【摘 要】
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惯性导航系统是一种不易受到干扰的自主式导航系统,其工作时不依赖外界信息,在卫星导航系统受限的特殊环境（如洞穴、深海等）中,依然可以实现运载体的精确导航。陀螺仪作为惯性导航和惯性测量的核心器件之一,被广泛应用于航空、航天、航海等军事和民用领域。其中核磁共振陀螺仪因有着精度高、体积小、成本低且对加速度不敏感等优点,已成为惯性导航领域新的研究热点。而核磁共振陀螺仪中的三轴原子磁强计具有探测周围杂散磁场的
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惯性导航系统是一种不易受到干扰的自主式导航系统,其工作时不依赖外界信息,在卫星导航系统受限的特殊环境（如洞穴、深海等）中,依然可以实现运载体的精确导航。陀螺仪作为惯性导航和惯性测量的核心器件之一,被广泛应用于航空、航天、航海等军事和民用领域。其中核磁共振陀螺仪因有着精度高、体积小、成本低且对加速度不敏感等优点,已成为惯性导航领域新的研究热点。而核磁共振陀螺仪中的三轴原子磁强计具有探测周围杂散磁场的能力,其磁场测量灵敏度对于提高陀螺仪性能指标有着很大意义。首先,本文对核磁共振陀螺仪的工作原理,具体包括拉莫尔进动、光泵浦极化、核磁共振和进动频率探测四个物理过程进行了详细阐述。其次,根据核磁共振陀螺仪小型化需求,提出了用于核磁共振陀螺仪的三轴原子磁强计的实验方案。实现了在x和y方向上100 f T/Hz1/2和z方向上20 f T/Hz1/2的磁场测量灵敏度,且频率响应带宽在x和y方向上为96 Hz,在z方向上为6 Hz。然后利用横向原子磁强计测量了碱金属原子的弛豫时间,利用纵向原子磁强计测量了惰性气体原子的弛豫时间。这有利于研究气室中原子与光、原子与原子、原子与磁场相互作用机制,并对优化陀螺仪性能有着很大的指导意义。最后介绍了核磁共振陀螺仪的闭环原理以及陀螺仪的性能评估方法。在理论上进行了核磁共振陀螺仪性能参数优化的分析研究,实验上通过对探测光失谐、泵浦光失谐、静磁场大小、激励磁场幅度以及气室温度等实验条件进行优化,获得了陀螺仪最佳的模拟转动和核磁共振信号,实现了核磁共振陀螺仪的单同位素(129Xe)频率闭环锁定,获得角度随机游走为0.17°/h1/2,零偏稳定性为0.33°/h。当外界有磁场噪声干扰时,则需要两种同位素排除掉磁场干扰,使陀螺仪的输出只与载体角速度有关。通过更换气室并优化实验条件,实现了核磁共振陀螺仪的双同位素(129Xe/131Xe)频率闭环锁定,角度随机游走为0.92°/h1/2,零偏稳定性为7.71°/h。
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