核磁共振陀螺原子核自旋进动和碱金属磁强计仿真

论文摘要

核磁共振陀螺是以原子核自旋磁矩的拉莫尔进动为角度参考基准,通过测量陀螺随载体相对惯性空间转动引起拉莫尔进动频率或相位观测值的改变来获取载体转动角速率或角位移。核磁共振陀螺信号处理及系统闭环控制方案通常有两种,一种是基于频率锁定的磁共振闭环控制方法,另一种是基于相位控制的闭环控制方法。与频率锁定控制方案相比,相位控制方案具有更好的动态特性和实时性,可以不用积分计算直接输出陀螺转动角位移信息,但对闭环控制系统的相位误差、闭环延迟等提出了更高的要求。本文主要对基于相位控制的核磁共振陀螺控制机理、相位误差影响进行理论和仿真分析,提出一种基于相位控制的核磁共振陀螺闭环控制方案,并通过了仿真验证。本文以工作介质为87Rb-129Xe的核磁共振陀螺为例,首先从陀螺的惰性气体原子核自旋进动的动力学方程出发,分析了横向激励磁场幅值和相位对惰性气体原子宏观磁矩拉莫尔进动的影响,分析讨论了实现核自旋自激振荡的条件,建立了原子核自旋宏观磁矩进动仿真模型,并进行了仿真验证。基于相位控制实现了自旋进动的稳态自激振荡,陀螺转动角位移信号的提取及解卷绕处理。理论分析与仿真结果表明,当横向激励磁场相位保持与宏观磁矩y向分量相位一致时可以维持129Xe原子稳态进动,基于相位控制的反馈磁场存在相位偏差时陀螺输出误差会随时间积累,严重影响陀螺的输出性能。激励磁场的幅度影响稳态宏观磁矩幅值,在陀螺设计时应综合考虑选取。对碱金属铷原子自旋进动的动力学方程进行了分析,研究了核磁共振陀螺中利用碱金属原子构建原位磁强计进行磁场测量的原理,分析了磁场补偿原理,建立了碱金属磁强计的仿真模型,并进行了仿真验证。仿真结果表明,建立的磁强计模型可以实现惰性气体原子进动信号的检测和提取,可以分离出磁场补偿信号,实现磁场的原位补偿。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 核磁共振陀螺的研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文主要工作
• 第2章 核磁共振陀螺的组成和工作原理
•   2.1 核磁共振陀螺的组成
•   2.2 核磁共振陀螺基本工作原理
•     2.2.1 原子核自旋进动
•     2.2.2 光抽运
•     2.2.3 铷原子能级结构
•     2.2.4 光抽运铷原子
•     2.2.5 自旋交换光抽运
•     2.2.6 自旋进动信号的检测
•     2.2.7 核磁共振陀螺基本工作原理
•   2.3 核磁共振陀螺控制与信号处理系统方案
•   2.4 本章小结
• 第3章 核磁共振陀螺原子核自旋进动的建模与仿真
•   3.1 核磁共振动力学分析
•     3.1.1 原子自旋进动的动力学模型
•     3.1.2 陀螺随载体转动对原子自旋进动模型的影响
•   3.2 Simulink模型的建立与仿真分析
•     3.2.1 原子自旋进动的Simulink模型
•     3.2.2 仿真结果分析
•     3.2.3 横向激励磁场幅度对原子自旋进动的影响
•     3.2.4 横向激励磁场的闭环控制
•     3.2.5 反馈磁场相位误差的影响
•   3.3 本章小结
• 第4章 碱金属磁强计的建模与仿真
•   4.1 铷原子磁强计动力学分析
•   4.2 核磁共振陀螺原位磁强计的动力学分析
•   4.3 磁场反馈控制与残余磁场抑制
•   4.4 铷原子磁强计的Simulink模型仿真
• z下磁强计的仿真'>    4.4.1 线性扫描磁场B_z下磁强计的仿真
•     4.4.2 施加载波磁场下磁强计仿真
•     4.4.3 陀螺中碱金属磁强计仿真分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间论文发表情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈晓格

导师: 朱明智

关键词: 核磁共振陀螺,核自旋进动,相位控制,碱金属磁强计,仿真

来源: 中国工程物理研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 中国工程物理研究院

分类号: O571

总页数: 60

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