核磁共振陀螺儀（NMRG-Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope）是基于原子自旋量子效應(yīng)的高精度量子慣性傳感器，具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、抗干擾能力強(qiáng)、體積小和精度高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)導(dǎo)航的關(guān)鍵裝備手段之一。核磁共振陀螺儀系統(tǒng)復(fù)雜、對(duì)噪聲敏感，包含對(duì)原子氣室溫度、激光頻率、三軸磁場(chǎng)多物理量的控制以及進(jìn)動(dòng)信號(hào)解算，對(duì)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(tái)團(tuán)隊(duì)在核磁共振陀螺儀信號(hào)處理及控制電路系統(tǒng)方面取得重要進(jìn)展。

進(jìn)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(duì)堿金屬極化率的影響，團(tuán)隊(duì)基于直接吸收法，設(shè)計(jì)了適用于NMRG系統(tǒng)的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)（如圖1）?；谠撓到y(tǒng)對(duì)原子氣室溫度和調(diào)制信號(hào)深度進(jìn)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(shí)驗(yàn)中為102.5°C。該系統(tǒng)頻率鎖定時(shí)間僅11ms，鎖定后誤差信號(hào)峰峰值小于4mV，頻率漂移優(yōu)于15MHz，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量具有良好的穩(wěn)定性。在施加2.2GHz的擾動(dòng)后，經(jīng)過(guò)約0.94s重新穩(wěn)定，滿足核磁共振陀螺儀的設(shè)計(jì)要求。

圖1：激光穩(wěn)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王爭(zhēng)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(duì)鑒頻靈敏度的影響，構(gòu)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P(yáng)SC-LIA中提出了一種相位分段估計(jì)方法，僅通過(guò)加法和移位便可在一個(gè)時(shí)鐘周期完成相位估計(jì)，并構(gòu)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(kuò)充至?π~π 。PSC-LIA相位糾正時(shí)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(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果

該成果以O(shè)ptimized 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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王爭(zhēng)光，通訊作者為殷志珍和宋賀倫。（https://doi.org/10.1109/TIM.2025.3551129）

進(jìn)展2：原子氣室無(wú)磁溫控技術(shù)

針對(duì)溫控制精度對(duì)數(shù)密度的影響和加熱絲引入的磁噪聲，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電磁仿真和微納加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了尺寸25mm*25mm、磁噪聲系數(shù)25pT/mA的電加熱絲。其次設(shè)計(jì)了高性能溫控電路，該電路正負(fù)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(diǎn)下均達(dá)到較高溫控精度，對(duì)整個(gè)加熱保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，分析系統(tǒng)傳遞函數(shù)，優(yōu)化控制器參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)溫控精度優(yōu)于0.001°C。

圖3?: 從左到右依次為磁場(chǎng)分布云圖、加熱絲實(shí)物圖、溫控電路、溫升曲線、80度溫控精度

進(jìn)展3：核磁共振陀螺儀動(dòng)力學(xué)建模及信號(hào)處理系統(tǒng)

核磁共振陀螺儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)多、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，為了更高效地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)縮短開(kāi)發(fā)周期，基于simulink構(gòu)建了NMRG動(dòng)力學(xué)模型（如圖4），對(duì)橫向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的幅值進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)NMRG輸出磁矩信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析?；跇?gòu)建的信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)Xe同位素進(jìn)動(dòng)頻率的解算以及相位信息的跟隨。

圖4 : NMRG動(dòng)力學(xué)模型及仿真分析

為實(shí)現(xiàn)持續(xù)共振，需補(bǔ)償橫向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)相位，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于FPGA的級(jí)聯(lián)濾波器改進(jìn)的相位解算方法（如圖5），并創(chuàng)新性提出了時(shí)分復(fù)用改進(jìn)的雙路濾波器結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)資源消耗降低18.2%，最大運(yùn)行頻率提升44.9%，在多種數(shù)據(jù)場(chǎng)景下均有較好的性能。

圖5 : 基于FPGA的級(jí)聯(lián)濾波器改進(jìn)的相位計(jì)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王爭(zhēng)光，通訊作者為殷志珍、吳東岷和宋賀倫。