本發(fā)明屬于復(fù)雜系統(tǒng)檢測與控制的，主要涉及了一種核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法。

背景技術(shù)：

1、陀螺儀作為慣性導(dǎo)航中關(guān)鍵的精密儀器，用于測量載體的角速度或角位移信息。陀螺儀技術(shù)已有160余年的發(fā)展歷史，按工作原理可分為轉(zhuǎn)子陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、振動陀螺儀和原子陀螺儀。新型原子陀螺儀包括無自旋交換弛豫陀螺儀(serfg)、原子干涉陀螺儀(aig)和核磁共振陀螺儀(nmrg)。這些原子陀螺儀抗干擾能力強(qiáng)，體積小且精度高。

2、其中，核磁共振陀螺儀是一種具有高精度、小體積的新型量子陀螺儀，它的主要核心部件是原子氣室，其中充滿了堿金屬原子和惰性氣體原子。核磁共振指的是在氣室方向上增加靜磁場和與靜磁場垂直的激勵磁場，使得惰性氣體原子產(chǎn)生三維宏觀磁矩，并在靜磁場上產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動，當(dāng)激勵磁場的頻率和原子的拉莫爾進(jìn)動頻率一致時，將形成核磁共振。當(dāng)載體具有一定轉(zhuǎn)速時，宏觀磁矩進(jìn)動頻率將與載體轉(zhuǎn)速相疊加，該疊加轉(zhuǎn)速將由堿金屬形成的原子磁強(qiáng)計來觀測，并且需要根據(jù)宏觀磁矩的觀測頻率實(shí)時調(diào)整激勵磁場頻率，形成磁場閉環(huán)以達(dá)到核磁共振穩(wěn)定和提高陀螺轉(zhuǎn)速測量量程的目的。

3、在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，一般采用惰性氣體129xe/131xe組成核磁陀螺的雙工作物質(zhì)氣室進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，原因是該方法可以對載體轉(zhuǎn)動角速度形成差分測量，可以有效減少靜磁場干擾帶來的測量誤差，理論認(rèn)為，該方法可以忽略靜磁場對轉(zhuǎn)速的影響，因此更具有發(fā)展前景，同時也意味著該系統(tǒng)需要更加復(fù)雜的激勵磁場閉環(huán)控制方法。主要難點(diǎn)在于：

4、(i)需要分離同一氣室下觀測出來的由129xe/131xe激勵所產(chǎn)生的兩種頻率信號；

5、(ii)激勵閉環(huán)需要一定的自適應(yīng)能力以應(yīng)對快速變化的載體轉(zhuǎn)速頻率。

6、基于傳統(tǒng)積分串聯(lián)濾波器的濾波分離激勵磁場閉環(huán)控制方法雖然在處理混合轉(zhuǎn)速信號的分離問題上有一定效果，但也存在一些潛在的缺陷：1.復(fù)雜性和成本高昂：實(shí)現(xiàn)這種閉環(huán)控制方法需要設(shè)計和實(shí)施復(fù)雜的電路和算法，這會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，特別是在高精度要求下。2.對信號處理要求高：該方法依賴于對混合信號進(jìn)行濾波和分離，要求對信號處理的算法和技術(shù)有很高的要求，包括濾波器的設(shè)計和參數(shù)調(diào)節(jié)等。3.穩(wěn)定性和可靠性挑戰(zhàn)：閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對于核磁共振陀螺這樣的高精度儀器至關(guān)重要。由于該方法涉及到復(fù)雜的信號處理和控制回路，系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性可能面臨挑戰(zhàn)。4.對環(huán)境變化敏感：系統(tǒng)的性能可能會受到環(huán)境因素的影響，如溫度變化、電磁干擾等，這可能導(dǎo)致閉環(huán)控制的性能下降或者失效。

7、因此在復(fù)雜的雙工介質(zhì)氣室系統(tǒng)工作下獲得對應(yīng)頻率的信號，對快速變化的轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速響應(yīng)和準(zhǔn)確測量，對激勵磁場進(jìn)行穩(wěn)定閉環(huán)反饋是核磁共振陀螺儀中進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量和閉環(huán)控制的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明正是針對傳統(tǒng)積分串聯(lián)濾波器的濾波分離激勵磁場閉環(huán)控制方法十分依賴高性能的數(shù)字信號處理算法，容易受到環(huán)境的干擾導(dǎo)致反饋出來的激勵磁場信號不能較好的敏感原子氣室，容易不共振的的問題，提供一種核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法，使用級聯(lián)的一組陷波濾波器對混合信號進(jìn)行濾波分頻，得到以129xe和131xe的拉莫爾進(jìn)動頻率為基頻的單相正弦信號，通過sogi二階廣義積分器生成正交信號，通過park變換獲得相位誤差，最后通過pll中的環(huán)路濾波器和壓控器反饋出激勵磁場信號，完成閉環(huán)控制。本發(fā)明提出的核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法具有高精度的頻率分離能力與快速的相位跟蹤能力，對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有提升的效果。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法，使用級聯(lián)的一組陷波濾波器對混合信號進(jìn)行濾波分頻，得到以129xe和131xe的拉莫爾進(jìn)動頻率為基頻的單相正弦信號，通過sogi二階廣義積分器生成正交信號，通過park變換獲得相位誤差，最后通過pll中的環(huán)路濾波器和壓控器反饋出激勵磁場信號，完成閉環(huán)控制。

3、作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法，包括如下步驟：

4、s1：判定當(dāng)前陀螺基于129xe和131xe兩種惰性同位素氣體構(gòu)成的氣室下進(jìn)行工作，通過87rb磁強(qiáng)計對宏觀磁矩分量進(jìn)行敏感，以檢測轉(zhuǎn)速信號，其中，穩(wěn)態(tài)磁矩檢測信號為ψdual(t)；

5、s2：步驟s1的檢測結(jié)果，使用陷波濾波器對包含129xe和131xe轉(zhuǎn)速的信號ψdual(t)進(jìn)行頻率分離，分別獲得以129xe和131xe為基頻的單相正弦信號；

6、s3：利用sogi二階廣義積分器對步驟s2獲得的單相正弦信號生成相互正交的信號；

7、s4：基于步驟s3獲得的正交信號進(jìn)行直接鑒相，通過鎖相環(huán)對轉(zhuǎn)速頻率ωr進(jìn)行鑒別，利用差分法對解算消除測量誤差；

8、s5：將步驟s4的轉(zhuǎn)速頻率和惰性氣體的拉莫爾進(jìn)動頻率作為完整的激勵磁場閉環(huán)反饋輸出，對陀螺運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

9、作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟s1中的穩(wěn)態(tài)磁矩檢測信號ψdual(t)具體為：

10、

11、式中，ψ129和ψ131分別為129xe和131xe橫向磁矩穩(wěn)態(tài)檢測幅值，b0為z軸靜態(tài)磁場，γ129和γ131分別為129xe和131xe的磁旋比，和分別為129xe和131xe穩(wěn)態(tài)磁矩檢測信號的相位，t為檢測時間。

12、作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述步驟s2進(jìn)行頻率分離過程中，對陷波濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，陷波濾波器的等效傳遞函數(shù)模型為：

13、

14、其中，ωth為陷波濾波器選取的陷波中心頻率，ξ1和ξ2為陷波系數(shù)，具體為：

15、

16、ξ2＝dξ1

17、

18、其中，d為陷波中心頻率處的陷波深度，bw為陷波中心頻率處的寬度。

19、作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述步驟s2使用的陷濾波器由三個陷波濾波器級聯(lián)而成，陷波中心頻率間隔2π×0.5rad/s，陷波深度均為0.00001(-100db)，陷波寬度均取2π×20rad/s。

20、作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)，所述步驟s3采用的sogi二階廣義積分器，其傳遞函數(shù)為：

21、

22、其中，ksg為sogi的增益系數(shù)，ωn為sogi的自然頻率，hα(s)和hβ(s)分別是二階帶通濾波器和二階低通濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式。

23、作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，所述步驟s4中對正交信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速鑒相采用park變換的方法，對于兩個正交信號變換如下：

24、

25、當(dāng)鎖相環(huán)對相位進(jìn)行鎖定時，信號原始相位和估計相位相差較小，被認(rèn)為ψ129d為輸入信號的幅值估計，ψ129q與相位的反饋誤差成比例，完成鑒相過程。

26、作為本發(fā)明的又一種改進(jìn)，考慮了靜磁場干擾的129xe和131xe宏觀磁矩觀測頻率，

27、ωobs129＝γ129(b0+δb0)+ωr

28、ωobs131＝γ131(b0+δb0)+ωr

29、通過上式的解算，得到的轉(zhuǎn)速排除了靜磁場干擾：

30、

31、作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟s5獲得的激勵反饋磁場將提供給雙工作氣室作為激勵磁場信號，激勵磁場信號的頻率將與觀測轉(zhuǎn)速一致：

32、

33、其中為x軸激勵信號，為y軸激勵磁場信號，和分別為基于129xe和131xe觀測轉(zhuǎn)速生成的激勵磁場信號，b0為z軸靜態(tài)磁場，γ129和γ131分別為129xe和131xe的磁旋比，和分別為129xe和131xe觀測轉(zhuǎn)速信號的相位，t為檢測時間。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明所提出的雙工作物質(zhì)核磁共振陀螺激勵磁場的快速閉環(huán)控制方法具有快速準(zhǔn)確的頻率分離效果，正交信號發(fā)生器鎖相環(huán)能夠?qū)︻l率分離后的信號進(jìn)行快速鎖相，此閉環(huán)控制方法具有良好的實(shí)時性。在該閉環(huán)方法下，陀螺擁有更好的動態(tài)響應(yīng)特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，且能夠提高陀螺的抗共模干擾能力。經(jīng)測試，在85hz和25hz的共振頻率下，具有7hz帶寬。