一種用于核磁共振陀螺儀的分時激光穩(wěn)頻系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核磁共振陀螺儀的激光穩(wěn)頻領(lǐng)域。特別時一種降低加熱磁場對激光穩(wěn)頻精度產(chǎn)生影響的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微型核磁共振陀螺儀具有小體積、低功耗、高性能、大動態(tài)范圍等特性，已成為新型慣性器件的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。核磁共振陀螺儀的性能受原子核自旋宏觀磁矩的影響，且直接與被極化的堿金屬原子密度相關(guān)。激光器的頻率穩(wěn)定性直接影響被極化的堿金屬原子的密度，如果激光器頻率波動較大，將導(dǎo)致堿金屬原子極化率出現(xiàn)較大的波動，進(jìn)而影響最終的測量精度。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定度，可米用主動穩(wěn)頻和被動穩(wěn)頻的方法。被動穩(wěn)頻主要采用溫度控制、機(jī)械防震等手段實(shí)現(xiàn)，其雖然可達(dá)到較高的精度，但仍不滿足要求。主動穩(wěn)頻采用伺服控制系統(tǒng)，通過鑒頻器，測量激光頻率的變化，調(diào)整諧振腔或驅(qū)動電流動態(tài)穩(wěn)定激光的頻率，可實(shí)現(xiàn)較高的精度。
[0004]核磁共振陀螺儀采用飽和吸收伺服穩(wěn)頻技術(shù)，對激光器電流增加一個微小的調(diào)制信號，通過檢測這一微小調(diào)制信號的變化來動態(tài)的調(diào)整電流或諧振腔以校準(zhǔn)激光頻率。由于核磁共振陀螺儀的氣室需要在120°C的高溫環(huán)境下工作，因此必須用電磁加熱的方式提高氣室的溫度。氣室對外界磁場非常敏感，當(dāng)外界磁場變化時會影響激光的吸收比率，進(jìn)而影響光電探測器的輸出信號。因此當(dāng)加熱電流通過加熱片時，會產(chǎn)生較大的加熱磁場，使得檢測到的信號累加一個加熱磁場噪聲，降低穩(wěn)頻的精度，一般精度(即頻率穩(wěn)定度)只能達(dá)到10 7以下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題為:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種用于溫度控制的高精度分段脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及方法，解決了在核磁共振陀螺加熱磁場影響下的高精度頻率控制問題。
[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)方案為:一種用于核磁共振陀螺儀的分時激光穩(wěn)頻系統(tǒng)，包括:PID溫度控制器、PWM脈沖發(fā)生器、TEC溫控模塊、信號發(fā)生器、激光驅(qū)動恒流源、激光器、核磁共振陀螺、光電探測器、濾波放大模塊、信號選擇器、信號處理模塊；驅(qū)動激光器為半導(dǎo)體激光器，內(nèi)部設(shè)置有TEC ;
[0007]TEC溫控模塊，產(chǎn)生溫控電流，驅(qū)動激光器內(nèi)部的TEC，控制激光器的溫度，使激光器產(chǎn)生激光的頻率在S7Rb第一線附近；
[0008]激光驅(qū)動恒流源，產(chǎn)生用于驅(qū)動激光器的恒定電流，驅(qū)動激光器的激光二級管，使激光器的頻率進(jìn)一步接近S7Rb第一線；
[0009]信號發(fā)生器，產(chǎn)生一個正弦波電壓信號，調(diào)制激光驅(qū)動恒流源，使激光驅(qū)動恒流源產(chǎn)生的驅(qū)動電流產(chǎn)生微小變化；進(jìn)而使得激光器的出光強(qiáng)度產(chǎn)生微小變化。
[0010]激光器產(chǎn)生的光通過核磁共振陀螺后，被陀螺后端的光電探測器接收，光電探測器接收到激光后，根據(jù)激光的強(qiáng)度產(chǎn)生微小的電流信號。電流信號經(jīng)過濾波放大模塊放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出給信號選擇器。
[0011]PID溫度控制器，根據(jù)設(shè)定的溫度，產(chǎn)生一個加熱信號，該信號用于控制PWM脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號的占空比，根據(jù)脈沖信號的占空比，實(shí)現(xiàn)對核磁共振陀螺溫度調(diào)節(jié)；
[0012]PWM脈沖發(fā)生器根據(jù)PID溫度控制器輸出的加熱信號，產(chǎn)生一組用于溫度控制的脈沖信號，脈沖信號分為有效加熱脈沖和無效加熱脈沖，總脈沖長度為N。有效加熱脈沖存在時，加熱片中通入加熱電流，產(chǎn)生熱量和磁場；無效加熱脈沖存在時，加熱片中不存在電流，不產(chǎn)生磁場。PID控制器通過控制有效加熱脈沖在總脈沖長度中所占的比例來實(shí)現(xiàn)溫度控制。
[0013]PWM脈沖信號發(fā)生器在發(fā)生完一組用于溫度控制的脈沖信號后，再額外產(chǎn)生一組與用于溫度控制的脈沖信號長度相等的無效加熱脈沖，使得每次溫度控制脈沖發(fā)生后，都會存在一段無效加熱的時間，這段時間與溫度控制脈沖信號的持續(xù)時間相等。
[0014]PWM脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生一控制信號驅(qū)動信號選擇器。使得用于溫度控制的脈沖信號存在時，不采集濾波放大模塊濾輸出的電壓信號，信號選擇器輸出為0送至信號處理模塊，即不進(jìn)行激光穩(wěn)頻；而額外無效加熱脈沖存在時采集濾波放大模塊輸出的電壓信號，進(jìn)行激光穩(wěn)頻。通過周期性的采集和不采集光電探測器產(chǎn)生的信號，實(shí)現(xiàn)分時激光穩(wěn)頻。
[0015]信號處理模塊將信號信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波電壓信號，和信號選擇器輸出的電壓信號相乘，并進(jìn)行積分運(yùn)算，輸出電流調(diào)節(jié)信號給激光驅(qū)動恒流源，調(diào)整激光器產(chǎn)生的恒定電流，即驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻。
[0016]所述N = 64，加熱脈沖頻率為100kHz-250kHz。
[0017]激光調(diào)制頻率為10-20kHz，激光器的電流調(diào)節(jié)范圍為50-100mA。
[0018]PWM脈沖信號發(fā)生器在發(fā)生完一組用于溫度控制的脈沖信號后，再額外產(chǎn)生一組與用于溫度控制的脈沖信號長度相等的無效加熱脈沖，這段無效加熱脈沖的持續(xù)時間與溫度控制脈沖信號的持續(xù)時間相等。
[0019]信號處理模塊的積分時間為64個加熱脈沖的持續(xù)時間。
[0020]一種用于核磁共振陀螺儀的分時激光穩(wěn)頻方法，步驟如下
[0021 ] 步驟(一)PID控制器驅(qū)動PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生一段用于溫度控制的脈沖信號，脈沖信號分為有效加熱脈沖和無效加熱脈沖，總脈沖長度為N。有效加熱脈沖存在時，加熱片中通入加熱電流，產(chǎn)生熱量和磁場；無效加熱脈沖存在時，加熱片中不存在電流，不產(chǎn)生磁場。PID控制器通過控制有效加熱脈沖在總脈沖長度中所占的比例來實(shí)現(xiàn)溫度控制。
[0022]步驟(二)PWM信號發(fā)生器在發(fā)生完一組用于溫度控制的脈沖信號后，再額外產(chǎn)生一段與用于溫度控制的脈沖信號長度相等的無效加熱脈沖，使得每次溫度控制脈沖發(fā)生后，都會存在一段無效加熱的時間，這段時間與溫度控制脈沖信號長度相等。
[0023]步驟(三)當(dāng)核磁共振陀螺儀溫度穩(wěn)定后，對激光器驅(qū)動電流進(jìn)行頻率為F的正弦調(diào)制，在額外生成無效加熱脈沖的時間，用光電探測器采集激光通過核磁共振陀螺儀的信號，對信號進(jìn)行相位檢測，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整激光器電流值，實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻。
[0024]步驟(四)重復(fù)(一)(二)(三)步驟，使得加熱脈沖存在時，不采集光電探測器的信號進(jìn)行激光穩(wěn)頻，而額外無效加熱脈沖存在時采集光電探測器信號進(jìn)行激光穩(wěn)頻，實(shí)現(xiàn)一種分時激光穩(wěn)頻方式，避免加熱磁場影響光電探測器采集信號，影響激光穩(wěn)頻精度。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果:
[0026](1)將加熱脈沖進(jìn)行分段，并且在相鄰兩段加熱脈沖之間插入一段無效加熱脈沖，在無效加熱脈沖存在時用光電探測器采集信號進(jìn)行激光穩(wěn)頻。分段后加熱脈沖存在的情況下，不對激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，可降屏蔽加熱脈沖產(chǎn)生磁場帶來的干擾，提高激光器的穩(wěn)頻精度。
[0027](2)通過信號選擇器來控制是否進(jìn)行激光穩(wěn)頻，當(dāng)信號選擇器不開啟時，其輸出為0V，0V和信號發(fā)生器電路相乘并積分后仍為0V，其不對激光器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，相反則輸出光電探測器信號，對激光器電流進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刹槐仡~外加入PID控制器，提高系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
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