CN109239625A - 一种基于频率校准的原子磁强计和测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例中提供了一种基于频率校准的原子磁强计和测量方法，该原子磁强计包括：校准激光产生模块，根据产生的激光束校准直流信号和微波信号，并将校准的直流信号和微波信号进行耦合，驱动激光器产生校准的激光束；测量分析单元，根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，并对其进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。本申请所述技术方案能够在测量过程中存在未知待测磁场方向时，自适应的随之调整测量方向，避免由于测量方向偏差导致的测量结果精度不足的问题，从而提高原子磁强计的测量精度；本申请所述技术方案通过对微波信号和直流信号进行反馈校准，从而锁定激光束的输出频率，提高测量精度。

Description

一种基于频率校准的原子磁强计和测量方法

技术领域

本申请涉及原子磁强测量领域，特别涉及一种基于频率校准的原子磁强计和测量方法。

背景技术

原子磁强计是一种精密的测量磁场强度的仪器，广泛应用于地磁导航、空间磁场测量、地质勘探等多个领域。CPT原子磁强计由于体积小、重量轻、功率低、采样率高等优点，在便携式和手提式磁强计领域内具有广泛的应用前景。

但是，现有原子磁强计存在以下几个问题：

1、现有原子磁强计无法自适应的对晶振输出频率进行校准，导致磁场测量误差交大；

2、当测量过程中未知待测磁场方向时，测量结果会产生很大随机性，导致测量精度不足。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提供了一种基于频率校准的原子磁强计和测量方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种基于频率校准的原子磁强计，该原子磁强计包括：

校准激光产生模块，根据产生的激光束校准直流信号和微波信号，并将校准的直流信号和微波信号进行耦合，驱动激光器产生校准的激光束；

测量分析单元，根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，并对其进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种基于频率校准的原子磁强测量方法，该方法的步骤包括：

S1、利用直流信号和微波信号的耦合信号驱动激光器产生激光束；

S2、基于激光束产生激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，并将激光频偏信号和原子磁共振频偏信号作为反馈信号，分别对直流信号和微波信号进行校准；

S3、重复步骤S1和步骤S2，直至输出的激光束满足预定标准，并将该激光束作为校准后的激光束；

S4、根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，并对其进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

本申请所述技术方案与现有技术相比：

1、本申请所述技术方案能够在测量过程中存在未知待测磁场方向时，自适应的随之调整测量方向，避免由于测量方向偏差导致的测量结果精度不足的问题，从而提高原子磁强计的测量精度；

2、本申请所述技术方案通过对微波信号和直流信号进行反馈校准，从而锁定激光束的输出频率，提高测量精度。

3、由于现有晶振自由运行时的频率准确度为E-7量级，导致磁共振能级谱线间隔测量误差为E-7量级，明显高于CPT磁力计测量分辨率nT量级。本方案通过晶振频率校准，将晶振频率准确度由E-7量级提高到E-11量级，能够改善磁场测量误差指标，提高磁强计性能指标，扩展了磁强计在微弱磁场测量领域的应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本方案所述原子磁强计的示意图；

图2示出本方案所述原子磁强计工作过程的示意图

图3示出本方案所述原子磁强测量方法的示意图。

附图标号

1、压控晶振，2、微波源，3、压控电流源，4、激光器，5、偏振片，6、四分之一波片，7、分光镜，8、参考电子泡，9、第一光电池，10、第一调制解调器，11、第二调制解调器，12、测量原子泡，13、方向修正电路，14、磁场角度传感器，15、第二光电池，16、信号处理器，17、扫频模块。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本方案的核心思路是通过反馈校准的方式对压控晶振1经微波源2倍频后输出的微波信号和压控电流源3输出的直流信号进行校准，从而锁定激光束的输出频率，提高测量精度；同时，在晶振频率校准时，将晶振频率准确度由E-7量级提高到E-11量级，从而降低磁场测量误差，提高磁强计性能指标。进一步的，通过自适应调整测量方向，使之与未知待测磁场方向平行，提高原子磁强计的测量精度。

如图1所示，本方案提供了一种基于频率校准的原子磁强计，该原子磁强计主要包括两大部分，即校准激光产生模块和测量分析单元。校准激光产生模块首先将初始产生的微波信号和直流信号耦合作为驱动信号，驱动激光器4产生激光束，根据产生的激光束生成校准信号，用以校准微波信号和直流信号，再将校准的直流信号和微波信号进行耦合，驱动激光器4产生校准的激光束；通过反馈校准的方式，对微波信号和直流信号进行校准，直至激光束达到预定指标；将满足预定指标的激光束作为待测量的校准后的激光束。测量分析单元会实时根据待测磁场的方向调整测量方向，保证测量方向与待测磁场方向平行；测量并获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱；通过对原子磁共振能级谱进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

本方案中，所述校准激光产生模块包括：压控晶振1、微波源2、压控电流源3、激光器4、光束处理单元和反馈单元。所述压控晶振1的输出端与微波源2的输入端连接；微波源2的输出端和压控电流源3的输出端分别与激光器4的输入端连接；所述光束处理单元设置在激光器4产生的激光束的传播光路上，并将激光束分为第一路激光束和第二路激光束；反馈单元接收第一路激光束，根据对第一路激光束的调制解调获得激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，并将激光频偏信号和原子磁共振频偏信号分别传输至压控电流源3和压控晶振1；由此，压控电流源3可以利用激光频偏信号，对输出的直流信号进行校准；压控晶振1可以利用原子磁共振频偏信号，对晶振的输出频率进行校准，并利用微波源2将晶振输出信号倍频为微波信号。

本方案中，所述光束处理单元包括：依次激光束的光路传输方向设置的偏振片5、四分之一波片6和分光镜7；激光器4发出的激光束经过偏振片5和四分之一波片6的调整后，利用分光镜7将激光束分为相互垂直的第一路激光束和第二路激光束。

本方案中，所述反馈单元包括：参考原子泡、第一光电池9、第一调制解调器10和第二调制解调器11；参考原子泡接收第一路激光束，与其相互作用产生原子吸收谱和原子磁共振能级谱，第一光电池分别对原子吸收谱和原子磁共振能级谱进行光电转换，产生光电流信号；利用第一调制解调器10对所述原子吸收谱对应的光电流信号进行处理，可以获得用于调整压控电流源3的激光频偏信号；利用第二调制解调器11对所述原子磁共振能级谱对应的光电流信号进行处理，可以获得用于调整压控晶振1的原子磁共振频偏信号。本方案通过对微波信号和直流信号进行反馈校准，从而锁定激光束的输出频率，提高测量精度。

本方案中，所述测量分析单元包括：测量单元和分析单元；测量单元能够根据待测磁场方向调整测量方向，始终保持测量方向与待测磁场方向平行，在调整完测量方向后，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱；分析单元对原子磁共振能级谱进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。其中，所述测量单元包括：测量原子泡12、方向修正电路13和磁场角度传感器14；利用磁场角度传感器14测量待测磁场方向与测量原子泡12轴线的角度，方向修正电路13根据该角度，将测量原子泡12的轴线方向调整至与待测磁场方向平行，保持该平行姿态，测量原子泡12与第二路激光束作用，产生原子磁共振能级谱。本方案通过在测量过程中存在未知待测磁场方向时，自适应的随之调整测量方向，避免由于测量方向偏差导致的测量结果精度不足的问题，从而提高原子磁强计的测量精度。进一步的，所述分析单元包括：第二光电池和信号处理器16；第二光电池将测量单元产生的原子磁共振能级谱转换为光电流信号形式的磁共振谱线，经信号处理器16处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

如图3所示，本方案进一步公开了一种基于频率校准的原子磁强测量方法，该方法的步骤为：

首先，利用压控电流源3产生的直流信号和压控晶振1产生的晶振信号经微波源2倍频后生成的微波信号进行耦合，通过耦合信号驱动激光器4产生激光束；

然后，利用参考原子泡与激光束作用，产生原子磁共振能级谱，分别利用第一调制解调器10和第二调制解调器11对原子磁共振能级谱进行调制解调，产生激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，并将激光频偏信号和原子磁共振频偏信号作为反馈信号，分别对直流信号和微波信号进行校准；

通过多次反馈校准，使输出的激光束达到预定的频率；通过反馈校准的方式将输出激光束保持在预定频率，并将该激光束作为校准后的激光束，用于后续测量；

再后，通过磁场角度传感器14测量待测磁场方向与测量原子泡12轴线的角度，利用方向修正电路13将测量原子泡12的方向调整至与待测磁场方向平行，并获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，通过信号处理器16对该原子磁共振能级谱进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

本方案中，利用扫频模块17调整微波源2的输出，使其产生频率扫描的微波信号，便于原子磁强计对激光束的采集和测量。

下面通过一组实施例对本方案作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于频率校准的原子磁强计，该原子磁强计包括：第一调制解调器10、第二调制解调器11、压控电流源3、压控晶振1、信号处理器16、扫频模块17、微波源2、激光器4、偏振片5、四分之一波片6、分光镜7，参考原子泡、测量原子泡12、第一光电池9、第二光电池15、磁场角度传感器14、方向修正电路13等模块。其中：

本实施例中，参考原子泡放置于恒定磁场中，产生稳定的磁共振谱线；测量原子泡12放置于待测空间中，产生的磁共振谱线间隔与待测磁场强度成正比。

本实施例中，激光器4、偏振片5、四分之一波片6、分光镜7、参考原子泡、第一光电池9、第一解调器和压控电流源3相互配合形成用于对激光器4的光频进行锁定的环路。激光器4输出激光束经微波调制后，利用偏振片5变成线偏振光，调整四分之一波片6与偏振片5成45度，可将线偏振光变为圆偏振光；圆偏振光经过分光镜7进行分光，其中一部分激光束通过参考原子泡，产生原子吸收谱，原子吸收谱经第一光电池9变换为电流信号，第一调制解调器10对所述原子吸收谱对应的光电流信号进行相敏解调，得到激光器4输出激光束频偏信息，并反馈控制压控直流源输出的直流信号，锁定激光频率。

本实施例中，激光器4、偏振片5、四分之一波片6、分光镜7、参考原子泡、第一光电池9、第二调制解调器11、压控晶振1和微波源2相互配合形成用于对压控晶振1进行频率校准的环路。激光器4输出激光束经微波调制后，利用偏振片5变成线偏振光，调整四分之一波片6与偏振片5成45度，可将线偏振光变为圆偏振光；圆偏振光经过分光镜7进行分光，其中一部分激光束通过参考原子泡，产生原子磁共振能级谱，原子磁共振能级谱经第一光电池9变换为电流信号，第二调制解调器11对所述原子磁共振能级谱对应的光电流信号进行相敏解调，得到原子磁共振频偏信号，用于反馈校准晶振频率。

本实施例中，由磁场角度传感器14、方向修正电路13和测量原子泡12组成磁场方向测量链路。磁场角度传感器14测量待测磁场方向与测量原子泡12轴线的角度，角度信息输入方向修正电路13，用于修正测量原子泡12方向，使测量原子泡12轴线与测量待测磁场方向平行。

本实施例中，扫频模块17、微波源2、激光器4、偏振片5、四分之一波片6、分光镜7、测量原子泡12、第二光电池15、信号处理器16组成外部磁场测量环路。利用扫频模块17驱动微波源2产生频率扫描的微波信号，频率扫描的微波信号与压控电流源3产生的直流信号耦合，驱动激光器4产生激光束，激光束依次经过偏振片5、四分之一波片6和分光镜7进入测量原子泡12，激光束与测量原子泡12作用，产生原子磁共振能级谱，利用第二光电池15将原子磁共振能级谱转换为电流信号，产生一系列磁共振谱线；信号处理器16对磁共振谱线进行处理，得到磁共振谱线间隔的频差。

如图2所示，本方案所述基于频率校准的原子磁强计工作流程的示意图，所述原子磁强计工作流程步骤如下：

第一步、初始化。调整偏振片5与四分之一波片6的光轴方向成45°；控制激光器4、参考原子泡、测量原子泡12的温度。

第二步、激光锁频。压控电流源3输出锯齿波扫描信号，与微波信号耦合，驱动激光器4输出频率扫描且微波调制的激光束，通过偏振片5变为线偏振光，再经过四分之一波片6将线偏振光变为圆偏振光，经过分光镜7一部分激光通过参考原子泡，产生原子吸收谱。经光电池变换为光电流信号，第一调制解调器10对所述原子吸收谱对应的光电流信号进行相敏解调，得到激光器4产生激光束的频偏信息，并反馈控制直流源，锁定激光频率。

第三步、晶振锁频。压控晶振1输出标准10MHz，通过微波源2的倍频输出3.4G或9.2G的微波信号。通过控制晶振使微波源2输出频率扫描的微波信号，与压控直流源的直流信号耦合，对激光器4产生的激光束进行调制，调制后的激光与参考原子泡作用，得到原子磁共振能级谱，利用第一光电池9将原子磁共振能级谱变换为光电流信号，再利用第二调制解调器11对所述原子磁共振能级谱对应的光电流信号进行相敏解调，得到原子磁共振频偏信号，用于反馈校准压控晶振1频率。利用原子的超精细能级谱，校准晶振，使晶振输出标准10MHz的频率准确度由E-7量级提高到E-11量级。

第四步、测量磁场方向。初始化磁场角度传感器14轴线与测量原子泡12轴线方向一致。磁场角度传感器14可测量待测磁场方向与测量原子泡12轴线的角度，角度信息输入方向修正电路13，方向修正电路13驱动测量原子泡12旋转，以调整测量原子泡12方向，使测量原子泡12轴线与测量待测磁场方向一致。

第五步、扫频测量。扫频模块17控制微波源2的倍频系数产生频率扫描的微波信号，与直流源的直流信号耦合，对激光器4产生的激光束进行调制，调制后的激光，依次经过偏振片5、四分之一波片6和分光镜7，入射至测量原子泡12；激光束与测量原子泡12作用，得到原子磁共振能级谱，经过第二光电池15转换为光电流信号，产生一系列磁共振谱线；信号处理器16对磁共振谱线进行处理，得到磁共振谱线间隔的频差。

本实施例中，通过重复第四步和第五步，进行循环测量。重复第一步、第二步、第三步、第四步和第五步完成一次完整的频率校准循环。校准循环为大循环，测量循环为小循环，每一个大循环内包含很多小循环。测量循环的次数决定了磁强计的采样率。通过大循环与小循环组合，实现两条光路的分时复用，互不干扰。

本实施例中，在扫频测量过程中测得的磁共振能级谱线，当待测磁场方向与测量原子泡12轴线方向一致时，可得到三条谱线；当待测磁场方向与测量原子泡12轴线方向垂直时，可得到四条谱线；当待测磁场方向与测量原子泡12轴线方向为任意角度时，可得到七条谱线。当测量过程中未知待测磁场方向时，测量结果会产生很大随机性，导致测量精度不足。通过采用本方案所述的根据待测磁场方向自适应的调整测量方向的方法，先确定磁场方向，并测量得到磁共振能级的三条谱线，从而提高测量精度。

本方案中增加了对晶振进行频率校准的晶振锁频环路，通过多次循环校准，保证晶振的频率准确度。根据CPT原子磁强计的原理，待测磁场强度与磁共振能级谱线间隔成正比。磁共振能级谱线间隔通过微波源的倍频链路测量，其中倍频系数为待测数字量。磁共振能级谱线间隔等于倍频系数变化量乘以晶振频率。晶振自由运行时的频率准确度为E-7量级，导致磁共振能级谱线间隔测量误差为E-7量级，明显高于CPT磁力计测量分辨率nT量级。通过本方案增加的晶振频率校准方案，能够将晶振频率准确度由E-7量级提高到E-11量级，可改善磁场测量误差指标，提高磁强计性能指标，扩展了磁强计在微弱磁场测量领域的应用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于频率校准的原子磁强计，其特征在于，该原子磁强计包括：

校准激光产生模块，根据产生的激光束校准直流信号和微波信号，并将校准的直流信号和微波信号进行耦合，驱动激光器产生校准的激光束；

测量分析单元，根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，并对其进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

2.根据权利要求1所述的原子磁强计，其特征在于，所述校准激光产生模块包括：压控晶振、微波源、压控电流源、激光器、光束处理单元和反馈单元；

所述微波源和压控电流源的输出端分别与激光器的输入端连接；

所述光束处理单元沿激光束的光路传播方向设置，并将激光束分为第一路激光束和第二路激光束；

反馈单元基于第一路激光束，获得激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，并将激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，分别传输至压控电流源和压控晶振；

压控电流源基于激光频偏信号，对输出的直流信号进行校准；压控晶振基于原子磁共振频偏信号，对输出频率进行校准，并利用微波源将晶振输出信号倍频为微波信号。

3.根据权利要求2所述的原子磁强计，其特征在于，所述光束处理单元包括：依次激光束的光路传输方向设置的偏振片、四分之一波片和分光镜。

4.根据权利要求2所述的原子磁强计，其特征在于，所述反馈单元包括：参考原子泡、第一光电池、第一调制解调器和第二调制解调器；

参考原子泡接收第一路激光束，并产生原子吸收谱和原子磁共振能级谱；第一光电池将原子吸收谱和原子磁共振能级谱分别进行光电转换，产生光电流信号；

第一调制解调器，对所述原子吸收谱对应的光电流信号进行处理，获得激光频偏信号；

第二调制解调器，对所述原子磁共振能级谱对应的光电流信号进行处理，获得原子磁共振频偏信号。

5.根据权利要求2所述的原子磁强计，其特征在于，所述校准激光产生模块还包括：与微波源的输入端连接的扫频模块。

6.根据权利要求2所述的原子磁强计，其特征在于，所述测量分析单元包括：

测量单元，根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱；

分析单元，对原子磁共振能级谱进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

7.根据权利要求6所述的原子磁强计，其特征在于，所述测量单元包括：测量原子泡、方向修正电路和磁场角度传感器；

所述磁场角度传感器测量待测磁场方向与测量原子泡轴线的角度；所述方向修正电路基于所述角度，将测量原子泡的方向调整至与待测磁场方向平行；

所述测量原子泡与第二路激光束作用，产生原子磁共振能级谱。

8.根据权利要求6所述的原子磁强计，其特征在于，所述分析单元包括：

第二光电池，将原子磁共振能级谱转换为光电流信号形式的磁共振谱线；

信号处理器，对磁共振谱线进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

9.一种基于频率校准的原子磁强测量方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

S1、利用直流信号和微波信号的耦合信号驱动激光器产生激光束；

S2、基于激光束产生激光频偏信号和原子磁共振频偏信号，并将激光频偏信号和原子磁共振频偏信号作为反馈信号，分别对直流信号和微波信号进行校准；

S3、重复步骤S1和步骤S2，直至输出的激光束满足预定标准，并将该激光束作为校准后的激光束；

S4、根据待测磁场方向调整测量方向，获取与激光束相对应的原子磁共振能级谱，并对其进行处理，获得磁共振谱线间隔的频差。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：调整微波信号的倍频系数产生频率扫描的微波信号。