CN110646751A - 基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法 - Google Patents

基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁探测技术领域，公开了一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法。该系统包括：检测光源产生检测光；原子气室充有用于敏感角速率的介质；驱动光源产生驱动光；激励线圈方向与检测光通过原子气室方向相同；直接数字式频率合成器输出激励信号驱动线圈产生同相激励磁场；偏振分光棱镜将检测光分为两路不同方向的偏振光；第一探测器和第二探测器对两路不同方向的偏振光进行探测；减法器对两路输出信号进行相减；乘法器对减法器输出信号和激励信号相乘；滤波器对乘法器输出信号滤波；累加器对滤波器输出信号累加平均并将累加平均后得到的信号输出至频率合成器对激励信号进行反馈调节。由此提高了磁强计的灵敏度和稳定性。

Description

基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法
技术领域
本发明涉及磁探测技术领域，尤其涉及一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法。
背景技术
磁异常探测是通过测量磁性物体引起的地球磁力线扰动，利用磁异常信息探测与识别磁性物体的一种技术，具有定位精度高、纯被动探测、环境适应性好等优点，在油气矿产的资源勘探、水下目标识别等领域获得了广泛应用。标量原子磁强计具有高灵敏、小体积、对姿态不敏感等突出优势，特别适用于海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域。以磁异常探潜为例，需要原子磁强计具备高灵敏度的同时兼顾高稳定性。通常，认定原子自旋进动相位与激励磁场相位正交为磁共振状态，并以此作为磁场测量的依据。因此，原子磁强计检测回路中的相位误差将直接转化为磁场测量误差，影响原子磁强计的精度。
传统的标量原子磁强计通过正交激励及移相器构成闭环控制回路，具有结构简单、模拟输出、易于实现的特点。然而，该方法必须使用移相器对磁强计输出做90°移相，再闭环反馈作为激励输入。移相器只能在特定频率实现准确移相，限制了磁强计在大量程高动态应用中的精度；此外，移相器本身的相位噪声等效为磁强计的磁场测量噪声，影响了磁强计的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统及方法，能够解决现有技术中磁强计的灵敏度和稳定性受影响的问题。
本发明的技术解决方案：一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统，其中，该系统包括：
检测光源，用于产生检测光；
原子气室，所述原子气室内充有用于敏感角速率的介质；
驱动光源，用于产生驱动光，使所述原子气室中的原子指向同一方向；
激励线圈，所述原子气室设置在所述激励线圈之间，所述激励线圈方向与检测光通过所述原子气室方向相同；
直接数字式频率合成器，用于输出激励信号以驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
偏振分光棱镜，用于将通过所述原子气室的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器和第二探测器，分别用于对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器，用于对所述第一探测器的输出信号和所述第二探测器的输出信号进行相减；
乘法器，用于对所述减法器输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器，用于对所述乘法器输出的信号进行滤波；
累加器，用于对所述滤波器输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器对激励信号进行反馈调节。
优选地，所述滤波器为低通滤波器。
优选地，所述第一探测器和所述第二探测器为光电探测器。
优选地，所述检测光源和所述驱动光源均为激光源。
本发明还提供了一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制方法，其中，该方法包括：
检测光源产生检测光并经原子气室入射至偏振分光棱镜，其中，所述原子气室内充有用于敏感角速率的介质，所述原子气室设置在激励线圈之间，所述激励线圈方向与检测光通过所述原子气室方向相同，驱动光源产生驱动光使所述原子气室中的原子指向同一方向，直接数字式频率合成器输出激励信号驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
所述偏振分光棱镜将通过所述原子气室的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器和第二探测器分别对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器对所述第一探测器的输出信号和所述第二探测器的输出信号进行相减；
乘法器对所述减法器输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器对所述乘法器输出的信号进行滤波；
累加器对所述滤波器输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器对激励信号进行反馈调节。
通过上述技术方案，可以在驱动—检测形式的基础上，设置激励线圈方向与检测光方向平行，由直接数字式频率合成器生成输出激励信号驱动激励线圈，使激励磁场与检测光同向，并将激励信号与探测器输出信号进行数采、相乘、滤波、累加后反馈调节激励信号，实现磁场测量。由此，无需传统磁强计所必需的移相环节，从根本上避免了相位误差导致的各类噪声，进而提高了磁强计的灵敏度和稳定性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统的示意图；
图2为本发明实施例中洛伦兹线型示意图；
图3为本发明实施例中磁强计噪声谱示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
图1为本发明实施例提供的一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统的示意图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统，其中，该系统包括：
检测光源10，用于产生检测光；
原子气室12，所述原子气室12内充有用于敏感角速率的介质；
驱动光源14，用于产生驱动光，使所述原子气室12中的原子指向同一方向；
也就是，为原子气室内的介质原子赋予动能，使原子指向同一方向。
激励线圈16，所述原子气室设置在所述激励线圈16之间，所述激励线圈16方向与检测光通过所述原子气室12方向相同；
直接数字式频率合成器18，用于输出激励信号(激励频率)以驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
举例来讲，激励线圈可以串联适当阻值的电阻与直接数字式频率合成器电压输出端相连；直接数字式频率合成器输出激励信号(即频率信号)，驱动激励线圈产生同相激励磁场。通过调节串联电阻阻值与直接数字式频率合成器输出幅值，可以使激励磁场幅度处在10nT～100nT区间。
偏振分光棱镜20，用于将通过所述原子气室12的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器22和第二探测器24，分别用于对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器26，用于对所述第一探测器22的输出信号和所述第二探测器24的输出信号进行相减；
乘法器28，用于对所述减法器26输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器30，用于对所述乘法器28输出的信号进行滤波；
累加器32，用于对所述滤波器30输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器18对激励信号进行反馈调节。
其中，对所述滤波器30输出的信号进行累加平均得到的信号为激励信号的同相分量Mj。
举例来讲，可以通过Bloch方程构建原子磁强计的动力学模型：
Figure BDA0002205588870000061
其中，该动力学模型涉及的坐标系为旋转坐标系，Mi、Mj分别为旋转坐标系下不同坐标轴方向的横向极化强度，Mz、M0分别为纵向极化强度及稳态极化强度，γ为旋磁比，B1为激励磁场幅度，T1和T2分别代表了纵向弛豫时间和横向弛豫时间，Δω表示激励频率相对共振频率的偏移。由此可见，通过将激励信号的同相分量Mj闭环锁定为零，即可直接由直接数字式频率合成器输出的频率推算待测磁场(激励信号的同相分量Mj为零时原子处于磁共振状态，此时直接数字式频率合成器输出的频率即为共振频率)：
ω＝γB，
其中，B为磁场，ω为激励频率。通过将激励信号与第一探测器和第二探测器输出信号进行数采、相乘、滤波、累加平均后反馈调节直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现磁场测量。
通过上述技术方案，可以在驱动—检测形式的基础上，设置激励线圈方向与检测光方向平行，由直接数字式频率合成器生成输出激励信号驱动激励线圈，使激励磁场与检测光同向，并将激励信号与探测器输出信号进行数采、相乘、滤波、累加后反馈调节激励信号，实现磁场测量。由此，无需传统磁强计所必需的移相环节，从根本上避免了相位误差导致的各类噪声，进而提高了磁强计的灵敏度和稳定性。
举例来讲，可以设置圆偏振驱动光频率处于原子D1能级，强度10～100w/m2照射原子气室；可以设置线偏振检测光频率相对原子D1能级失谐0.05～0.2nm，强度10～100w/m2透过原子气室，携带原子进动信号入射偏振分光棱镜，且通过探测器对偏振分光棱镜输出的两路不同方向的偏振光进行探测。加热原子气室，气室内原子密度达到1012～1014/cm3。
本领域技术人员应当理解，上述描述仅仅是示例性的，并非用于限定并本发明。
根据本发明一种实施例，所述滤波器为低通滤波器。
也就是，通过低通滤波器对乘法器28输出的信号进行低通滤波。
根据本发明一种实施例，所述第一探测器和所述第二探测器为光电探测器。
其中，光电探测器可以将探测到的光转换为电信号输出。
根据本发明一种实施例，所述检测光源和所述驱动光源均为激光源。
图2为本发明实施例中洛伦兹线型示意图。
通过快速扫描直接数字式频率合成器输出的激励信号，可以实时解算激励信号的同相分量Mj，可以得到在原子共振频率附近同相分量Mj呈洛伦兹色散曲线，如图2所示。
以上述图2所示的色散曲线零点为基础，每个解算周期中的Mj相对零点偏离量正比于Δω，因此将Mj比例放大、累加到直接数字式频率合成器输出频率增量，即可将Mj锁定为零，此时直接数字式频率合成器输出频率实时跟踪待测磁场，实现原子磁强计闭环控制。
本发明还提供了一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制方法，其中，该方法包括：
检测光源产生检测光并经原子气室入射至偏振分光棱镜，其中，所述原子气室内充有用于敏感角速率的介质，所述原子气室设置在激励线圈之间，所述激励线圈方向与检测光通过所述原子气室方向相同，驱动光源产生驱动光使所述原子气室中的原子指向同一方向，直接数字式频率合成器输出激励信号驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
所述偏振分光棱镜将通过所述原子气室的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器和第二探测器分别对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器对所述第一探测器的输出信号和所述第二探测器的输出信号进行相减；
乘法器对所述减法器输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器对所述乘法器输出的信号进行滤波；
累加器对所述滤波器输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器对激励信号进行反馈调节。
通过上述技术方案，可以在驱动—检测形式的基础上，设置激励线圈方向与检测光方向平行，由直接数字式频率合成器生成输出激励信号驱动激励线圈，使激励磁场与检测光同向，并将激励信号与探测器输出信号进行数采、相乘、滤波、累加后反馈调节激励信号，实现磁场测量。由此，无需传统磁强计所必需的移相环节，从根本上避免了相位误差导致的各类噪声，进而提高了磁强计的灵敏度和稳定性。
上述描述的方法与前述图1描述的系统相对应，具体示例说明可以参见前述关于图1描述的系统的说明，在此不再赘述。
图3为本发明实施例中磁强计噪声谱示意图。
如图3所示为本发明实现的标量原子磁强计噪声谱曲线图，其中上面的曲线为磁强计闭环工作时的噪声曲线，磁强计灵敏度达到0.1pT/Hz1/2，且具有很好的低频性能。图3中下面的曲线为磁强计量子噪声水平。
从上述实施例可以看出，本发明所述的系统和方法无需传统磁强计所必需的移相环节，从根本上避免了相位误差导致的各类噪声，进而提高了原子磁强计的稳定性。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制系统，其特征在于，该系统包括：
检测光源，用于产生检测光；
原子气室，所述原子气室内充有用于敏感角速率的介质；
驱动光源，用于产生驱动光，使所述原子气室中的原子指向同一方向；
激励线圈，所述原子气室设置在所述激励线圈之间，所述激励线圈方向与检测光通过所述原子气室方向相同；
直接数字式频率合成器，用于输出激励信号以驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
偏振分光棱镜，用于将通过所述原子气室的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器和第二探测器，分别用于对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器，用于对所述第一探测器的输出信号和所述第二探测器的输出信号进行相减；
乘法器，用于对所述减法器输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器，用于对所述乘法器输出的信号进行滤波；
累加器，用于对所述滤波器输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器对激励信号进行反馈调节。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一探测器和所述第二探测器为光电探测器。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述检测光源和所述驱动光源均为激光源。
5.一种基于同相激励的标量原子磁强计闭环控制方法，其特征在于，该方法包括：
检测光源产生检测光并经原子气室入射至偏振分光棱镜，其中，所述原子气室内充有用于敏感角速率的介质，所述原子气室设置在激励线圈之间，所述激励线圈方向与检测光通过所述原子气室方向相同，驱动光源产生驱动光使所述原子气室中的原子指向同一方向，直接数字式频率合成器输出激励信号驱动所述激励线圈产生同相激励磁场；
所述偏振分光棱镜将通过所述原子气室的检测光分为两路不同方向的偏振光；
第一探测器和第二探测器分别对两路不同方向的偏振光进行探测；
减法器对所述第一探测器的输出信号和所述第二探测器的输出信号进行相减；
乘法器对所述减法器输出的信号和直接数字式频率合成器输出的激励信号进行相乘；
滤波器对所述乘法器输出的信号进行滤波；
累加器对所述滤波器输出的信号进行累加平均并将累加平均后得到的信号输出至所述直接数字式频率合成器对激励信号进行反馈调节。
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