CN111044946B - 一种多峰闭环无方向盲区cpt磁力仪系统 - Google Patents
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Abstract
一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,该系统采用分时调制方法调制微波信号频率,将微波信号频率同时锁定在4组EIT信号上,4组EIT信号包含±3级(或±1级)和±2级EIT峰,通过测量±2级EIT峰或±3级EIT峰的频差实现磁场的高精度测量。由于系统同时锁定4组EIT信号,当磁场方向发生变化时,若±3级和±1级(或±2级)EIT峰消失时可通过测量±2级(或±3级和±1级)EIT峰的频差实现磁场测量,因此可实现一种无方向盲区CPT磁力仪,并且在磁场方向改变时不需要切换测量模式,可保证磁场连续测量,具有极高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现无方向盲区测量的CPT磁力仪系统,属于微波频率锁定领域。
背景技术
CPT磁力仪具有小体积、低功耗、高精度、无方向盲区等特点,有望取代光泵磁力仪应用于空间测磁、海洋测磁、航空测磁等领域。
CPT磁力仪是基于原子精细结构能级在磁场中的塞曼劈裂现象,通过检测原子两个跃迁通道之间干涉引起的透射光谱特性来实现对磁场的测量。在∧型三能级系统中,能级|1>,|2>为基态能级,|3>为激发态能级。两束相干光作用于原子,它们的频率为ω1和ω2,分别对应着两个基态和激发态之间的跃迁频率。在这样的情况下,能级|1>和|2>会处于相干叠加态,此时原子不再可能发生基态向激发态的跃迁,原子布居被陷俘在基态上,因此不再吸收光,上述即为CPT现象,所产生的信号称为EIT信号,CPT磁力仪正是通过测量EIT信号间的微波频率进而实现高精度的磁场测量。
EIT信号会随着外界磁场与激光夹角的变化发生变化。图1中给出了激光与磁场方向平行时的EIT信号,此时只存在±2级和0级EIT信号,而±3级和±1级EIT信号消失;同理当激光方向与磁场方向垂直时,如图2所示,此时只存在±3级和±1级EIT信号,而±2级和0级EIT信号消失。若只通过锁定2个EIT信号峰测量磁场,若激光和磁场方向变化,则锁定的2个EIT信号可能消失,此时磁力仪工作异常,即磁力仪存在测量盲区。
发明内容
本发明解决的技术问题为:克服现有技术不足,提出一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,解决了采用2个EIT信号测量时存在方向盲区,需要切换测量模式的问题。
本发明采用的技术方案为:
一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,包括:
正弦调频模块:通过微波源产生一个单一频率的微波信号,对该微波信号进行单边带正弦调频,调制频率为fm,调频范围为Am;
中心频率调整模块:改变单边带正弦调频之后的微波信号的中心频率,将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率;
微分信号获取模块:根据调整得到的-3级或-1级EIT信号的中心频率,采用相敏检波方法,获取-3级或-1级EIT信号的微分信号,记为P′(-3)或P′(-1);
循环改变模块:依次改变微波信号的中心频率:将中心频率调整为f0-γB、f0+γB和的组合,或者调整为f0-γB、f0+γB和的组合,分别采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合,或者得到微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合;
待测磁场值确定模块:将循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加组合成总的误差信号P′(B)注入数字PID控制器中;数字PID控制器通过调节B使误差信号P′(B)为零,构成PID闭环控制系统,此时PID信号调节的B值即为待测磁场值。
进一步的,将产生的单一频率的微波信号注入激光器,对激光器光强进行调制产生的调制后激光中包含两个边带光,将调制后的激光注入内部充有碱金属的玻璃气室中,通过测量透射光功率的变化实现解调出EIT信号。
进一步的,所述调制频率fm为11Hz~3kHz,调频范围为Am根据EIT信号线宽优化选择,为60Hz~2kHz。
进一步的,将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率,即或其中B为外界待测磁场值,γ为碱金属原子介质的旋磁比,f0为零级EIT信号峰的中心频率,其为固定值,对于铷87来说,f0=3417.344MHz。
进一步的,当微分信号获取模块中获取的是P′(-3)时,循环改变模块中将中心频率调整为f0-γB、f0+γB和的组合,采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合。
进一步的,当微分信号获取模块中获取的是P′(-1)时,循环改变模块中将中心频率调整为f0-γB、f0+γB和的组合,采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合。
进一步的,循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加,可以采用EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合进行相加,也可以采用微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合进行相加。
进一步的,所述的单边带调制是指对微波频率进行移频。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明采用一种4峰闭环分时调试解调模式,通过把4个EIT信号的误差信号合并为一个,通过PID控制器反馈调节实现外界磁场测量,当磁场方向变化时,4个EIT峰总会存在至少2个EIT信号峰,因此误差信号总是存在,与传统单峰测量方式相比不会存在测量盲区,并且不需要进行模式切换,可解决传统测量方式在模式切换过程中会产生失锁进而导致测量异常的问题;
(2)本发明采用分时调制的方式获取4组EIT信号的误差信号,可有效提高信号的信噪比,并避免4组EIT信号相互干扰,影响磁力仪测量精度;
(3)本发明通过测量EIT信号之间的微波频率进行高精度的磁场测量,与单峰闭环系统相比,可消除微波频率不稳定问题对测量精度的影响,可有效消除微波频率不稳定产生的磁场测量误差。
附图说明
图1为激光和磁场方向平行时跟踪±2级峰示意图;
图2为激光和磁场方向垂直时跟踪±1级峰或±3级峰示意图;
图3为本发明一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,通过同时锁定4个EIT信号峰实现磁场测量,不存在测量盲区和模式切换,具有极高的工程应用价值,无论磁场方向如何变化,都能保证至少有2个EIT信号可提供磁场测量,即实现无方向盲区的CPT磁力仪。
下面结合附图进行详细说明。
如图3所示,本发明提出了一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,包括:
正弦调频模块:通过微波源产生一个单一频率的微波信号,对该微波信号进行单边带正弦调频,调制频率为fm,调频范围为Am;
所述调制频率fm为11Hz~3kHz,调频范围为Am根据EIT信号线宽优化选择,为60Hz~2kHz。单边带调制是指对微波频率进行移频。
中心频率调整模块:改变单边带正弦调频之后的微波信号的中心频率,将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率;将产生的单一频率的微波信号注入激光器,对激光器光强进行调制产生的调制后激光中包含两个边带光,将调制后的激光注入内部充有碱金属的玻璃气室中,通过测量透射光功率的变化实现解调出EIT信号。
将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率,即或其中B为外界待测磁场值,γ为碱金属原子介质的旋磁比,f0为零级EIT信号峰的中心频率,其为固定值,对于铷87来说,f0=3417.344MHz。
微分信号获取模块:根据调整得到的-3级或-1级EIT信号的中心频率,采用相敏检波方法,获取-3级或-1级EIT信号的微分信号,记为P′(-3)或P′(-1);
循环改变模块:依次改变微波信号的中心频率:将中心频率调整为f0-γB、f0+γB和的组合,或者调整为f0-γB、f0+γB和的组合,分别采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合,或者得到微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合;
具体的,当微分信号获取模块中获取的是P′(-3)时,循环改变模块中将中心频率调整为f0-γB、f0+γB和的组合,采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合。
所述获取的EIT信号的微分信号相加,可以采用EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合进行相加,也可以采用微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合进行相加。
待测磁场值确定模块:将循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加组合成总的误差信号P′(B)注入数字PID控制器中;数字PID控制器通过调节B使误差信号P′(B)为零,构成PID闭环控制系统,此时PID信号调节的B值即为待测磁场值。
给出本发明实施例:
本发明磁力仪系统的工作过程包括:
(一)、微波源电路产生一个单一频率的微波信号,微波信号的频率为f0=3417.344MHz。
(二)、将微波信号注入单边带调制器,单边带调制器可将微波信号进行移频,移频频率为DDS2模块输入正弦信号的频率,一般DDS2产生的正弦信号频率为1kHz~1.2MHz,可覆盖150nT~105nT范围内的磁场测量。
(三)、将单边带调制器输出的微波信号注入Vcsel激光器中,对激光器光强进行调制产生两个边带光,两个边带光频率相差6834.688MHz,这两束边带光是产生EIT信号的前提条件。
(四)、将调制后的激光注入内部充有碱金属87Rb的玻璃气室中,在气室背后放置一块光电探测器接收激光的光功率变化,通过测量透射光功率的变化实现解调出EIT信号;
(五)、光电探测器输出的电压信号经滤波放大电路后输入给A/D转换器转换为数字信号,A/D转换器要求转换精度为12bit以上;
(六)、直接数字频率合成模块DDS1产生10Hz~1kHz的正弦调制信号输入给DDS2模块,对DDS2输出的正弦信号进行调频;
(七)、EIT信号选择器将当前锁定的EIT信号峰设置为-3级峰(或-1级峰);
(八)、将DDS1输出的正弦信号和A/D转换器输出的数字信号进行相敏检波,得到当前EIT峰的误差信号(微分信号);
(九)、EIT信号选择器更换当前锁定的EIT信号,循环选择-3级峰(或-1级峰)→-2级峰→+2级峰→+3级峰(或+1级峰),并通过相敏检波分别获取各自的EIT误差信号;
(十)、EIT信号选择器通过控制4峰EIT信号合成器将4个EIT信号合并为1组误差信号注入PID控制器;
(十一)、PID控制器将测量磁场值注入EIT信号选择器,EIT信号选择器可将磁场值转换为微波频率进而调节4个EIT信号峰之间的微波频率间距,进而调节4峰合成器输出的误差信号,当4峰合成器输出的误差信号为零时4峰处于锁定状态,此时PID控制器输出即为待测磁场值B。
本发明采用的是一种4峰闭环分时调试解调模式,通过把4个EIT信号的误差信号合并为一个,通过PID控制器反馈调节实现外界磁场测量,当磁场方向变化时,4个EIT峰总会存在至少2个EIT信号峰,因此误差信号总是存在,与传统单峰测量方式相比不会存在测量盲区,并且不需要进行模式切换,可解决传统测量方式在模式切换过程中会产生失锁进而导致测量异常的问题。
Claims (8)
1.一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于包括:
正弦调频模块:通过微波源产生一个单一频率的微波信号,对该微波信号进行单边带正弦调频,调制频率为fm,调频范围为Am;
中心频率调整模块:改变单边带正弦调频之后的微波信号的中心频率,将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率;
微分信号获取模块:根据调整得到的-3级或-1级EIT信号的中心频率,采用相敏检波方法,获取-3级或-1级EIT信号的微分信号,记为P′(-3)或P′(-1);
循环改变模块:
待测磁场值确定模块:将循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加组合成总的误差信号P′(B)注入数字PID控制器中;数字PID控制器通过调节B使误差信号P′(B)为零,构成PID闭环控制系统,此时PID信号调节的B值即为待测磁场值;
其中B为外界待测磁场值,γ为碱金属原子介质的旋磁比,f0为零级EIT信号峰的中心频率。
2.根据权利要求1所述的一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于:将产生的单一频率的微波信号注入激光器,对激光器光强进行调制产生的调制后激光中包含两个边带光,将调制后的激光注入内部充有碱金属的玻璃气室中,通过测量透射光功率的变化实现解调出EIT信号。
3.根据权利要求1所述的一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于:所述调制频率fm为11Hz~3kHz,调频范围为Am根据EIT信号线宽确定为60Hz~2kHz。
5.根据权利要求1所述的一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于:循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加,可以采用EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合进行相加,也可以采用微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合进行相加。
7.根据权利要求1所述的一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于:所述的单边带正弦调频是指对微波频率进行移频。
8.根据权利要求2所述的一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统,其特征在于:两个边带光频率相差6834.688MHz。
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