基于SERF原子自旋陀螺仪的误差机理分析和数据处理

摘要

随着量子调控技术的发展，近年来新兴起的原子自旋陀螺已成为继机械陀螺、光学陀螺、微机电陀螺之后的一类新陀螺。在无自旋交换弛豫态(Spin-Exchange Relaxation-Free，SERF)下，原子自旋陀螺的弛豫时间变长、相干性变好，以及原子密度得到提高，从而可有效提高信号信噪比，为原子自旋陀螺仪发展成为下一代高精度陀螺仪提供了有利条件。为了有效提高原子自旋陀螺的测量精度，分析原子自旋陀螺的误差机理，以及对原子自旋陀螺的随机误差建立可靠的误差模型并以之补偿陀螺输出显得十分必要。因此，本文针对原子自旋陀螺的误差机理和随机漂移进行了深入研究，主要的研究内容和工作如下:
　　介绍了SERF原子自旋陀螺仪的工作原理，建立了SERF原子自旋陀螺仪的动力学模型，分析了其动力学特性。
　　建立了SERF原子自旋陀螺仪控制系统模型和误差模型，分析了SERF原子自旋陀螺仪的噪声，其主要来源于原子自旋SERF状态的温度扰动、核自旋磁场扰动、驱动系统光位移扰动、原子自旋进动的调制检测偏置扰动，并分析了各误差对原子自旋陀螺精度的影响。
　　开展了原子自旋进动检测方法的研究，提出了同时具有高灵敏、标度因数稳定、系统简单的闭环电光调制检测方法，并对此方法进行了实验验证。对关键器件——锁相放大器进行了设计以及仿真分析。
　　最后分析了原子自旋陀螺的随机漂移特性，在此基础上，利用时间序列分析理论建立原子自旋陀螺随机漂移模型，并设计了合适的滤波器滤除随机漂移信号中的噪声，提高了原子自旋陀螺测量精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文研究内容与组织架构安排

1．4 本章小结

第二章 基于SERF原子自旋陀螺仪工作原理与动力学分析

2．1 基于SERF的原子自旋陀螺仪的工作原理

2．2 基于SERF的原子自旋陀螺仪的动力学建模与分析

2．2．1 动力学微分方程建立

2．2．2 稳态输出

2．2．3 动态响应与稳态解

2．3 传递函数

2．4 本章小结

第三章 基于SERF原子自旋陀螺的误差机理分析

3．1 误差方程建立

3．2 误差源分析

3．3 基于SERF的原子自旋陀螺仪的误差及机理分析

3．3．1 基于SERF的原子自旋陀螺仪的标度因数误差及机理分析

3．3．2 基于SERF的原子自旋陀螺仪的零偏误差及机理分析

3．4 零偏相关误差的抑制

3．4．1 磁场

3．4．2 光位移

3．4．3 非正交角

3．5 本章小结

第四章 基于SERF原子自旋陀螺仪自旋进动检测方法研究

4．1 检测原子自旋进动信号的方法

4．1．1 法拉第调制法

4．1．2 电光调制法

4．1．3 差分偏振法

4．2 闭环电光调制检测方法

4．2．1 闭环电光调制检测方法

4．2．2 双光束电光调制检测检测与法拉第调制检测方法比较分析

4．3 锁相放大器的设计

4．3．1 锁相放大器原理

4．3．2 锁相放大器设计

4．3．3 仿真分析

4．4 本章小结

第五章 原子自旋陀螺随机漂移建模

5．1 原子自旋陀螺随机漂移的特性分析

5．1．1 Allan方差分析原理

5．1．2 利用Allan方差分析原子自旋陀螺随机漂移的特性

5．2 原子自旋陀螺随机漂移的建模

5．2．1 时间序列模型

5．2．2 原子自旋陀螺随机漂移的建模

5．3 基于时间序列模型的Kalman滤波

5．3．1 卡尔曼简介

5．3．2 状态空间模型及建立

5．3．3 卡尔曼滤波器的设计

5．4 仿真结果和分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介