基于核磁共振陀螺仪内嵌原子磁强计的三轴剩余磁场测量

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作者 余文彬 徐信业 《华东师范大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第3期80-89,共10页

为保证惰性气体原子核拉莫尔进动频率仅由施加的主磁场决定,必须消除背景剩余磁场,从而为获得高精度的核磁共振陀螺仪(nuclear magnetic resonance gyroscopes, NMRG)提供保障;而对剩余磁场的精确测量成了实现这一目标的关键技术之一.... 为保证惰性气体原子核拉莫尔进动频率仅由施加的主磁场决定,必须消除背景剩余磁场,从而为获得高精度的核磁共振陀螺仪(nuclear magnetic resonance gyroscopes, NMRG)提供保障;而对剩余磁场的精确测量成了实现这一目标的关键技术之一.利用内嵌于核磁共振陀螺仪的碱金属原子磁强计,实现了系统三轴剩余磁场的测量,得到了相应实验条件下x,y,z轴方向剩余磁场大小,为最终实现陀螺仪中三轴剩余磁场的有效补偿创造了条件.此外,当在轴方向施加主磁场后,由于碱金属原子与惰性气体原子发生自旋交换碰撞,惰性气体原子会极化产生沿轴方向的等效磁场,通过利用内嵌原子磁强计可测得该等效磁场.这将为分析气室内碱金属原子与惰性气体原子自旋交换碰撞、获取费米接触相互作用增强因子等提供重要信息. 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 磁强计 剩余磁场 极化等效磁场

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微型核磁共振陀螺仪的原理概述及发展趋势

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作者 陈海涛 郗望 +3 位作者 苑鸿宇 王元 杨禹超 王兴宇 《传感器与微系统》 北大核心 2025年第6期6-11,共6页

为了开拓新的应用领域,惯性传感器正向着小体积、低功耗、低成本等方向发展,微型核磁共振陀螺仪正是该方向上的研究热点之一,美国国防高级研究项目局也将微核磁共振陀螺仪列入研究计划,并对微型核磁共振陀螺仪的研发与应用有很高的期待... 为了开拓新的应用领域,惯性传感器正向着小体积、低功耗、低成本等方向发展,微型核磁共振陀螺仪正是该方向上的研究热点之一,美国国防高级研究项目局也将微核磁共振陀螺仪列入研究计划,并对微型核磁共振陀螺仪的研发与应用有很高的期待。首先从核磁共振、核磁共振陀螺仪的相关原理进行介绍,指出其中的关键技术。最后,介绍核磁共振陀螺仪的发展趋势,及国内外的相关研究成果。 展开更多

关键词 核磁共振 原子自旋 光抽运 核磁共振陀螺仪

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核磁共振陀螺仪研究进展 被引量：8

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作者 陈颖 刘占超 刘刚 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第7期1017-1023,共7页

核磁共振陀螺仪(NMRG)是基于量子原理的、目前世界上体积最小的导航级陀螺仪,具有加速度不敏感、抗干扰能力强且没有运动部件等优势,有望在与微机电陀螺仪同等体积、成本下达到光学陀螺仪的精度,受到了国内外广泛关注.介绍了核磁共振陀... 核磁共振陀螺仪(NMRG)是基于量子原理的、目前世界上体积最小的导航级陀螺仪,具有加速度不敏感、抗干扰能力强且没有运动部件等优势,有望在与微机电陀螺仪同等体积、成本下达到光学陀螺仪的精度,受到了国内外广泛关注.介绍了核磁共振陀螺仪基于核磁共振技术的基本工作原理,然后回顾了核磁共振陀螺仪自20世纪60年代起的发展历史,重点分析了21世纪以来国内外研究机构在核磁共振陀螺领域取得的重大研究成果,并对国内外核磁共振陀螺仪的最新研究进展进行了跟踪,美国Northrop Grumman公司已经率先研制出了面向军事领域的微小型导航级核磁共振陀螺仪.最后对核磁共振陀螺仪未来发展的方向进行展望,将进一步向高精度、低成本和小体积方向发展,同时分析了核磁共振陀螺可能应用前景,将广泛应用于民用领域以及军用领域. 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 原子陀螺仪 微陀螺仪 惯性导航 量子原理

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核磁共振陀螺仪泵浦光频率波动抑制 被引量：6

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作者 王学锋 周维洋 +1 位作者 邓意成 刘院省 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第2期236-239,共4页

核磁共振陀螺仪利用原子核自旋磁矩在静磁场中进动频率的不变性敏感载体转动信息。针对泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能的问题,研究了泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能机理和抑制方法。通过分析核磁共振陀螺仪理论输出... 核磁共振陀螺仪利用原子核自旋磁矩在静磁场中进动频率的不变性敏感载体转动信息。针对泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能的问题,研究了泵浦激光频率漂移影响核磁共振陀螺仪性能机理和抑制方法。通过分析核磁共振陀螺仪理论输出的数学模型和自旋光泵极化^(129)Xe核子的过程,阐明了泵浦激光频率波动对陀螺仪性能影响的机理。分析表明,为了获得更高的碱金属极化率和稳定性,从而得到更好的陀螺仪零偏稳定性,需要将泵浦光的频率稳定在^(87)Rb的原子的共振跃迁频率处。采用波长调制法实现了泵浦光频率的稳定控制。通过实验对比发现:稳频使得陀螺仪的零偏稳定性从389.68(°)/h(1σ)降低至40.74(°)/h(1σ),降低了89.5%。因而得出结论:抑制泵浦激光频率的漂移可以有效提高核磁共振陀螺仪的性能,主要体现在陀螺仪的零偏稳定性上。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 零偏稳定性 波长调制稳频 泵浦光

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一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法 被引量：1

5

作者 岳亚洲 明泽额尔顿 +1 位作者 雷兴 张昊 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第5期638-643,共6页

维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共... 维持气室内原子稳定进动的磁场闭环控制是核磁共振陀螺仪的关键控制技术之一。在目前广泛应用的闭环控制方法中,相位闭环无法实时补偿,且存在由于晶振时钟频率受限造成的量化噪声,导致陀螺零偏稳定性较差且转速分辨率较低,限制了核磁共振陀螺的应用范围。为解决以上问题,提出了一种基于自激励的闭环控制方法,通过理论仿真模型和实验设计,验证了其正确性与可行性。仿真结果表明,采用所提出闭环控制方法的陀螺漂移可达到9×10^(-4)°/h,角速率分辨率可达到0.1°/s以内。实验结果表明,与传统方法相比,采用所提出的方法使得陀螺漂移精度提高了一个数量级,同时,为未来核磁共振陀螺小型化奠定了基础。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 自激励闭环控制 实时补偿 角速率分辨率 陀螺漂移

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一种核磁共振陀螺横向磁场线圈耦合标定方法

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作者 张昊 岳亚洲 +1 位作者 雷兴 马圣杰 《压电与声光》 CAS 北大核心 2024年第1期97-102,共6页

磁场线圈是核磁共振陀螺磁场系统的核心部件,是惰性气体磁共振激励维持、主动磁补偿的核心部件。横向磁场线圈的耦合对磁补偿精度与磁共振激励都有较大影响。因此,横向磁场线圈的耦合标定尤为重要。为解决上述问题,提出了一种基于核磁... 磁场线圈是核磁共振陀螺磁场系统的核心部件,是惰性气体磁共振激励维持、主动磁补偿的核心部件。横向磁场线圈的耦合对磁补偿精度与磁共振激励都有较大影响。因此,横向磁场线圈的耦合标定尤为重要。为解决上述问题,提出了一种基于核磁共振陀螺内置磁力仪的横向磁场线圈耦合标定方法,通过理论仿真和实验设计,验证了其正确性与可行性。实验结果表明,采用所提出的耦合标定方法对X轴对Y轴耦合和Y轴对X轴耦合进行标定,分别为1.86%和3.11%。通过旋转线圈改变装配角度,表明此方法在较小旋转角度时,测量结果不受装配误差的影响。通过标定同一批次的5只线圈,根据结果从中选取耦合较小的线圈进行装配,为核磁共振陀螺线圈的筛选奠定了基础。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 碱金属磁力仪 磁场线圈 磁场线圈耦合 横向磁场线圈耦合标定

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核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计 被引量：20

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作者 李攀 刘元正 王继良 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第3期383-389,共7页

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进... 核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 多层磁屏蔽 优化设计

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核磁共振陀螺磁屏蔽罩内静磁场系统优化设计 被引量：3

8

作者 李攀 刘元正 +1 位作者 严吉中 张伟 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第3期381-385,391,共6页

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。为获得高精度与大动态范围,核磁共振陀螺通常工作在磁屏蔽罩中。根据静磁场的惟一性定理,磁力线会在磁屏蔽罩表面反射,从而影响核磁共振陀螺静磁场区域的磁场... 核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。为获得高精度与大动态范围,核磁共振陀螺通常工作在磁屏蔽罩中。根据静磁场的惟一性定理,磁力线会在磁屏蔽罩表面反射,从而影响核磁共振陀螺静磁场区域的磁场均匀性。从核磁共振陀螺静磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了磁屏蔽罩对静磁系统的影响,通过综合调整螺线管与屏蔽罩的交互参数,对静磁系统进行了优化设计,同时还确认了螺线管加工误差对系统性能的影响。设计的核磁共振陀螺静磁系统磁场优于1.11×10^(–5),较优化前提高至少一个数量级,满足核磁共振陀螺的使用需求。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 磁屏蔽罩 静磁场系统 磁场均匀性

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核磁共振陀螺静磁系统端口漏磁抑制技术 被引量：3

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作者 李攀 刘元正 王继良 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第1期56-62,共7页

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,核磁共振陀螺的陀螺精度与静磁场的均匀性、稳定性密切相关。然而核磁共振陀螺静磁系统... 核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,受到了国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,核磁共振陀螺的陀螺精度与静磁场的均匀性、稳定性密切相关。然而核磁共振陀螺静磁系统往往存在端口漏磁,形成杂散磁场,在长期工作过程中会磁化磁屏蔽罩,最终干扰陀螺精度。从核磁共振陀螺静磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了静磁系统的端口漏磁,并对静磁系统进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺静磁系统端口漏磁在1.5倍螺线管直径范围内较传统方案平均减小45.4%,满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 静磁系统 端口漏磁 双层螺线管

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核磁共振陀螺横向补偿磁场优化设计

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作者 明泽额尔顿 岳亚洲 +2 位作者 李攀 雷兴 张昊 《压电与声光》 CAS 北大核心 2023年第2期271-276,282,共7页

核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境,... 核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,已受到国内外的广泛重视。核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关。导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境,高效磁屏蔽一般仅能完成5~6个数量级的磁抑制,还需进行主动磁补偿。该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布,并对横向磁补偿线圈进行了优化设计。设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍,满足了核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 主动磁补偿 横向补偿线圈 磁场均匀性

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基于碱金属磁力仪的铷原子横向弛豫时间测量方法 被引量：3

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作者 岳亚洲 雷兴 +3 位作者 曹耀辉 李俊 刘元正 明泽额尔顿 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第4期496-501,共6页

原子气室是核磁共振陀螺核心部件,微小尺寸气室工作原子之间碰撞以及Rb原子与气室内壁的碰撞会导致Rb原子的横向弛豫时间大幅降低,限制惰性气体共振信号幅值及陀螺精度的提升。传统的三种弛豫时间测量方法均需要高频激励磁场,操作复杂... 原子气室是核磁共振陀螺核心部件,微小尺寸气室工作原子之间碰撞以及Rb原子与气室内壁的碰撞会导致Rb原子的横向弛豫时间大幅降低,限制惰性气体共振信号幅值及陀螺精度的提升。传统的三种弛豫时间测量方法均需要高频激励磁场,操作复杂且精度低。针对上述问题,在分析传统横向弛豫时间测量方法的基础上,提出基于铷原子磁力仪的横向弛豫时间测量方法。搭建数理模型对方案进行可行性验证,测量误差小于0.4‰。在实验中,对三支充气参数不同的气室的横向弛豫时间进行测量,测量显示组间误差小于6.8‰。与自由感应衰减方法测量结果相比,两者差别不超过5%,且操作更为简单。理论仿真和实验结果均表明所提出的方法能准确测量气室内铷原子横向弛豫时间,为核磁共振陀螺气室参数优化提供了工程化测量方法. 展开更多

关键词 核磁共振陀螺仪 碱金属磁力仪 原子气室 横向弛豫时间

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