核磁共振陀螺仪（NMRG-Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope）是基于原子自旋量子效应的高精度量子惯性传感器，具有无运动部件、抗干扰能力强、体积小和精度高等特点，是实现厘米级导航的关键装备手段之一。核磁共振陀螺仪系统复杂、对噪声敏感，包含对原子气室温度、激光频率、三轴磁场多物理量的控制以及进动信号解算，对电路系统性能要求极高。苏州纳米所纳米器件部联合加工平台团队在核磁共振陀螺仪信号处理及控制电路系统方面取得重要进展。

进展1：核磁共振陀螺仪激光稳频系统

（1）激光稳频控制系统

为了解决激光器频率漂移对碱金属极化率的影响，团队基于直接吸收法，设计了适用于NMRG系统的激光稳频系统（如图1）。基于该系统对原子气室温度和调制信号深度进行优化分析，拟合分析发现存在最佳工作温度，在本实验中为102.5°C。该系统频率锁定时间仅11ms，锁定后误差信号峰峰值小于4mV，频率漂移优于15MHz，长时间测量具有良好的稳定性。在施加2.2GHz的扰动后，经过约0.94s重新稳定，满足核磁共振陀螺仪的设计要求。

图1：激光稳频系统结构及测试分析

该成果以Laser Frequency Control System for Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes为题被2025 7^th International Conference on Optoelectronic Science and Materials (ICOSM 2025)录用，第一作者为中国科学技术大学博士生王争光，通讯作者为苏州纳米所殷志珍和宋贺伦。

（2）相位自纠正锁相放大器（PSC-LIA）

为解决核磁共振陀螺仪激光稳频中相位差对鉴频灵敏度的影响，构建了一种基于FPGA的相位自纠正锁相放大器（PSC-LIA）（如图2）。在该PSC-LIA中提出了一种相位分段估计方法，仅通过加法和移位便可在一个时钟周期完成相位估计，并构建了新的相位可调方波发生器，将相位调节范围扩充至−π~π 。PSC-LIA相位纠正时间仅0.8ms，纠相误差优于0.04rad，鉴频灵敏度提高了2.97倍。

图2：PSC-LIA系统结构及测试结果

该成果以Optimized Design of Phase Self-Correcting Lock-in Amplifier为题发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。第一作者为中国科学技术大学博士生王争光，通讯作者为殷志珍和宋贺伦。（https://doi.org/10.1109/TIM.2025.3551129）

进展2：原子气室无磁温控技术

针对温控制精度对数密度的影响和加热丝引入的磁噪声，研究团队通过电磁仿真和微纳加工技术，设计并制备了尺寸25mm*25mm、磁噪声系数25pT/mA的电加热丝。其次设计了高性能温控电路，该电路正负30V供电下最高输出功率25W，功率分辨率0.14mw，温度分辨率1.04mk，加热至100℃仅需154秒。为了在不同温度点下均达到较高温控精度，对整个加热保温结构进行系统辨识，分析系统传递函数，优化控制器参数，最终实现温控精度优于0.001°C。

图3 : 从左到右依次为磁场分布云图、加热丝实物图、温控电路、温升曲线、80度温控精度

进展3：核磁共振陀螺仪动力学建模及信号处理系统

核磁共振陀螺仪系统结构复杂、参数多、开发周期长，为了更高效地优化实验参数缩短开发周期，基于simulink构建了NMRG动力学模型（如图4），对横向驱动场的幅值进行优化分析，并对NMRG输出磁矩信号进行时频域分析。基于构建的信号处理单元实现对Xe同位素进动频率的解算以及相位信息的跟随。

图4 : NMRG动力学模型及仿真分析

为实现持续共振，需补偿横向驱动场相位，研究团队提出了一种基于FPGA的级联滤波器改进的相位解算方法（如图5），并创新性提出了时分复用改进的双路滤波器结构，在保证性能的情况下大大节约资源消耗，相较于传统结构资源消耗降低18.2%，最大运行频率提升44.9%，在多种数据场景下均有较好的性能。

图5 : 基于FPGA的级联滤波器改进的相位计算方法

该成果以Lock-In Amplifier With Enhanced Filter Structure for NMR Gyroscope为题发表在IEEE Sensors Journal。第一作者为中国科学技术大学博士生王争光，通讯作者为殷志珍、吴东岷和宋贺伦。

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