核磁共振陀螺静磁系统端口漏磁抑制技术

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。     

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

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。     

激光陀螺旋转惯导系统IMU的磁屏蔽设计及优化分析

为了提高激光陀螺旋转惯导系统的环境适应性,需要对惯性测量单元(IMU)进行磁屏蔽设计。对IMU的磁屏蔽效率进行了理论计算和有限元仿真,对磁屏蔽材料的厚度、接缝宽度及接缝处贴片的大小等参数进行了仿真分析。利用赫姆霍兹线圈对IMU进行了磁敏感性测试,实验结果表明:设计的IMU磁屏蔽结构的屏蔽效率在23～30 dB范围内,磁场引起的三个激光陀螺漂移小于0.002°/h/mT,满足高精度单轴旋转惯导系统的实用要求。该方法对旋转惯导系统的结构设计及磁屏蔽设计具有一定的参考意义。     

液浮陀螺电磁场有限元分析

针对液浮陀螺的永磁陀螺电机漏磁场可能造成陀螺噪声大的问题,需首先搞清永磁陀螺电机的漏磁场量值及分布以及与之可能产生耦合力矩的力矩器端部漏磁的量值及分布。用有限元软件ANSYS对其内部主要电磁元件进行了三维有限元数值计算,得出这些元件的气隙磁密分布图和它们的漏磁形式及大小;分析得出陀螺电机的外圆柱面和力矩器端部存在着较大漏磁,两者存在着磁场的耦合作用。在设计中应对陀螺电机的外圆柱面和力矩器的端部施加磁屏蔽。     

冷原子陀螺仪三维磁场系统的容差设计

磁场系统作为磁光阱的重要组成部分,在高精度冷原子陀螺仪中占有极其重要的地位。随着陀螺体积的不断减小和集成度的不断提高,磁场系统的制造和装调误差对陀螺性能的影响不断增大。这些误差会引起磁场零点漂移和磁场梯度变化,降低捕获效率和原子团的质量,从而影响陀螺性能。从三维磁光阱磁场分布的理论分析出发,结合数学建模和计算机仿真,对三维磁场系统的主要制造和装调误差对磁场的影响进行了分析和比较,并基于预设阈值利用试验设计和数学回归对关键制造和装调参数设计了合理的容差限,为小型化冷原子陀螺仪三维磁场系统的设计和制造提供了理论依据。     

激光陀螺磁敏感机理

为了提高激光陀螺磁场环境应用的可靠性,分析了激光陀螺敏感磁场的原理,指出激光陀螺磁灵敏度与其腔内运行的激光的椭偏度有关;对激光陀螺腔内运行激光的椭偏度进行了仿真分析,提出了激光椭偏度改善措施.实验结果表明:激光陀螺敏感磁场强度与作用磁场的方向有关,且激光陀螺腔内运行激光椭偏度越大,其磁灵敏度就越大.通过改善激光陀螺腔内运行激光椭偏度可以减小其磁灵敏度,提高激光陀螺抗磁场干扰能力.     

加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响分析

为研究加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响,提出了基于流体力学模型的分析方法。首先,根据核磁共振陀螺气室的结构特点建立了形状固定的封闭系统自然对流换热模型;然后,采用有限元法给出了不同大小的加速度下气室温度场的稳态分布特性;在此基础上,分析了温度场变化对陀螺零位漂移产生的影响,进而得到加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响关系。分析结果表明,与零加速度的结果相比,0.6倍、1.5倍、5.2倍和36.5倍重力加速度将分别导致陀螺产生约0.01°/h、0.1°/h、1°/h和10°/h的零位漂移变化量。研究成果为核磁共振陀螺在过载条件下的应用提供了参考。     

一种基于自激励的核磁共振陀螺仪闭环控制方法

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。     

基于可观测性分析的方位旋转式惯导初始对准仿真研究

方位旋转式平台惯导系统(ARGINS)可以通过平台绕方位轴旋转抑制陀螺漂移和加速度计零偏,提高系统精度.平台旋转同样会影响系统静基座初始对准的精度.文中给出了ARGINS系统初始对准的误差方程和速度观测方程,应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值可观测度分析方法,定量地给出了ARGlNS系统状态的可观测度,并进行了ARGINS静基座初始对准过程的数字仿真和结果分析.结果表明:与固定指北式惯导系统相比,ARGIYS系统通过平台旋转提高了加速度计零偏和水平陀螺漂移的可观测度,可以应用卡尔曼滤波对系统的平台失准角和惯性元件误差进行估计并提高对准精度.     

基于双磁偶极子的螺线管磁场建模分析

针对低频交变磁场定位中,螺线管磁场分布的单磁偶极子模型在近场误差较大,定位精度差的问题,提出了一种基于双磁偶极子的螺线管磁场分布建模方法。首先通过分析磁偶极子在空间中的磁场分布规律,将螺线管等效为两个对称的磁偶极子阵列的叠加,建立了螺线管的磁偶极子阵列模型。然后引入模型误差的目标函数,利用模拟退火算法计算最优模型参数。最后根据磁场分布模型,将磁偶极子阵列简化为磁偶极子,在保证定位精度的同时,简化了模型,便于定位解算。实验结果表明,在近场条件下,双磁偶极子模型的最大误差仅为0.003m,相对传统的单磁偶极子模型,最大定位误差下降了90.26%,在远场条件下,单磁偶极子模型与双磁偶极子模型的最大误差近似。     

磁场中自由转子陀螺的运动

本文用摄动法分析自由转子陀螺在磁场中的运动。讨论了陀螺在驱动、定向过程中的动力学特性,以及杂散磁场对陀螺漂移和转速衰减的影响。     

核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计性能分析

核磁共振陀螺通过处于磁共振态的原子核进动频率在惯性系下的不变性实现载体角速度的敏感测量。为实现高灵敏度的核自旋磁矩测量，通常基于核磁共振陀螺气室构建原位参量调制磁强计，因此内嵌碱金属参量调制磁强计性能直接影响陀螺仪指标。开展核磁共振陀螺内嵌参量调制磁强计特性研究，分析了原子磁矩测量误差及其对陀螺性能的影响，并建立理论模型，仿真结果表明，泵浦光频率波动控制在1 GHz以内，探测光频率波动控制在0.1 GHz以内，可有效提高磁强计信噪比。研究结果对于提高碱金属磁强计灵敏度和信噪比、抑制核自旋磁矩测量误差具有理论指导意义。     

静电陀螺仪加转磁场转速对加转力矩和加转时间的影响

介绍了磁场加转系统的工作原理和过程;通过对静电陀螺加转系统的加转力矩和加转时间的研究,分析了加转磁场转速等参数对加转力矩和加转时间的影响,推导出了相应公式,给出了加转磁场最佳转速的确定方法。研究结果表明:在其它参数不变时,存在最优加转磁场转速,使转子达到额定转速所需的加转时间最短。文中给出的确定该最优转速的方法是有效可行的;实际工作时加转磁场转速可在最优转速附近±314 s~(-1)范围内选取。     

偏置磁场对磁致伸缩纵向导波换能器效能的影响研究

为提高磁致伸缩导波换能器的激励效能,本文研究了磁场结构参数对偏置磁场空间分布的影响。基于COMSOL有限元仿真平台,对磁致伸缩换能器磁场分布特性进行了数值计算,研究了磁路结构形式、磁路和永磁铁数量等对偏置磁场分布的影响,最后优化出适合纵向导波激励的磁场结构参数。检测实验结果表明,随着偏置磁场磁路数量的增加,偏置磁场强度增大,磁场径向均匀性更好,磁致伸缩换能器的效能也相应提高;在相同磁路数量的条件下,永磁体数量的改变对换能器效能影响较小,四磁路偏置磁场最优;轭铁中部增加永磁铁后的磁路结构的偏置磁场的轴向均匀性更高,其激励效能更好。     

电感式磨粒监测传感器的磁场均匀性研究

在介绍电感式磨粒监测传感器结构原理的基础上 ,提出可采用检测线圈内部磁场均匀性的方法来弥补颗粒运动轨迹和流型变化带来的检测误差 ,以提高检测灵敏度 .通过分析不同几何尺寸的线圈中轴线上磁场的变化情况 ,并借助直螺线管的径向和轴向公式 ,对轴外磁场均匀性进行了探讨 .数学模型和优化结果表明 :在检测传感器线圈中部范围内为非匀强磁场 ,且呈非线性变化 ,细长管磁场相对均匀 ;当选取 R/ L <0 .2 ,磁场在线圈轴向长度范围内 ,径向在90 %范围内可近似看作均匀磁场 .所得结果可以确定传感器检测区域的磁场均匀性范围 ,为设计电感式磨粒监测传感器提供依据 .     

小型化光纤陀螺的轴向磁场误差特性建模方法探讨

小型化光纤陀螺的主要特点是光纤环径向尺寸逐步缩小,而轴向尺寸逐步增大,由此导致轴向磁场误差成为影响小型化光纤陀螺精度的重要因素之一。以小型化光纤陀螺轴向磁场误差特性为研究对象,依据光纤环中光纤的四极对称排列结构,提出轴向螺旋角展开分析法,利用Jones矩阵分别构建保偏型光纤陀螺及消偏型光纤陀螺的传输矩阵及轴向磁场误差模型,探讨光纤扭曲应力寄生圆双折射、轴向尺寸等因素与非互易性Faraday磁场相位误差的关系,得出光纤陀螺轴向磁场漂移误差的数学描述,以此为理论依据,探讨小型化光纤陀螺的轴向磁场误差因素,并提出相应的措施。     

模糊推理在捷联航姿系统中的应用

为了减小捷联航姿系统航姿解算过程中陀螺漂移和积分过程等因素对航姿精度的影响,结合各传感器输出与载体运动状态相关的特性,提出了一种基于模糊推理的IMU(惯性测量组件)/磁传感器信息融合方法.通过模糊推理系统判断出载体当前的运动状态,在准静态下对IMU中陀螺解算的姿态信息和加表解算的姿态信息进行融合可提高载体的姿态精度,对陀螺解算的航向信息和准静态下磁罗经提供的航向信息进行融合可提高载体的航向精度.经过跑车试验且与跑车过程中作为基准的光纤/GPS航姿系统的航姿结果进行比较,验证了该推理过程和融合算法的正确性.     

核磁共振陀螺仪泵浦光频率波动抑制

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。     

基于碱金属磁力仪的铷原子横向弛豫时间测量方法

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。     

地磁场作用半平面铁磁结构广义Flamant问题的弹性变形扰动静磁场解

采用Fourier变换方法对广义Flamant载荷作用半平面铁磁结构弹性变形诱导的静磁场分布进行求解,得到的表达式经退化与集中力作用情形的扰动静磁场分布表达式相同。数值结果表明, 载荷分布形式通过影响结构的弹性变形进而影响扰动磁场分布的形貌和大小,扰动静磁场分布的形貌与载荷极大值的分布区域有直接关联,扰动静磁场分布的最值与作用力的大小正相关;扰动静磁场强度的法向分量的最值随着与结构表面的距离的减小而增大,随载荷分布尺寸的增大而增大。