CN110045430B - 一种地磁日变监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种地磁日变监测方法。该方法是恒温下将地磁场探头置于地磁场中；调节激光器控制电路，保持激光波长稳定，且保持激光波长与碱金属原子基态能级共振；将偏振片、四分之一波片垂直于激光光束方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使激光的偏振变为左旋圆偏振或右旋圆偏振；射频线圈产生与激光光束方向平行的射频场；光电转换器件对左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光探测，将探测到的光强值经数据采集处理设备采集、信号处理，利用不同能级的光泵磁共振信号之间的频率差得到核进动信息，再根据核进动信息计算出地磁场大小。本发明的优点是操作简单、保证地磁数据精度的同时具有高采样率。

Description

一种地磁日变监测方法
技术领域
本发明属于地磁监测领域，涉及一种新型的地磁日变监测方法，用于在保证地磁数据准确性的情况下，提高地磁数据的采样率。
背景技术
地磁监测主要用于监测全球的地磁场变化，对人们的生产、生活具有重要意义。目前，地磁监测方法主要采用直接激发原子核，测量原子核在地磁场下进动的方法。由于原子核相对稳定，较难激发，导致该方法的测量时间较长，采样率不高。
发明内容
为了克服目前地磁监测方法采样率不高的问题，本发明提供了一种新型的地磁日变监测方法。这种方法利用测量两个不同能级的光泵磁共振信号提取核进动信息，再根据核进动信息计算出地磁场大小。由于直接测量的是光泵磁共振信号，而光泵磁共振信号可以达到较高的采样率，因此，这种方法保证了地磁数据的采样率。同时，由于采用的核进动信息计算地磁场大小，而核进动信息相对稳定，难以受到外界干扰，因此，地磁数据的准确性得到了保证。
本发明的工作机理是：在地磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，形成磁子能级，分裂情况与地磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若碱金属原子气体同时处在有一个频率与相邻两个磁子能级间隔相同的射频场中时，则碱金属原子对激光的吸收率最大，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受核进动的影响，碱金属原子对激光的吸收率将在两个不同的射频场频率时达到极值，这两个射频场频率的差值将得到核进动信息。根据核进动信息可以准确得到地磁场大小。
地磁日变监测仪包括激光光源1、地磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、地磁场探头2、信号探测器3依次通过激光光路连接；
所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6、四分之一波片7构成；激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、四分之一波片7、地磁场探头2；
所述的激光控制电路5由电流源8、温度控制器9构成，其中电流源8与温度控制器9分别控制半导体激光器4的驱动电流和工作温度。
所述的地磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡10构成；
所述的信号探测器3由射频线圈11、信号发生器12、光电转换器件13、数据采集处理设备14构成；
信号发生器12输出的电信号传递给射频线圈11，输出的同步信号传递给数据采集处理设备14，光电转换器件13采集透过地磁场探头2的光束的电信号，然后传递给数据采集处理设备14处理。
本发明对地磁日变监测仪的调节方法具体是：
步骤(1)、保持恒温状态下，将地磁场探头2置于地磁场中；
步骤(2)、调节激光光源1：
调节激光器控制电路5中电流源8、温度控制器9，保持半导体激光器4发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器4发射出的激光波长与地磁场探头2中碱金属原子基态能级共振；将偏振片6、四分之一波片7均垂直置于激光光束方向；调节四分之一波片7光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器4发射出的激光的偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节地磁场探头2的位置，使左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光透过地磁场探头2；
激光波长在偏振片、四分之一波片的波长范围内。
步骤(3).调节信号探测器3：
信号发生器12输出的信号输入到射频线圈11，由射频线圈11产生射频场，调节射频线圈11的位置，使地磁场探头2处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行；光电转换器件13对透过弱磁场探头2的左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件13探测到的光强值与信号发生器12输出信号频率的关系，关系如公式(1)：
Figure GDA0002863429400000021
其中，Y为光电转换器件13探测到的光强值，X为信号发生器12输出信号频率，π是圆周率，k1和k2为比例系数，是定值，υ1和υ2为两个光泵磁共振信号的半高全宽值，对于恒定温度下的包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡，υ1和υ2也为定值，f1和f2为由地磁场引起的碱金属原子的不同能级分裂，其关系如公式(2)、公式(3)、公式(4)：
f1＝γ1·B0 (2)；
f2＝γ2·B0 (3)；
f1＜f2 (4)；
其中，γ1和γ2为定值，其差值与碱金属原子核的旋磁比相等，B0为地磁场大小；
将光电转换器件12探测到的光强值经数据采集处理设备14采集、信号处理，根据公式(1),求解Y达到极值时X对应的值X1和X2，其关系如公式(5)、公式(6)：
X1＝f1 (5)；
X2＝f2 (6)；
根据公式(2)、公式(3)、公式(5)、公式(6)，求解地磁日变数据B0，其关系如公式(7):
Figure GDA0002863429400000031
传统的地磁日变监测方法采用直接激发原子核，通过测量原子核在地磁场下的进动，计算出地磁场大小。这种方法需要对稳定的原子核进行激发，导致测量信号小，测量时间长，地磁场数据的采样率不高。
利用本发明方法后，根据公式(7)可知,地磁场测量所需的参数X1和X2均为光泵磁共振信号参数，具有很快的测量速度和很高的采样率，求解地磁日变数据B0时使用的差值X2-X1包含了核进动信号，因此，本发明方法保证了在不影响地磁数据准确性的情况下，提高地磁数据的采样率。
本发明的优点是：一、操作简单，仅需操作地磁日变监测仪中的激光光源、弱磁场探头和信号探测器三个部分；二、地磁数据采样率高，利用光泵磁共振间接测量核进动信号，在保证地磁数据精度的情况下，提高了采样率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的详细流程示意图；
图3为本发明激光控制电路的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的分析。
在地磁场下，碱金属原子能级将发生分裂，形成磁子能级，分裂情况与地磁场大小相关。一束圆偏振激光通过碱金属原子气体时，若碱金属原子气体同时处在有一个频率与相邻两个磁子能级间隔相同的射频场中时，则碱金属原子对激光的吸收率最大，测量透射光强大小与激光频率的关系可以得到待测磁场大小。受核进动的影响，碱金属原子对激光的吸收率将在两个不同的射频场频率时达到极值，这两个射频场频率的差值将得到核进动信息。根据核进动信息可以准确得到地磁场大小。
如图1所示，地磁日变监测仪包括激光光源1、地磁场探头2、信号探测器3；激光光源1、地磁场探头2、信号探测器3通过激光光路连接；
如图2所示，所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6、四分之一波片7构成；
激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、四分之一波片7、地磁场探头2；
如图3所示，所述的激光控制电路5由电流源8、温度控制器9构成，其中电流源8与温度控制器9分别控制半导体激光器4的驱动电流和工作温度。
所述的地磁场探头2由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡10构成；
所述的信号探测器3由射频线圈11、信号发生器12、光电转换器件13、数据采集处理设备14构成；
信号发生器12输出的电信号传递给射频线圈11，输出的同步信号传递给数据采集处理设备14，光电转换器件13采集透过弱磁场探头2的光束的电信号，然后传递给数据采集处理设备14处理。
具体调节地磁日变监测仪方法是：
实施例中地磁场探头2碱金属原子采用铯-133原子，铯原子饱和蒸汽的玻璃泡10尺寸为Φ20×20mm，将其周围均匀加热且恒温至43℃，并置于地磁场中。在使用过程中，先开启激光器控制电路5，其中电流源8使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，温度控制器9使用美国Thorlab公司生产的型号为TED200C的温度控制器，调节激光二极管的电流为1.2mA，温度为63℃，使半导体激光器4的波长稳定至894.602nm；将适用波长为894.602nm的偏振片6和四分之一波片7垂直置于激光光束方向，调节四分之一波片7的相对角度至32°，使得半导体激光器4发射出的激光透过四分之一波片7后，激光偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节铯原子饱和蒸汽的玻璃泡10的位置，使左旋圆偏振光或右旋圆偏振光通过铯原子饱和蒸汽的玻璃泡10，信号发生器12使用中国普源公司生产的型号为DG4162的信号发生器，信号发生器12输出的信号输入到射频线圈11，输出的同步信号传递给数据采集处理设备14，调节射频线圈11的位置，使铯原子饱和蒸汽的玻璃泡10处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行，使用高灵敏度硅光电二极管13左旋圆偏振激光或右旋圆偏振光进行探测，将高灵敏度硅光电二极管13探测采集到的信号输入给数据采集处理设备14中锁相放大器进行相敏检测，并将锁相放大器的输出信号输入计算机进行采集、处理和最终输出。
上述提到的高灵敏度硅光电二极管13为光电转换器件13。
上述提到的地磁日变监测仪与加拿大GEM SYSTEMS公司的型号为GSM-19的磁力仪产品在20000-100000纳特磁场范围内进行精度比较，其结果如表(1)：
表(1)地磁日变监测仪与GSM-19精度比较
地磁日变监测仪 GSM-19
20023.5纳特 20023.3纳特
39998.1纳特 39997.9纳特
60005.8纳特 60006.0纳特
80002.5纳特 80002.6纳特
99997.4纳特 99997.5纳特

Claims (4)

1.一种地磁日变监测方法，基于以下地磁日变监测仪，该监测仪包括激光光源、地磁场探头、信号探测器；激光光源、地磁场探头、信号探测器依次通过激光光路连接；
所述的激光光源由半导体激光器、激光器控制电路、偏振片、四分之一波片构成；激光器控制电路控制半导体激光器发射出激光，激光依次透过偏振片、四分之一波片、地磁场探头；
所述的激光器控制电路由电流源、温度控制器构成，其中电流源与温度控制器分别控制半导体激光器的驱动电流和工作温度；
所述的信号探测器包括射频线圈、信号发生器、光电转换器件、数据采集处理设备；信号发生器输出的电信号传递给射频线圈，输出的同步信号传递给数据采集处理设备；光电转换器件采集透过地磁场探头光束的电信号，然后传递给数据采集处理设备处理；
其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1).保持恒温状态下，将地磁场探头置于地磁场中；
步骤(2).调节地磁日变监测仪中的激光光源：
首先调节激光器控制电路中电流源、温度控制器，保持半导体激光器发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器发射出的激光波长与地磁场探头中碱金属原子基态能级共振；将偏振片、四分之一波片均垂直置于激光光束方向；调节四分之一波片光轴与激光偏振的角度，使得由半导体激光器发射出的激光的偏振变为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；调节地磁场探头的位置，使左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光透过地磁场探头；
步骤(3).调节地磁日变监测仪中的信号探测器：
信号发生器输出的信号输入到射频线圈，由射频线圈产生射频场，同时输出的同步信号传递给数据采集处理设备，调节射频线圈的位置，使地磁场探头处于射频场中且射频场的方向与激光光束方向平行；光电转换器件对透过地磁场探头的左旋圆偏振激光或右旋圆偏振激光进行探测，得到光电转换器件探测到的光强值与信号发生器输出信号频率的关系，关系如公式(1)：
Figure FDA0002863429390000021
其中，Y为光电转换器件探测到的光强值，X为信号发生器输出信号频率，π是圆周率，k1和k2为比例系数，υ1和υ2为两个光泵磁共振信号的半高全宽值，f1和f2为由地磁场引起的碱金属原子的不同能级分裂，其关系如公式(2)-(4)：
f1＝γ1·B0 (2)；
f2＝γ2·B0 (3)；
f1＜f2 (4)；
其中，γ1和γ2为定值，其差值与碱金属原子核的旋磁比相等，B0为地磁场大小；
将光电转换器件探测到的光强值经数据采集处理设备采集、信号处理，根据公式(1),求解Y达到极值时X对应的值X1和X2，其关系如公式(5)-(6)：
X1＝f1 (5)；
X2＝f2 (6)；
根据公式(2)、(3)、(5)、(6)，求解地磁场大小B0，其关系如公式(7):
Figure FDA0002863429390000022
2.如权利要求1所述的一种地磁日变监测方法，其特征在于地磁场探头由包含碱金属饱和蒸汽的玻璃泡构成。
3.如权利要求1所述的一种地磁日变监测方法，其特征在于激光波长在偏振片、四分之一波片的波长范围内。
4.如权利要求1所述的一种地磁日变监测方法，其特征在于根据公式(7)可知,地磁场测量所需的参数X1和X2均为光泵磁共振信号参数；利用光泵磁共振信号提取核进动信号，再利用核进动信号进行地磁监测。
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