基于知识和数据的原子自旋磁场/惯性同步测量与闭环操控方法

Under the hybrid optical pumping, this project studies the knowledge and data based synchronous measurement and closed-loop control method for the magnetism/inertia of atomic spin. The main research contents are the analysis on the collapse effect of atomic spin measurement under the multi-interferences (optical, magnetic, electronic and thermal, etc.) condition; the knowledge and data based methods for synchronous magnetism/inertia measurement, dynamics modeling and characteristics analysis, precise closed-loop control and relevant experimental verifications. The general objective of this project is to systematically give the theoretical results and implementation technologies of the above research contents, and to provide the theoretical and methodological basis for developing the high-precision atomic spin gyroscope for China as early as possible and promoting the development of relevant technologies. This project belongs to the pioneering and interdisciplinary research fields, has important theoretical significance and potential application values.

本项目在混合光抽运条件下，研究基于知识和数据的原子自旋磁场/惯性同步测量与闭环操控方法。主要研究内容为多干扰（光、磁、电、热等）条件下原子自旋测量坍缩效应分析，基于知识与数据相结合的磁场/惯性同步测量方法、动力学建模与特性分析方法、精密闭环操控方法以及相关的实验验证方法。本项目的总体目标是系统性地给出上述研究内容的理论结果和实现技术，为我国尽早研制出高精度原子自旋陀螺仪及促进相关技术的发展提供理论与方法依据。本项目属于前沿交叉研究领域，研究内容具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

随着量子物理学及其应用技术的发展，利用原子自旋效应来测量磁场与运动物体角速度的原子式传感器应运而生，其对提高国家工业水平和国防安全具有十分重要的战略意义。然而，在其工作情况下却存在着多种外部因素的耦合干扰、量子态与惯性力和磁场共同引起的原子自旋进动信号强耦合、以及量子态观测坍塌效应等问题。因此，本项目研究基于机理分析、理论模型等相关知识与测量/存储数据相结合的混合光抽运原子自旋磁场/惯性同步测量系统的建模与操控方法，重点开展原子自旋惯性角速度/磁场精确信号检测、双进动同步测量参数辨识与解耦建模、多耦合干扰条件下原子自旋SERF态闭环控制方法的研究，以及相关技术的实验验证。关于原子自旋操控技术方面的研究，通过采用新的原子源、优化抽运激光功率密度等方案，有效降低了大电子磁场引起的电子自旋交换弛豫和惰性气体原子核自旋电四极弛豫的影响。关于核自旋自补偿点闭环控制方法的研究，通过研究核自旋及电子自旋强耦合下的瞬态响应和稳态响应，建立核自旋自补偿过程的动力学模型，提出了核自旋自补偿点的闭环精密操控理论与方法以实时锁定核自旋自补偿点，进而提升系统漂移指标与刻度系数线性度。关于利用磁场反馈的SERF原子自旋惯性/磁场测量闭环检测方法的研究，通过磁场反馈对系统零点进行闭环控制。如此，解决了磁场补偿方案的实用性问题，并提出了极化分布测试与控制方案、检测噪声分离方案、与基于惯性测量信号的瞬态过程测量磁场方案。上述理论方法有力地支撑了高精度原子自旋陀螺仪、极弱磁场测量、和基础物理学前沿领域等方面的研究，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。