论文摘要：SERF原子自旋陀螺仪的误差分析及其抑制方法实验研究

随着量子调控技术的发展，利用原子自旋进动特性构造的无自旋交换弛豫（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）原子自旋陀螺仪已经得到原理验证，并被认为是下一代高精度陀螺仪的发展方向，具有重要的科学意义和工程实用价值。我国虽然实现了SERF原子自旋陀螺仪效应，但缺乏陀螺仪长期稳定性的控制方法，导致SERF原子自旋陀螺仪的精度与国外差距巨大。针对这一问题，本论文开展了SERF原子自旋陀螺仪的误差传播机理研究和抑制扰动、提高陀螺仪长期稳定性方法的理论与实验研究，论文的主要研究工作及取得的创新性成果如下：

1、针对涉及多物理场耦合的SERF原子自旋陀螺仪，综合考虑Bloch方程组对SERF原子自旋陀螺仪的描述，建立了SERF原子自旋陀螺仪动力学模型和误差模型，分析了SERF原子自旋陀螺仪的动力特性；分析了SERF原子自旋陀螺仪的主要误差来源于碱金属气室的温度扰动、抽运系统光位移扰动、核自旋自补偿磁场扰动、原子自旋进动的调制检测偏置扰动，并根据误差模型对基于Cs-129Xe的SERF原子自旋陀螺仪实现1°/h的零偏稳定性进行了初步的定量分析。

2、针对抽运系统中光位移和原子自旋抽运率的不稳定降低SERF原子自旋陀螺仪精度的问题，提出了基于原子自旋陀螺仪Bloch方程的光位移的测量方法，测量精度达到±1 nT；采用基于塞曼效应的二向色原子蒸汽的抽运激光频率稳定控制方法和基于PID控制的腔外抽运激光稳功率方法进行原子自旋抽运率的稳定控制，实现了0.5％的光抽运率的稳定精度，提高了陀螺仪标度因数的稳定性。

3、针对核自旋自补偿磁场扰动的问题，建立了弱磁场下Cs-129Xe自旋碰撞弛豫模型，提出了弱磁场下自旋交换碰撞弛豫率参数、Cs-129Xe费米接触强度系数的测量方法，依据上述理论模型和测量方法进行了碱金属气室参数的优化，将核自旋强度从14.6 nT提高到315nT，提高了核自旋磁场的自补偿能力，进而提高了陀螺仪的动态范围。

4、针对法拉第调制检测系统不稳定的问题，建立了法拉第旋转角温度的响应特性模型，分析了单光束闭环法拉第调制检测的缺陷并予以修正，消除了检测系统中y=a(t)sin[ ω(t)]  的偏置误差，在此基础上提出了基于自然旋光效应的互易性进行法拉第转角温度补偿的方法；提出了双光束闭环法拉第调制梯度磁场检测方法，实现了磁场梯度灵敏度14 fT/Hz1/2@40-100Hz；开展了光弹调制检测方法，建立了光弹调制检测误差模型，针对光弹调制检测标度因数的不稳定性，提出了基于法拉第偏振补偿的闭环光弹调制检测方法。

最后，对SERF原子自旋陀螺仪实验研究装置进行了综合测试，测试结果表明SERF原子自旋陀螺仪实验研究装置达到了零偏稳定性4.6 º/h、随机游走0.045 º/h1/2的性能。

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