(57)【要約】      （修正有）【課題】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】核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステム１０であって、アルカリ金属蒸気１４と、第１の磁気回転同位体１６と、第２の磁気回転同位体１８と、第３の磁気回転同位体２０とを封入するようにシールされたジャイロセル１２と、該ジャイロセルを介して提供され、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体とを歳差運動させる実質的に均一な磁界を生成するように構成されている磁界生成器２２と、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体との測定された歳差運動角に基づいて、該ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に対する回転角を測定するように構成されている角回転センサ２６とを備えている。【選択図】図１
2011033629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
アルカリ金属蒸気と、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とを封入するようにシールされたジャイロセルと、
該ジャイロセルを介して提供され、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体とを歳差運動させる実質的に均一な磁界を生成するように構成されている磁界生成器と、
該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体との測定された歳差運動角に基づいて、該ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に対する回転角を測定するように構成されている角回転センサと
を備えている、核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
【請求項２】
前記角回転センサは、機械化プロセッサを備え、該機械化プロセッサは、測定期間の持続時間と、実質的に均一な磁界と、前記第１の磁気回転同位体、前記第２の磁気回転同位体および前記第３の磁気回転同位体に対する前記アルカリ金属蒸気の分極から生じる局所的な正味磁界とは独立して、前記受感軸に対する前記回転角を計算するように機械化方程式を実装するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記機械化プロセッサは、前記第１の磁気回転同位体と前記第２の磁気回転同位体と前記第３の磁気回転同位体のうちの２つの、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体のうちの残りの１つに対する歳差運動角を測定することと、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体にそれぞれ対応する３つの歳差運動角方程式の組を解いて、前記持続時間と前記実質的に均一な磁界の大きさと前記受感軸の周りの前記回転角の解からの前記局所的な正味磁界とを相殺することとを行うように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記角回転センサは、前記第１の磁気回転同位体と前記第２の磁気回転同位体と前記第３の磁気回転同位体との歳差運動角の測定のための各測定期間の間に、周波数基準を提供するように構成されているローカルオシレータを備え、前記機械化プロセッサは、前記持続時間の相殺に基づいて１つの測定期間から次の測定期間までの該周波数基準の精度とは独立して前記受感軸の周りの回転角を計算するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記機械化プロセッサは、以下の式、
【数４】
2011033629.tif 000006
に基づいて、前記受感軸の周りの前記回転角θＧを計算するようにさらに構成され、
ここで、θＡ、θＢおよびθＣは、該第１の磁気回転同位体の測定された歳差運動角、該第２の磁気回転同位体の測定された歳差運動角および該第３の磁気回転同位体の測定された歳差運動角であり、
γＥａ、γＥｂおよびγＥｃは、それぞれ、該第１の磁気回転同位体の磁気回転比、該第２の磁気回転同位体の磁気回転比および該第３の磁気回転同位体の磁気回転比であり、
γＰａ、γＰｂおよびγＰｃは、それぞれ、前記アルカリ金属蒸気に対する、該第１の磁気回転同位体の磁気結合定数、該第２の磁気回転同位体の磁気結合定数および該第３の磁気回転同位体の磁気結合定数である、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記角回転センサは、前記受感軸の周りの前記回転角の測定期間の持続時間を、前記第１の磁気回転同位体、前記第２の磁気回転同位体および前記第３の磁気回転同位体のうち最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角の大きさとして設定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記角回転センサは、前記ジャイロセルからの光学信号を復調および処理して、前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体の歳差運動周波数にそれぞれ対応する周波数を有する歳差運動信号の組を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記角回転センサは、前記歳差運動信号の組に基づいて、前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体の歳差運動角の測定に対する周波数基準を提供するように構成されているローカルオシレータを備えている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記角回転センサは、前記第１の磁気回転同位体、前記第２の磁気回転同位体および前記第３の磁気回転同位体のそれぞれの各測定パルスに対する前記ローカルオシレータのパルスの数をカウントして、前記受感軸の周りの前記回転角を計算するために、該第１の磁気回転同位体、該第２の磁気回転同位体および該第３の磁気回転同位体のうちの２つの磁気回転同位体の、該第１の磁気回転同位体、該第２の磁気回転同位体および該第３の磁気回転同位体のうちの残りの１つの磁気回転同位体に対する前記歳差運動角を決定するように構成されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のＮＭＲジャイロスコープシステムを備えている三軸ジャイロスコープシステム。
【請求項１１】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を決定する方法であって、該方法は、
ジャイロセルを介して実質的に均一な外部の磁界を提供して、該ジャイロセル内の第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させることと、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体の歳差運動角に対する該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの磁気回転同位体の歳差運動角を測定することと、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの測定された磁気回転同位体の歳差運動角に基づいて、該受感軸の周りの回転角を計算することと
を包含する、方法。
【請求項１２】
前記回転角を計算することは、機械化方程式を実装することを包含し、該機械化方程式は、測定期間の持続時間と、前記実質的に均一な磁界と、前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体に対する前記アルカリ金属蒸気の分極から生じる正味の局所磁界とは独立して前記受感軸の周りの前記回転角を計算する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体の前記歳差運動角の測定のための各測定期間の間に、ローカルオシレータ周波数基準を提供することをさらに包含し、前記回転角を計算することは、持続時間の相殺に基づいて１つの測定期間から次の測定期間までの該ローカルオシレータ周波数基準の精度とは独立に、前記受感軸の周りの該回転角を計算することをさらに包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記歳差運動角を測定することは、前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角と等しい歳差運動角を測定するための測定期間の持続時間を設定することを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体の歳差運動周波数にそれぞれ対応する測定パルスの周波数をそれぞれ有する歳差運動信号の組を生成するために、前記ジャイロセルからの光学信号を復調および処理することをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記歳差運動角を測定することは、前記受感軸の周りの前記回転角を計算するために、前記第１磁気回転同位体、前記第２磁気回転同位体および前記第３磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体に対する該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの該歳差運動角を決定するように、該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の各々の各測定パルス間のローカルオシレータパルスをカウントすることをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記光学信号を復調および処理することは、前記ジャイロセルからの前記光学信号を復調および処理して、それぞれが関数を有する歳差運動信号の組を生成することを包含し、前記測定パルスは、それぞれの関数歳差運動信号の各々に対する正のゼロ交差、負のゼロ交差および一次導関数のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させるシールされたジャイロセルを介して提供された実質的に均一の磁界を生成する手段と、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の歳差運動角を測定する手段と、
測定期間の持続時間と、該実質的に均一の磁界の大きさと、該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体に対するアルカリ金属蒸気の分極から生じる正味の局所磁界とは独立して、該ＮＭＲジャイロスコープの受感軸の周りの回転角を計算する手段と
を備えている、核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
【請求項１９】
前記歳差運動角を測定する前記手段は、前記受感軸の周りの前記回転角の測定期間の持続時間を、前記第１の磁気回転同位体、前記第２の磁気回転同位体および前記第３の磁気回転同位体のうち最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角の大きさとして設定するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記計算する手段は、前記第１の磁気回転同位体と前記第２の磁気回転同位体と前記第３の磁気回転同位体とにそれぞれ対応する３つの歳差運動角方程式の組を解いて、前記持続時間と前記実質的に均一な磁界の大きさと前記受感軸の周りの前記回転角の解からの前記局所的な正味磁界とを相殺するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、概して、ビームセルシステムに関し、具体的には、核磁気共鳴ジャイロスコープ機械化に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
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つまたは２つの同位体のラーモア歳差運動周波数または位相のシフトに基づいて、受感軸の周りの慣性角速度または角度を感知する原理に基づいて動作する。ＮＭＲジャイロスコープ（「ジャイロ」）システムは、ジャイロセルと回転センサとを含み得、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、ジャイロセルは、１以上のアルカリ金属蒸気（例えば、ルビジウム）を、１つまたは２つの磁気回転同位体と共に含有し、この１つまたは２つ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つまたは２つの磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数および位相情報を抽出し得る。結果として、受感軸の周りの回転周波数は、抽出されたラーモア歳差運動周波数および位相情報に基づいて計算され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（概要）
本発明の一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属蒸気と、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とを封入するようにシールされるジャイロセルを含む。このシステムは、また、磁界生成器を含み、該磁界生成器は、実質的に均一な磁界を生成するように構成され、この磁界は、ジャイロセルを介して提供され、第１、第２および第３の磁気回転同位体を歳差運動させる。このシステムは、第１、第２および第３の磁気回転同位体の測定された歳差運動角に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を測定するように構成されている角回転センサをさらに含む。
【０００４】
本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムにおける受感軸の周りの回転角を決定する方法を含む。この方法は、ジャイロセルを介して実質的に均一な外部の磁界を提供して、第１の磁気回転同位体と第２の磁気回転同位体と第３の磁気回転同位体とを歳差運動させることを含む。この方法は、また、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とのうちの２つの、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とのうちの最もゆっくり歳差運動をする磁気回転同位体の歳差運動角に対する歳差運動角を測定することを含む。この方法は、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とのうちの２つの磁気回転同位体の測定された歳差運動角に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を計算することをさらに含む。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、シールされたジャイロセルを介して提供された実質的に均一な磁界を生成して、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とを歳差運動させる手段を含む。このシステムは、また、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体との歳差運動角を測定する手段を含む。このシステムは、測定期間の持続時間と、実質的に均一な磁界の大きさと、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体および第３の磁気回転同位体に対するアルカリ金属の分極から生じる正味の局所磁界とは独立して、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を計算する手段をさらに含む。
【０００６】
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
アルカリ金属蒸気と、第１の磁気回転同位体と、第２の磁気回転同位体と、第３の磁気回転同位体とを封入するようにシールされたジャイロセルと、
該ジャイロセルを介して提供され、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体とを歳差運動させる実質的に均一な磁界を生成するように構成されている磁界生成器と、
該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体との測定された歳差運動角に基づいて、該ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸に対する回転角を測定するように構成されている角回転センサと
を備えている、核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
（項目２）
上記角回転センサは、機械化プロセッサを備え、該機械化プロセッサは、測定期間の持続時間と、実質的に均一な磁界と、上記第１の磁気回転同位体、上記第２の磁気回転同位体および上記第３の磁気回転同位体に対する上記アルカリ金属蒸気の分極から生じる局所的な正味磁界とは独立して、上記受感軸に対する上記回転角を計算するように機械化方程式を実装するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目３）
上記機械化プロセッサは、上記第１の磁気回転同位体と上記第２の磁気回転同位体と上記第３の磁気回転同位体のうちの２つの、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体のうちの残りの１つに対する歳差運動角を測定することと、該第１の磁気回転同位体と該第２の磁気回転同位体と該第３の磁気回転同位体にそれぞれ対応する３つの歳差運動角方程式の組を解いて、上記持続時間と上記実質的に均一な磁界の大きさと上記受感軸の周りの上記回転角の解からの上記局所的な正味磁界とを相殺することとを行うように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
上記角回転センサは、上記第１の磁気回転同位体と上記第２の磁気回転同位体と上記第３の磁気回転同位体との歳差運動角の測定のための各測定期間の間に、周波数基準を提供するように構成されているローカルオシレータを備え、上記機械化プロセッサは、上記持続時間の相殺に基づいて１つの測定期間から次の測定期間までの該周波数基準の精度とは独立して上記受感軸の周りの回転角を計算するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
上記機械化プロセッサは、以下の式、
【０００７】
【数１】
2011033629.tif 000003
に基づいて、上記受感軸の周りの上記回転角θＧを計算するようにさらに構成され、
ここで、θＡ、θＢおよびθＣは、該第１の磁気回転同位体の測定された歳差運動角、該第２の磁気回転同位体の測定された歳差運動角および該第３の磁気回転同位体の測定された歳差運動角であり、
γＥａ、γＥｂおよびγＥｃは、それぞれ、該第１の磁気回転同位体の磁気回転比、該第２の磁気回転同位体の磁気回転比および該第３の磁気回転同位体の磁気回転比であり、
γＰａ、γＰｂおよびγＰｃは、それぞれ、上記アルカリ金属蒸気に対する、該第１の磁気回転同位体の磁気結合定数、該第２の磁気回転同位体の磁気結合定数および該第３の磁気回転同位体の磁気結合定数である、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
上記角回転センサは、上記受感軸の周りの上記回転角の測定期間の持続時間を、上記第１の磁気回転同位体、上記第２の磁気回転同位体および上記第３の磁気回転同位体のうち最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角の大きさとして設定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
上記角回転センサは、上記ジャイロセルからの光学信号を復調および処理して、上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体の歳差運動周波数にそれぞれ対応する周波数を有する歳差運動信号の組を生成するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
上記角回転センサは、上記歳差運動信号の組に基づいて、上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体の歳差運動角の測定に対する周波数基準を提供するように構成されているローカルオシレータを備えている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
上記角回転センサは、上記第１の磁気回転同位体、上記第２の磁気回転同位体および上記第３の磁気回転同位体のそれぞれの各測定パルスに対する上記ローカルオシレータのパルスの数をカウントして、上記受感軸の周りの上記回転角を計算するために、該第１の磁気回転同位体、該第２の磁気回転同位体および該第３の磁気回転同位体のうちの２つの磁気回転同位体の、該第１の磁気回転同位体、該第２の磁気回転同位体および該第３の磁気回転同位体のうちの残りの１つの磁気回転同位体に対する上記歳差運動角を決定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１０）
上記項目のいずれかに記載のＮＭＲジャイロスコープシステムを備えている三軸ジャイロスコープシステム。
（項目１１）
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を決定する方法であって、該方法は、
ジャイロセルを介して実質的に均一な外部の磁界を提供して、該ジャイロセル内の第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させることと、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体の歳差運動角に対する該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの磁気回転同位体の歳差運動角を測定することと、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの測定された磁気回転同位体の歳差運動角に基づいて、該受感軸の周りの回転角を計算することと
を包含する、方法。
（項目１２）
上記回転角を計算することは、機械化方程式を実装することを包含し、該機械化方程式は、測定期間の持続時間と、上記実質的に均一な磁界と、上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体に対する上記アルカリ金属蒸気の分極から生じる正味の局所磁界とは独立して上記受感軸の周りの上記回転角を計算する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１３）
上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体の上記歳差運動角の測定のための各測定期間の間に、ローカルオシレータ周波数基準を提供することをさらに包含し、上記回転角を計算することは、持続時間の相殺に基づいて１つの測定期間から次の測定期間までの該ローカルオシレータ周波数基準の精度とは独立に、上記受感軸の周りの該回転角を計算することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１４）
上記歳差運動角を測定することは、上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角と等しい歳差運動角を測定するための測定期間の持続時間を設定することを包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１５）
上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体の歳差運動周波数にそれぞれ対応する測定パルスの周波数をそれぞれ有する歳差運動信号の組を生成するために、上記ジャイロセルからの光学信号を復調および処理することをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１６）
上記歳差運動角を測定することは、上記受感軸の周りの上記回転角を計算するために、上記第１磁気回転同位体、上記第２磁気回転同位体および上記第３磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体に対する該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体のうちの２つの該歳差運動角を決定するように、該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の各々の各測定パルス間のローカルオシレータパルスをカウントすることをさらに包含する、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１７）
上記光学信号を復調および処理することは、上記ジャイロセルからの上記光学信号を復調および処理して、それぞれが関数を有する歳差運動信号の組を生成することを包含し、上記測定パルスは、それぞれの関数歳差運動信号の各々に対する正のゼロ交差、負のゼロ交差および一次導関数のうちの少なくとも１つを備えている、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させるシールされたジャイロセルを介して提供された実質的に均一の磁界を生成する手段と、
該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体の歳差運動角を測定する手段と、
測定期間の持続時間と、該実質的に均一の磁界の大きさと、該第１磁気回転同位体、該第２磁気回転同位体および該第３磁気回転同位体に対するアルカリ金属蒸気の分極から生じる正味の局所磁界とは独立して、該ＮＭＲジャイロスコープの受感軸の周りの回転角を計算する手段と
を備えている、核磁気共鳴ジャイロスコープシステム。
（項目１９）
上記歳差運動角を測定する上記手段は、上記受感軸の周りの上記回転角の測定期間の持続時間を、上記第１の磁気回転同位体、上記第２の磁気回転同位体および上記第３の磁気回転同位体のうち最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体によって歳差運動させられる所定の歳差運動角の大きさとして設定するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目２０）
上記計算する手段は、上記第１の磁気回転同位体と上記第２の磁気回転同位体と上記第３の磁気回転同位体とにそれぞれ対応する３つの歳差運動角方程式の組を解いて、上記持続時間と上記実質的に均一な磁界の大きさと上記受感軸の周りの上記回転角の解からの上記局所的な正味磁界とを相殺するように構成されている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
【０００８】
（摘要）
本発明の一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属蒸気、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を封入するようにシールされるジャイロセルを含む。このシステムは、また、ジャイロセルを介して提供される実質的に均一な磁界を生成して、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させるように構成されている磁界生成器を含む。このシステムは、さらに、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体の測定された歳差運動角に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転軸を測定するように構成されている角回転センサをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一局面に従った、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロシステムの例を示す。
【図２】図２は、本発明の一局面に従った、ＮＭＲジャイロシステムの別の例を示す。
【図３】図３は、本発明の一局面に従った、三軸ジャイロシステムの例を示す。
【図４】図４は、本発明の一局面に従ったＮＭＲジャイロスコープシステムにおけるジャイロセルの周りの回転軸を決定するための方法の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（詳細な説明）
本発明は、概して、ビームセルシステムに関し、具体的には、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ機械化に関する。ＮＭＲジャイロシステムは、アルカリ金属と３つの磁気回転同位体とを含み、３つの磁気回転同位体は、それぞれ、ジャイロセルを介して印加された実質的に均一な磁界に応答して歳差運動する。磁気回転同位体は、例えば、希ガス同位体であり得る。例として、複数の磁気回転同位体の第１の磁気回転同位体は、第１の回転方向で歳差運動し得、その他の２つの磁気回転同位体は、反対の方向に歳差運動し得る。ＮＭＲジャイロシステムは、また、角回転センサを含み得、この角回転センサは、磁気回転同位体の歳差運動角を測定するように構成され、機械化方程式に基づいて、ＮＭＲジャイロシステムの受感軸の周りの回転角を計算する。本明細書で記載される場合、ＮＭＲジャイロシステムの受感軸は、総正味磁界における磁気回転同位体およびアルカリ金属蒸気の歳差運動に対して、ＮＭＲジャイロシステムの光センサ装置が回転する軸である。
【００１１】
例として、機械化方程式は、それぞれの磁気回転同位体の各々の歳差運動角方程式から導出され得る。機械化方程式の導出は、受感軸に対する回転角の計算が、測定期間の持続時間とは独立であり、歳差運動を引き起こす印加された磁界とは独立であり、かつ、磁気回転同位体とアルカリ金属との相互作用に基づくジャイロセル内の局所的な磁界とは独立であるようになされ得る。従って、受感軸に対する回転角は、未知の変数の相殺に基づいて計算され得る。
【００１２】
測定期間の持続時間は、複数の磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体の所定の歳差運動角として設定され得、その結果、他の２つの磁気回転同位体の歳差運動角は第３磁気回転同位体に対して測定され得る。結果として、測定期間は、３つの磁気回転同位体に対して正規化される。時間が３つ全ての同位体に対してほぼ等しいことを仮定すると、測定時間は、機械化方程式において３つ全ての同位体に対して相殺され得る。従って、３つの磁気回転同位体の正規化された測定期間に基づき、機械化方程式における測定期間の持続時間の相殺に基づき、そして、角回転センサが回転周波数の代わりに受感軸のまわりの回転角を測定するので、ＮＭＲジャイロシステムは、受感軸の周りの正確な回転角を提供するためにローカルオシレータの精度に依存する必要はなくなる。従って、受感軸の周りの回転角は、周波数基準の安定性に依存しないので実質的に正確であり得る。
【００１３】
図１は、本発明の一局面に従う核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロシステム１０の例を示す。ＮＭＲジャイロシステムシステム１０は、種々の用途のうちの任意の用途に実装され得る。例として、ＮＭＲジャイロシステム１０は、航空機および／また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。さらに、ＮＭＲジャイロシステム１０は、図３の例にさらに詳細に実証されるような多軸ジャイロシステムの一部であり得る。
【００１４】
ＮＭＲジャイロシステム１０は、例えば、種々の形状およびサイズのうちの任意のガラスケーシングであり得るＮＭＲジャイロセル１２を含む。ＮＭＲジャイロセル１２は、アルカリ金属１４、ならびに、図１にそれぞれ、同位体Ａ、同位体Ｂおよび同位体Ｃとして示される第１磁気回転同位体１６、第２磁気回転同位体１８および第３磁気回転同位体２０を含む。例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）蒸気であり、磁気回転同位体１６、１８および２０は、ヘリウム−３、クリプトン−８３、キセノン−１２９および／またはキセノン−１３１などの希ガス同位体を含み得る。ＮＭＲジャイロシステム１０は、また、ＮＭＲジャイロセル１２を介して実質的に均一な磁界ＢＥを生成するように構成されている均一磁界生成器２２を含む。例として、均一磁界生成器２２は、ＮＭＲジャイロセル１２を実質的に囲む磁気ソレノイドとして構成され得る。
【００１５】
実質的に均一な磁界ＢＥに応答して、磁気回転同位体１６、１８および２０は、ＮＭＲジャイロセル１２の軸に対して歳差運動する。例として、磁気回転同位体１６、１８および２０は、第１磁気回転同位体１６が第１の回転方向に歳差運動し、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体が反対方向に歳差運動するように選択され得る。磁気回転同位体１６、１８および２０の各々は、実質的に均一な磁界ＢＥに応答して、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちのその他の２つの磁気回転同位体に対して固有の周波数で歳差運動し得る。従って、実質的に均一な磁界ＢＥは、実質的に均一な磁界ＢＥの実質的に一定の大きさを維持するように制御され得る。さらに、ＮＭＲジャイロシステム１０は、磁気シールド２４を含み、この磁気シールド２４は、実質的にＮＭＲジャイロセル１２を囲み得、結果として、外部の磁界（例えば、地球の磁場）からの干渉を実質的に軽減する。
【００１６】
ＮＭＲジャイロシステム１０は、角回転センサ２６をさらに含む。角回転センサ２６は、測定期間を規定する所与の持続時間に対して、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角を測定するように構成され、測定された歳差運動角に基づいて持続時間に対するＮＭＲジャイロセル１２の受感軸の周りの回転角θＧを計算するように構成されている。角回転センサ２６は、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動周波数の代わりに磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角を測定するように構成されているので、角回転センサ２６は、例えば、典型的なＮＭＲジャイロシステムにおいて、磁気回転同位体の歳差運動を測定する場合に本質的に存在するような、１つの測定期間から次の測定期間までの精度の低い可能性のある周波数基準に依存する必要はない。さらに、回転周波数の代わりに受感軸の周りの回転角θＧを計算することは、処理時間およびリソースを低減し得、同様に、精度の低い可能性のある周波数基準への依存を軽減し得る。
【００１７】
例として、角回転センサ２６は、光学ポンプビームＯＰＭＰを用いてアルカリ金属１４をＮＭＲジャイロセル１２内に光学的にポンプ供給して、アルカリ金属１４のスピンを実質的に均一な磁界ＢＥに整列させるように構成され得る。応答して、スピン交換プロセスに起因して、磁気回転同位体１６、１８および２０は、また光学ポンプビームＯＰＭＰにスピン整列される。ＮＭＲジャイロシステム１０は、また、ＮＭＲジャイロセル１２を通過するプローブビームＯＰＲＢを生成するように構成されているプローブビーム源２７を含む。プローブビームＯＰＲＢは、（例えば、光学ポンプビームＯＰＭＰに垂直な方向成分で）検出ビームＯＤＥＴとしてＮＭＲジャイロセル１２から出て行く。光学ポンプビームＯＰＭＰから生じるアルカリ金属１４の整列は、プローブビームＯＰＲＢを変調して、検出ビームＯＤＥＴを生成し得る。具体的には、検出ビームＯＤＥＴの変調は、磁気回転同位体１６、１８および２０によって修正されたアルカリ金属１４の歳差運動の関数であり得る。例として、角回転センサ２６は、検出ビームＯＤＥＴの変調を検出するように構成されている１つ以上の光検出器を含み得る。従って、変調された光学検出信号ＯＤＥＴにおいて検出されるような、アルカリ金属１４と、磁気回転同位体１６、１８および２０との歳差運動角の変化は、回転運動に対応する受感軸の周りの配向における変化を決定するために処理され得る。
【００１８】
例として、角回転センサ２６は、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体の所定の歳差運動角として測定時間の持続時間を設定することによって、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角を測定するように構成され得る。従って、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの他の２つの歳差運動角が、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体に対して測定され得る。結果として、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角に対する測定期間は、ローカルオシレータに依存する代わりに、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体に標準化され得る。さらに、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの２つのみの歳差運動角を測定することは、信号処理時間およびリソースを低減し得、受感軸の周りの回転角θＧのより速い測定をもたらす。
【００１９】
図１の例において、角回転センサ２６は、機械化プロセッサ２８を含む。機械化プロセッサ２８は、磁気回転同位体１６、１８および２０の測定された歳差運動角に基づいて、受感軸の周りの回転角θＧを計算するように構成され得る。具体的には、機械化プロセッサ２８は、機械化方程式から、受感軸の周りの回転角θＧに対する解を計算し得、この機械化方程式は、磁気回転同位体１６、１８および２０の測定された歳差運動角に基づいて、歳差運動角方程式の組から導出される。それぞれ、磁気回転同位体１６、１８および２０に対応する３つの歳差運動角方程式を用いて受感軸の周りの回転角θＧに対する解を導出することに基づいて、測定期間の持続時間に対する変数、実質的に均一な磁界ＢＥの大きさ、およびアルカリ金属と磁気回転同位体の相互作用に基づくジャイロセル内の局所磁界は、全て、解から相殺され得る。従って、受感軸の周りの回転角θＧの測定は、測定期間の持続時間と、実質的に均一な磁界ＢＥの大きさと、ＮＭＲジャイロセル１２内の局所磁界とは実質的に独立し得る。さらに、測定期間の持続時間の相殺に基づいて、１つの測定期間から次の測定期間までの正しくない可能性のある周波数基準における信頼性は軽減され得る。
【００２０】
図２は、本発明の別の局面に従う、ＮＭＲジャイロシステム５０の別の例を示す。ＮＭＲジャイロシステム５０は、図１の例においてＮＭＲジャイロシステム１０に実質的に類似するように構成され得る。具体的には、ＮＭＲジャイロシステム５０は、受感軸５１の周りの回転角θＧを測定するように構成され得る。従って、ＮＭＲジャイロシステム５０は、上記の図１の例に記載されるもの同様に、航空機および／または宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて、ならびに／あるいは多軸ジャイロシステムの一部として、実装され得る。従って、同様の参照番号は、図１の例に使用されている参照番号と同様に図２の例においても使用される。
【００２１】
ＮＭＲジャイロシステム５０は、ＮＭＲジャイロセル１２を含む。図２の例において、ＮＭＲジャイロセル１２は、円柱形として示される。しかしながら、ＮＭＲジャイロセル１２が任意の種々の形状（例えば、立方体または球形）である得ることが理解されるべきである。ＮＭＲジャイロセル１２は、ＮＭＲジャイロセル１２内に存在する蒸気として、図２の例に示されるアルカリ金属１４を含む。ＮＭＲジャイロセル１２は、また、図２の例に概略的に示される、第１磁気回転同位体１６、第２磁気回転同位体１８および第３磁気回転同位体２０を含む。ＮＭＲジャイロシステム５０は、また、受感軸５１に実質的に平行な方向に、ＮＭＲジャイロセル１２を介して実質的に均一な磁界ＢＥを生成する均一磁界生成器２２を含む。図１の例において上記されたものと同様に、均一磁界生成器２２は、ＮＭＲジャイロセル１２を実質的に囲む磁気ソレノイドとして構成され得る。
【００２２】
実質的に均一な磁界ＢＥに応答して、磁気回転同位体１６、１８および２０は、ＮＭＲジャイロセル１２の長手方向軸に対して歳差運動する。図２の例において、第１磁気回転同位体１６は、ＮＭＲジャイロセル１２の上部に対して時計回りの方向に周波数ωＡで歳差運動する。第２および第３磁気回転同位体１８および２０は、それぞれ、ＮＭＲジャイロセル１２の上部に対して反時計回りの方向に周波数ωＢおよびωＣで歳差運動する。歳差運動の周波数ωＡ、ωＢおよびωＣは、実質的に均一な磁界ＢＥに応じて個別の等しくない大きさを有し得、実質的に均一な磁界ＢＥにおける変化に対して異なる量だけ大きさを変化し得る。さらに、ＮＭＲジャイロシステム５０は、ＮＭＲジャイロセル１２を実質的に囲み得る磁気シールド２４を含み、外部磁界（例えば、地球の磁場）からの干渉を実質的に軽減する。
【００２３】
実質的に均一な磁界ＢＥに加え、磁気回転同位体１６、１８および２０は、また、ＮＭＲジャイロセル１２内の局所磁界ＢＬを受ける。局所磁界ＢＬは、アルカリ金属１４と磁気回転同位体１６、１８および２０との相互作用から生じ得る。具体的には、以下にさらに詳細に記載されるように、アルカリ金属１４は、スピン交換プロセスにおいて、アルカリ金属１４と、歳差運動をする磁気回転同位体１６、１８および２０を、実質的に均一な磁界ＢＥと整列させるように光学的にポンプ供給される。結果として、このスピン交換プロセスは、以下にさらに詳細に説明されるように、局所磁界ＢＬ（実質的に均一な磁界ＢＥおよび結果として受感軸５１と実質的に平行）を生成する。例として、局所磁界は、光学ポンプビームＯＰＭＰの分極方向に依存して、実質的に均一な磁界ＢＥと同一または反対の方向を有し得る。局所磁界ＢＬは、磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれに対して異なる方法で、歳差運動周波数ωＡ、ωＢおよびωＣに正味の効果を有し得る。具体的には、磁気回転同位体１６、１８および２０の質量は、磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれにおける局所磁界ＢＬの効果を決定する。磁気回転同位体１６、１８および２０の異なる質量は、アルカリ金属粒子１４と、短寿命分子において互いに結合されている間に、磁気回転同位体１６、１８および２０との間の結合における質量シフトの低減を引き起こし得る。従って、磁気回転同位体１６、１８および２０は、異なる磁気モーメントを受け得る。
【００２４】
磁気回転同位体１６、１８および２０の同位体質量の効果に加え、磁気回転同位体１６、１８および２０の正味スピン（例えば、双極、四重極など）によって生成されたそれぞれの磁界の特徴は、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０が受ける正味の磁気モーメントにおいて一つの役割を果たす。例えば、１２９Ｘｅは、双極磁気モーメントを有するが、１３１Ｘｅは、四重極磁気モーメントを有する。結果として、１２９Ｘｅは、核からの距離の三乗によって降下する磁気モーメントを受ける一方で、１３１Ｘｅは、核からの距離の四乗（すなわち、距離４）によって降下する磁気モーメントを受ける。
【００２５】
ＮＭＲジャイロシステム５０は、角回転センサ２６をさらに含む。角回転センサ２６は、光学ポンプビームＯＰＭＰを生成するように構成されているポンプレーザ５２を含む。例として、光学ポンプビームＯＰＭＰは、円偏光の光であり得る。図２の例は、光学ポンプビームＯＰＭＰが、受感軸５１に対して横断方向で、ＮＭＲジャイロセル１２に提供されるが、光学ポンプビームＯＰＭＰは種々の配向（例えば、受感軸５１に実質的に平行な配向）で提供され得ることが理解されるべきである。光学ポンプビームＯＰＭＰは、ＮＭＲジャイロセル１２に提供されることにより、ＮＭＲジャイロセル１２内にアルカリ金属を光学的にポンプ供給し、アルカリ金属１４のスピンを実質的に均一な磁界ＢＥと整列させる。応答するように、スピン交換プロセスに起因して、磁気回転同位体１６、１８および２０は、また、光学ポンプビームＯＰＭＰに対してスピン整列される。
【００２６】
例として、いったん光学ポンプビームによってポンプ供給されると、アルカリ金属１４を構成する原子は、それぞれの電子偏光を急速に損失し得、結果として、実質的にランダムに配向される。例えば、ランダムな配向は、例えば、Ｃｓ−Ｘｅスピン交換衝突プロセスに基づいて、他の原子との衝突、実質的に均一な磁界ＢＥと整列しない原子との衝突、および／または実質的に均一な磁界ＢＥと整列するその他の原子との衝突との結果として発生し得る。従って、いったんアルカリ金属１４が特定の状態およびエネルギーレベルに達すると、アルカリ金属１４は、アルカリ金属１４を実質的に均一な磁界ＢＥに整列させる力を受ける。例えば、磁気シールド２４（図２の例には示されない）によって軽減され得るなどして、受感軸５１を横断する任意の磁界がない場合、スピン交換された光学的にポンプ供給された磁気回転同位体１６、１８および２０（例えば、Ｘｅ）は、歳差運動しない場合がある。しかしながら、例えば、実質的に均一な磁界ＢＥおよび局所磁界ＢＬの不整列に基づく、実質的に受感軸５１を横断する磁界は、ＮＭＲジャイロセル１２における正味のＤＣおよびＡＣ電界の不整列を結果として生じ得る。結果として、正味のトルクが、磁気回転同位体１６、１８および２０のスピンに作用し得、発振横断場の例においては、磁気回転同位体１６、１８および２０のスピンそれぞれの自然ラーモア周波数と共鳴して、結果として、磁気回転同位体１６、１８および２０を互いに同相で歳差運動させる。アルカリ金属１４の完全にポンプ供給された原子の電子スピンにおけるトルクは、それぞれのポンプ供給された原子の磁気モーメントと、実質的に均一な磁界ＢＥの大きさとの間の角度の関数であり得る。
【００２７】
実質的に均一な磁界ＢＥの大きさに起因して、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの１つ以上のラーモア歳差運動期間は、アルカリ金属１４の原子が、光学ポンプビームＯＰＭＰによって再びポンプ供給されることが可能な低位のエネルギー状態に戻る時間に対して長くあり得る。結果として、光学ポンプビームＯＰＭＰが実質的に一定であり、アルカリ金属１４の原子を実質的に均一な磁界ＢＥと整列するようにさせるが、アルカリ金属１４の他の前に整列した原子は、実質的に均一な磁界ＢＥのＤＣ部分との整列から外れる。ＮＭＲジャイロセル１２内のアルカリ金属１４の非常に多くの原子の光学的ポンプ供給の正味の効果の結果は、局所磁界ＢＬの生成である。局所磁界ＢＬは、実質的に均一な磁界ＢＥに実質的に平行であるように図２の例に示されている。しかしながら、局所磁界ＢＬは、また、光学ポンプビームＯＰＭＰに実質的に平行な第２の方向成分を有し得る。例として、局所磁界ＢＬの正味の大きさおよび方向は、実質的に均一な磁界ＢＥの大きさ、アルカリ金属１４の原子密度、および光学ポンプビームＯＰＭＰの特徴（例えば、方向、強度および波長（共鳴するか、または共鳴しない）に基づき得る。
【００２８】
ＮＭＲジャイロシステム５０は、また、プローブビームＯＰＲＢを生成するプローブビーム源２７を含む。図２の例において、プローブビームＯＰＲＢは、実質的に均一な磁界ＢＥの方向に垂直な方向においてＮＭＲジャイロセル１２を通過する。プローブビームＯＰＲＢは、検出ビームＯＤＥＴとして、ＮＭＲジャイロセル１２から出る。光学ポンプビームＯＰＭＰから生じるアルカリ金属１４の整列は、プローブビームＯＰＲＢを変調して、検出ビームＯＤＥＴを生成する。具体的には、磁気回転同位体１６、１８および２０のスピン整列および歳差運動は、アルカリ金属１４の変調を生じ、次に、光学プローブビームＯＰＲＢを変調して、光学検出ビームＯＤＥＴを生成し、その結果、検出ビームＯＤＥＴの変調は、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動に対応する。
【００２９】
光学検出ビームＯＤＥＴが、角回転センサ２６内の１つ以上の光検出器５４に提供される。光検出器５４は、光学検出ビームＯＤＥＴを検出し、変調するように構成されている。従って、光検出器５４は、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動周波数ωＡ、ωＢおよびωＣに対応する一組の信号ＰＲＥを生成するように構成されている。例として、光学検出ビームＯＤＥＴは、信号ＰＲＥを別個の関数（例えば、Ｂｅｓｓｅｌ関数）として信号ＰＲＥを生成するように復調およびフィルタリングされ得、これらの別個の関数は、それぞれ、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちのそれぞれ１つの完全な３６０度の回転に対応する期間を有する。信号ＰＲＥは、測定期間の持続時間を規定することと、持続期間に対するそれぞれの信号ＰＲＥに基づいて、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣを測定することとを行うように構成されている信号プロセッサ５６に提供される。
【００３０】
信号プロセッサ５６は、測定パルスとして信号ＰＲＥの測定可能条件を規定し得、測定パルスは、磁気回転同位体１６、１８および２０の完全な回転または完全な回転の一部に対応する。例えば、信号プロセッサ５６は、複数の信号ＰＲＥのうちの各々の立ち上がりゼロ交差として測定パルスを設定するように構成され得、結果として、各測定パルスは、磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれ１つの完全な３６０度回転に対応し得る。別の例として、信号プロセッサ５６は、複数の信号ＰＲＥのうちの各々の任意のゼロ交差として測定パルスを設定するように構成され得、結果として、各測定パルスは、磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれ１つの１８０度回転に対応し得る。別の例として、信号プロセッサ５６は、複数の信号ＰＲＥのうちの各々の任意のゼロ交差または一次導関数の任意の値として測定パルスを設定するように構成され得、結果として、各測定パルスは、磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれ１つの９０度回転に対応し得る。
【００３１】
例として、信号プロセッサは、複数の信号ＰＲＥによって示されるように、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する１つの所定の歳差運動角として測定時間の持続時間を設定するように構成され得る。具体的には、信号プロセッサ５６は、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する１つの所定の数の測定パルス（結果として、所定の歳差運動角に対応する）として測定期間の持続時間を設定し得る。従って、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの他の２つの歳差運動角は、磁気回転同位体１６、１８および２０の最もゆっくり歳差運動する１つに対して測定され得る。信号プロセッサ５６が、磁気回転同位体１６、１８および２０の３つのうちの２つのみを測定することの結果として、磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣの処理および計算は、非常に簡略化され得る。
【００３２】
角回転センサ２６は、ローカルオシレータ５８を含み、このローカルオシレータ５８は、各個別の測定期間に対する周波数基準を提供し得るローカルオシレータ信号ＬＯを生成する。例として、信号プロセッサ５６は、測定期間の間にローカルオシレータＬＯのパルス数をカウントするように構成され得る。従って、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの他の２つ（すなわち最もゆっくり歳差運動するもの以外）の歳差運動角は、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する１つによって歳差運動される所定の歳差運動角に対して測定され得る。
【００３３】
例として、第１磁気回転同位体１６が、磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する１つであり得る。信号プロセッサ５６は、従って、第１磁気回転同位体１６の３６０度における所定の歳差運動角を設定し得る。測定期間の間、信号プロセッサ５６は、ローカルオシレータ信号ＬＯの１００個のパルスをカウントする。また、測定期間の間、信号プロセッサ５６は、第２磁気回転同位体１８の１つの完全な回転（すなわち３６０度）をカウントし、１つの完全な回転の間に発生したローカルオシレータ信号ＬＯの８０個のパルスをカウントする。さらに、信号プロセッサ５６は、第３磁気回転同位体２０の２つの完全な回転をカウントし、各完全な回転の間に発生したローカルオシレータ信号ＬＯの４３個のパルスをカウントする。従って、信号プロセッサは、測定期間の間に、磁気回転同位体１６、１８および２０は、測定期間の間のそれぞれの歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣを以下のように有することを決定する。
θＡ＝１つの完全な回転＝３６０度（信号プロセッサ５６によって予め決定される）、
θＢ＝（１＋（１００−８０）／８０）＝完全な回転の１．２５倍＝４５０度、そして、
θＣ＝（２＋（１００−（２＊４３））／４３）＝完全な回転の２．３２５５８１４倍＝８３７．２０９３０２度である。
【００３４】
歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣの測定に基づいて、そして歳差運動周波数ωＡ、ωＢおよびωＣの測定には基づかず、そして磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの最もゆっくり歳差運動する１つに基づいて設定される測定期間に基づいて、信号プロセッサ５６は、各測定期間の持続時間を通して、ローカルオシレータ信号ＬＯによって提供される周波数基準の精度にのみ依存することを必要とする。結果として、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣの測定、結果として受感軸の周りの回転角θＧの測定は、１つの測定期間から次の測定期間までのローカルオシレータ信号ＬＯによって提供される周波数基準の精度とは実質的に独立である。具体的には、ローカルオシレータ５８は、各測定期間の持続時間（非常に短くあり得る（例えば、０．００１秒以下））を通してローカルオシレータ信号ＬＯによって提供される周波数基準の精度を維持することのみを必要とする。結果として、ローカルオシレータ信号ＬＯによって提供される周波数基準は、測定期間の間で精度を変更し得、受感軸の周りの回転角θＧの計算に対する正確な周波数基準を提供し得る。
【００３５】
それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の測定された歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣは、機械化プロセッサ２８に提供される。機械化プロセッサ２８は、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０のうちの各々に対する歳差運動角の組から導出された機械化方程式に基づいて、受感軸５１の周りの回転角θＧを計算するように構成されている。具体的には、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣは、以下のように表され得る。
【００３６】
【数２】
2011033629.tif 000004
ここで、γＥＸは、実質的に均一な磁界ＢＥに応答する歳差運動に対する磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれ１つに対する磁気回転比である。
γＰＸは、局所磁界ＢＬに応答する歳差運動に対するアルカリ金属１４との磁気回転同位体１６、１８および２０のそれぞれ１つの結合定数である。
ｔは、測定期間の持続時間である。
それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣに対する上記の式に基づいて、以下の式が受感軸５１の周りの回転角θＧに対して導出され得る。
【００３７】
【数３】
2011033629.tif 000005
機械化プロセッサ２８は、結果として、式４を用いて、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の測定された歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣに基づいて、受感軸５１の周りの回転角θＧを計算し得る。
【００３８】
式４において示されるように、式１〜３からの受感軸５１の周りの回転角θＧの導出は、実質的に均一な磁界ＢＥの大きさ、局所磁界ＢＬの大きさおよび持続時間ｔの相殺を結果としてもたらす。結果として、受感軸５１の周りの回転角θＧは、実質的に均一な磁界ＢＥ、局所磁界ＢＬおよび測定期間の持続時間ｔとは独立して計算され得る。従って、測定期間の持続時間の相殺に基づき、それぞれの磁気回転同位体１６、１８および２０の歳差運動角θＡ、θＢおよびθＣの測定ならびに受感軸５１の周りの回転角θＧの結果としての相殺に基づいて、機械化プロセッサは、（例えば、典型的なＮＭＲジャイロシステムにおける場合のように）磁気回転同位体の歳差運動周波数を測定する場合には本質的に存在するように、１つの測定期間から次の測定期間までの正しくない可能性がある周波数基準に依存する必要がなくなる。さらに、回転周波数の代わりに、受感軸５１の周りの回転角の計算は、回転速度の事後処理に対する必要性（同様に関連する周波数基準の安定性に依存し得る）を軽減することに基づき、処理時間およびリソースを低減し得る。
【００３９】
ＮＭＲジャイロシステム５０は図２の例に限定されないことが理解されるべきである。具体的には、ＮＭＲジャイロシステム５０は、例えば、磁気回転同位体１６、１８および２０の回転角θＡ、θＢおよびθＣを測定する追加の構成要素が角回転センサ２６に含まれ得るという点で、過度に簡略化して示されている。例として、角回転センサ２６は、また、磁界生成器を含み得、この磁界生成器は受感軸５１を横断する追加の磁界を提供し、アルカリ金属粒子１４を磁気回転同位体１６、１８および２０に整列させることにおいて光学ポンプビームＯＰＭＰと協働する。さらに、ＮＭＲジャイロシステム５０は、光学信号源の他の構成を含み得る。例として、光学ポンプビームＯＰＭＰは、また、例えば、特定の角度（例えば、回転角に対して４５度）においてＮＭＲジャイロセルに提供される単一のコリメートされたビームとして実装されるような光学検出信号ＯＤＥＴを生成するように実装され得る。従って、単一のコリメートされたビームは、ＮＭＲジャイロセル１２内に別個の垂直成分をもたらし得、この垂直成分がアルカリ金属１４をポンプ供給することと光学検出ビームＯＤＥＴを生成することとの両方を行う。従って、ＮＭＲジャイロシステム５０は、種々の方法で構成され得る。
【００４０】
図３は、本発明の一局面に従って三軸ジャイロシステム１００の例を示す。例として、三軸ジャイロシステム１００は、航空機および／または宇宙船ようの種々のナビゲーション制御システム、またはヨー、ピッチおよびロール回転運動情報をモニタリングするデバイスに実装され得る。
【００４１】
三軸ジャイロシステム１００は、Ｘ軸ジャイロシステム１０２と、Ｙ軸ジャイロシステム１０４と、Ｚ軸ジャイロシステム１０６とを含む。例として、Ｘ軸ジャイロシステム１０２とＹ軸ジャイロシステム１０４とＺ軸ジャイロシステム１０６とは、それぞれ、図２の例におけるＮＭＲジャイロシステム５０に実質的に類似するように構成され得る。図３の例において、Ｘ軸ジャイロシステム１０２はＸ軸の周りに受感軸を有し得、Ｙ軸ジャイロシステム１０４はＹ軸の周りに受感軸を有し得、Ｚ軸ジャイロシステム１０６はＺ軸の周りに受感軸を有し得る。ＮＭＲジャイロセル１０８、１１０および１１２のそれぞれのＮＭＲジャイロセルの回転軸は、デカルト座標系１１４によって図３の例に示される。従って、Ｘ軸ジャイロシステム１０２と、Ｙ軸ジャイロシステム１０４と、Ｚ軸ジャイロシステム１０６の各々は、最もゆっくり歳差運動する磁気回転同位体に対する、３つの磁気回転同位体のうちの２つを測定することと、式４に基づいてそれぞれの回転角θＧ＿Ｘ、θＧ＿ＹおよびθＧ＿Ｚを計算することとを行うように構成され得る。従って、三軸ジャイロシステム１００は、Ｘ軸ジャイロシステム１０２と、Ｙ軸ジャイロシステム１０４と、Ｚ軸ジャイロシステム１０６によって示される３つ全ての受感軸の周りの回転角を測定し得る。
【００４２】
図３の例において、Ｘ軸ジャイロシステム１０２と、Ｙ軸ジャイロシステム１０４と、Ｚ軸ジャイロシステム１０６とはそれぞれ、信号を出力するように示され、これらの信号は、モニタセンサ１１６に対するそれぞれの回転角θＧ＿Ｘ、θＧ＿ＹおよびθＧ＿Ｚを含む。モニタセンサ１１６は、次いで、三軸ジャイロシステム１００を含む関連する車両またはデバイスの合計三軸回転運動を決定するように構成され得る。従って、三軸ジャイロシステム１００を含む関連する車両またはデバイスのヨー、ピッチまたはロールが測定され得る。従って、モニタセンサ１１６は、三軸ジャイロシステム１００を含む関連する車両またはデバイスの三軸回転運動を表示し、出力し、そして／または報告するように構成され得る。
【００４３】
上記された前述の構造的特徴および機能的特徴に関連して、本発明の様々な局面に従う方法論は、図４に関連して認識される。説明の簡略化のために、図４の方法論は逐次的に実行するように示され、記載されているが、本発明に従って、いくつかの局面が本発明に示され記載されるものとは別の順序で、そして／または他の局面と同時におこるので、本発明が示される順序に限定されないことが理解され、認識されるべきである。さらに、示される特徴の全てが、本発明の局面に従って、方法論を実装するように必要とされ得るわけではない。
【００４４】
図４は、本発明の一局面に従って、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸の周りの回転角を決定する方法１５０の例を示す。１５２において、実質的に均一な外部磁界は、ジャイロセルを介して提供され、ジャイロセル内の第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体を歳差運動させる。実質的に均一な磁界は、ジャイロセルを実質的に囲む磁気ソレノイドから生成され得る。第１磁気回転同位体は、第１回転方向で歳差運動し得、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体は第２の反対の方向に歳差運動し得る。
【００４５】
１５４において、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体のうちの２つの歳差運動角は、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する１つの歳差運動角に対して測定される。２つの磁気回転同位体の測定期間の持続時間は、磁気回転同位体のうちの最もゆっくり歳差運動する１つの所定の歳差運動角を設定することと、持続時間内の他の２つの磁気回転同位体の回転を測定することとによって設定され得る。回転角の測定は、磁気回転同位体の周波数に対応する信号の各測定パルスの間のローカルオシレータパルスをカウントすることに基づき得る。測定パルスは、信号の立ち上がりゼロ交差および／または立ち下がりゼロ交差ならびに／あるいは大きさゼロの一次導関数であり得る。
【００４６】
１５６において、受感軸の周りの回転角は、第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体の測定された歳差運動角に基づいて計算される。回転角は、各磁気回転同位体に対する個別の歳差運動角方程式から導出される機械化方程式に基づいて計算され得る。機械化方程式の導出は、測定期間の持続時間、実質的に均一な磁界の大きさ、および第１磁気回転同位体、第２磁気回転同位体および第３磁気回転同位体に対するアルカリ金属蒸気の分極から生じる正味の局所磁界の変数を相殺し得る。計算された受感軸の周りの回転角は、結果として変数とは独立であり得る。
【００４７】
本発明の例が上記されてきた。当然ながら、本発明を記載する目的の構成要素または方法論の全ての考えることのできる組み合わせを記載することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識する。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる全てのこのような代替物、修正物および変化形を含むことを意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１０  核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロシステム
１２  ＮＭＲジャイロセル
１４  アルカリ金属
１６  第１磁気回転同位体
１８  第２磁気回転同位体
２０  第３磁気回転同位体
２２  均一磁界生成器
２４  磁気シールド
２６  角回転センサ
２８  機械化プロセッサ
【図１】
2011033629.tif 000007
【図２】
2011033629.tif 000008
【図３】
2011033629.tif 000009
【図４】
2011033629.tif 000010