蘇州納米所納米器件部聯(lián)合加工平臺團隊在核磁共振陀螺儀系統(tǒng)研制取得進展
核磁共振陀螺儀（NMRG-Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope）是基于原子自旋量子效應的高精度量子慣性傳感器，具有無運動部件、抗干擾能力強、體積小和精度高等特點，是實現(xiàn)厘米級導航的關鍵裝備手段之一。核磁共振陀螺儀系統(tǒng)復雜、對噪聲敏感，包含對原子氣室溫度、激光頻率、三軸磁場多物理量的控制以及進動信號解算，對電路系統(tǒng)性能要求極高。蘇州納米所納米器件部聯(lián)合加工平臺團隊在核磁共振陀螺儀信號處理及控制電路系統(tǒng)方面取得重要進展。
進展1：核磁共振陀螺儀激光穩(wěn)頻系統(tǒng)
（1）激光穩(wěn)頻控制系統(tǒng)
為了解決激光器頻率漂移對堿金屬極化率的影響，團隊基于直接吸收法，設計了適用于NMRG系統(tǒng)的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)（如圖1）。基于該系統(tǒng)對原子氣室溫度和調(diào)制信號深度進行優(yōu)化分析，擬合分析發(fā)現(xiàn)存在最佳工作溫度，在本實驗中為102.5°C。該系統(tǒng)頻率鎖定時間僅11ms，鎖定后誤差信號峰峰值小于4mV，頻率漂移優(yōu)于15MHz，長時間測量具有良好的穩(wěn)定性。在施加2.2GHz的擾動后，經(jīng)過約0.94s重新穩(wěn)定，滿足核磁共振陀螺儀的設計要求。
圖1：激光穩(wěn)頻系統(tǒng)結構及測試分析
該成果以Laser Frequency Control System for Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes為題被2025 7th?International Conference on Optoelectronic Science and Materials (ICOSM 2025)錄用，第一作者為中國科學技術大學博士生王爭光，通訊作者為蘇州納米所殷志珍和宋賀倫。
（2）相位自糾正鎖相放大器（PSC-LIA）
為解決核磁共振陀螺儀激光穩(wěn)頻中相位差對鑒頻靈敏度的影響，構建了一種基于FPGA的相位自糾正鎖相放大器（PSC-LIA）（如圖2）。在該PSC-LIA中提出了一種相位分段估計方法，僅通過加法和移位便可在一個時鐘周期完成相位估計，并構建了新的相位可調(diào)方波發(fā)生器，將相位調(diào)節(jié)范圍擴充至?π~π 。PSC-LIA相位糾正時間僅0.8ms，糾相誤差優(yōu)于0.04rad，鑒頻靈敏度提高了2.97倍。
圖2：PSC-LIA系統(tǒng)結構及測試結果
該成果以Optimized Design of Phase Self-Correcting Lock-in Amplifier為題發(fā)表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。第一作者為中國科學技術大學博士生王爭光，通訊作者為殷志珍和宋賀倫。（https://doi.org/10.1109/TIM.2025.3551129）
進展2：原子氣室無磁溫控技術
針對溫控制精度對數(shù)密度的影響和加熱絲引入的磁噪聲，研究團隊通過電磁仿真和微納加工技術，設計并制備了尺寸25mm*25mm、磁噪聲系數(shù)25pT/mA的電加熱絲。其次設計了高性能溫控電路，該電路正負30V供電下最高輸出功率25W，功率分辨率0.14mw，溫度分辨率1.04mk，加熱至100℃僅需154秒。為了在不同溫度點下均達到較高溫控精度，對整個加熱保溫結構進行系統(tǒng)辨識，分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)，優(yōu)化控制器參數(shù)，最終實現(xiàn)溫控精度優(yōu)于0.001°C。
圖3?: 從左到右依次為磁場分布云圖、加熱絲實物圖、溫控電路、溫升曲線、80度溫控精度
進展3：核磁共振陀螺儀動力學建模及信號處理系統(tǒng)
核磁共振陀螺儀系統(tǒng)結構復雜、參數(shù)多、開發(fā)周期長，為了更高效地優(yōu)化實驗參數(shù)縮短開發(fā)周期，基于simulink構建了NMRG動力學模型（如圖4），對橫向驅動場的幅值進行優(yōu)化分析，并對NMRG輸出磁矩信號進行時頻域分析?；跇嫿ǖ男盘柼幚韱卧獙崿F(xiàn)對Xe同位素進動頻率的解算以及相位信息的跟隨。
圖4 : NMRG動力學模型及仿真分析
為實現(xiàn)持續(xù)共振，需補償橫向驅動場相位，研究團隊提出了一種基于FPGA的級聯(lián)濾波器改進的相位解算方法（如圖5），并創(chuàng)新性提出了時分復用改進的雙路濾波器結構，在保證性能的情況下大大節(jié)約資源消耗，相較于傳統(tǒng)結構資源消耗降低18.2%，最大運行頻率提升44.9%，在多種數(shù)據(jù)場景下均有較好的性能。
圖5 : 基于FPGA的級聯(lián)濾波器改進的相位計算方法
該成果以Lock-In Amplifier With Enhanced Filter Structure for NMR Gyroscope為題發(fā)表在IEEE Sensors Journal。第一作者為中國科學技術大學博士生王爭光，通訊作者為殷志珍、吳東岷和宋賀倫。
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