CN109358302B - 一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括原子蒸气泡，原子蒸气泡上设置有测磁传感器，原子蒸气泡位于三维亥姆霍兹线圈单元的中心，还包括半导体激光器、1/2波片、偏振分束器、激光稳频模块、锁相放大器、声光调制器、沃拉斯顿棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器，计算机与第一数据采集卡连接，第一数据采集卡与压控电流源模块连接，压控电流源模块与三维亥姆霍兹线圈单元连接，计算机与第二数据采集卡连接，第二数据采集卡与放大电路模块连接，放大电路模块与测磁传感器连接。本发明还公开了一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法。本发明用于地磁测量的问题，同时也解决了原子磁力计小型化和功耗的问题。

Description

一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法

技术领域

本发明属于原子分子物理领域，具体涉及一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，还涉及一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，适用于地磁测量，深空测磁，磁异常测量等相关领域研究。

背景技术

原子磁力计的基本原理是通过测量原子的极化矢量在外磁场中的拉莫尔进动频率来获得磁场大小，它是一种高灵敏度的测磁工具，迄今，在文献“Ultrahigh sensitivitymagnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer”[Appl.Phys.Lett.97,151110(2010)]报道实验演示达到的最高灵敏度为0.16fT/Hz^1/2，但它的原子蒸气泡需要在高温(大于473K)与近零场(小于10nT)环境才能有效工作。通常地，利用多层坡莫合金等材料来屏蔽外界环境中的磁场。坡莫合金制作的被动磁屏蔽筒，在原理上，使得原子测力计无法探测屏蔽筒外的磁场，限制了其在地磁场、深空中磁场、水下异磁的探测等领域的应用，而在体积、重量、结构上，限制了其在卫星、无人机、以及小载荷飞行器等上的应用。如今，常用光泵磁力计与磁通门磁力计对地磁、深空磁场、异磁等进行测量，但它们的灵敏度比原子磁力计灵敏度低4～6个数量级，这就极大限制了它们的磁场探测距离。因此，现在需要发展一种无被动磁屏蔽高灵敏度的原子磁力计装置。

近几年已经发展了一些无被动磁屏蔽原子磁力计装置。例如，Cameron Dean等人在“Sub-picotesla widely-tunable atomic magnetometer operating at room-temperature inunshielded environments”[arXiv:1804.05124v1]文章中提出首先利用商用磁通门磁力计与PID控制器补偿背景磁场，使得原子蒸气泡处磁场值达到近零场，然后利用铷原子蒸气泡测量磁场值。Lin Lu等人在“Chip-scale SERF atomic magnetometerwithout magnetic shield”[2017IEEE 67th]文章中提出首先利用磁场调制方法补偿背景磁场，然后利用铷原子蒸气泡测量磁场值。

尽管目前这类无被动磁屏蔽原子磁力计装置能够解决应用方面的一些问题，但是它们还是具有一定的局限性。例如，在Cameron Dean等人的工作中，由于商用磁通门磁力计探头尺寸(32×32×122mm³)过大，这就要求其方形匀场线圈边长为1200mm，该线圈尺寸过大不易携载。在Lin Lu等人文章中提及的装置，原子蒸气泡需要加热到约443K，这极大增加装置的功耗。因此，发展新的技术与方法仍然是亟待解决的问题，本发明将针对此问题，提供一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，还提供一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，解决了原子磁力计用于地磁测量的问题，同时也解决了原子磁力计小型化和功耗的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括原子蒸气泡，原子蒸气泡上设置有测磁传感器，原子蒸气泡位于三维亥姆霍兹线圈单元的中心，半导体激光器的出射光经1/2波片后由偏振分束器分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块中，激光稳频模块与半导体激光器连接，锁相放大器与声光调制器连接，透射光依次经过声光调制器、原子蒸气泡后由沃拉斯顿棱镜分为两束并分别由第一光电探测器和第二光电探测器进行检测，第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号经差分放大器差分放大后输入到锁相放大器，锁相放大器与计算机连接，计算机的第一PCI插槽与第一数据采集卡连接，第一数据采集卡与压控电流源模块连接，压控电流源模块与三维亥姆霍兹线圈单元连接，计算机的第二PCI插槽与第二数据采集卡连接，第二数据采集卡与放大电路模块连接，放大电路模块与测磁传感器连接。

如上所述的三维亥姆霍兹线圈单元包括X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈均为共中心轴线的一对线圈，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈中心轴线相互垂直，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈共中心点，原子蒸气泡位于中心点处。

一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集卡输出线性变化的输入电压V_Z，输入电压V_Z经过压控电流源模块作用于Z轴亥姆霍兹线圈，第二数据采集卡获取测磁传感器测量的Z方向磁场值B_Z，通过线性拟合，得到Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z满足B_Z＝k_Z×V_Z+b_Z关系，k_Z与b_Z分别表示Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡输出线性变化的输入电压V_Y，输入电压V_Y经过压控电流源模块作用于Y轴亥姆霍兹线圈，第二数据采集卡获取测磁传感器测量的Y方向磁场值B_Y，通过线性拟合，得到Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y满足B_Y＝k_Y×V_Y+b_Y关系，k_Y与b_Y分别表示Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡输出线性变化的输入电压V_X，输入电压V_X经过压控电流源模块作用于X轴亥姆霍兹线圈，第二数据采集卡获取测磁传感器测量的X方向磁场值B_X，通过线性拟合，得到X方向磁场值B_X与输入电压V_X满足B_X＝k_X×V_X+b_X关系，k_X与b_X分别表示X方向磁场值B_X与输入电压V_X拟合的斜率与截距；

步骤2、对Z方向磁场、Y方向磁场、X方向磁场进行主动补偿，具体包括：

步骤2.1、初始X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈不加载电流；

步骤2.2、测磁传感器测量并获得Z方向磁场B_j，

步骤2.3、依据

求取Z方向加载电压V_j，第一数据采集卡输出Z方向加载电压V_j，Z方向加载电压V_j经过压控电流源模块作用于Z轴亥姆霍兹线圈，j为Z方向磁场的迭代次数；

步骤2.4、测磁传感器再次测量并获得Z方向磁场B_j+1，若Z方向磁场B_j+1的绝对值大于20nT，则j增加1，跳转到步骤2.3，否则Z方向加载电压V_j即为Z方向补偿电压，进行步骤2.5；

步骤2.5、测磁传感器测量并获得Y方向磁场B_n，

步骤2.6、依据

求取Y方向加载电压V_n，第一数据采集卡输出Y方向加载电压V_n，Y方向加载电压V_n经过压控电流源模块作用于Y轴亥姆霍兹线圈，n为Y方向磁场的迭代次数；

步骤2.7、测磁传感器再次测量并获得Y方向磁场B_n+1，若Y方向磁场B_n+1的绝对值大于20nT，则n增加1，跳转到步骤2.6，否则Y方向加载电压V_n即为Y方向补偿电压，进行步骤2.8；

步骤2.8、测磁传感器测量并获得X方向磁场B_m，

步骤2.9、依据

求取X方向加载电压V_m，第一数据采集卡输出X方向加载电压V_m，X方向加载电压V_m经过压控电流源模块作用于X轴亥姆霍兹线圈，m为X方向磁场的迭代次数；

步骤2.10、测磁传感器再次测量并获得X方向磁场B_m+1，若X方向磁场B_,+1的绝对值大于20nT，则m增加1，跳转到步骤2.9，否则X方向加载电压V_,即为X方向补偿电压，进行步骤3；

步骤3、半导体激光器的出射光经1/2波片后由偏振分束器分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块中，激光稳频模块通过反射光对半导体激光器的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器输出调制频率信号到声光调制器，声光调制器根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器调制后沿X轴亥姆霍兹线圈的中心轴线穿过原子蒸气泡后由沃拉斯顿棱镜分为两束并分别由第一光电探测器和第二光电探测器差分放大器进行检测，第一光电探测器和第二光电探测器的输出的检测信号经差分放大器获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器。锁相放大器根据调制频率信号和差分放大器输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁。

步骤4、电信号采集单元得到的磁场值B₀与光信号检测单元得到的磁场值B₁相加，得到外界环境中X方向磁场值B＝B₀+B₁。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明利用基于牛顿迭代原理的匀场算法对磁场进行补偿，使得原子蒸气泡处磁场值达到近零场，最后利用原子蒸气泡测量磁场值，该方法测得地磁场等于补偿磁场值加上原子蒸气泡测量磁场值。由于测磁传感器尺寸为7.4×7.4×2.8mm³，原子蒸气泡尺寸为25×25×25mm³，提供该区域均匀补偿磁场(均匀度10^-3)，线圈边长仅需300mm，该方法解决原子磁力计小型化的问题。无被动磁屏蔽原子磁力计装置利用单束光，同时原子蒸气泡在室温环境工作，该方法解决了原子磁力计功耗的问题。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明总体结构中的第一支撑台的俯视图

图3是本发明总体结构中的第一支撑台的主视图

图4是本发明总体结构中的第一支撑台的仰视图

图1中：1、半导体激光器；2、1/2波片；3、偏振分束器；4、声光调制器；5、X轴亥姆霍兹线圈；6、Y轴亥姆霍兹线圈；7、Z轴亥姆霍兹线圈；8、第一支撑台；9、测磁传感器；10、原子蒸气泡；11、沃拉斯顿棱镜；12、第一光电探测器；13、第二光电探测器；14、差分放大器；15、锁相放大器；16、激光稳频模块；17、支撑板；18、第二支撑台；19、第一信号线；20、X轴线圈电流传输线；21、Y轴线圈电流传输线；22、Z轴线圈电流传输线；23、压控电流源模块；24、放大电路模块；25、电压传输线；26、第二信号线；27、第一数据采集卡；28、第二数据采集卡；29、第一PCI插槽；30、第二PCI插槽；31、计算机。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括支撑单元、电信号采集单元、反馈单元、三维亥姆霍兹线圈单元、光路单元和光信号检测单元。

支撑单元包括用于放置原子蒸气泡10的第一支撑台8，还包括用于固定与支撑三维亥姆霍兹线圈单元的支撑板17，支撑板17的尺寸为450×450×5mm³，还包括用于固定支撑板17的第二支撑台18，第二支撑台18为高度60mm、直径220mm的圆盘。第一支撑台8通过底部螺纹与支撑板17紧密连接，支撑板17与第二支撑台18通过特氟龙螺钉紧密连接。

电信号采集单元包括用于测量背景磁场并产生背景磁场信号的测磁传感器9，还包括用于将测磁传感器9产生的背景磁场信号传输到放大电路模块24的第一信号线19，还包括用于对背景磁场信号进行信号放大并产生背景磁场放大信号的放大电路模块24，还包括用于将放大电路模块24产生的背景磁场放大信号传输到第二数据采集卡28的第二信号线26，还包括用于对背景磁场放大信号进行数据采集的第二数据采集卡28。

反馈单元包括用于输出三维亥姆霍兹线圈控制电压的第一数据采集卡27，还包括用于将三维亥姆霍兹线圈控制电压传输到压控电流源模块23的电压传输线25，还包括用于将三维亥姆霍兹线圈控制电压转换为三维亥姆霍兹线圈控制电流的压控电流源模块23，还包括用于将三维亥姆霍兹线圈控制电流传输给X轴亥姆霍兹线圈5、Y轴亥姆霍兹线圈6、Z轴亥姆霍兹线圈7的X轴线圈电流传输线20、Y轴线圈电流传输线21、Z轴线圈电流传输线22。

三维亥姆霍兹线圈单元包括X轴亥姆霍兹线圈5、Y轴亥姆霍兹线圈6、Z轴亥姆霍兹线圈7。X轴亥姆霍兹线圈5、Y轴亥姆霍兹线圈6、Z轴亥姆霍兹线圈7均为共中心轴线的一对线圈，三个亥姆霍兹线圈中心点重合，三个亥姆霍兹线圈(5、6、7)的中心轴线相互垂直，线圈边长相等。三个亥姆霍兹线圈(5、6、7)之间通过亚克力塑料支架与塑料螺钉进行固定。测磁传感器9尺寸为7.4×7.4×2.8mm³，原子蒸气泡10尺寸为25×25×25mm³，提供该区域均匀补偿磁场(均匀度10^-3)，线圈边长仅需300mm即可，本实施例中，线圈边长L为400mm，线圈间距D为218mm。

光路单元包括发射激光的半导体激光器1，还包括用于改变线偏光偏转角的1/2波片2、还包括用于垂直分光的偏振分束器3，还包括用于激光稳频的激光稳频模块16，还包括用于光强调制的声光调制器4，还包括用于小角度分光的沃拉斯顿棱镜11。

光信号检测单元包括用于探测磁场的原子蒸气泡10，还包括用于光强探测的第一光电探测器12和第二光电探测器13，还包括用于信号放大的差分放大器14，还包括用于信号解调的锁相放大器15。

半导体激光器1的出射光经1/2波片2后由偏振分束器3分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块16中，激光稳频模块16通过反射光对半导体激光器1的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器15输出调制频率信号到声光调制器4，声光调制器4根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器4调制后沿X轴亥姆霍兹线圈5的中心轴线穿过原子蒸气泡10后由沃拉斯顿棱镜11分为两束并分别由第一光电探测器12和第二光电探测器差分放大器14进行检测，第一光电探测器12和第二光电探测器13的输出的检测信号经差分放大器14获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器15。锁相放大器15根据调制频率信号和差分放大器14输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁。

一种无被动磁屏蔽原子磁力计的测磁方法，包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集卡27输出-2V至+2V的线性变化的输入电压V_Z，输入电压V_Z经过压控电流源模块23作用于Z轴亥姆霍兹线圈7，第二数据采集卡28获取测磁传感器9测量的Z方向磁场值B_Z，通过线性拟合，得到Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z满足B_Z＝k_Z×V_Z+b_Z关系，k_Z与b_Z分别表示Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡27输出-2V至+2V的线性变化的输入电压V_Y，输入电压V_Y经过压控电流源模块23作用于Y轴亥姆霍兹线圈6，第二数据采集卡28获取测磁传感器9测量的Y方向磁场值B_Y，通过线性拟合，得到Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y满足B_Y＝k_Y×V_Y+b_Y关系，k_Y与b_Y分别表示Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡27输出-2V至+2V的线性变化的输入电压V_X，输入电压V_X经过压控电流源模块23作用于X轴亥姆霍兹线圈5，第二数据采集卡28获取测磁传感器9测量的X方向磁场值B_X，通过线性拟合，得到X方向磁场值B_X与输入电压V_X满足B_X＝k_X×V_X+b_X关系，k_X与b_X分别表示X方向磁场值B_X与输入电压V_X拟合的斜率与截距。

由于输入电压与测量磁场的线性关系，因此根据该特性编写了匀场算法，该算法具有补偿电压准确与执行速度快的特点。基本原理如下：测磁传感器9测量环境磁场值B_i，通过初始拟合得到测量磁场值与输入电压的线性关系来确定补偿电压。以下步骤利用该原理依次对Z、Y、X方向磁场进行主动补偿。

步骤2、对Z方向磁场、Y方向磁场、X方向磁场进行主动补偿，具体包括：

步骤2.1、初始X轴亥姆霍兹线圈5、Y轴亥姆霍兹线圈6和Z轴亥姆霍兹线圈7不加载电流；

步骤2.2、测磁传感器9测量并获得Z方向磁场B_j，

步骤2.3、依据

求取Z方向加载电压V_j，第一数据采集卡27输出Z方向加载电压V_j，Z方向加载电压V_j经过压控电流源模块23作用于Z轴亥姆霍兹线圈7，j为Z方向磁场的迭代次数；

步骤2.4、测磁传感器9再次测量并获得Z方向磁场B_j+1，若Z方向磁场B_j+1的绝对值大于20nT，则j增加1，跳转到步骤2.3，否则Z方向加载电压V_j即为Z方向补偿电压，进行步骤2.5；

步骤2.5、测磁传感器9测量并获得Y方向磁场B_n，

步骤2.6、依据

求取Y方向加载电压V_n，第一数据采集卡27输出Y方向加载电压V_n，Y方向加载电压V_n经过压控电流源模块23作用于Y轴亥姆霍兹线圈6，n为Y方向磁场的迭代次数；

步骤2.7、测磁传感器9再次测量并获得Y方向磁场B_n+1，若Y方向磁场B_n+1的绝对值大于20nT，则n增加1，跳转到步骤2.6，否则Y方向加载电压V_n即为Y方向补偿电压，进行步骤2.8；

步骤2.8、测磁传感器9测量并获得X方向磁场B_m，

步骤2.9、依据

求取X方向加载电压V_m，第一数据采集卡27输出X方向加载电压V_m，X方向加载电压V_m经过压控电流源模块23作用于X轴亥姆霍兹线圈5，m为X方向磁场的迭代次数；

步骤2.10、测磁传感器9再次测量并获得X方向磁场B_m+1，若X方向磁场B_m+1的绝对值大于20nT，则m增加1，跳转到步骤2.9，否则X方向加载电压V_m即为X方向补偿电压，进行步骤3；

步骤3、半导体激光器1的出射光经1/2波片2后由偏振分束器3分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块16中，激光稳频模块16通过反射光对半导体激光器1的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器15输出调制频率信号到声光调制器4，声光调制器4根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器4调制后沿X轴亥姆霍兹线圈5的中心轴线穿过原子蒸气泡10后由沃拉斯顿棱镜11分为两束并分别由第一光电探测器12和第二光电探测器差分放大器14进行检测，第一光电探测器12和第二光电探测器13的输出的检测信号经差分放大器14获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器15。锁相放大器15根据调制频率信号和差分放大器14输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁。

步骤4、电信号采集单元得到的磁场值B₀与光信号检测单元得到的磁场值B₁相加，得到外界环境中X方向磁场值B＝B₀+B₁。

本发明中部件描述如下：

1/2波片2。直径为25.4mm，厚度为12.7mm。

偏振分束器3。长×宽×高为25.4×25.4×25.4mm³。

原子蒸气泡10。长×宽×高为25×25×25mm³。

沃拉斯顿棱镜11。长×宽×高为25.4×25.4×25.4mm³。

X轴亥姆霍兹线圈20。由外径为1mm的漆包线绕制构成，工作时提供X轴磁场。

Y轴亥姆霍兹线圈21。与X轴线圈相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制构成，工作时提供Y轴磁场。

Z轴亥姆霍兹线圈22。与X轴线圈相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制构成，工作时提供Z轴磁场。与X轴线圈、Y轴线圈一起，构成三维亥姆霍兹线圈，本发明装置典型地使用：三个亥姆霍兹线圈中心点重合，中心轴线相互垂直，线圈边长相等。

测磁传感器9。型号HMC1053，用于测量环境中的磁场。

第一支撑台8。材质为Peek，用于安装、放置原子蒸气泡。

支撑板。材质为亚克力，用于固定与支撑X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈。

第二支撑台18。材质为亚克力，用于固定支撑板，为高度60mm、直径220mm的圆盘。

计算机31。型号天启M7150。

第一信号线。型号RVSP多芯双绞线。

X轴线圈电流传输线20。0.5方双绞线。

Y轴线圈电流传输线21。0.5方双绞线。

Z轴线圈电流传输线22。0.5方双绞线。

压控电流源模块23。输入电压控制输出电流。

电压传输线25。型号SH68-68-D1Cable，用于传输反馈电压数据。

第二信号线26。型号SHC68-68-EPM Cable，用于传输采集数据。

第一数据采集卡27。型号PCI6704，用于反馈电压输出。

第二数据采集卡28。型号PCI6281，用于数据采集。

本文中所描述的技术内容仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体技术方案做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代。但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括原子蒸气泡(10)，其特征在于，原子蒸气泡(10)上设置有测磁传感器(9)，原子蒸气泡(10)位于三维亥姆霍兹线圈单元的中心，半导体激光器(1)的出射光经1/2波片(2)后由偏振分束器(3)分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块(16)中，激光稳频模块(16)与半导体激光器(1)连接，激光稳频模块(16)通过反射光对半导体激光器(1)的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器(15)输出调制频率信号到声光调制器(4)，声光调制器(4)根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器(4)调制后沿X轴亥姆霍兹线圈(5)的中心轴线穿过原子蒸气泡(10)后由沃拉斯顿棱镜(11)分为两束并分别由第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)进行检测，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的输出的检测信号经差分放大器(14)获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器(15)，锁相放大器(15)根据调制频率信号和差分放大器(14)输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁，锁相放大器(15)与计算机(31)连接，计算机(31)的第一PCI插槽(29)与第一数据采集卡(27)连接，第一数据采集卡(27)与压控电流源模块(23)连接，压控电流源模块(23)与三维亥姆霍兹线圈单元连接，计算机(31)的第二PCI插槽(30)与第二数据采集卡(28)连接，第二数据采集卡(28)与放大电路模块(24)连接，放大电路模块(24)与测磁传感器(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，其特征在于，所述的三维亥姆霍兹线圈单元包括X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)均为共中心轴线的一对线圈，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)中心轴线相互垂直，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)共中心点，原子蒸气泡(10)位于中心点处。

3.一种利用权利要求2所述的无被动磁屏蔽原子磁力计装置进行测磁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_Z，输入电压V_Z经过压控电流源模块(23)作用于Z轴亥姆霍兹线圈(7)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的Z方向磁场值B_Z，通过线性拟合，得到Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z满足B_Z＝k_Z×V_Z+b_Z关系，k_Z与b_Z分别表示Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_Y，输入电压V_Y经过压控电流源模块(23)作用于Y轴亥姆霍兹线圈(6)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的Y方向磁场值B_Y，通过线性拟合，得到Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y满足B_Y＝k_Y×V_Y+b_Y关系，k_Y与b_Y分别表示Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_X，输入电压V_X经过压控电流源模块(23)作用于X轴亥姆霍兹线圈(5)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的X方向磁场值B_X，通过线性拟合，得到X方向磁场值B_X与输入电压V_X满足B_X＝k_X×V_X+b_X关系，k_X与b_X分别表示X方向磁场值B_X与输入电压V_X拟合的斜率与截距；

步骤2、对Z方向磁场、Y方向磁场、X方向磁场进行主动补偿，具体包括：

步骤2.1、初始X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)不加载电流；

步骤2.2、测磁传感器(9)测量并获得Z方向磁场B_j，

步骤2.3、依据

求取Z方向加载电压V_j，第一数据采集卡(27)输出Z方向加载电压V_j，Z方向加载电压V_j经过压控电流源模块(23)作用于Z轴亥姆霍兹线圈(7)，j为Z方向磁场的迭代次数；

步骤2.4、测磁传感器(9)再次测量并获得Z方向磁场B_j+1，若Z方向磁场B_j+1的绝对值大于20nT，则j增加1，跳转到步骤2.3，否则Z方向加载电压V_j即为Z方向补偿电压，进行步骤2.5；

步骤2.5、测磁传感器(9)测量并获得Y方向磁场B_n，

步骤2.6、依据求取Y方向加载电压V_n，第一数据采集卡(27)输出Y方向加载电压V_n，Y方向加载电压V_n经过压控电流源模块(23)作用于Y轴亥姆霍兹线圈(6)，n为Y方向磁场的迭代次数；

步骤2.7、测磁传感器(9)再次测量并获得Y方向磁场B_n+1，若Y方向磁场B_n+1的绝对值大于20nT，则n增加1，跳转到步骤2.6，否则Y方向加载电压V_n即为Y方向补偿电压，进行步骤2.8；

步骤2.8、测磁传感器(9)测量并获得X方向磁场B_m，

步骤2.9、依据

求取X方向加载电压V_m，第一数据采集卡(27)输出X方向加载电压V_m，X方向加载电压V_m经过压控电流源模块(23)作用于X轴亥姆霍兹线圈(5)，m为X方向磁场的迭代次数；

步骤2.10、测磁传感器(9)再次测量并获得X方向磁场B_m+1，若X方向磁场B_m+1的绝对值大于20nT，则m增加1，跳转到步骤2.9，否则X方向加载电压V_m即为X方向补偿电压，进行步骤3；

步骤3、半导体激光器(1)的出射光经1/2波片(2)后由偏振分束器(3)分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块(16)中，激光稳频模块(16)与半导体激光器(1)连接，激光稳频模块(16)通过反射光对半导体激光器(1)的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器(15)输出调制频率信号到声光调制器(4)，声光调制器(4)根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器(4)调制后沿X轴亥姆霍兹线圈(5)的中心轴线穿过原子蒸气泡(10)后由沃拉斯顿棱镜(11)分为两束并分别由第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)进行检测，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的输出的检测信号经差分放大器(14)获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器(15)，锁相放大器(15)根据调制频率信号和差分放大器(14)输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁；

步骤4、电信号采集单元得到的磁场值B₀与光信号检测单元得到的磁场值B₁相加，得到外界环境中X方向磁场值B＝B₀+B₁。

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