[发明专利]一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈

说明书

本发明公开了一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，由两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈，一个圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源构成。圆柱径向和轴向自屏蔽线圈都由两层线圈构成，分别是屏蔽线圈和主线圈。其中圆柱径向自屏蔽线圈采用基于正则化手段的目标场法设计；圆柱轴向自屏蔽线圈采用0‑1整数规划方法设计。电流源对自屏蔽三维磁场线圈中的屏蔽线圈和主线圈同步施加特定比例的电流。本发明降低了磁屏蔽筒与线圈之间的磁场耦合，减小因温度变化带来的耦合磁场噪声，提高SERF惯性测量的精度。

技术领域

本发明属于自屏蔽线圈领域，具体涉及一种SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free，SERF)惯性测量自屏蔽三维磁场线圈。

背景技术

在SERF惯性测量中，三维磁场线圈一方面用于进一步主动补偿屏蔽桶内的剩余磁场以提高磁场屏蔽系统性能；另一方面配合产生各个方向的功能磁场对原子自旋进行调控。为保证原子自旋系综的SERF态，提高惯性测量的精度，三维磁场线圈需要产生大的磁场均匀区，提高磁场的稳定性，因此研究三维磁场线圈具有重要意义。

SERF惯性测量中常用三轴亥姆霍兹线圈、鞍型嵌套线圈来产生三轴均匀磁场。其中三轴亥姆霍兹线圈均匀区较小，体积较大，不利于集成应用。鞍型嵌套线圈达到最优的磁场均匀性时，长度与半径之比达到3.5，冗余体积过多。

常规的惯性测量中，通常采用磁屏蔽筒内套三维磁场线圈的方法，用此方法，磁屏蔽筒与线圈之间会产生磁场耦合，增加了系统的磁场噪声，难以实现惯性测量的高精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为降低SERF惯性测量中磁屏蔽桶与三维磁场线圈耦合引入的磁场噪声，设计一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈。与现有技术相比，具有以下优点：在原子气室附近产生较高均匀度的磁场；自屏蔽三维磁场线圈自身具有屏蔽作用，可将其产生的磁场在磁屏蔽桶与自屏蔽三维磁场线圈之间快速衰减到零，减小磁屏蔽筒与线圈产生的耦合磁场噪声，提高测量精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种SERF惯性测量自屏蔽三维磁场线圈，包括圆柱径向自屏蔽线圈与圆柱轴向自屏蔽线圈和电流源，两个外型相同、方位正交的圆柱径向自屏蔽线圈产生x、y方向的磁场，一个圆柱轴向自屏蔽线圈产生z方向的磁场，径向和轴向自屏蔽线圈构成自屏蔽三维磁场线圈。

三维磁场线圈在气室敏感范围内产生高均匀度的磁场，起到主动磁补偿和施加磁场调制信号的作用。本发明中自屏蔽三维磁场线圈一方面为原子气室创造较高均匀度的磁场环境，另一方面，将其产生的磁场在磁屏蔽筒和屏蔽线圈之间快速衰减为零，达到磁屏蔽筒与线圈解耦的效果。

所述的圆柱径向自屏蔽线圈由两层线圈构成，分别是屏蔽线圈和主线圈，将圆柱径向自屏蔽线圈表面分成U×V个子区域，采用基于正则化手段的目标场法设计，设计步骤如下：

1)确定圆柱径向自屏蔽线圈上的表面电流密度表达式。其中，主线圈电流表达式为：

屏蔽线圈电流表达式为：

分别为主线圈和屏蔽线圈电流表达式的高度分量和方位角分量，P_mn和Q_mn为待定系数，L、L_S分别为主线圈和屏蔽线圈高度，a、b为主线圈和屏蔽线圈半径，M、N分别为待定阶次；

2)选定目标场点，所选目标场点为原子气室均匀区内的点以及屏蔽线圈外距离为x的一个圆柱表面上的点。对所选目标场点应用毕奥-萨伐尔定律，求所选目标场点的磁场表达式如下：

其中：