CN103823245A - 全向氦光泵磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全向氦光泵磁力仪，由磁传感器和磁力仪主机组成，磁传感器由高频高压激励系统、正交氦灯室泵浦系统、氦吸收室磁场系统组成。它与跟踪式磁力仪主机集成在一起，克服了氦光泵磁传感器死区问题，无须采用正交多磁传感器及带复杂伺服系统克服死区。全向氦光泵磁力仪对于全球高低纬度不同磁倾角下地磁场调查和磁异常探测可提供高效快速的途径。

Description

全向氦光泵磁力仪

技术领域

本发明属于磁探技术领域，具体涉及一种氦光泵磁力仪。 

背景技术

氦光泵磁力仪是探测地球磁场微弱变化的设备。在氦光泵磁力仪中，磁传感器受光泵作用，氦吸收室内氦原子发生核磁共振的现象，通过施加射频场产生外磁场打乱原子定向排列，进而通过计数射频场频率来反应外磁场。然而根据F.D.Colegrove和P.A.Fraken曾对磁传感器中地磁方向与磁场光路的夹角θ对磁共振信号Sθ的关系式进行研究得出：Sθ=Kz(3cos2θ-1)2。式中，Kz是与氦的亚稳态能级对自然光的吸收几率有关的系数。 

从中，可知氦光泵磁传感器存在死区。死区是指特定磁力仪传感器磁光路夹角θ方向，磁传感器产生的磁共振信号Sθ为零。此时磁力仪将无法正常进行磁场测量。死区是光泵磁力仪特有的问题，光泵磁力仪的死区无法消除。 

目前国内外普遍采用通过自定向伺服系统和采用正交多磁传感器的方式以克服磁力仪死区问题。然而以上两种方式中自定向伺服系统复杂庞大，正交多磁传感器也存在着应用背景梯度较大引起转向误差较大的不足。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种全向高精度测量的跟踪式氦光泵磁力仪。 

本发明是采取如下技术方案实现的： 

一种全向氦光泵磁力仪，包括全向氦光泵探头和磁力仪主机，其中全向氦光泵探头主要包括全向磁传感器、高频高压激励系统、射频场施加系统及探头附属电路，高频高压激励系统、射频场施加系统及探头附属电路与全向磁传感器保持一定距离固定安装，磁力仪主机内置有氦光泵磁力仪电路、主板、显控、电源模块、电源开关和电源输入接口，全向氦光泵探头通过电缆与磁力仪主机连接；高频高压激励系统通过高频高压线为全向氦光泵探头提供光泵作用所必需的高频高压激励，在开机瞬间同时高压激励三个氦光泵源即氦灯、氦灯、氦灯以及氦吸收室，氦光泵源发射1083nm波段光波经透镜成平行光，通过圆偏振片变成圆偏振光，在光泵作用下，氦吸收室内氦原子发生定向排列，来自磁力仪主机中磁力仪电路的调制射频场信号，经由全向氦光泵探头中的射频施加系统发送，通过霍姆赫兹线圈对氦吸收室内原子产生射频场对氦原子去取向作用，当氦吸收室内发生取向平衡时，三方向误差信号叠加，并通过光敏器件以调制频率输出误差电信号，全向氦光泵探头的误差信号通过探头附属电路进行初级前置放大，通过电缆将信号输入磁力仪主机内的磁力仪电路中进行多级放大相敏检波，同时提供射频振荡通过射频施加系统和霍姆赫兹线圈对全向磁传感器施加去取向射频场，形 成自动跟踪环路，进而实现磁场跟踪。 

作为优选，所述的氦吸收室在三方向光泵作用下，全向氦光泵探头完成三维正交信号接收，互为弥补各自不佳工作状态的不足。 

作为优选，所述的磁力仪主机中电源模块的输入端通过电源开关与电源输入接口相连接，电源输入接口可以适用铅酸蓄电池组、锂聚合物电池组、机载发电机多种直流电源输入，也可根据实际需要连接220伏交流电源。 

本发明具有的有益效果： 

1、全向氦光泵磁力仪无需采用正交多磁传感器和繁杂的复杂定向伺服系统方案，单磁传感器即可实现全向磁场采集功能，不但大大简化磁传感器的结构，减轻重量，而且在全球任何磁倾角地区，皆能快速开展工作。这一特点将有利于提高氦光泵磁力仪的应用能力，可以快速方便实现地磁的观测和磁异常的探测，对于地质矿产勘查和磁异常目标探测可快速实施。 

2、全向氦光泵磁力仪可安装于任意航空、海洋及地面观测无磁性支架上，使用者可方便地操作设备、探测地磁场缓慢变化和磁异常，并记录于设备内。 

附图说明

图1是氦光泵磁力仪磁传感器与地磁关系示意图； 

图2是全向磁力仪总体结构框图； 

图3是全向磁力仪系统组成示意图； 

图4是全向氦光泵探头正视结构示意图； 

图5是全向氦光泵探头左视结构示意图； 

图6是全向氦光泵探头右视结构示意图； 

附图标记说明：全向氦光泵探头（1）、磁力仪主机（2）、全向磁传感器（3）、高频高压激励系统（4）、射频场施加系统（5）、探头附属电路（6）、磁力仪电路（7）、主板（8）、显控（9）、电源模块（10）、电源开关（11）、电源输入接口（12）、氦灯（13）、氦灯（14）、氦灯（15）、透镜（16）、透镜（17）、透镜(18)、圆偏振片(19)、圆偏振片(20)、圆偏振片(21)、氦吸收室(22)、透镜(23)、透镜(24)、透镜(25)、光敏器件(26)、光敏器件(27)、光敏器件(28)、霍姆赫兹线圈(29)、高频高压线（30）。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明： 

全向氦光泵磁力仪由全向氦光泵探头1、磁力仪主机2两部分组成，总体结构如图2所示：其中全向氦光泵探头1主要包括全向磁传感器3、高频高压激励系统4、射频场施加系统5及探头附属电路6；磁力仪主机2内置有氦光泵磁力仪电路7、主板8、显控9、电源模块 10、电源开关11和电源输入接口12。 

参见图3，由于全向磁传感器3的无磁性材料安装及远离磁性工作器件的要求，高频高压激励系统4、射频场施加系统5及探头附属电路6与全向磁传感器3保持一定距离固定安装，以尽量减小对全向磁传感器3的干扰。全向氦光泵探头1通过电缆与磁力仪主机2连接组成全向氦光泵磁力仪。 

图4、图5和图6分别为全向氦光泵探头1的正视、左视及右侧结构示意图： 

高频高压激励系统4通过高频高压线30为全向氦光泵探头1提供光泵作用所必需的高频高压激励，同时射频施加系统5通过霍姆赫兹线圈29去取向射频场。全向磁传感器3是由三个氦光泵源（氦灯13、氦灯14、氦灯15）与氦吸收室22相互正交组成。全向氦光泵探头1中的高频高压激励系统4为维持正交氦光泵源（氦灯13、氦灯14、氦灯15）与氦吸收室22的正常点燃提供功率输出，同时在开机瞬间高压激励氦灯13、氦灯14、氦灯15和氦吸收室22。氦光泵源氦灯13发射1083nm波段光波经透镜16成平行光，通过圆偏振片19变成圆偏振光，泵浦氦吸收室22。在光泵作用下，氦吸收室22内氦原子发生定向排列。来自磁力仪主机2中磁力仪电路7的调制射频场信号，经由全向氦光泵探头1中的射频施加系统5发送，通过霍姆赫兹线圈29对氦吸收室22内原子产生射频场对氦原子去取向作用。氦吸收室22的透射光通过透镜23聚焦在光敏器件26上。 

氦光泵源氦灯14和氦灯15的工作方式与氦灯13的工作方式相同，同样通过全向氦光泵探头1中的高频高压激励系统4点燃氦灯14和氦灯15，且同时输出高频激励维持氦灯14和氦灯15点燃。氦灯14和氦灯15发射1083nm光波分别经透镜17和透镜18变成平行光，再分别通过圆偏振片20、圆偏振片21变成圆偏振光，实现对氦吸收室22两方向光泵作用。当全向氦光泵探头1中的射频施加系统5通过霍姆赫兹线圈29对氦吸收室22内氦原子去取向。氦吸收室22的透射光通过透镜24、透镜25聚焦在光敏器件26上。 

当霍姆赫兹线圈29施加的射频场令氦吸收室22内发生取向平衡时，以上三方向误差信号叠加，并通过光敏器件26以调制频率输出误差电信号。全向氦光泵探头1的误差信号通过探头附属电路6进行初级前置放大，通过电缆将信号输入磁力仪主机2内的磁力仪电路7中进行多级放大相敏检波，同时提供射频振荡通过射频施加系统5和霍姆赫兹线圈29对全向磁传感器3施加去取向射频场，形成自动跟踪环路，进而实现磁场跟踪。 

磁力仪主机2中主板8对磁力仪电路7输出的射频场频率实现计数、存储等。磁力仪主机2配有显控9。通过显控9的显示屏幕实时显示各被测磁场信息和曲线图形，及传输操作员的指令至主板8实现磁力仪的采样率选择和数据存储的控制。 

磁力仪主机2中电源模块10的输入端通过电源开关11与电源输入接口12相连接。电源 输入接口12可以适用铅酸蓄电池组、锂聚合物电池组、机载发电机等多种直流电源输入，也可根据实际需要连接220伏交流电源。电源模块10分别与主板8、磁力仪电路7相连。 

氦吸收室22在三方向光泵作用下，全向氦光泵探头1完成三维正交信号接收，互为弥补各自不佳工作状态的不足。磁力仪完全能满足全向磁探测功能。本发明光泵磁力仪能实现地面、海洋与航空等不同区域磁探测任务要求。 

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种全向氦光泵磁力仪，其特征在于：该磁力仪包括全向氦光泵探头（1）和磁力仪主机(2)，其中全向氦光泵探头（1）主要包括全向磁传感器（3）、高频高压激励系统（4）、射频场施加系统(5)及探头附属电路(6)，高频高压激励系统（4）、射频场施加系统（5）及探头附属电路（6）与全向磁传感器(3)保持一定距离固定安装，磁力仪主机(2)内置有氦光泵磁力仪电路(7)、主板(8)、显控(9)、电源模块(10)、电源开关(11)和电源输入接口(12)，全向氦光泵探头（1）通过电缆与磁力仪主机（2）连接；高频高压激励系统（4）通过高频高压线（30）为全向氦光泵探头（1）提供光泵作用所必需的高频高压激励，在开机瞬间同时高压激励三个氦光泵源即氦灯（13）、氦灯（14）、氦灯（15）以及氦吸收室（22），氦光泵源发射1083nm波段光波经透镜成平行光，通过圆偏振片变成圆偏振光，在光泵作用下，氦吸收室（22）内氦原子发生定向排列，来自磁力仪主机(2)中磁力仪电路（7）的调制射频场信号，经由全向氦光泵探头（1）中的射频施加系统（5）发送，通过霍姆赫兹线圈（29）对氦吸收室（22）内原子产生射频场对氦原子去取向作用，当氦吸收室(22)内发生取向平衡时，三方向误差信号叠加，并通过光敏器件（26）以调制频率输出误差电信号，全向氦光泵探头（1）的误差信号通过探头附属电路（6）进行初级前置放大，通过电缆将信号输入磁力仪主机（2）内的磁力仪电路（7）中进行多级放大相敏检波，同时提供射频振荡通过射频施加系统（5）和霍姆赫兹线圈（29）对全向磁传感器（3）施加去取向射频场，形成自动跟踪环路，进而实现磁场跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种全向氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的氦吸收室（22）在三方向光泵作用下，全向氦光泵探头（1）完成三维正交信号接收，互为弥补各自不佳工作状态的不足。

3.根据权利要求1所述的一种全向氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的磁力仪主机（2）中电源模块（10）的输入端通过电源开关（11）与电源输入接口（12）相连接，电源输入接口（12）可以适用铅酸蓄电池组、锂聚合物电池组、机载发电机多种直流电源输入，也可根据实际需要连接220伏交流电源。

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