原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究

原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。      

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 nT,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。      

全极化散射计极化失真误差校正方法

全极化散射计是一种新型微波散射计,可以同时测量目标的同极化和交叉极化散射系数.一方面能够解决传统散射计在海面风场反演中的风向模糊问题,提高海面风场测量精度,另一方面交叉极化散射系数可以有效提高海面风速测量范围,解决台风灾害监测和预报问题.利用全极化散射计数据进行高精度海面风场反演,首先需要解决全极化散射计系统极化失真误...     

主轴失准条件下的半球谐振陀螺电刚度补偿方法

半球谐振陀螺是一种基于哥氏效应的固体波动陀螺,具有高精度、长寿命、高可靠性的优势。频差直接影响着陀螺仪表的测量精度。针对存在主轴失准角的情况,文章建立了包含主轴失准角在内的完整电刚度补偿动力学模型,并给出了不同失准角度下谐振子电刚度补偿方案以及仿真结果,仿真结果表明,利用多电极组合补偿的方法能够实现主轴失准条件下的残余频差的完全抑制,为谐振子频差的电刚度补偿方法提供了借鉴。     

基于System Generator建模的微半球陀螺数字化测控电路设计

随着对于惯性测量单元精确度的要求不断提升,针对于陀螺仪测控电路的要求也逐步提高。首先介绍了微半球谐振陀螺的结构与工作原理,然后对其测控电路工作原理进行了介绍。之后通过System Generator建模设计出微陀螺的闭环控制与检测电路方案,搭建微陀螺的电路系统,完成微陀螺的性能测试,为微陀螺的测控电路领域的研究提供参考和支持。     

结合多体动力学先验知识与核方法的位标器性能预测技术

位标器的性能与特征参数之间存在着非常复杂的非线性映射关系,且由于装调工艺复杂,测量手段昂贵,位标器实际测量数据较少。如何在小数据的情况下实现对位标器性能的精确求解,是准确预测位标器装调性能的关键。提出一种结合陀螺动力学先验知识和核方法的位标器装配性能预测方法(A-LPSVR)。通过构建陀螺Adams动力学模型以缩小解空间范围。使用仿真性能值和真实装调性能值的差值训练支持向量回归模型,得到最终的位标器性能预测模型。实验结果表明该方法所构建的模型预测准确性与泛化性能要优于现有模型,能够在测量数据稀缺情况下实现位标器陀螺仪性能的精确预测。     

光纤陀螺随机误差模型分析

陀螺仪的工作精度决定着惯性参考系统的精度,为了减小陀螺仪的误差并提高其精度,需要对陀螺仪误差进行估计与精确建模.提出应用ARMA,Allan方差分析法及功率谱密度PSD(Power Spectrum Density)分析法联合对光纤陀螺FOG(Fiber Optic Gyroscope)的误差特性及建模技术进行了研究.利用Allan方差及PSD分析法对光纤陀螺输出信号的分析,有效地分离并确定影响光纤陀螺输出性能的几种主要随机误差源,并对所建立的光纤陀螺ARMA模型和AR模型的精度进行了评估.对光纤陀螺实测数据的分析表明Allan方差分析法与PSD分析法对光纤陀螺噪声分析结果具有一致性,时序ARMA模型是建立光纤陀螺随机误差模型的一种有效方法.      

MEMS陀螺随机误差的建模与分析

为了更全面地了解微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)陀螺仪的随机漂移误差随时间变化的特性,利用动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪输出信号特性进行了全面分析.首先介绍了Allan方差和动态Allan方差分析法原理,然后分别利用Allan方差分析法和动态Allan方差分析法对MEMS陀螺仪的实测数据进行了特性研究与性能分析.研究结果表明:速率斜坡、量化噪声和速率随机游走是MEMS陀螺的主要随机噪声,并且MEMS陀螺的随机漂移具有随时间变化的不稳定性.动态Allan方差不仅可以分离和辨识出MEMS陀螺的主要随机误差源,而且可以跟踪和描述信号随时间变化的稳定性,因此动态Allan方差较经典Allan方差分析法能够更全面地表征MEMS陀螺仪的性能.     

宽带双极化天线测量探头的设计与仿真

天线测量探头的性能对提升天线平面近场测量效率、最终测量结果的精度具有重要意义。针对平面近场测量的需要,应用反向四脊和差分馈电技术,设计了宽带双极化天线测量探头。对测量探头模型进行仿真,分析了带宽、方向图、隔离度和交叉极化辨识度等探头性能,确定了高隔离度、高极化纯度的宽带双极化天线测量探头的最优设计,获得了更高精度和效率的天线测量。     

产生匀强磁场的圆柱形线圈组设计方法

在精密测量和航空航天领域,原子陀螺仪、原子磁强计等对线圈产生磁场的均匀度有很高的要求,而传统的亥姆霍兹线圈磁场均匀度较差,难以满足应用需求。为了设计产生高均匀度磁场的线圈组,基于线圈轴向磁场的泰勒展开式,提出了任意线圈数的圆柱形线圈组参数的计算方法,并给出了9线圈以内的线圈参数,分析了磁场均匀度、线圈尺寸、线圈最大安匝比随线圈个数的变化趋势。结果表明随着线圈个数的增加,均匀区面积几乎线性增大,9线圈组磁场均匀度优于0.01%的区域面积约为亥姆霍兹线圈的30倍。在要求各个线圈由整数匝线圈组成且各匝线圈电流相同的情况下,提出了一种线圈安匝比取整的方法,并给出2~9线圈组的安匝比取整结果,计算结果表明相同线圈个数下设计的线圈组产生磁场的均匀度优于已有文献。以5线圈组为例,对实际线圈组制作工艺产生的误差进行了仿真分析,仿真结果表明,考虑误差的情况下,设计的尺寸和磁场也满足原子陀螺仪、原子磁强计等的实际要求。      

基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展

近年来,采用里德堡原子的微波电场测量技术得到了迅速发展,获得了广泛应用。该电场探测技术是一项全新技术,可以将微波电场通过基本物理常数与频率测量直接关联,具有测量动态范围大、测量灵敏度高和测量不确定度小的特点,有望替代传统溯源路径,直接关联国际单位制（SI）。本文基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术原理,针对国内外微波电场的高准确度、高灵敏度和极化方向测量技术发展现状,和对微波电场测量的工程化光源系统,蒸气室探头的仿真验证实验和集成式蒸气室探头的设计研究等方面的相关进展做了详细介绍。     

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1. 2‰。     

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1.2‰。     

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.      

航天器内部磁场环境主动补偿方法

为解决空间引力波探测任务中航天器磁场对惯性传感器干扰的问题,研究在航天器复杂磁环境下利用主动测控方式获取小尺度均匀磁场环境的方法.在惯性传感器周围进行分布式磁场探测,并采用球谐函数法或多磁偶极子法实现对惯性传感器外部磁源的估计,计算惯性传感器所处位置的空间磁场及其梯度分布.利用线圈技术,对磁场及其梯度进行线性补偿.讨论分析传感器数量以及磁源布局方式等因素对最终补偿效果的影响.仿真试验结果表明,通过这一方法可将惯性传感器所在区域的磁场及其梯度降低1～2个数量级,降低引力波航天器平台的剩磁控制压力,为引力波探测提供满足要求的磁场环境.      

冷原子干涉技术原理及其在深空探测中的应用展望

简要介绍了基于冷原子干涉技术的陀螺仪与重力仪的特点以及国内外研究现状,重点介绍冷原子制备、冷原子分束、反射以及原子内态探测等冷原子干涉关键技术的基本原理及其实现方法。结合深空探测特点,冷原子干涉技术在深空探测领域潜在的应用有两个方面:一方面可应用于深空探测器在飞行、交互、对接以及着陆过程中的自主导航;另一方面可应用于深空探测器引力助推过程中的重力以及加速度的精密测量。