【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于量子精密測量，屬于陀螺儀動態(tài)控制技術(shù),具體涉及一種serf原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、基于無自旋交換弛豫(spin-exchange?relaxation-free，serf)的原子自旋陀螺儀具有超高的理論角速度測量靈敏度，其理論精度可達(dá)10-8°/h量級，理論極限精度遠(yuǎn)超其它類型陀螺儀，是新一代運(yùn)動載體用超高精度慣性導(dǎo)航的重要發(fā)展方向之一。
2、現(xiàn)階段，serf原子自旋陀螺儀雖然獲得了較高的靈敏度，但是它的帶寬十分低，這極大限制了serf原子自旋陀螺儀的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有對serf原子自旋陀螺儀帶寬和動態(tài)性能方面的研究十分有限。如何提升serf原子自旋陀螺儀的帶寬和動態(tài)性能，已經(jīng)成為亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于serf原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法。
2、本專利技術(shù)的上述目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
3、一種用于serf原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
4、步驟1、忽略二階微小量，建立于serf原子自旋陀螺儀開環(huán)傳遞函數(shù)模型；
5、步驟2、基于步驟1建立的模型，在serf原子自旋陀螺儀的調(diào)制解調(diào)輸出信號中增設(shè)零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器：
6、步驟3、serf原子自旋陀螺儀對轉(zhuǎn)速響應(yīng)信號經(jīng)過零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器后，再經(jīng)由采樣電阻輸出與輸入角速率成比例的電壓信號供系統(tǒng)使用。
7、而且，步驟1中，包括
8、采用bloch方程組建立serf原子自旋陀螺儀的動力學(xué)方程：
9、
10、式(a1)中：ω表示輸入角速度，pe和pn分別表示堿金屬原子的電子自旋/惰性氣體原子的核自旋極化率，λme和λmn分別表示堿金屬原子的電子自旋/惰性氣體原子的核自旋磁矩，b表示環(huán)境磁場，rp表示抽運(yùn)激光的光抽運(yùn)率，反映抽運(yùn)激光對電子自旋的極化作用，sp抽運(yùn)激光的光子角動量傳遞方位，rseen表示核自旋抽運(yùn)率，反映惰性氣體原子核自旋對堿金屬原子電子自旋的極化作用，rtote和rtotn分別表示堿金屬電子/惰性氣體原子核自旋總的弛豫率，γe和γn分別表示堿金屬原子的電子自旋/惰性氣體原子的核自旋旋磁比,l堿金屬原子的電子自旋感受到的光位移，q表示減慢因子，rm表示檢測激光的光抽運(yùn)率，反映檢測激光對電子自旋的極化作用，sm檢測激光的光子角動量傳遞方位，rsene表示電子自旋抽運(yùn)率，反映堿金屬原子電子自旋對惰性氣體原子核自旋的極化作用。
11、通過求解式(a1)，并令可求得和的穩(wěn)態(tài)值：
12、
13、其中，下標(biāo)x，y，z分別代表變量對應(yīng)的坐標(biāo)軸位置；
14、令則：
15、
16、忽略暫態(tài)項(xiàng)，可得穩(wěn)態(tài)解：
17、
18、令有以下表達(dá)式：
19、
20、式(a1)方程簡化后可用下面的4×4矩陣描述：
21、
22、做如下變換則：
23、
24、作如下定義：
25、
26、式(a12)和(a13)方程可簡化為
27、
28、從方程組(a16)中消去后，通過拉普拉斯變換化作的二階方程得：
29、
30、方程的兩個(gè)特征根為：
31、
32、λ1,2＝aa1,2+bb1,2i?????(a20)
33、這兩個(gè)特征根決定serf原子自旋陀螺儀動力學(xué)行為：
34、令serf原子自旋陀螺儀對y軸轉(zhuǎn)速輸入的傳遞函數(shù)可寫為：
35、
36、將(a21)簡化為(a22)
37、
38、其中，p1和p2，p3和p4為serf原子自旋陀螺儀存在的兩對共軛極點(diǎn)；z1和z2為serf原子自旋陀螺儀存在的兩對共軛零點(diǎn)，k0為系統(tǒng)到輸出的增益系數(shù)；
39、而且，步驟2包括：
40、先在serf原子自旋陀螺儀的檢測回路中增設(shè)一級零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器，所述零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器包含比例環(huán)節(jié)、零點(diǎn)產(chǎn)生環(huán)節(jié)和極點(diǎn)產(chǎn)生環(huán)節(jié)；serf原子自旋陀螺儀對y軸轉(zhuǎn)速響應(yīng)的輸出信號，經(jīng)過鎖相放大器解調(diào)后，進(jìn)入零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器，零極點(diǎn)發(fā)生環(huán)節(jié)的輸入端與鎖相放大器解調(diào)的輸出端連接，零極點(diǎn)發(fā)生環(huán)節(jié)的輸出端與比例環(huán)節(jié)的輸入端連接，比例環(huán)節(jié)的輸出端與采樣電路的輸入端連接；
41、設(shè)零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的傳遞函數(shù)為：
42、
43、式(a23)中：gc(s)為零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的傳遞函數(shù)；kgain為偶極子補(bǔ)償控制器的增益；零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的增益由比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生；zc1、zc2為零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的兩個(gè)共軛零點(diǎn)；pc1、pc2為零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的兩個(gè)極點(diǎn)；零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的兩個(gè)共軛零點(diǎn)和極點(diǎn)由零極點(diǎn)發(fā)生環(huán)節(jié)產(chǎn)生；
44、回路中加入零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器后，serf原子自旋陀螺儀對y軸轉(zhuǎn)速輸入傳遞函數(shù)變?yōu)槭?a22)和式(a23)的乘積：
45、
46、設(shè)計(jì)零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的兩個(gè)共軛零點(diǎn)，使得零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的兩個(gè)共軛零點(diǎn)與影響serf原子自旋陀螺儀動態(tài)性能的兩個(gè)共軛極點(diǎn)組成零極點(diǎn)相消：
47、zc1＝p1,zc2＝p2??????(a25)
48、帶入serf原子自旋陀螺儀相關(guān)參數(shù)繪制閉環(huán)系統(tǒng)波特圖曲線，曲線下降3db處對應(yīng)陀螺儀帶寬；若采用一級零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器不能滿足serf原子自旋陀螺儀對帶寬的需求，采用兩級零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器，則erf原子自旋陀螺儀對y軸轉(zhuǎn)速輸入傳遞函數(shù)變?yōu)椋?/p>
49、
50、設(shè)計(jì)零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的四個(gè)共軛零點(diǎn)，使得零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器的四個(gè)共軛零點(diǎn)與影響serf原子自旋陀螺儀動態(tài)性能的四個(gè)共軛極點(diǎn)組成零極點(diǎn)相消，同時(shí)配置零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器四個(gè)共軛極點(diǎn)至期望的帶寬位置：
51、zc1＝p1,zc2＝p2,zc3＝p3,zc4＝p4?????????(a27)
52、本專利技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：
53、1、本專利技術(shù)基于bloch方程組，忽略二階微小量，建立了serf原子自旋陀螺儀對轉(zhuǎn)速輸入的開環(huán)傳遞函數(shù)模型，基于該模型，在serf原子自旋陀螺儀的調(diào)制解調(diào)輸出信號中增設(shè)零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器；所述零極點(diǎn)補(bǔ)償控制器包含比例環(huán)節(jié)、零點(diǎn)產(chǎn)生環(huán)節(jié)和極點(diǎn)產(chǎn)生環(huán)節(jié)。本專利技術(shù)解決了現(xiàn)有serf原子自旋陀螺儀無法兼顧靜態(tài)靈敏度和工作帶寬的問題，用于serf原子自旋陀螺儀帶寬拓展的補(bǔ)償方法。
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1.一種用于SERF原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟1中，包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于SERF原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，其特征在于，根據(jù)步驟1中得出的SERF原子自旋陀螺儀對y軸轉(zhuǎn)速輸入的傳遞函數(shù)表達(dá)式(A22)進(jìn)行帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)，步驟2包括：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于serf原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于serf原子自旋陀螺儀建模與帶寬擴(kuò)展設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟1中，包括：
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李鎮(zhèn)寧，董麗紅，朱洪楊，柳治，裴闖，王建龍，
申請(專利權(quán))人：中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇七研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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