CN103412268B - 一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法，包括两组分别用于地磁场粗补偿与分频调制闭环的三轴正交线圈。单束抽运激光通过加热的碱金属气室后被光电探测器接收，先通过微控制单元（MCU）地磁场粗补偿算法反馈控制三轴线圈抵消地磁场，创造气室中微弱的磁场环境，之后通过分频调制闭环算法，完成对于剩余磁场的精确补偿，最后将两者的反馈量相加，得到外界磁场大小。本发明具有较高的集成度和灵敏度，在无屏蔽环境下能够同时得到三轴磁场矢量信息，在深空探测，矿产资源勘查等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法

技术领域

本发明属于磁探测领域，尤其涉及一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法，可以完成对于三维磁场的矢量测量，具有集成化与高灵敏度的优点，可应用于深空探测，矿产资源勘查等领域。

背景技术

随着科学技术的发展，对于极弱磁场的测量需求使人们对磁强计的大小、灵敏度、热稳定性及功耗提出了越来越高的要求。这其中具有代表性的是超导量子磁强计（SQUID）。它是目前得到大量使用的灵敏度最高的磁强计，但是它造价高昂，同时需要超低温冷却，限制了其能够测量的物质种类。近些年来，以量子力学为代表的近代物理学研究不断深入，对于古老磁现象的本质认识也不断加深，这更加催生了探测极微弱磁场的研究热潮。Princeton大学Romalis小组在这方面做了大量代表性的工作，并首先实现了SERF态，使得原子磁强计的灵敏度有了质的飞跃，赶上甚至超越了SQUID。为了使原子磁强计获得超高灵敏度，就需要使得碱金属气室（磁强计表头）工作于极弱磁场下，一般采取的办法是利用高导磁材料制成磁屏蔽筒，被动屏蔽外界地磁场。但由于磁材料的屏蔽系数无法准确的标定，就限制了其在磁源位于磁强计外部的应用，例如深空探测，矿产资源勘查等领域。Princeton采取的方法是在非屏蔽条件下，首先利用磁通门磁强计控制反馈线圈补偿大的地磁偏置，创造微弱的地磁环境。之后通过Z方向的激光进行抽运，利用X方向的激光进行检测，通过锁相放大器获取在X，Z双方向上引入的调制磁场信号，利用双光束交叉调制对三轴磁场矢量信息进行检测。由于引入了额外的磁通门磁强计，采用了双光束的检测方案，并使用了两个激光器。安装误差，仪器的复杂性等为磁强计的集成化甚至芯片化造成了极大的困难。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法，解决了目前原子磁强计的两个关键技术问题：一是简化了结构，提高了系统的集成度，为小型化创造了条件；二是在非屏蔽环境下，通过地磁场粗补偿算法与分频调制闭环模块使得地磁场的原位找零与之后剩余磁场的精确闭环检测结合到了一起，完成了对于外磁场的自动测量。

本发明的技术方案如下：一种单光束非屏蔽原子磁强计，包括：单束激光10和分频调制闭环算法模块2，所述分频调制闭环算法模块2包括三组独立的单元1、MCU中的地磁场粗补偿算法模块5、地磁场粗补偿线圈8、分频调制闭环线圈9、三组电流源7、光电探测器4和带通滤波器3；所述三组独立的单元1包括函数发生器、锁相放大器和控制器；单束激光10完成对于碱金属原子的抽运与信号的检测，由光电探测器4接收转化成电压信号，输入地磁场粗补偿算法模块5中，地磁场粗补偿算法模块5利用光电探测信号在三轴外磁场下的变化规律，控制三组电流源7，通过依次在地磁场粗补偿线圈8的X，Y，Z三个轴上，每次施加三次磁场比较信号，循环判断磁场的零点位置，让外场迅速收敛到零点，抵消矢量地磁场，使和磁场快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境；在完成对于地磁场的粗补偿后，光电探测器信号经过带通滤波器3输入三组独立的单元1分别完成对于X，Y，Z三轴磁场的精补偿，由函数发生器为锁相放大器提供基准信号并输出调制信号，锁相放大器提取光电探测器4接收信号中对应的调制频率幅值信息，经由控制器产生控制信号并与调制信号叠加后，驱动分频调制闭环线圈9，完成对于剩余微弱磁场的精确补偿；将电流源的输出与控制器的对应三轴输出经比例换算后相加，得到最终的外界矢量磁场值。

所述MCU中的地磁场粗补偿算法模块5具体实现过程如下：

（1）确定X、Y和Z三轴补偿磁场初值分别为B_x，B_y，B_z，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z。通过调整对应轴电流源7电流，驱动地磁场粗补偿线圈8控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时光电探测器4输出PD₀，之后固定Y，Z轴磁场输出不变，改变X轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时光电探测器4输出PD-，再改变X轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时光电探测器4输出PD+；根据X轴规律，若PD-<PD₀>PD+，说明和磁场的零点即光强的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x=ΔB_x/2；若PD-<PD₀<PD+，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令X方向输出B_x=B_x+ΔB_x；同样若PD->PD₀>PD+，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x=B_x-ΔB_x；若PD->PD₀<PD+，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x=2ΔB_x，输出B_x保持不变；

（2）类似的，对Y轴依次输出三个磁场B_y-ΔB_y，B_y，B_y+ΔB_y，对接收光强信号进行比较，依照上面方法寻找光强的最大值点；

（3）对于Z轴，情况恰好相反，是寻找光强的最小值点，判断依据变为：若PD->PD₀<PD+，磁场的零点在[B_z-ΔB_z，B_z+ΔB_z]之间，输出B_z保持不变，搜索范围减小一半，变为ΔB_z=ΔB_z/2；若PD-<PD₀<PD+，零点在B_z-ΔB_z左侧，步长保持不变，输出B_z=B_z-ΔB_z；若PD->PD₀>PD+，零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，而B_z=B_z+ΔB_z；若PD-<PD₀>PD+，则无法判断零点位置，需扩大步长为ΔB_z=2ΔB_z，输出B_z保持不变；

（4）经过多次循环，地磁场粗补偿线圈8输出的磁场B_x，B_y，B_z大小将逐渐逼近三轴地磁场，而方向相反，使和磁场智能收敛到零，完成对于地磁场的粗补偿，为气室创造了一个微弱的磁场环境。

利用磁强计进行矢量磁场检测方法，实现步骤如下：

（1）首先，光电探测器信号输入地磁场粗补偿算法模块5中，通过地磁场粗补偿算法模块（5）控制三组电流源7，驱动地磁场粗补偿线圈8产生补偿磁场，抵消矢量地磁场，使和磁场快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境，大幅提高磁强计的灵敏度；

（2）在完成对于地磁场的粗补偿后，利用分频调制闭环算法模块2中三组独立的单元1分别完成对于X，Y，Z三轴磁场的精补偿，由函数发生器产生调制信号，在分频调制闭环线圈9三轴上加入不同频率的正弦调制，并给锁相放大器提供锁频提供基准信号；利用锁相放大器，提取光电探测器4接收信号中对应轴调制频率的幅值信息，输入控制器，产生闭环控制信号并与函数发生器产生的调制信号叠加后驱动调制闭环线圈9，完成对于剩余微弱磁场偏置的精确补偿；

（3）将步骤（1）中电流源的输出与步骤（2）中控制器的对应三轴输出经比例折算后统一为相应磁场大小并相加，得到最终的外界矢量磁场值。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明简化了结构，提高了系统的集成度，为小型化创造了条件；且在非屏蔽环境下，通过地磁场粗补偿算法与分频调制闭环算法模块使得地磁场的原位找零与之后剩余磁场的精确闭环检测结合到了一起，完成了对于外磁场的自动测量。

附图说明

图1为本发明的单光束非屏蔽原子磁强计示意图；

图2为本发明地磁场粗补偿算法模块流程图；

图3为本发明光电探测器输出与和磁场的关系，其中左图为另两轴磁场不变时，光电探测器输出与X或Y轴磁场的变化规律；右图为另两轴磁场不变时，光电探测器输出与Z轴磁场的变化规律。

具体实施方式

如图1所示，本发明单光束非屏蔽原子磁强计包括：单束激光10和分频调制闭环算法模块2，所述分频调制闭环算法模块2包括三组独立的单元1、MCU中的地磁场粗补偿算法模块（5）、地磁场粗补偿线圈8、分频调制闭环线圈9、三组电流源7、光电探测器4和带通滤波器3；所述三组独立的单元1包括函数发生器、锁相放大器和控制器。

本发明原理：单束激光对加热的碱金属气室中的原子抽运后被光电探测器接收，碱金属原子在磁场中的运动可以用Block方程进行描述，其Z方向极化率P_z的稳态解形式为：

$P_z=P_0\frac{{{\mathrm{\&Sigma;B}}_z}^2+{(R_{\mathrm{tot}}/\mathrm{\&gamma;})}^2}{{{\mathrm{\&Sigma;B}}_x}^2+{{\mathrm{\&Sigma;B}}_y}^2+{{\mathrm{\&Sigma;B}}_z}^2+{(R_{\mathrm{tot}}/\mathrm{\&gamma;})}^2}---\left(1\right)$

其中，P₀为沿激光方向的等效极化率；ΣB_x，ΣB_y与ΣB_z分别为三轴和磁场大小；R_tot为碱金属原子抽运率R_op和弛豫率R_rel之和；γ为旋磁比。

而在光学深度OD远小于1的情况下，光电探测器的接收到的输出PD可近似用下式表示：

PD≈PD_k(1-e^-OD)·P_z+PD₀·e^-OD＝k·P_z+C₀    (2)

其中，PD_k为远失谐情况下光电探测器的输出，PD₀为分离偏置，OD为光学深度，无量纲，k为比例系数，C₀为附加偏置。可以看到光电探测器接受的抽运光输出与原子极化率呈线性关系，携带了三轴磁场信息。

对于矢量磁场的检测可分为以下三个步骤：

（1）首先，光电探测器信号输入MCU中，通过地磁场粗补偿算法，控制三组电流源，驱动地磁场粗补偿线圈产生补偿磁场，抵消矢量地磁场，使和磁场快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境，大幅提高磁强计的灵敏度；

（2）在完成对于地磁场的粗补偿后，在分频调制闭环线圈三轴上加入不同频率的正弦调制，光电探测器接收信号经过带通滤波器，利用分频调制闭环算法，提取对应轴调制频率的幅值信息，输入控制器，产生闭环信号并与调制信号叠加后驱动调制闭环线圈，完成对于剩余微弱磁场偏置的精确补偿；

（3）将步骤（1）中电流源的输出与步骤（2）中控制器的对应三轴输出经比例折算后统一为相应磁场大小并相加，得到最终的外界矢量磁场值。

结合公式（1）（2）可以看到，当X，Y方向磁场减小到零时，光电探测器信号（正比于Z轴原子极化率）将达到最大，Z方向磁场减小到零时，光电探测器信号达到最小。

由此可设计地磁场粗补偿算法：

（1）首先确定补偿磁场初值B_x，B_y，B_z，并设定磁场变化步长ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z。利用MCU，通过调整对应轴电流源电流，驱动地磁场粗补偿线圈，控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时光电探测器输出PD₀，之后固定Y，Z轴磁场输出不变，改变X轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时光电探测器输出PD-，再改变X轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时光电探测器输出PD+。根据X轴规律，若PD-<PD₀>PD+，说明和磁场的零点（光强的最大值点）就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x=ΔB_x/2；若PD-<PD₀<PD+，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令X方向输出B_x=B_x+ΔB_x；同样若PD->PD₀>PD+，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x=B_x-ΔB_x；若PD->PD₀<PD+，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x=2ΔB_x，输出B_x保持不变。

（2）类似的，对Y轴依次输出三个磁场B_y-ΔB_y，B_y，B_y+ΔB_y，对接收光强信号进行比较，依照上面方法寻找光强的最大值点。

（3）对于Z轴，情况恰好相反，是寻找光强的最小值点，判断依据变为：若PD->PD₀<PD+，磁场的零点在[B_z-ΔB_z，B_z+ΔB_z]之间，输出B_z保持不变，搜索范围减小一半，变为ΔB_z=ΔB_z/2；若PD-<PD₀<PD+，零点在B_z-ΔB_z左侧，步长保持不变，输出B_z=B_z-ΔB_z；若PD->PD₀>PD+，零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，而B_z=B_z+ΔB_z；若PD-<PD₀>PD+，则无法判断零点位置，需扩大步长为ΔB_z=2ΔB_z，输出B_z保持不变。

（4）这样经过多次循环，地磁场粗补偿线圈输出的磁场B_x，B_y，B_z大小将逐渐逼近三轴地磁场，而方向相反，使和磁场智能收敛到零，完成对于地磁场的粗补偿，为气室创造了一个微弱的磁场环境。

之后应用分频调制闭环算法模块，通过三组独立电流源，使分频调制闭环线圈三轴上产生三组不同频率的微弱调制正弦磁场，设对应频率与幅值分别为ω_x，ω_y，ω_z；调制磁场写作和而经过地磁场粗补偿后，外界剩磁大小设为：代入公式（1），并经小量展开，Z方向极化率P_z为：

$\begin{array}{c}{P}_z=P_0\frac{B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}{B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}-2P_0{B}_x^m\frac{B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_x^l\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{x}t\right)\\ -2P_0{B}_y^m\frac{B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_y^l\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{y}t\right)+2P_0{B}_z^m\frac{B_x^{l2}+B_y^{l2}}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_z^l\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{z}t\right)\end{array}---\left(3\right)$

其中ΔB=R_tot/γ，利用锁相放大器，提取对应调制信号的幅值（在输入锁相放大器前为提高信噪比，先通过带通滤波器），其三通道输出Lockin_x，Lockin_y与Lockin_z正比于：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{Lockin}}_x\\ {\mathrm{Lockin}}_y\\ {\mathrm{Lockin}}_z\end{array}\right]\&Proportional;\left[\begin{array}{c}-2B_x^m\frac{B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_x^l\\ -2B_y^m\frac{B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_y^l\\ {2B}_z^m\frac{B_x^{l2}+B_y^{l2}}{{(B_x^{l2}+B_y^{l2}+B_z^{l2}+{\mathrm{\&Delta;B}}^2)}^2}\&CenterDot;B_z^l\end{array}\right]---\left(4\right)$

可以看到，三轴输出与三方向剩磁成正比，当剩磁为零时，锁相放大器输出为零。此过零信号作为控制器的输入，将磁场最终精确锁定到零点。具体实现采用三组独立的调制闭环单元，每组包括函数发生器，为电流源及线圈提供调制正弦信号，并为锁相放大器提供锁频参考信号；锁相放大器则提取对应轴调制信号频率的幅值信息，转化为过零的控制信号输出给控制器；控制器输出闭环控制信号，与函数发生器提供的调制信号相加后提供给电流源，驱动分频调制闭环线圈产生调制+补偿磁场，最终将磁场精确补偿到零点。

稳态后，地磁场粗补偿电流源输出正比于补偿掉的地磁偏置大小，而分频调制闭环中控制器的反馈输出就正比于剩磁大小。将两者换算统一后叠加，通过显示系统就可得到三轴矢量磁场大小。

下面结合具体实施例进行再进行详细说明。

单束激光同时完成抽运和检测功能，对加热的碱金属气室中的原子进行抽运后被光电探测器接收。

首先，利用地磁场粗补偿算法模块对地磁场进行粗补偿，使之快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境，提高磁强计检测灵敏度。如图3所示，由于当X，Y方向磁场减小到零时，光电探测器信号（正比于Z轴原子极化率）将达到最大，而当Z方向磁场减小到零时，光电探测器信号达到最小。依照此规律对地磁场进行补偿，如图2所示：

（1）利用MCU，通过调整对应轴电流源电流，驱动地磁场粗补偿线圈，控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z。为提高收敛速度，可根据外磁场大小确定磁场初值，例如针对地磁场，若X，Y，Z三向分表代表东，天，南，则给定初值B_x=17000nT，B_y=34000nT，B_z=28000nT。磁场变化步长初值定为ΔB_x=2000nT，ΔB_y=2000nT，ΔB_z=3000nT。记录此时光电探测器输出PD₀，之后固定Y，Z轴磁场输出不变，改变X轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时光电探测器输出PD-，再改变X轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时光电探测器输出PD+。根据X轴规律，若PD-<PD₀>PD+，说明和磁场的零点（光强的最大值点）就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x=ΔB_x/2；若PD-<PD₀<PD+，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令X方向输出B_x=B_x+ΔB_x；同样若PD->PD₀>PD+，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x=B_x-ΔB_x；若PD->PD₀<PD+，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x=2ΔB_x，输出B_x保持不变。

（2）类似的，对Y轴依次输出三个磁场B_y-ΔB_y，B_y，B_y+ΔB_y，对接收光强信号进行比较，依照上面方法寻找光强的最大值点。

（3）对于Z轴，情况恰好相反，是寻找光强的最小值点，判断依据变为：若PD->PD₀<PD+，磁场的零点在[B_z-ΔB_z，B_z+ΔB_z]之间，输出B_z保持不变，搜索范围减小一半，变为ΔB_z=ΔB_z/2；若PD-<PD₀<PD+，零点在B_z-ΔB_z左侧，步长保持不变，输出B_z=B_z-ΔB_z；若PD->PD₀>PD+，零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，而B_z=B_z+ΔB_z；若PD-<PD₀>PD+，则无法判断零点位置，需扩大步长为ΔB_z=2ΔB_z，输出B_z保持不变。

（4）这样经过多次循环，100次已足够，粗补偿线圈输出的磁场B_x，B_y，B_z大小将收敛于三轴地磁场，而方向相反，使和磁场智能收敛到零，完成对于地磁场的粗补偿，为气室创造了一个微弱的磁场环境。

经粗补偿后，外界剩磁一般小于300nT。之后应用分频调制闭环算法，采用三组独立的调制闭环单元，每组包括函数发生器，为分频调制闭环线圈提供调制正弦信号，并为锁相放大器提供锁频参考信号；锁相放大器则提取对应轴调制信号频率的幅值信息，转化为过零的控制信号输出给控制器；控制器输出闭环控制信号，与函数发生器提供的调制信号相加后提供给电流源，驱动分频调制闭环线圈产生调制+补偿磁场，最终将磁场精确补偿到零点。具体实现是利用函数发生器并通过三组独立电流源，使分频调制闭环线圈三轴上产生三组不同频率的微弱调制正弦磁场，采用的调制频率与幅值分别为ω_x=200Hz，ω_y=500Hz，ω_z=700Hz；以避开工频噪声的干扰并满足小量条件。利用锁相放大器，提取光电探测器信号中对应调制信号的幅值，在输入锁相放大器前为提高信噪比，先通过带通滤波器，例如巴特沃斯型模拟滤波器，通带频率10Hz至1.5kHz。锁相放大器三轴输出与三方向剩磁成正比，当剩磁为零时，锁相放大器输出为零。此过零信号作为控制器的输入，将磁场最终精确锁定到零点。

稳态后，地磁场粗补偿电流源输出正比于补偿掉的地磁偏置大小，而分频调制闭环中控制器的反馈输出就正比于剩磁大小。将两者换算统一后叠加，通过显示系统就可得到三轴矢量磁场大小。

总之，本发明具有高的集成度和灵敏度，在无屏蔽环境下能够同时得到三轴磁场矢量信息，在深空探测，矿产资源勘查等领域有着广泛的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种单光束非屏蔽原子磁强计，其特征在于包括：单束激光（10）和分频调制闭环算法模块（2），所述分频调制闭环算法模块（2）包括三组独立的单元（1）、MCU中的地磁场粗补偿算法模块（5）、地磁场粗补偿线圈（8）、分频调制闭环线圈（9）、三组电流源（7）、光电探测器（4）和带通滤波器（3）；所述三组独立的单元（1）包括函数发生器、锁相放大器和控制器；单束激光（10）完成对于碱金属原子的抽运与信号的检测，由光电探测器（4）接收转化成电压信号，输入地磁场粗补偿算法模块（5）中，地磁场粗补偿算法模块（5）利用光电探测信号在三轴外磁场下的变化规律，控制三组电流源（7），通过依次在地磁场粗补偿线圈（8）的X，Y，Z三个轴上，每次施加三次磁场比较信号，循环判断磁场的零点位置，让外场迅速收敛到零点，抵消矢量地磁场，使和磁场快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境；在完成对于地磁场的粗补偿后，光电探测器信号经过带通滤波器（3）输入三组独立的单元（1）分别完成对于X，Y，Z三轴磁场的精补偿，由函数发生器为锁相放大器提供参考信号并输出调制信号，锁相放大器提取光电探测器（4）接收信号中对应的调制频率幅值信息，经由控制器产生控制信号并与调制信号叠加后，驱动分频调制闭环线圈（9），完成对于剩余微弱磁场的精确补偿；将控制器的对应三轴输出经比例换算后与电流源的输出相加，得到最终的外界矢量磁场值。

2.根据权利要求1所述的单光束非屏蔽原子磁强计，其特征在于：所述地磁场粗补偿算法模块（5）具体实现过程如下：

（A）确定X、Y和Z三轴补偿磁场初值分别为B_x，B_y，B_z，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z，通过调整对应轴的电流源（7）电流，驱动地磁场粗补偿线圈（8）控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时光电探测器（4）输出PD₀，之后固定Y，Z轴磁场输出不变，改变X轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时光电探测器（4）输出PD-，再改变X轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时光电探测器（4）输出PD+；根据X轴规律，若PD-<PD₀>PD+，说明和磁场的零点即光强的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x=ΔB_x/2；若PD-<PD₀<PD+，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令X方向输出B_x=B_x+ΔB_x；同样若PD->PD₀>PD+，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x=B_x-ΔB_x；若PD->PD₀<PD+，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x=2ΔB_x，输出B_x保持不变；

（B）类似的，对Y轴依次输出三个磁场B_y-ΔB_y，B_y，B_y+ΔB_y，对接收光强信号进行比较，依照上面方法寻找光强的最大值点；

（C）对于Z轴，情况恰好相反，是寻找光强的最小值点，判断依据变为：若PD->PD₀<PD+，磁场的零点在[B_z-ΔB_z，B_z+ΔB_z]之间，输出B_z保持不变，搜索范围减小一半，变为ΔB_z=ΔB_z/2；若PD-<PD₀<PD+，零点在B_z-ΔB_z左侧，步长保持不变，输出B_z=B_z-ΔB_z；若PD->PD₀>PD+，零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，而B_z=B_z+ΔB_z；若PD-<PD₀>PD+，则无法判断零点位置，需扩大步长为ΔB_z=2ΔB_z，输出B_z保持不变；

（D）经过多次循环，地磁场粗补偿线圈（8）输出的磁场B_x，B_y，B_z大小将逐渐逼近三轴地磁场，而方向相反，使和磁场智能收敛到零，完成对于地磁场的粗补偿，为气室创造了一个微弱的磁场环境。

3.利用权利要求1中所述的磁强计进行矢量磁场检测方法，其特征在于步骤如下：

（1）首先，光电探测器信号输入地磁场粗补偿算法模块（5）中，通过地磁场粗补偿算法模块（5）控制三组电流源（7），驱动地磁场粗补偿线圈（8）产生补偿磁场，抵消矢量地磁场，使和磁场快速收敛到零，为碱金属气室创造微弱磁场环境，大幅提高磁强计的灵敏度；

（2）在完成对于地磁场的粗补偿后，利用分频调制闭环算法模块（2）中三组独立的单元（1）分别完成对于X，Y，Z三轴磁场的精补偿，由函数发生器产生调制信号，在分频调制闭环线圈（9）三轴上加入不同频率的正弦调制，并给锁相放大器提供锁频参考信号；利用锁相放大器，提取光电探测器（4）接收信号中对应轴调制频率的幅值信息，输入控制器，产生闭环控制信号并与函数发生器产生的调制信号叠加后驱动分频调制闭环线圈（9），完成对于剩余微弱磁场偏置的精确补偿；

（3）将步骤（2）中控制器的对应三轴输出经比例折算后统一为相应磁场大小后与步骤（1）中电流源的输出进行相加，得到最终的外界矢量磁场值。