参数。对所设计线圈的磁场均匀性进行了测试,表明该设计方法可以得到磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈,可为发展微小型、高精度的核磁共振陀螺高均匀磁场线圈设计方法提供参考。     

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。     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

面向室内场景的惯性磁感应定位方法

针对卫星拒止的室内导航问题，在现有磁信标定位技术的基础上，通过分析低频旋转磁场的特点，建立了一种不受传感器姿态和磁信标磁矩信息影响的磁感应矢量夹角观测模型，并结合MEMS惯性导航的误差模型提出了一种以磁感应矢量夹角的正余弦值为量测信息的惯性磁感应动态定位方法，避免了磁传感器姿态误差和磁矩误差对定位结果的影响。利用实验室的双轴磁信标实验系统进行静态测试，验证了磁感应定位模型具有不受传感器姿态、环境中遮挡物以及磁矩影响的特点；通过数值仿真的方式对基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的惯性磁感应定位方法进行验证，结果表明该方法能有效地抑制惯性导航的发散，且位置最大误差小于0.75 m，满足大多数室内场景下的高精度导航定位需求。     

基于FPGA的捷联惯组数据采集系统设计与实现

惯性器件性能的好坏直接决定了武器系统的性能,惯性器件的测试工作需要专门的脉冲采集系统来实现,本文介绍了一种基于FPGA的新型惯组脉冲采集系统,通过选用XC3S1000-4FGG676I芯片轻松实现了多路脉冲信号、交直流电压量以及温度传感器信号采集,抗干扰措施的采用有效地保证了该系统的稳定性和可靠性,经过大量的试验考核目前已经正式运用于捷联惯组的单元测试过程中。     

实心转子—电磁轴承系统的损耗分析

当径向电磁轴承中的转子旋转时,转子中将产生涡流。当转子为非叠片结构时,所产生的涡流较大,此涡流将改变电磁轴承气隙回路中的磁场。因此,作用在转子上的磁场力除磁浮力之外,还将作用有切向力,此切向力将产生磁阻尼,引起能量损耗。本文提出了一实心转子—电磁轴承系统的磁场分布模型,给出了相应磁浮力和切向力的计算公式,以实际系统为例,进行了相应计算和损耗分析,并在实际系统上进行了实验。结果表明计算与实验较吻合。