JP2016029366A - 自己較正型核磁気共鳴（ｎｍｒ）ジャイロスコープシステム - Google Patents

自己較正型核磁気共鳴（ｎｍｒ）ジャイロスコープシステム Download PDF

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Abstract

【課題】バイアス誤差を実質的に軽減した自己較正型核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを提供する。
【解決手段】システムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セル１２と、アルカリ金属をスピン分極させるポンプレーザ２０と、光プローブビームを生成するプローブレーザ２２とを含み、光プローブビームをモニタし、アルカリ金属のスピン分極に起因する複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた光プローブビームの変調に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算する検出システム２４とを含む。更に、回転の計算において磁気回転同位体に関連するバイアス誤差を実質的に軽減するため光ポンプビームの特性を変調する較正コントローラ２６を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、概してセンサシステムに関し、特に、自己較正型核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。
典型的な核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープは、核磁気モーメントを有する１つ又は２つの同位体の測定されるラーモア歳差運動周波数又は位相のシフトに基づいて受感軸の周りの慣性角回転レート又は配向角を検知する原理に基づいて動作する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セル及び回転センサを含むことができ、回転センサは、例えば、光源と光検出器と信号処理回路とを含む。例として、蒸気セルは、ルビジウム又はセシウム等の１つ又は複数のアルカリ金属を１つ又は複数の磁気回転同位体と共に含有し、この１つ又は複数の磁気回転同位体は磁界に応答して歳差運動させられる。信号処理回路は、１つ又は複数の磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数及び位相情報を抽出し得る。結果として、受感軸の周りのジャイロスコープ回転レート又は配向角は、抽出されたラーモア歳差運動周波数及び位相情報に基づいて計算され得る。
一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。システムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルと、アルカリ金属をスピン分極させるように構成される光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザとを含む。システムはまた、光プローブビームを生成するように構成されたプローブレーザと、光プローブビームをモニタし、アルカリ金属のスピン分極に起因する複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた光プローブビームの変調に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成された検出システムとを含む。システムは更に、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において磁気回転同位体に関連するバイアス誤差を実質的に軽減するため光ポンプビームの特性を変調する較正コントローラを含む。
別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを自己較正するための方法を含む。方法は、ポンプレーザによって光ポンプビームを生成すること、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルを通して光ポンプビームを提供することを含む。光ポンプビームは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に沿って提供され、アルカリ金属をスピン分極させ得る。方法はまた、プローブレーザによって光プローブビームを生成すること、光ポンプビームに対し直交する蒸気セルを通して光プローブビームを提供して、蒸気セルを出る検出ビームを提供することを含む。方法はまた、光ポンプビームの特性を変調して、複数の磁気回転同位体に関連する同位体シフト及び４重極（quadrupole）シフトの少なくとも一方に対応するバイアス誤差を、検出ビームによって提供される複数の磁気回転同位体の歳差運動の差に基づいて観測可能にすることを含む。方法は更に、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算からバイアス誤差を除去することを含む。
別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。システムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルと、第１の直線偏光を有する光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザとを含む。システムはまた、較正コントローラを含む。較正コントローラは、時間変調信号に基づいて第１の直線偏光と第１の直線偏光に対し直交する第２の直線偏光との間で光ポンプビームを変調するように構成された偏光コントローラと、第１の直線偏光を第１の円偏光に変換し、第２の直線偏光を第１の円偏光と逆向きの第２の円偏光に変換するように構成された４分の１波長板とを含む。変調され円偏光された光ポンプビームは、蒸気セルを通して受感軸に沿って提供され得る。システムはまた、光プローブビームを生成するように構成されたプローブレーザと、検出システムとを含む。検出システムは、光プローブビームをモニタし、変調され円偏光された光ポンプビームに基づいて複数の磁気回転同位体の歳差運動に関連するバイアス誤差を観測し、複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた光プローブビームの変調に基づいて観測されるバイアス誤差に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成されている。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの例を示す図である。 ＮＭＲジャイロスコープシステムの別の例を示す図である。 タイミング図の例を示す図である。 ３軸ジャイロスコープシステムの例を示す図である。 ＮＭＲジャイロスコープシステムを自己較正するための方法の例を示す図である。
本発明は、概してセンサシステムに関し、特に、自己較正型核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。自己較正型ＮＭＲジャイロスコープシステムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を有する蒸気セルを含み得る。磁界源は実質的に均一な磁界を生成することができ、実質的に均一な磁界は、蒸気セルを通して提供され、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に整列する。ポンプレーザは、光ポンプビームを生成することができ、光ポンプビームは、蒸気セルを通して提供されて、アルカリ金属をスピン分極させ、したがって、磁界に応答してアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を容易にする。一例として、ポンプレーザは、蒸気セルを通して提供される前に、４分の１波長板によって円偏光される直線偏光ビームとして光ポンプビームを生成するように構成することができる。プローブレーザは、光プローブビームを生成することができ、光プローブビームは、光ポンプビームに対し直交する方向に蒸気セルを通して同様に提供され、検出ビームとして蒸気セルを出る。
検出システムは、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するため検出ビームをモニタするように構成され得る。例えば、検出システムは、磁気回転同位体の歳差運動に起因する光プローブビームのファラデー回転をモニタし、それにより、ＮＭＲジャイロスコープシステムの回転が、ファラデー回転の変化に基づいて計算されるように構成され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステムは、較正コントローラを含むことができ、較正コントローラは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において磁気回転同位体に関連するバイアス誤差（例えば、同位体シフト及び／又は４重極シフト）を実質的に軽減するため光ポンプビームの特性を変調するように構成される。例えば、較正コントローラは、光ポンプビームの円偏光の方向を変調するよう構成され得る。結果として、バイアス誤差（例えば、同位体シフト及び／又は４重極シフト）の発生源は反転され、それにより観測可能とされる。したがって、検出システムは、バイアス誤差を特定し、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算においてバイアス誤差を実質的に軽減し得る。
図１は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ１０の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、種々の用途のうちの任意の用途に実装され得る。一例として、ＮＭＲジャイロスコープ１０は、航空機及び／又は宇宙船のためのナビゲーションシステムに実装され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図４の例でより詳細に実証されるような多軸ジャイロスコープの一部分であり得る。
ＮＭＲジャイロスコープ１０は、例えば、種々の形状及びサイズのうちの任意の形状及びサイズのガラスケーシングであり得る蒸気セル１２を含む。蒸気セル１２は、アルカリ金属１４及び複数の回転同位体１６を含む。一例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気であり、磁気回転同位体１６は、３ヘリウム、８３クリプトン、１２９キセノン、及び／又は１３１キセノン等の種々の希ガス同位体の任意の同位体を含み得る。ＮＭＲジャイロスコープ１０はまた、蒸気セル１２を通して正味の磁界ＢＺを生成するように構成された磁界源１８を含む。例えば、磁界ＢＺは、ＡＣ変調されたＤＣ磁界、したがって、ＡＣ成分及びＤＣ成分を含むことができ、ＡＣ変調されたＤＣ磁界は、蒸気セル１２を通して提供され、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸に整列する。一例として、磁界源２２は、蒸気セル１２を実質的に囲む磁気ソレノイドとして構成され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を実質的に囲み得る磁気シールド（図示せず）を含み、したがって、地磁界等の、外部磁界からの干渉を実質的に軽減し得る。
ＮＭＲセンサシステム１０はまた、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを生成するように構成されるポンプレーザ２０及び光プローブビームＯＰＴＰＲＢを生成するように構成されるプローブレーザ２２を含む。ＯＰＴＰＭＰは、アルカリ金属１４に関連するＤ１又はＤ２放出ラインに対応するようなアルカリ金属１４に関して共鳴オンであり得る波長で生成され得る。光プローブビームＯＰＴＰＲＢは、アルカリ金属１４に関して実質的に共鳴オフであり得る波長で生成され得る。ＯＰＴＰＭＰは、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸に沿うように、蒸気セル１２を通して提供される。光プローブビームＯＰＴＰＲＢは、ＯＰＴＰＭＰに対して直交であり、検出ビームＯＰＴＤＥＴとして蒸気セル１２を出る方向に、蒸気セル１２を通して同様に提供される。
ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を計算するため検出ビームＯＰＴＤＥＴをモニタするように構成される検出システム２４を含む。例えば、検出システム２４は、磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸の周りの回転角を計算するように構成される機械化プロセッサを含み得る。一例として、検出システム２４は、復調される検出信号ＯＰＴＤＥＴによって示される磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角に基づいて、蒸気セル１２の受感軸の周りの回転角を計算するように構成され得る。例えば、磁気回転同位体１６の検出される歳差運動角は、安定した磁界ＢＺにおける磁気回転同位体１６の１つ又は複数の予想される歳差運動角に対応する所定の基準信号と比較され得る。そのため、蒸気セル１２の回転は、磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角と基準信号との差（例えば、位相差又は周波数差）から計算され得る。図１の例では、計算される回転は信号ＲＯＴとして示される。
図１の例では、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、較正コントローラ２６を含み、較正コントローラ２６は、バイアス誤差が受感軸周りの回転ＲＯＴの計算において実質的に軽減され得るように、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の自己較正を提供するように構成される。一例として、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰは、ポンプレーザ２０によって直線偏光で生成され得る。較正コントローラ２６は、蒸気セル１２を通して提供される円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐを提供するため、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを円偏光させる４分の１波長板を含み得る。そのため、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光は、アルカリ金属１４内の光子の角運動量に基づいてアルカリ金属１４をスピン分極させて、アルカリ金属１４の歳差運動を容易にし得る。
例えば、円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに応答する磁気回転同位体１６とアルカリ金属１４との間の相互作用を伴うスピン交換による磁気回転同位体１６の光ポンピングは、計算された回転ＲＯＴ内でバイアス誤差として示され得る測定ドリフトにさらされ得る。測定ドリフトの主要な発生源は、互いに関する磁気回転同位体１６の磁気回転比のうちの見かけの比を変化させ得るどんなものをも含む。磁気回転同位体１６の磁気回転比は、磁界ＢＺの単位振幅についての磁気回転同位体１６の歳差運動レートの尺度によって特徴付けられ得る。例えば、磁気回転同位体１６は、Ｘｅの２つの同位体（例えば、１３１Ｘｅ及び１２９Ｘｅ）を含み得る。一例として、測定ドリフトは、「同位体シフト」を含む。この「同位体シフト」は、磁気回転同位体１６のそれぞれがアルカリ金属１４と相互作用するような任意の差（例えば、１３１Ｘｅ同位体の相互作用と１２９Ｘｅ同位体の相互作用との相対的な差）に基づき得る。別の例として、測定ドリフトは、「４重極シフト」を含む。この「４重極シフト」は、磁気回転同位体１６の一方（例えば、１３１Ｘｅ同位体）と蒸気セル１２の壁とが相互作用している間等、電界勾配との核４重極相互作用に基づき得る。同位体シフト及び／又は４重極シフトの影響は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０回転ＲＯＴの計算においてかなりの量のバイアス誤差に寄与し得る。
同位体シフト及び／又は４重極シフトによってもたらされるバイアス誤差を実質的に軽減するため、較正コントローラ２６は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて光ポンプビームＯＰＴＰＭＰの特性を変調するように構成され得る。例えば、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光の方向を、「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調させるように構成され得る。第１の例として、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰの生成を第１の直線偏光から第１の直線偏光に対し直交する第２の直線偏光に偏光するため、ポンプレーザ２０の刺激を変調するように構成され得る。そのため、第１の直線偏光は４分の１波長板によって第１の円偏光に変換され、第２の直線偏光は、４分の１波長板によって、第１の円偏光と逆向きの第２の円偏光に変換され得る。第２の例として、較正コントローラ２６は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で交互に切換え得る更なる光学部品を含み得る。第３の例として、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光を第１の円偏光と第２の円偏光との間で変調するため、時間変調信号ＭＯＤに基づいて４分の１波長板を約９０°で交互に回転させるように構成され得る。
「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間での光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光の変調に応答して、磁気回転同位体１６の分極が同様に変調され得る。したがって、磁気回転同位体１６の分極は、変調スキームに基づいて周期的に反転され得る。結果として、同位体シフト及び／又は４重極シフトの影響は、同様に、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタに無関係に周期的に反転され得る。そのため、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因するバイアス誤差は、検出システム２４によって検出ビームＯＰＴＤＥＴにおいて観測可能にされる。したがって、検出システム２４は、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因する観測可能なバイアス誤差を、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算から除去するように構成され得る。
「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間での光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光を変調させることに加えて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、バイアス誤差を軽減する種々の他の方法のうちの任意の方法を実装するように構成され得る。例えば、較正コントローラ２６は、ゼロを中心に対称的にする等によって、磁界ＢＺのＤＣ成分を同様に変調するように構成され得る。したがって、受感軸のベクトル方向は、同様に、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタを周期的に反転させるように変調され得る。一例として、磁界ＢＺのＤＣ成分の変調は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる米国特許第７，７２８，５８７号に記載されるのと同じ方法で実装され得る。そのため、同位体シフトに起因するバイアス誤差は、より正確に観測され、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算から除去され得る。磁界ＢＺのＤＣ成分の変調は互いに時間整合される方法等で光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向の変調と共に実装され得る。したがって、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向だけを変調することに比べて、より正確な方法で提供され得る。
図２は、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の別の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例のＮＭＲジャイロスコープシステム１０等のＮＭＲジャイロスコープシステムの一部分であり得る。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光が「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調され得る方法の別の例に対応し得る。
ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、第１のポンプレーザ５２及び第２のポンプレーザ５４を含む。第１及び第２のポンプレーザ５２及び５４は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の種々の異なるタイプのレーザのうちの任意のレーザとして構成され得る。第１のポンプレーザ５２は第１の線形偏光を有する第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１を生成するように構成され、第２のポンプレーザ５４は、第１の線形偏光に対して直交する第２の線形偏光を有する第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２を生成するように構成され得る。一例として、第１及び第２のポンプレーザ５２及び５４は、第１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及びＯＰＴＰＭＰ２を、それぞれの第１及び第２の線形偏光を有するものとして提供するように配向されるそれぞれの線形偏光子を含み得る。
ＮＭＲジャイロスコープシステム５０はまた、第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２のそれぞれを受信する較正コントローラ５６を含む。較正コントローラ５６は、４分の１波長板５８及び偏光コントローラ６０を含む。偏光コントローラ６０は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて、第１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及びＯＰＴＰＭＰ２を、共通の光路に沿って４分の１波長板５８の入口に交互に提供するように構成される。例えば、偏光コントローラ６０は、光学部品を含むことができ、光学部品は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１と第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２とを切換えて、４分の１波長板５８の入口において第１の線形偏光と第２の線形偏光との間でそれぞれ交互に繰返す。結果として、４分の１波長板５８から提供される円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調され得る。
図３は、タイミング図１００の一例を示す。タイミング図１００は、時間の関数としてσとして図３の例で示される光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光に対応し得る。タイミング図１００が、図１及び２の例の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに対応し得るため、図３の例の以下の説明において図１及び２の例が参照される。
時刻Ｔ０にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光の「右回り」方向に対応し得るσ＋として示される円偏光を有する。一例として、円偏光σ＋は、第１の線形偏光が４分の１波長板５８に提供されることに起因し得る。そのため、時刻Ｔ０にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４のスピン分極、したがって、磁界ＢＺに基づく第１の共鳴周波数でのアルカリ金属１４の歳差運動、磁気回転同位体１６の分極、及びアルカリ金属１４の自己磁化からのわずかの寄与を提供し、したがって、関連するスピン交換プロセスに基づく磁気回転同位体１６の歳差運動をもたらす。
時刻Ｔ１にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光は、円偏光σ＋から、円偏光無しに対応する偏光σ０とは反対の円偏光σ−に切り換わる。したがって、円偏光σ−は、円偏光の「左回り」方向に対応し得る。一例として、円偏光σ−は、変調信号ＭＯＤに基づいて第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１から第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２に切り換える偏光コントローラ６０が４分の１波長板５８に対する光路内に提供されることなどに基づいて、第２の線形偏光が４分の１波長板５８に提供されることに起因し得る。そのため、時刻Ｔ１にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４の反対方向のスピン分極、したがって、磁界ＢＺに基づく第２の共鳴周波数でのアルカリ金属１４の歳差運動、磁気回転同位体１６の反対の分極、及びアルカリ金属１４の自己磁化からのわずかの反対の寄与を提供する。
更に、時刻Ｔ１にて、磁気回転同位体１６の共鳴周波数は、時刻Ｔ０における磁気回転同位体１６の共鳴周波数に対してシフトされる。結果として、磁気回転同位体１６に関連する同位体シフト及び／又は４重極シフトの効果は、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタに無関係に反転される。そのため、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因するバイアス誤差は、検出システム２４によって検出ビームＯＰＴＤＥＴにおいて観測可能にされる。したがって、検出システム２４は、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因する観測可能なバイアス誤差が、時刻Ｔ０を基準にした時刻Ｔ１における検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性に基づいて除去されるようにＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴを計算し得る。時刻Ｔ２にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光σ＋に戻るように切換り、その後の時刻Ｔ３にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光σ−に戻るように切換る。時刻Ｔ０とＴ１との間、時刻Ｔ１とＴ２との間、及び時刻Ｔ２とＴ３との間の時間間隔はほぼ同じであり得る。したがって、時間変調信号ＭＯＤは、実質的に同じ期間で光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向を変調するために提供され得る。
図４は、本発明の一態様による３軸ジャイロスコープシステム１００の例を示す。一例として、３軸ジャイロスコープシステム１００は、航空機及び／又は宇宙船等の種々のナビゲーション制御システムの任意のナビゲーション制御システム、又は、ヨー、ピッチ、及びロール回転運動情報をモニタするデバイスに実装され得る。
３軸ジャイロスコープシステム１００は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２と、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４と、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６とを含む。図４の例では、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２はＸ軸の周りに受感軸を有し、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４はＹ軸の周りに受感軸を有し、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６はＺ軸の周りに受感軸を有し得る。それぞれのＮＭＲ蒸気セル１５８、１６０、及び１６２の回転軸は、デカルト座標系１６４によって図４の例に示される。一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、図１の例のＮＭＲジャイロスコープシステム１０と実質的に同様に構成され得る。そのため、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、それぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに応答してそれぞれの蒸気セル１５８、１６０、及び１６２のそれぞれを通して提供されるそれぞれの検出ビームＯＰＴＤＥＴに基づいてそれぞれのＸ、Ｙ、及びＺ軸のそれぞれの周りのそれぞれの回転角ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ及び、ＲＯＴＺを決定するように構成され得る。それぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、（例えば、円偏光方向に関して）それぞれ変調されて、アルカリ金属を分極させ、それにより、それぞれのアルカリ金属及びアルカリ金属内の磁気回転同位体の歳差運動を容易にする。一例として、それぞれの蒸気セル１５８、１６０、及び１６２のそれぞれを通したそれぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの変調は、共通の時間変調信号ＭＯＤに基づく等によって実質的に時間整合され得る。
図４の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、それぞれの回転角ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、及びＲＯＴＺを含む信号をモーションセンサ１６６に出力するものとして示される。そのため、モーションセンサ１６６は、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスの３軸回転運動全体を決定するように構成され得る。従って、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスのヨー、ピッチ、及びロールが決定され得る。従って、モーションセンサ１６６は、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスの３軸回転運動を表示する、出力する、かつ／又は報告するように構成され得る。
上述した構造的特徴及び機能的特徴を考慮すると、本発明の種々の態様による方法は、図５を参照してよりよく認識される。説明の簡略化のため、図５の方法は順番に実行されるものとして示され説明されているが、幾つかの態様が、本発明に従って、本明細書に示され説明される順序と異なる順序で、及び／又は、他の態様と同時に起こるため、本発明が示す順序に制限されないことが理解され認識される。更に、示される特徴の全てが、本発明の一態様による方法を実装するために必要とされない場合がある。
図５は、ＮＭＲジャイロスコープシステム（例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０）を較正するための方法２００の例を示す。２０２にて、光ポンプビーム（例えば、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ）は、ポンプレーザ（例えば、ポンプレーザ２０）によって生成される。２０４にて、光ポンプビームは、アルカリ金属（例えば、アルカリ金属１４）及び複数の磁気回転同位体（例えば、磁気回転同位体１６）を備える蒸気セル（例えば、蒸気セル１２）を通して提供される。光ポンプビームは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に沿って提供されて、アルカリ金属をスピン分極させ得る。２０６にて、光プローブビーム（例えば、光プローブビームＯＰＴＰＲＢ）は、プローブレーザ（例えば、プローブレーザ２２）によって生成される。２０８にて、光プローブビームは、光ポンプビームに対して直交する蒸気セルを通して提供されて、蒸気セルを出る検出ビーム（例えば、検出ビームＯＰＴＤＥＴ）を提供する。２１０にて、光ポンプビーム特性（例えば、円偏光方向）が変調されて、複数の磁気回転同位体に関連する同位体シフト及び４重極シフトの少なくとも一方に対応するバイアス誤差を、検出ビームによって提供される複数の磁気回転同位体の歳差運動の差に基づいて観測可能にする。２１２にて、バイアス誤差は、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転（例えば、回転ＲＯＴ）の計算から除去される。
以上の説明は本発明の例である。本発明を説明するために構成要素又は方法の考えられる全ての組合せを述べることは可能ではないが、本発明の多くの更なる組合せ及び置換が可能であることを当業者は認識し得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲に入る全てのこうした代替、修正、及び変形を包含することが意図される。
本発明は、概してセンサシステムに関し、特に、自己較正型核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。
典型的な核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープは、核磁気モーメントを有する１つ又は２つの同位体の測定されるラーモア歳差運動周波数又は位相のシフトに基づいて受感軸の周りの慣性角回転レート又は配向角を検知する原理に基づいて動作する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セル及び回転センサを含むことができ、回転センサは、例えば、光源と光検出器と信号処理回路とを含む。例として、蒸気セルは、ルビジウム又はセシウム等の１つ又は複数のアルカリ金属を１つ又は複数の磁気回転同位体と共に含有し、この１つ又は複数の磁気回転同位体は磁界に応答して歳差運動させられる。信号処理回路は、１つ又は複数の磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数及び位相情報を抽出し得る。結果として、受感軸の周りのジャイロスコープ回転レート又は配向角は、抽出されたラーモア歳差運動周波数及び位相情報に基づいて計算され得る。
米国特許第４８２５２６０号明細書 米国特許第６０９７５３２号明細書 米国特許第７７２８５８７号明細書 米国特許第８２１２５５６号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００９５３２７号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０２１３１３５号明細書
一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。システムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルと、アルカリ金属をスピン分極させるように構成される光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザとを含む。システムはまた、光プローブビームを生成するように構成されたプローブレーザと、光プローブビームをモニタし、アルカリ金属のスピン分極に起因する複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた光プローブビームの変調に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成された検出システムとを含む。システムは更に、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において磁気回転同位体に関連するバイアス誤差を実質的に軽減するため光ポンプビームの特性を変調する較正コントローラを含む。
別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを自己較正するための方法を含む。方法は、ポンプレーザによって光ポンプビームを生成すること、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルを通して光ポンプビームを提供することを含む。光ポンプビームは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に沿って提供され、アルカリ金属をスピン分極させ得る。方法はまた、プローブレーザによって光プローブビームを生成すること、光ポンプビームに対し直交する蒸気セルを通して光プローブビームを提供して、蒸気セルを出る検出ビームを提供することを含む。方法はまた、光ポンプビームの特性を変調して、複数の磁気回転同位体に関連する同位体シフト及び４重極（quadrupole）シフトの少なくとも一方に対応するバイアス誤差を、検出ビームによって提供される複数の磁気回転同位体の歳差運動の差に基づいて観測可能にすることを含む。方法は更に、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算からバイアス誤差を除去することを含む。
別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。システムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルと、第１の直線偏光を有する光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザとを含む。システムはまた、較正コントローラを含む。較正コントローラは、時間変調信号に基づいて第１の直線偏光と第１の直線偏光に対し直交する第２の直線偏光との間で光ポンプビームを変調するように構成された偏光コントローラと、第１の直線偏光を第１の円偏光に変換し、第２の直線偏光を第１の円偏光と逆向きの第２の円偏光に変換するように構成された４分の１波長板とを含む。変調され円偏光された光ポンプビームは、蒸気セルを通して受感軸に沿って提供され得る。システムはまた、光プローブビームを生成するように構成されたプローブレーザと、検出システムとを含む。検出システムは、光プローブビームをモニタし、変調され円偏光された光ポンプビームに基づいて複数の磁気回転同位体の歳差運動に関連するバイアス誤差を観測し、複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた光プローブビームの変調に基づいて観測されるバイアス誤差に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成されている。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの例を示す図である。 ＮＭＲジャイロスコープシステムの別の例を示す図である。 タイミング図の例を示す図である。 ３軸ジャイロスコープシステムの例を示す図である。 ＮＭＲジャイロスコープシステムを自己較正するための方法の例を示す図である。
本発明は、概してセンサシステムに関し、特に、自己較正型核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。自己較正型ＮＭＲジャイロスコープシステムは、アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を有する蒸気セルを含み得る。磁界源は実質的に均一な磁界を生成することができ、実質的に均一な磁界は、蒸気セルを通して提供され、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に整列する。ポンプレーザは、光ポンプビームを生成することができ、光ポンプビームは、蒸気セルを通して提供されて、アルカリ金属をスピン分極させ、したがって、磁界に応答してアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を容易にする。一例として、ポンプレーザは、蒸気セルを通して提供される前に、４分の１波長板によって円偏光される直線偏光ビームとして光ポンプビームを生成するように構成することができる。プローブレーザは、光プローブビームを生成することができ、光プローブビームは、光ポンプビームに対し直交する方向に蒸気セルを通して同様に提供され、検出ビームとして蒸気セルを出る。
検出システムは、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するため検出ビームをモニタするように構成され得る。例えば、検出システムは、磁気回転同位体の歳差運動に起因する光プローブビームのファラデー回転をモニタし、それにより、ＮＭＲジャイロスコープシステムの回転が、ファラデー回転の変化に基づいて計算されるように構成され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステムは、較正コントローラを含むことができ、較正コントローラは、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において磁気回転同位体に関連するバイアス誤差（例えば、同位体シフト及び／又は４重極シフト）を実質的に軽減するため光ポンプビームの特性を変調するように構成される。例えば、較正コントローラは、光ポンプビームの円偏光の方向を変調するよう構成され得る。結果として、バイアス誤差（例えば、同位体シフト及び／又は４重極シフト）の発生源は反転され、それにより観測可能とされる。したがって、検出システムは、バイアス誤差を特定し、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算においてバイアス誤差を実質的に軽減し得る。
図１は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ１０の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、種々の用途のうちの任意の用途に実装され得る。一例として、ＮＭＲジャイロスコープ１０は、航空機及び／又は宇宙船のためのナビゲーションシステムに実装され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図４の例でより詳細に実証されるような多軸ジャイロスコープの一部分であり得る。
ＮＭＲジャイロスコープ１０は、例えば、種々の形状及びサイズのうちの任意の形状及びサイズのガラスケーシングであり得る蒸気セル１２を含む。蒸気セル１２は、アルカリ金属１４及び複数の回転同位体１６を含む。一例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気であり、磁気回転同位体１６は、３ヘリウム、８３クリプトン、１２９キセノン、及び／又は１３１キセノン等の種々の希ガス同位体の任意の同位体を含み得る。ＮＭＲジャイロスコープ１０はまた、蒸気セル１２を通して正味の磁界ＢＺを生成するように構成された磁界源１８を含む。例えば、磁界ＢＺは、ＡＣ変調されたＤＣ磁界、したがって、ＡＣ成分及びＤＣ成分を含むことができ、ＡＣ変調されたＤＣ磁界は、蒸気セル１２を通して提供され、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸に整列する。一例として、磁界源２２は、蒸気セル１２を実質的に囲む磁気ソレノイドとして構成され得る。更に、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を実質的に囲み得る磁気シールド（図示せず）を含み、したがって、地磁界等の、外部磁界からの干渉を実質的に軽減し得る。
ＮＭＲセンサシステム１０はまた、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを生成するように構成されるポンプレーザ２０及び光プローブビームＯＰＴＰＲＢを生成するように構成されるプローブレーザ２２を含む。ＯＰＴＰＭＰは、アルカリ金属１４に関連するＤ１又はＤ２放出ラインに対応するようなアルカリ金属１４に関して共鳴オンであり得る波長で生成され得る。光プローブビームＯＰＴＰＲＢは、アルカリ金属１４に関して実質的に共鳴オフであり得る波長で生成され得る。ＯＰＴＰＭＰは、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸に沿うように、蒸気セル１２を通して提供される。光プローブビームＯＰＴＰＲＢは、ＯＰＴＰＭＰに対して直交であり、検出ビームＯＰＴＤＥＴとして蒸気セル１２を出る方向に、蒸気セル１２を通して同様に提供される。
ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を計算するため検出ビームＯＰＴＤＥＴをモニタするように構成される検出システム２４を含む。例えば、検出システム２４は、磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸の周りの回転角を計算するように構成される機械化プロセッサを含み得る。一例として、検出システム２４は、復調される検出信号ＯＰＴＤＥＴによって示される磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角に基づいて、蒸気セル１２の受感軸の周りの回転角を計算するように構成され得る。例えば、磁気回転同位体１６の検出される歳差運動角は、安定した磁界ＢＺにおける磁気回転同位体１６の１つ又は複数の予想される歳差運動角に対応する所定の基準信号と比較され得る。そのため、蒸気セル１２の回転は、磁気回転同位体１６の測定される歳差運動角と基準信号との差（例えば、位相差又は周波数差）から計算され得る。図１の例では、計算される回転は信号ＲＯＴとして示される。
図１の例では、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０はまた、較正コントローラ２６を含み、較正コントローラ２６は、バイアス誤差が受感軸周りの回転ＲＯＴの計算において実質的に軽減され得るように、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の自己較正を提供するように構成される。一例として、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰは、ポンプレーザ２０によって直線偏光で生成され得る。較正コントローラ２６は、蒸気セル１２を通して提供される円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐを提供するため、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを円偏光させる４分の１波長板を含み得る。そのため、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光は、アルカリ金属１４内の光子の角運動量に基づいてアルカリ金属１４をスピン分極させて、アルカリ金属１４の歳差運動を容易にし得る。
例えば、円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに応答する磁気回転同位体１６とアルカリ金属１４との間の相互作用を伴うスピン交換による磁気回転同位体１６の光ポンピングは、計算された回転ＲＯＴ内でバイアス誤差として示され得る測定ドリフトにさらされ得る。測定ドリフトの主要な発生源は、互いに関する磁気回転同位体１６の磁気回転比のうちの見かけの比を変化させ得るどんなものをも含む。磁気回転同位体１６の磁気回転比は、磁界ＢＺの単位振幅についての磁気回転同位体１６の歳差運動レートの尺度によって特徴付けられ得る。例えば、磁気回転同位体１６は、Ｘｅの２つの同位体（例えば、１３１Ｘｅ及び１２９Ｘｅ）を含み得る。一例として、測定ドリフトは、「同位体シフト」を含む。この「同位体シフト」は、磁気回転同位体１６のそれぞれがアルカリ金属１４と相互作用するような任意の差（例えば、１３１Ｘｅ同位体の相互作用と１２９Ｘｅ同位体の相互作用との相対的な差）に基づき得る。別の例として、測定ドリフトは、「４重極シフト」を含む。この「４重極シフト」は、磁気回転同位体１６の一方（例えば、１３１Ｘｅ同位体）と蒸気セル１２の壁とが相互作用している間等、電界勾配との核４重極相互作用に基づき得る。同位体シフト及び／又は４重極シフトの影響は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０回転ＲＯＴの計算においてかなりの量のバイアス誤差に寄与し得る。
同位体シフト及び／又は４重極シフトによってもたらされるバイアス誤差を実質的に軽減するため、較正コントローラ２６は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて光ポンプビームＯＰＴＰＭＰの特性を変調するように構成され得る。例えば、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光の方向を、「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調させるように構成され得る。第１の例として、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰの生成を第１の直線偏光から第１の直線偏光に対し直交する第２の直線偏光に偏光するため、ポンプレーザ２０の刺激を変調するように構成され得る。そのため、第１の直線偏光は４分の１波長板によって第１の円偏光に変換され、第２の直線偏光は、４分の１波長板によって、第１の円偏光と逆向きの第２の円偏光に変換され得る。第２の例として、較正コントローラ２６は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて光ポンプビームＯＰＴＰＭＰを第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で交互に切換え得る更なる光学部品を含み得る。第３の例として、較正コントローラ２６は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光を第１の円偏光と第２の円偏光との間で変調するため、時間変調信号ＭＯＤに基づいて４分の１波長板を約９０°で交互に回転させるように構成され得る。
「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間での光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光の変調に応答して、磁気回転同位体１６の分極が同様に変調され得る。したがって、磁気回転同位体１６の分極は、変調スキームに基づいて周期的に反転され得る。結果として、同位体シフト及び／又は４重極シフトの影響は、同様に、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタに無関係に周期的に反転され得る。そのため、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因するバイアス誤差は、検出システム２４によって検出ビームＯＰＴＤＥＴにおいて観測可能にされる。したがって、検出システム２４は、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因する観測可能なバイアス誤差を、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算から除去するように構成され得る。
「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間での光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光を変調させることに加えて、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、バイアス誤差を軽減する種々の他の方法のうちの任意の方法を実装するように構成され得る。例えば、較正コントローラ２６は、ゼロを中心に対称的にする等によって、磁界ＢＺのＤＣ成分を同様に変調するように構成され得る。したがって、受感軸のベクトル方向は、同様に、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタを周期的に反転させるように変調され得る。一例として、磁界ＢＺのＤＣ成分の変調は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる米国特許第７，７２８，５８７号に記載されるのと同じ方法で実装され得る。そのため、同位体シフトに起因するバイアス誤差は、より正確に観測され、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算から除去され得る。磁界ＢＺのＤＣ成分の変調は互いに時間整合される方法等で光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向の変調と共に実装され得る。したがって、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴの計算は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向だけを変調することに比べて、より正確な方法で提供され得る。
図２は、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の別の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例のＮＭＲジャイロスコープシステム１０等のＮＭＲジャイロスコープシステムの一部分であり得る。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光が「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調され得る方法の別の例に対応し得る。
ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、第１のポンプレーザ５２及び第２のポンプレーザ５４を含む。第１及び第２のポンプレーザ５２及び５４は、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の種々の異なるタイプのレーザのうちの任意のレーザとして構成され得る。第１のポンプレーザ５２は第１の線形偏光を有する第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１を生成するように構成され、第２のポンプレーザ５４は、第１の線形偏光に対して直交する第２の線形偏光を有する第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２を生成するように構成され得る。一例として、第１及び第２のポンプレーザ５２及び５４は、第１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及びＯＰＴＰＭＰ２を、それぞれの第１及び第２の線形偏光を有するものとして提供するように配向されるそれぞれの線形偏光子を含み得る。
ＮＭＲジャイロスコープシステム５０はまた、第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２のそれぞれを受信する較正コントローラ５６を含む。較正コントローラ５６は、４分の１波長板５８及び偏光コントローラ６０を含む。偏光コントローラ６０は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて、第１及び第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１及びＯＰＴＰＭＰ２を、共通の光路に沿って４分の１波長板５８の入口に交互に提供するように構成される。例えば、偏光コントローラ６０は、光学部品を含むことができ、光学部品は、時間変調信号ＭＯＤに基づいて第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１と第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２とを切換えて、４分の１波長板５８の入口において第１の線形偏光と第２の線形偏光との間でそれぞれ交互に繰返す。結果として、４分の１波長板５８から提供される円偏光された光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、「右回り」円偏光と「左回り」円偏光との間で変調され得る。
図３は、タイミング図１００の一例を示す。タイミング図１００は、時間の関数としてσとして図３の例で示される光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光に対応し得る。タイミング図１００が、図１及び２の例の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに対応し得るため、図３の例の以下の説明において図１及び２の例が参照される。
時刻Ｔ０にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光の「右回り」方向に対応し得るσ＋として示される円偏光を有する。一例として、円偏光σ＋は、第１の線形偏光が４分の１波長板５８に提供されることに起因し得る。そのため、時刻Ｔ０にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４のスピン分極、したがって、磁界ＢＺに基づく第１の共鳴周波数でのアルカリ金属１４の歳差運動、磁気回転同位体１６の分極、及びアルカリ金属１４の自己磁化からのわずかの寄与を提供し、したがって、関連するスピン交換プロセスに基づく磁気回転同位体１６の歳差運動をもたらす。
時刻Ｔ１にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光は、円偏光σ＋から、円偏光無しに対応する偏光σ０とは反対の円偏光σ−に切り換わる。したがって、円偏光σ−は、円偏光の「左回り」方向に対応し得る。一例として、円偏光σ−は、変調信号ＭＯＤに基づいて第１の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ１から第２の光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ２に切り換える偏光コントローラ６０が４分の１波長板５８に対する光路内に提供されることなどに基づいて、第２の線形偏光が４分の１波長板５８に提供されることに起因し得る。そのため、時刻Ｔ１にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４の反対方向のスピン分極、したがって、磁界ＢＺに基づく第２の共鳴周波数でのアルカリ金属１４の歳差運動、磁気回転同位体１６の反対の分極、及びアルカリ金属１４の自己磁化からのわずかの反対の寄与を提供する。
更に、時刻Ｔ１にて、磁気回転同位体１６の共鳴周波数は、時刻Ｔ０における磁気回転同位体１６の共鳴周波数に対してシフトされる。結果として、磁気回転同位体１６に関連する同位体シフト及び／又は４重極シフトの効果は、（例えば、ファラデー回転によって提供される）検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性のスケールファクタに無関係に反転される。そのため、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因するバイアス誤差は、検出システム２４によって検出ビームＯＰＴＤＥＴにおいて観測可能にされる。したがって、検出システム２４は、同位体シフト及び／又は４重極シフトに起因する観測可能なバイアス誤差が、時刻Ｔ０を基準にした時刻Ｔ１における検出ビームＯＰＴＤＥＴの特性に基づいて除去されるようにＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転ＲＯＴを計算し得る。時刻Ｔ２にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光σ＋に戻るように切換り、その後の時刻Ｔ３にて、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、円偏光σ−に戻るように切換る。時刻Ｔ０とＴ１との間、時刻Ｔ１とＴ２との間、及び時刻Ｔ２とＴ３との間の時間間隔はほぼ同じであり得る。したがって、時間変調信号ＭＯＤは、実質的に同じ期間で光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの円偏光方向を変調するために提供され得る。
図４は、本発明の一態様による３軸ジャイロスコープシステム１００の例を示す。一例として、３軸ジャイロスコープシステム１００は、航空機及び／又は宇宙船等の種々のナビゲーション制御システムの任意のナビゲーション制御システム、又は、ヨー、ピッチ、及びロール回転運動情報をモニタするデバイスに実装され得る。
３軸ジャイロスコープシステム１００は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２と、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４と、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６とを含む。図４の例では、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２はＸ軸の周りに受感軸を有し、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４はＹ軸の周りに受感軸を有し、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６はＺ軸の周りに受感軸を有し得る。それぞれのＮＭＲ蒸気セル１５８、１６０、及び１６２の回転軸は、デカルト座標系１６４によって図４の例に示される。一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、図１の例のＮＭＲジャイロスコープシステム１０と実質的に同様に構成され得る。そのため、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、それぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐに応答してそれぞれの蒸気セル１５８、１６０、及び１６２のそれぞれを通して提供されるそれぞれの検出ビームＯＰＴＤＥＴに基づいてそれぞれのＸ、Ｙ、及びＺ軸のそれぞれの周りのそれぞれの回転角ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ及び、ＲＯＴＺを決定するように構成され得る。それぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐは、（例えば、円偏光方向に関して）それぞれ変調されて、アルカリ金属を分極させ、それにより、それぞれのアルカリ金属及びアルカリ金属内の磁気回転同位体の歳差運動を容易にする。一例として、それぞれの蒸気セル１５８、１６０、及び１６２のそれぞれを通したそれぞれの光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ＿Ｐの変調は、共通の時間変調信号ＭＯＤに基づく等によって実質的に時間整合され得る。
図４の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６のそれぞれは、それぞれの回転角ＲＯＴＸ、ＲＯＴＹ、及びＲＯＴＺを含む信号をモーションセンサ１６６に出力するものとして示される。そのため、モーションセンサ１６６は、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスの３軸回転運動全体を決定するように構成され得る。従って、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスのヨー、ピッチ、及びロールが決定され得る。従って、モーションセンサ１６６は、３軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連する乗り物又はデバイスの３軸回転運動を表示する、出力する、かつ／又は報告するように構成され得る。
上述した構造的特徴及び機能的特徴を考慮すると、本発明の種々の態様による方法は、図５を参照してよりよく認識される。説明の簡略化のため、図５の方法は順番に実行されるものとして示され説明されているが、幾つかの態様が、本発明に従って、本明細書に示され説明される順序と異なる順序で、及び／又は、他の態様と同時に起こるため、本発明が示す順序に制限されないことが理解され認識される。更に、示される特徴の全てが、本発明の一態様による方法を実装するために必要とされない場合がある。
図５は、ＮＭＲジャイロスコープシステム（例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０）を較正するための方法２００の例を示す。２０２にて、光ポンプビーム（例えば、光ポンプビームＯＰＴＰＭＰ）は、ポンプレーザ（例えば、ポンプレーザ２０）によって生成される。２０４にて、光ポンプビームは、アルカリ金属（例えば、アルカリ金属１４）及び複数の磁気回転同位体（例えば、磁気回転同位体１６）を備える蒸気セル（例えば、蒸気セル１２）を通して提供される。光ポンプビームは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に沿って提供されて、アルカリ金属をスピン分極させ得る。２０６にて、光プローブビーム（例えば、光プローブビームＯＰＴＰＲＢ）は、プローブレーザ（例えば、プローブレーザ２２）によって生成される。２０８にて、光プローブビームは、光ポンプビームに対して直交する蒸気セルを通して提供されて、蒸気セルを出る検出ビーム（例えば、検出ビームＯＰＴＤＥＴ）を提供する。２１０にて、光ポンプビーム特性（例えば、円偏光方向）が変調されて、複数の磁気回転同位体に関連する同位体シフト及び４重極シフトの少なくとも一方に対応するバイアス誤差を、検出ビームによって提供される複数の磁気回転同位体の歳差運動の差に基づいて観測可能にする。２１２にて、バイアス誤差は、受感軸の周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転（例えば、回転ＲＯＴ）の計算から除去される。
以上の説明は本発明の例である。本発明を説明するために構成要素又は方法の考えられる全ての組合せを述べることは可能ではないが、本発明の多くの更なる組合せ及び置換が可能であることを当業者は認識し得る。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲に入る全てのこうした代替、修正、及び変形を包含することが意図される。

Claims (15)

  1. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
    アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルと、
    前記アルカリ金属をスピン分極させるように構成される光ポンプビームを生成するように構成されたポンプレーザと、
    光プローブビームを生成するように構成されたプローブレーザと、
    前記光プローブビームをモニタし、前記アルカリ金属のスピン分極に起因する前記複数の磁気回転同位体の歳差運動に応じた前記光プローブビームの変調に基づいて受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転を計算するように構成された検出システムと、
    前記受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において前記磁気回転同位体に関連するバイアス誤差を実質的に軽減するため前記光ポンプビームの特性を変調するように構成された較正コントローラと
    を備える、システム。
  2. 前記較正コントローラは、前記受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において前記磁気回転同位体に関連する前記バイアス誤差を実質的に軽減するため前記光ポンプビームの円偏光を変調するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記受感軸に実質的に整列する磁界を生成するように構成された磁界発生器を更に備え、前記磁界はＤＣ成分及びＡＣ成分を含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記較正コントローラは、前記受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算において前記磁気回転同位体に関連するバイアス誤差を実質的に軽減するため前記磁界のＤＣ成分を変調するように更に構成されている、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記較正コントローラは、前記光ポンプビーム及び前記磁界のＤＣ成分の変調を時間整合させるように構成されている、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記ポンプレーザは、前記光ポンプビームを第１の直線偏光で生成するように構成され、
    前記較正コントローラは、
    時間変調信号に基づいて前記第１の直線偏光と前記第１の直線偏光に対して直交する第２の直線偏光との間で前記光ポンプビームを変調するように構成された偏光コントローラと、
    前記第１の直線偏光を第１の円偏光に変換し、前記第２の直線偏光を前記第１の円偏光と逆向きの第２の円偏光に変換するように構成された４分の１波長板と
    を備える、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記ポンプレーザは、前記第１の直線偏光を有する第１の光ポンプビームを生成するように構成された第１のポンプレーザであり、
    当該システムは、前記第２の直線偏光を有する第２の光ポンプビームを生成するように構成された第２のポンプレーザを更に備え、前記偏光コントローラは、前記時間変調信号に基づいて前記第１及び第２の光ポンプビームを共通の光路に沿って前記４分の１波長板の入口に交互に提供するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記偏光コントローラは、前記ポンプレーザによって生成された前記光ポンプビームを前記時間変調信号に基づいて前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との間で変調するため前記ポンプレーザを刺激するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記偏光コントローラは、前記光ポンプビームを前記時間変調信号に基づいて前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との間で交互に切換える光学部品を備える、請求項６に記載のシステム。
  10. 前記偏光コントローラは、前記第１の円偏光と前記第２の円偏光との間で円偏光を変調するため前記４分の１波長板を前記時間変調信号に基づいて約９０°で交互に回転させるように構成されている、請求項６に記載のシステム。
  11. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを自己較正するための方法であって、
    ポンプレーザによって光ポンプビームを生成すること、
    アルカリ金属及び複数の磁気回転同位体を備える蒸気セルを通して前記光ポンプビームを提供することであって、前記光ポンプビームは、前記アルカリ金属をスピン分極させるべくＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に沿って提供される、前記光ポンプビームを提供すること、
    プローブレーザによって光プローブビームを生成すること、
    前記光ポンプビームに対し直交する前記蒸気セルを通して前記光プローブビームを提供して、前記蒸気セルを出る検出ビームを提供すること、
    前記光ポンプビームの特性を変調して、前記複数の磁気回転同位体に関連する同位体シフト及び４重極シフトの少なくとも一方に対応するバイアス誤差を、前記検出ビームによって提供される前記複数の磁気回転同位体の歳差運動の差に基づいて観測可能にすること、
    前記受感軸周りの前記ＮＭＲジャイロスコープシステムの回転の計算から前記バイアス誤差を除去すること
    を備える方法。
  12. 前記光ポンプビームの特性を変調することは、前記光ポンプビームの円偏光方向を変調することを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記光ポンプビームを生成することは、第１のポンプレーザによって第１の直線偏光を有する第１の光ポンプビームを生成すること、及び第２のポンプレーザによって第２の直線偏光を有する第２の光ポンプビームを生成することを含み、前記光ポンプビームの円偏光方向を変調することは、時間変調信号に基づいて前記第１及び第２の光ポンプビームを共通の光路に沿って４分の１波長板の入口に交互に提供することを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記受感軸に実質的に整列し、ＤＣ成分とＡＣ成分とを含む磁界を生成すること、
    前記磁界のＤＣ成分を変調して、前記複数の磁気回転同位体に関連する前記同位体シフトに関連するバイアス誤差を観測可能にすること
    を更に備える請求項１１に記載の方法。
  15. 前記光ポンプビーム及び前記磁界のＤＣ成分の変調を時間整合させることを更に備える請求項１４に記載の方法。
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