CN110161433B - 一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，涉及中间层磁场激光遥感领域，包括连续波激光器、声光调制单元、发射望远镜、接收望远镜、探测单元、FPGA门控光子计数单元和计算机。利用FPGA来产生激光强度调制的脉冲信号，并实现门控光子计数功能。调节门控延时，接收中间层的中性原子层发出的共振荧光，扫描脉冲的重复频率，得到磁共振信号。远程探测中间层磁场为绘制地球岩石圈的磁场结构和长期监测极地地区的电离层电流提供一种新的工具。而基于门控光子计数的中间层磁场测量方案可以只接收来自特定高度中性原子层的回波，有望实现高度可分辨的中间层磁场测量。

Description

一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置
技术领域
本发明属于中间层磁场激光遥感领域，具体涉及一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置。
背景技术
基于中间层自然存在的中性钠原子层(80-110km)和为钠激光导星技术研发的高功率黄光激光器，钠层磁场远程探测方案于2011年被提出。该方案使用幅度调制的圆偏振激光来泵浦中间层钠原子，钠原子的磁矩以拉莫尔频率绕着局域磁场进动，利用地基大孔径望远镜探测钠原子返回的共振荧光随调制频率的变化，当调制频率与钠原子的拉莫尔进动频率一致时，荧光的强度变化呈现磁共振曲线。
直到2018年，文献1(Laser remote magnetometry using mesospheric sodium,Kane Thomas J.et al.,Journal of Geophysical Research:Space Physics,123:6171-6188,2018)第一次报道了钠层磁场远程测量结果，其实验系统采用相敏探测技术，即通过抖动脉冲重复频率，并以抖动频率解调返回的荧光信号来得到色散型磁共振信号。其后的文献2(Remote sensing of geomagnetic fields and atomic collisions in themesosphere.Pedreros Bustos F.et al.,Nature Communications,9:3981,2018)的实验系统同样是采用或者基于相敏探测技术，来实现对钠层磁场的远程测量。然而在大部分实验条件下，钠层钠原子发出的共振荧光经过百公里的传输，到达接收望远镜的少之又少，相敏探测技术在回波光子速率太低时并不适用。因为光子速率太低以至于滤波不会产生连续信号，则不再提供合理的相位信息，导致无法进行解调。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置和方法。利用FPGA(现场可编程门阵列)来产生激光强度调制的脉冲信号，并实现门控光子计数功能。调节门控延时，接收中性原子层返回的共振荧光，直接扫描脉冲的重复频率，得到磁共振信号。门控光子计数技术在回波光子速率很低时仍然可以使用，且只收集从特定高度中性原子层返回的荧光光子，可有效避免来自其他源(发射的激光，瑞利回波等)的干扰。此外，通过改变门控延时，门控光子计数有可能实现高度可分辨的中间层磁场测量。
为实现上述目的，本发明以中间层中的中性钠原子层为例，将测量装置和方法介绍如下：
基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置由连续波激光器、声光调制单元、发射望远镜、接收望远镜、探测单元、FPGA门控光子计数单元和计算机组成。
其中，连续波激光器由单频半导体种子激光器经拉曼光纤放大器放大、再经倍频腔倍频，输出波长为589nm、平均功率大于20W的线偏振连续波激光；
声光调制单元由λ/2波片、声光调制器、声光调制器驱动电源、光阑和λ/4波片组成；λ/2波片将线偏振激光的偏振方向转到垂直水平面的方向，为声光调制做准备；激光经过声光调制器分成两束强度调制光，其中零级光被光阑挡住，一级光通过光阑中间的小孔经λ/4波片转换为圆偏振激光；声光调制器驱动电源连接FPGA门控光子计数单元和声光调制器，用FPGA门控光子计数单元产生的强度调制脉冲来驱动声光调制器工作。
探测单元包括CCD相机、移动平台，以及设置在该移动平台上的由第一透镜和遮光镜筒组成的单光子探测单元，在该遮光镜筒中依次设有第二透镜、带通滤光片、第三透镜和单光子探测器。通过第一透镜和第二透镜将宽平行光路变换成窄平行光路，在窄平行光路中插入带通滤光片(带宽1nm，中心波长为589.45nm)，滤除其它波长光的干扰，然后第三透镜将荧光会聚到单光子探测器上；通过移动平台将单光子探测单元整体移出光路外后，宽平行光路可以在CCD相机上成像。
FPGA门控光子计数单元用来产生激光强度调制的脉冲信号，并对单光子探测器传入的光子脉冲进行门控光子计数，具体是：计数门和强度调制脉冲门的周期相同，在一个计数周期内，仅在强度调制脉冲门开启时间内，FPGA门控光子计数单元输出强度调制脉冲，强度调制脉冲门开启后经过一个门控延时(考虑到光子双程飞行时间)，计数门开启，FPGA门控光子计数单元开始对单光子探测器传入的光子脉冲进行计数，直到计数门关闭；每个强度调制脉冲门对应不同的强度调制脉冲重复频率，实现对激光脉冲重复频率的扫描，扫描结束后，得到每个强度调制脉冲重复频率对应的荧光光子数，即为磁光共振曲线。
强度调制脉冲的重复频率范围需要覆盖所测磁场对应的拉莫尔进动频率，占空比在25-35％之间可调；计数门相对于强度调制脉冲门的门控延时可调，此门控延时由目标中性原子层的海拔高度决定；计数门的持续时间由目标中性原子层的厚度决定，而相应的强度调制脉冲门的持续时间的确定，则需要保证强度调制脉冲门不与计数门同时开启，以去除激光对荧光回波的干扰。
FPGA门控光子计数单元中有烧写好的程序，与计算机通过串口相连，在计算机的控制与处理软件中设置FPGA门控光子计数单元的参数并控制其开始/停止工作；随后FPGA门控光子计数单元将得到的光子数据上传到计算机的控制与处理软件，做进一步分析处理，得到共振频率及对应的中间层磁场。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)装置更为简洁，不需要锁相放大器、信号发生器等仪器；2)门控光子计数技术在回波光子速率很低时仍然可以使用，且只收集从特定高度钠层返回的荧光光子，可有效避免来自其他源的干扰。3)在回波通量足够大的前提下，通过改变门控延时，门控光子计数有可能实现高度分辨的钠层磁场测量。
附图说明
图1是基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置的结构框图；
其中，连续波激光1、声光调制单元2、发射望远镜3、接收望远镜4、探测单元5、FPGA门控光子计数单元6和计算机7。
图2是声光调制单元的结构图；
其中，λ/2波片8、声光调制器9、声光调制器驱动电源10、光阑11和λ/4波片12。
图3是探测单元的结构图；
其中，第一透镜51、第二透镜52、带通滤光片53、第三透镜54、单光子探测器55、CCD相机56、遮光镜筒57和移动平台58。
图4是FPGA门控光子计数单元的时序图；
其中，强度调制脉冲18、强度调制脉冲门19和计数门20。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的描述：
1、系统结构
基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置包含以下部分：连续波激光器1、声光调制单元2、发射望远镜3、接收望远镜4、探测单元5、FPGA门控光子计数单元6和计算机7，如图1所示。
其中，声光调制单元2由λ/2波片8、声光调制器9、声光调制器驱动电源10、光阑11和λ/4波片12组成，如图2所示。连续波激光器1依次经过λ/2波片8、声光调制器9、光阑11和λ/4波片12，经发射望远镜3发射到高空。声光调制器驱动电源10连接FPGA门控光子计数单元6的强度调制脉冲18输出端和声光调制器9。
探测单元5由第一透镜51、第二透镜52、带通滤光片53、第三透镜54、单光子探测器55、CCD相机56、遮光镜筒57和移动平台58组成，如图3所示。接收望远镜4收集的荧光光子依次经过第一透镜51、第二透镜52、带通滤光片53和第三透镜54后，会聚到单光子探测器55上，单光子探测器55产生的单光子脉冲输入到FPGA门控光子计数单元6中；第一透镜51和遮光镜筒57整体安装在移动平台58上，可以整体移出光路，此时接收望远镜4输出的宽平行光路可以在CCD相机56上成像。
FPGA门控光子计数单元6用来产生激光强度调制的脉冲信号，并对单光子探测器55传入的光子脉冲进行门控光子计数；如图4所示，FPGA门控光子计数单元6在强度调制脉冲门19开启时输出强度调制脉冲18，计数门20相对于强度调制脉冲门19有个门控延时。FPGA门控光子计数单元6与计算机7通过串口相连，计算机7执行控制与处理软件，设置FPGA门控光子计数单元6的各个参数，使FPGA门控光子计数单元6输出强度调制脉冲18，也接收其传回的光子数据，做进一步分析处理。
2、工作原理
用本发明的装置，进行钠层磁场遥测的具体工作过程如下：
连续波激光器1输出的激光，是波长对准Na D2线(589.158nm)的线偏振激光，激光经过λ/2波片8后，其偏振方向转到垂直水平面的方向，进入声光调制器9分成两束强度调制光，其中零级光被光阑11挡住，我们使用消光比更高的一级衍射光，一级衍射光通过光阑11中间的小孔后，经λ/4波片转换为圆偏振激光；此圆偏振激光经发射望远镜3发射到高空去激发位于80-110km高度内的钠原子层。FPGA门控光子计数单元6产生的强度调制脉冲18用于驱动声光调制器9工作。
用移动平台将第一透镜51和遮光镜筒57组成的单光子探测单元整体移出光路，此时接收望远镜4输出的宽平行光路可以在CCD相机56上成像。
调节望远镜的仰角和方位角到观测点(因为激光与地磁场垂直时，磁场对激光与原子相互作用的影响最大，所以原理上此时地磁场探测信噪比最高)。调节望远镜的次镜，使CCD相机56可以对中间层钠导星和瑞利散射清晰地成像，并将钠导星调到CCD相机56的视场中央。
用移动平台58将第一透镜51和遮光镜筒57组成的单光子探测单元整体移入光路，此时荧光光子会聚到单光子探测器55上。
在计算机7的控制与处理软件中设置强度调制脉冲18、强度调制脉冲门19、计数门20的参数，包括强度调制脉冲门19的占空比，计数门20相对于强度调制脉冲门19的门控延时(由目标钠层海拔高度决定)，计数门20的持续时间(由探测的钠层厚度决定)，强度调制脉冲门19的持续时间(以不与计数门20同时开启为原则)，计数门20和强度调制脉冲门19的周期等，每个强度调制脉冲门19对应不同的强度调制脉冲18重复频率，实现对激光脉冲重复频率的扫描。
计算机7执行控制与处理软件，使FPGA门控光子计数单元6输出强度调制脉冲18，强度调制脉冲18驱动声光调制器9工作，使得激光片偏转通过光阑11中间的小孔，经发射望远镜3打出。FPGA门控光子计数单元6接收单光子探测器55传回的光子脉冲并进行计数，将计数结果传回计算机7，并经计算机7将多次扫描的结果累加起来，绘制出荧光光子数随激光强度调制频率变化的曲线，也就是磁光共振曲线。
磁光共振曲线的峰值对应的激光强度调制频率即为钠原子的拉莫尔进动频率，用下面的公式将拉莫尔进动频率fL换算成对应的磁场值B，就得到了钠层磁场值，此测量方案测量磁场的标量值。
fL＝γB，其中γ＝6.99812Hz/nT是钠原子基态的旋磁比。
若利用中间层的其它中性原子层，需要将测量装置中的连续波激光器1，声光调制单元2中的λ/2波片8、声光调制器9和λ/4波片12，探测单元5中的第一透镜51、第二透镜52、带通滤光片53、第三透镜54、单光子探测器55、CCD相机56以及中性原子的旋磁比γ都进行替换，以适应相应原子的共振波长。比如钾原子的共振波长为766nm。

Claims (7)

1.一种基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于，包括：连续波激光器(1)、声光调制单元(2)、发射望远镜(3)、接收望远镜(4)、探测单元(5)、FPGA门控光子计数单元(6)和计算机(7)；所述的连续波激光器(1)输出波长与中性原子层共振的连续波激光，在所述的FPGA门控光子计数单元(6)产生的强度调制脉冲(18)的驱动下，经所述的声光调制单元(2)强度调制成脉冲光，由所述的发射望远镜(3)发射到中间层顶区域；所述的接收望远镜(4)收集中性原子层发出的共振荧光，由所述的探测单元(5)探测，探测单元(5)输出光子脉冲并发送给所述的FPGA门控光子计数单元(6)进行门控计数，所述的FPGA门控光子计数单元(6)将得到的光子数据经计算机串口传输到所述的计算机(7)中，得到共振频率及对应的中间层磁场，计数门(20)和强度调制脉冲门(19)的周期相同，在一个计数周期内，仅在强度调制脉冲门(19)开启时间内，FPGA门控光子计数单元(6)输出强度调制脉冲(18)，强度调制脉冲门(19)开启后经过一个门控延时，计数门(20)开启，对单光子探测器(55)传入的光子脉冲进行计数，直到计数门(20)关闭；每个强度调制脉冲门(19)对应不同的强度调制脉冲(18)重复频率，实现对激光脉冲重复频率的扫描；扫描结束后，得到每个强度调制脉冲(18)重复频率对应的荧光光子数，即为磁光共振曲线，该磁光共振曲线的峰值对应的激光强度调制频率即为钠原子的拉莫尔进动频率，将拉莫尔进动频率fL换算成对应的磁场值B，即fL＝γB，其中，γ＝6.99812Hz/nT是钠原子基态的旋磁比。
2.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于，所述的声光调制单元(2)由λ/2波片(8)、声光调制器(9)、声光调制器驱动电源(10)、光阑(11)和λ/4波片(12)组成，所述的连续波激光器(1)输出的连续波激光，依次经所述的λ/2波片(8)、声光调制器(9)、光阑(11)和λ/4波片(12)，所述的FPGA门控光子计数单元(6)输出的强度调制脉冲(18)经声光调制器驱动电源(10)驱动声光调制器(9)。
3.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于，所述的探测单元(5)包括CCD相机(56)、移动平台(58)，以及设置在该移动平台(58)上的由第一透镜(51)和遮光镜筒(57)组成的单光子探测单元，在该遮光镜筒(57)中依次设有第二透镜(52)、带通滤光片(53)、第三透镜(54)和单光子探测器(55)，所述的第一透镜(51)的焦距大于第二透镜(52)的焦距，所述的第一透镜(51)的焦距大于第三透镜(54)的焦距；
宽平行光路依次经第一透镜(51)和第二透镜(52)后变换成窄平行光路，经带通滤光片(53)滤除其它波长光的干扰，经第三透镜(54)将荧光会聚到单光子探测器(55)上；通过移动平台(58)将单光子探测单元移出光路，使宽平行光路直接在CCD相机(56)上成像。
4.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于，所述的FPGA门控光子计数单元(6)用来产生激光强度调制的脉冲信号，并对单光子探测器(55)传入的光子脉冲进行门控光子计数；
所述的强度调制脉冲(18)的重复频率范围需要覆盖所测磁场对应的拉莫尔进动频率，占空比在25-35％之间可调；所述的计数门(20)相对于强度调制脉冲门(19)的门控延时可调，此门控延时由目标中性原子层的海拔高度决定；计数门(20)的持续时间由目标中性原子层的厚度决定，而强度调制脉冲门(19)的持续时间的确定，则需要保证强度调制脉冲门(19)不与计数门(20)同时开启，以去除激光对荧光回波的干扰。
5.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于：各种化学过程和动力过程的动态平衡下，中间层顶区域存在中性金属原子层，包括钠、铁、钾、钙、镁，其中的碱金属原子层用于在地面远程探测中间层的地磁场。
6.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于：磁场测量原理是基于自旋极化的中性原子在地磁环境中，其磁矩会绕着磁场作拉莫尔进动，当激光的强度调制频率等于拉莫尔进动频率时，磁共振信号达到峰值。
7.根据权利要求1所述的基于门控光子计数的中间层磁场遥测装置，其特征在于：利用直接扫频的方式，在地面远程探测中间层的地磁场标量值。
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