CN111856350A - 一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量serf原子磁梯度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪。包括地磁补偿线圈，初步抵消算法模块，闭环反馈抵消算法模块等。SERF磁力仪的原理限制了碱金属气室(磁敏感原件)必须工作于极弱磁场下，因此采用线圈对环境磁场进行主动抵消。在系统启动时，初步抵消算法模块通过不断降低磁共振频率使磁总场逐步逼近于0，进入SERF工作模式后自动形成闭环反馈进行磁场精密抵消，三轴线圈的控制信号通过换算可得三轴磁场矢量值。通过对检测光分为两部份或多部份分别探测，可形成磁梯度测量或阵列测量。通过改变锁相放大器的解调相位可进行磁测灵敏度优化。本发明具有高灵敏度与便携的优点，可应用于深空探测，海洋调查，矿产资源勘查等领域。

Description

一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪

技术领域

本发明属于磁场探测领域，尤其涉及采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free)原子磁梯度仪及其磁场与磁梯度测量方法，可以完成对于三轴磁场的矢量测量及特定轴方向上的梯度测量，具有高灵敏度与便携的优点，可应用于深空探测，海洋调查，矿产资源勘查等领域。

背景技术

随着科学技术的发展，对于极弱磁场的测量需求使人们对磁力仪的灵敏度、稳定性及功耗提出了越来越高的要求。这其中具有代表性的是超导量子磁强计(SQUID)。它是目前得到大量使用的灵敏度最高的磁力仪，但是它造价高昂，同时需要杜瓦装置超低温冷却，限制了它的应用范围。相比之下，光学磁力仪可长时间持续工作无需任何维护，因此成为便携式磁测设备的理想选择。近年来，通过无自旋交换弛豫机制(SERF)，SERF原子磁力仪的灵敏度更是超过了SQUIDs一举成为目前世界上最灵敏的磁传感器。另外在磁测领域中，磁场梯度测量能够抑制共模噪声，同时能够更为准确可靠地描述磁场异常。相比于其他磁力仪需要两个独立探头进行梯度测量，SERF原子磁力仪仅需单个气室，在不同点探测即可，能够实现更高的集成度及空间分辨率。

但SERF磁力仪的原理限制了碱金属气室(磁敏感原件)必须工作于极弱磁场下，一般采取的办法是利用高导磁材料制成磁屏蔽筒，被动屏蔽外界地磁场。但在磁源位于磁屏蔽筒外部的情况下，屏蔽筒会同时屏蔽磁源信号，碱金属原子无法响应屏蔽筒外的磁信号。例如深空探测，矿产资源勘查等领域，屏蔽式的SERF原子磁力仪无法应用。

近些年，科研工作者们针对SERF原子磁传感器去除屏蔽这一问题做出不懈的努力，争取把SERF原子磁传感器从屏蔽筒中解放出来。Romalis教授团队采用磁通门测量地磁偏置，并控制磁补偿线圈进行初步的磁场抵消，使环境磁场大小进入碱金属原子工作范围，之后在两个光轴的方向引入磁场调制，在输出信号中解调出三轴磁场，并进一步形成反馈进行磁场抵消。但由于其采用两个独立的气室进行梯度测量，导致装置复杂且体积庞大，同时磁通门引入一定的磁干扰，降低了系统磁测准确度。

CN103412268A中，北京航空航天大学董海峰教授团队同样采用线圈动态补偿的方式对环境磁场进行抵消，并采用了单光束测量方法降低了系统复杂度，采用三个轴依次扫描磁场寻光强极值的抵消算法进行初步的磁场抵消，但没有形成梯度测量，并且在背景磁场较大且未知的环境下，扫描磁场时光强的变化可能非常微弱不易检测，导致系统难以启动。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪。

本发明的技术方案如下：一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，该梯度仪包括：泵浦激光仪，检测激光，碱金属原子气室及其加热装置，地磁补偿线圈，三组反馈电流源，检测光探测系统，初步抵消算法模块，闭环反馈抵消算法模块，三轴矢量检测模块；

其中，泵浦激光完成对碱金属原子气室及其加热装置内碱金属原子的抽运，所述检测光探测系统对检测激光在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测形成两个通道，其中第一通道作为基准进行抵消，输出信号输入初步抵消算法模块及闭环反馈抵消算法模块中；在系统启动时，初步抵消算法模块在地磁补偿线圈的y轴施加一射频磁场，通过控制三组反馈电流源，使磁场偏置值与射频磁场频率共振，不断降低射频磁场频率，可使磁场偏置迅速衰减到0附近，使碱金属原子能够进入SERF工作模式；此时关闭初步抵消算法模块，启动闭环反馈抵消算法模块，第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块，x轴闭环反馈算法模块，以及z轴闭环反馈算法模块，分别完成对y轴，x轴，z轴磁场的精确补偿；z轴闭环反馈算法模块中的第三信号发生器提供x轴磁场调制，x轴闭环反馈算法模块中的第二信号发生器提供z轴磁场调制，闭环反馈抵消算法模块中的x轴的第四锁相放大器和z轴的第五锁相放大器优化解调相位后提取第一通道输出信号中对应频率分量的信号幅度，经由各自的控制器得到磁场抵消信号，分别与z轴闭环反馈算法模块和x轴闭环反馈算法模块的调制信号叠加后分别驱动三组反馈电流源中的z反馈电流源与x反馈电流源；y轴闭环反馈算法模块中的第二低通滤波器提取第一通道输出信号中的低频分量，经由y轴闭环反馈算法模块的第一控制器得到磁场抵消信号，驱动三组反馈电流源中的y反馈电流源；同时闭环反馈抵消算法模块中的三个模块中三个控制器的输出经比例换算分别提供了第一通道三轴矢量磁场值，y轴闭环反馈算法模块提供第一通道的y轴矢量磁场值，x轴闭环反馈算法模块提供第一通道的x轴矢量磁场值，z轴闭环反馈算法模块提供第一通道的z轴矢量磁场值。

进一步地，检测光探测系统对检测激光在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号，作为第一通道和第二通道，第二通道输出信号经由第二通道连接三轴矢量检测模块提取三轴磁场矢量信息，其中第二通道的三轴矢量检测模块包括第一低通滤波器提取y轴矢量信息，以及第二锁相放大器和第三锁相放大器经解调相位优化后分别提取x轴与z轴矢量信息，经比例换算分别与第一通道的三轴矢量磁场值叠加，x轴矢量信息与第一通道的x轴矢量磁场值叠加得到第二通道的x轴矢量磁场值，y轴矢量信息与第一通道的y轴矢量磁场值叠加得到第二通道的y轴矢量磁场值，z轴矢量信息与第一通道的z轴矢量磁场值叠加得到第二通道的z轴矢量磁场值；第二通道的三轴矢量检测模块中低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。

进一步地，地磁补偿线圈包括相互垂直的y轴方向抵消线圈、x轴线圈、以及z轴线圈，y轴线圈方向抵消线圈采用磁场均匀的螺线管，x轴线圈和z轴线圈采用鞍形线圈；或三个方向均采用球形线圈。

进一步地，碱金属原子气室及其加热装置，地磁补偿线圈均采用非磁性材料制成。

进一步地，碱金属原子气室及其加热装置，包括：PEEK保温上壳和PEEK保温下壳合在一起的PEEK保温外壳，在PEEK保温外壳内设置两片氮化硼导热陶瓷加热体，在氮化硼导热陶瓷加热体两侧通过PEEK固定螺丝固定在PEEK保温外壳的无磁扰加热片，两个氮化硼导热陶瓷加热体之间形成碱金属原子气室，所述PEEK保温外壳、两个氮化硼导热陶瓷加热体上在一条直线上开有通道，在通道的开口处设置通光玻璃，使得光可以穿过，设置铂电阻温度传感器采集碱金属原子气室的温度，所述的无磁扰加热片采用往复走线抵消加热电流产生的磁场干扰，同时采用高频电流驱动；所述的铂电阻温度传感器采用高频电流驱动。

进一步地，检测光探测系统包括增设多组光电探测器以及差分放大器，将检测光分成多个部分，形成探测阵列，同时对每个探测点输出信号增加相应的三轴矢量检测模块。

进一步地，所述检测光探测系统包括偏振分光棱镜将光分为两组、每组光通过两个光电探测器探测后，经过差分放大器放大。

进一步地，所述初步抵消算法模块的初步抵消算法包括以下步骤：

(1)初步抵消算法模块的信号发生器在y轴提供调制磁场，其频率为ω₀，同时作为初步抵消算法模块的第一锁相放大器参考信号；设定调制频率变化步长Δω₀；

(2)确定x，y和z三轴补偿磁场初值分别为B_x，B_y，B_z，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z；通过调整对应轴反馈电流源电流，驱动地磁补偿线圈控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U₀；

(3)固定y轴，z轴磁场输出不变，改变x轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U-，再改变x轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U₊；根据同相共振曲线规律，若U_-＜U₀＞U₊，说明共振点通向共振曲线的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x＝ΔB_x/2；若U_-＜U₀＜U₊，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令x方向输出B_x＝B_x+ΔB_x；同样若U_-＞U₀＞U₊，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x＝B_x-ΔB_x；若U_-＞U₀＜U₊，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x＝2ΔB_x，输出B_x保持不变；

(4)类似的，依次对y轴，z轴依照上述方法搜寻共振点；

(5)重复步骤1-4直至三轴磁场输出基本保持不变；

(6)改变y轴调制频率使ω₀＝ω₀-Δω₀，重复步骤1-5，直至ω₀小于特定值，地磁补偿线圈(10)输出磁场B_x，B_y，B_z逼近地磁场环境，使磁场偏置小到足以使碱金属原子进入SERF工作模式。

进一步地，采用锁相放大器解调相位方法包括以下步骤：

(1)测得系统磁共振线宽Δω，设定系统x轴调制磁场频率为ω_x，z轴调制磁场频率为ω_z；

(2)将第二通道的三轴矢量检测模块中的第三锁相放大器，z轴闭环反馈算法模块中的第五锁相放大器解调相位设定为

(3)将第二通道的三轴矢量检测模块中的第二锁相放大器，x轴闭环反馈算法模块中的第四锁相放大器解调相位设定为

本发明具有如下的优点及有益效果：

一是在非屏蔽大磁场环境下采用通过不断降低磁共振频率的方式使磁总场逐步逼近于0，实现了系统自启动；二是采用单束检测光实现了梯度测量，提高了梯度系统集成度；三是通过优化解调相位，在不降低调制频率(即不降低系统带宽)的前提下，提高了系统灵敏度。

初步抵消算法模块通过不断降低磁共振频率使磁总场逐步逼近于0，进入SERF工作模式后自动形成闭环反馈进行磁场精密抵消，三轴线圈的控制信号通过换算可得三轴磁场矢量值。通过对检测光分为两部份或多部份分别探测，可形成磁梯度测量或阵列测量。通过改变锁相放大器的解调相位可进行磁测灵敏度优化。本发明具有高灵敏度与便携的优点，可应用于深空探测，海洋调查，矿产资源勘查等领域。

附图说明

图1为本发明的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪结构图；

图2为检测光分为2×2的阵列的磁场阵列式探测示意图；

图3为碱金属原子气室及其加热装置结构图；

图4为磁总场值与调制信号频率共振曲线关系图；

1.闭环反馈抵消算法模块，2.y轴闭环反馈算法模块，3.x轴闭环反馈算法模块，4.z轴闭环反馈算法模块，5.检测光探测系统，6.差分放大器，7.偏振分光棱镜，8.光电探测器，9.泵浦激光，10.地磁补偿线圈，11.检测激光，12.碱金属原子气室及其加热装置，13.三组反馈电流源，14.初步抵消算法模块，15.第二通道三轴矢量检测模块，16.PEEK保温外壳，17.氮化硼导热陶瓷加热体，18.PEEK固定螺丝，19.碱金属原子气室，20.无磁扰加热片，21.通光玻璃，22.铂电阻温度传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪包括：泵浦激光9，检测激光11，碱金属原子气室及其加热装置12，地磁补偿线圈10，三组反馈电流源13，检测光探测系统5，初步抵消算法模块14，闭环反馈抵消算法模块1，第二通道三轴矢量检测模块15。所述检测光探测系统5包括偏振分光棱镜7、两组共四个光电探测器8、两个差分放大器6；所述闭环反馈抵消算法模块包括y轴闭环反馈算法模块2，x轴闭环反馈算法模块3，z轴闭环反馈算法模块4。

其中，泵浦激光9完成对碱金属原子气室及其加热装置12内碱金属原子的抽运，所述检测光探测系统5对检测激光11在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测形成两个通道，其中第一通道作为基准进行抵消，输出信号输入初步抵消算法模块14及闭环反馈抵消算法模块1中；在系统启动时，初步抵消算法模块14在地磁补偿线圈10的y轴施加一射频磁场，通过控制三组反馈电流源13，使磁场偏置值与射频磁场频率共振，不断降低射频磁场频率，可使磁场偏置迅速衰减到0附近，使碱金属原子能够进入SERF工作模式；此时关闭初步抵消算法模块14，启动闭环反馈抵消算法模块1，第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块2，x轴闭环反馈算法模块3，以及z轴闭环反馈算法模块4，分别完成对y轴，x轴，z轴磁场的精确补偿；z轴闭环反馈算法模块4中的第三信号发生器提供x轴磁场调制，x轴闭环反馈算法模块3中的第二信号发生器提供z轴磁场调制，闭环反馈抵消算法模块1中的x轴的第四锁相放大器和z轴的第五锁相放大器优化解调相位后提取第一通道输出信号中对应频率分量的信号幅度，经由各自的控制器得到磁场抵消信号，分别与z轴闭环反馈算法模块4和x轴闭环反馈算法模块2的调制信号叠加后分别驱动三组反馈电流源13中的z反馈电流源与x反馈电流源；y轴闭环反馈算法模块2中的第二低通滤波器提取第一通道输出信号中的低频分量，经由y轴闭环反馈算法模块2的第一控制器得到磁场抵消信号，驱动三组反馈电流源13中的y反馈电流源；同时闭环反馈抵消算法模块1中的三个模块中三个控制器的输出经比例换算分别提供了第一通道三轴矢量磁场值，y轴闭环反馈算法模块2提供第一通道的y轴矢量磁场值，x轴闭环反馈算法模块3提供第一通道的x轴矢量磁场值，z轴闭环反馈算法模块4提供第一通道的z轴矢量磁场值。

检测光探测系统5对检测激光11在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号，作为第一通道和第二通道，第二通道输出信号经由第二通道连接三轴矢量检测模块15提取三轴磁场矢量信息，其中第二通道的三轴矢量检测模块15包括第一低通滤波器提取y轴矢量信息，以及第二锁相放大器和第三锁相放大器经解调相位优化后分别提取x轴与z轴矢量信息，经比例换算分别与第一通道的三轴矢量磁场值叠加，x轴矢量信息与第一通道的x轴矢量磁场值叠加得到第二通道的x轴矢量磁场值，y轴矢量信息与第一通道的y轴矢量磁场值叠加得到第二通道的y轴矢量磁场值，z轴矢量信息与第一通道的z轴矢量磁场值叠加得到第二通道的z轴矢量磁场值；第二通道的三轴矢量检测模块15中低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。

地磁补偿线圈包括相互垂直的y轴方向抵消线圈、x轴线圈、以及z轴线圈，y轴线圈方向抵消线圈采用磁场均匀的螺线管，x轴线圈和z轴线圈采用鞍形线圈；或三个方向均采用球形线圈。

碱金属原子气室及其加热装置12，地磁补偿线圈10均采用非磁性材料制成。

本实施例中，碱金属原子气室及其加热装置12，包括：PEEK保温上壳和PEEK保温下壳合在一起的PEEK保温外壳16，在PEEK保温外壳16内设置两片氮化硼导热陶瓷加热体17，在氮化硼导热陶瓷加热体17两侧通过PEEK固定螺丝18固定在PEEK保温外壳16的无磁扰加热片20，两个氮化硼导热陶瓷加热体17之间形成碱金属原子气室19，所述PEEK保温外壳16、两个氮化硼导热陶瓷加热体17上在一条直线上开有通道，在通道的开口处设置通光玻璃21，使得光可以穿过，设置铂电阻温度传感器22采集碱金属原子气室19的温度，所述的无磁扰加热片20采用往复走线抵消加热电流产生的磁场干扰，同时采用高频电流驱动；所述的铂电阻温度传感器22采用高频电流驱动。

其三轴矢量及梯度测量实现方式为：所述检测光探测系统5对检测激光11在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号。其中第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块2，其中y轴闭环反馈算法模块2包括第二低通滤波器以及第一控制器，通过第一控制器连接至y反馈电流源，x轴闭环反馈算法模块3包括第四锁相放大器、第二控制器，以及第二信号发生器，其中z轴闭环反馈算法模块4包括第五锁相放大器、第三控制器以及第三信号发生器，分别完成对y轴，x轴，z轴磁场的精确补偿。z轴闭环反馈算法模块4中的第三信号发生器提供x轴磁场调制，x轴闭环反馈算法模块5中的第二信号发生器提供z轴磁场调制，第四锁相放大器和第五锁相放大器优化解调相位4后提取第一通道输出信号中对应频率分量的信号幅度，经由闭环反馈抵消算法模块1中的三个控制器得到三分量磁场抵消信号，与其中x轴与z轴抵消信号分别与第三信号发生器与第二信号发生器提供的调制信号叠加后驱动三组反馈电流源13中的x反馈电流源与z反馈电流源，抵消x与z轴方向的背景磁场，使x与z轴分量磁场维持为0；y轴闭环反馈算法模块2中的第二低通滤波器提取第一通道输出信号中的低频分量，经由第一控制器得到磁场抵消信号，驱动三组反馈电流源13中的y反馈电流源，抵消y轴方向的背景磁场，使y轴分量磁场维持为0。同时三个模块中控制器的输出经比例换算分别提供了第一通道三轴矢量磁场值。第二通道输出信号经由三轴矢量检测模块15中的第一低通滤波器、第二锁相放大器和第三锁相放大器分别提取得到y轴、x与z轴三轴磁场矢量信息。经比例换算分别与第一通道y、x与z轴矢量磁场值叠加，得到第二通道三轴矢量磁场值。第二通道三轴矢量检测模块15中第一低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。

其磁场阵列测量实现方式为：检测光探测系统5中，通过增加多组光电探测器8及差分放大器6，可以将检测光分成多个部分，形成探测阵列，同时对每个探测点输出信号增加相应的三轴矢量检测模块15，可以实现磁场阵列检测或磁张量检测。如图2所示，四组光电探测器8将检测光分为2×2的阵列，对应的4个差分放大器6输出4个通道的信号，由1个闭环反馈抵消算法模块1及3个三轴矢量检测模块15完成磁场的抵消及2×2的磁场阵列式测量，其中选择任意一个作为基准通道，进行磁场抵消(环反馈抵消算法模块1)，剩下的通道对应三轴矢量检测模块15，其中每个都能解调出各自的x、y、z三轴矢量信息，加上基准通道的三轴磁场值(也就是被抵消掉的背景磁场值)，就得到各自通道的三轴磁场值。

其启动时初步抵消算法原理为：初步抵消算法模块中14的第一信号发生器在y轴提供调制磁场，其频率为ω₀，磁总场值B＝ω/γ与调制信号共振曲线如图4所示，其中γ为碱金属原子旋磁比。可以看到第一锁相放大器同相解调信号在ω＝ω₀时，即总场值与调制信号共振时达到最大。固定任意两轴磁场，单独改变一轴磁场，使解调信号达到最大，则此时总场值最接近共振值，循环扫描三轴磁场则可使总场达到与调制信号共振。通过以上方法不断降低调制信号频率，则最终可使总场逼近于零。由此可设计初步抵消算法：

(1)初步抵消算法模块中14中的第一信号发生器在y轴提供调制磁场，其频率为ω₀，同时作为初步抵消算法模块中14中的第一锁相放大器参考信号。设定调制频率变化步长Δω₀；

(2)确定x，y和z三轴补偿磁场初值分别为B_x，B_y，B_z，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z。通过调整对应轴反馈电流源13电流，驱动地磁补偿线圈10控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时锁相放大器同相信号输出U₀；

(3)固定y，z轴磁场输出不变，改变x轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块中14中的第一锁相放大器同相信号输出U_，再改变x轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块中14中的第一锁相放大器同相信号输出U₊；根据同相共振曲线规律，若U_-＜U₀＞U₊，说明共振点即通向共振曲线的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x＝ΔB_x/2；若U_-＜U₀＜U₊，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令x方向输出B_x＝B_x+ΔB_x；同样若U_-＞U₀＞U₊，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x＝B_x-ΔB_x；若U_-＞U₀＜U₊，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x＝2ΔB_x，输出B_x保持不变；

(4)类似的，依次对y轴，z轴依照上述方法搜寻共振点；

(5)重复步骤1-4直至三轴磁场输出基本保持不变。

(6)改变y轴调制频率使ω₀＝ω₀-Δω₀，重复步骤1-5，直至ω₀小于特定值，地磁补偿线圈10输出磁场B_x，B_y，B_z逼近地磁场环境，使磁场偏置小到足以使碱金属原子进入SERF工作模式。

系统进入SERF工作模式后，可自动形成闭环反馈，对磁场进行精细抵消。其中x与z轴磁场解调过程中对锁相放大器解调相位进行优化，其原理为：碱金属原子的抽运及在磁场中的进动可由Bloch方程描述，

其中P为碱金属原子极化矢量，B为碱金属原子所处磁场，R_p为泵浦速率，s为z方向光泵浦矢量，R_rel为总弛豫。

当在x轴引入调制磁场

仅z方向具有偏置磁场

时，可以解得x方向碱金属原子极化矢量P_x为：

P₀为稳态下的自旋极化，Δω为系统磁共振线宽。由此可以看到单独解调同相或正交信号无法获得最大灵敏度。其正交信号项与同相信号项在ω_z0＝0处对ω_z0的导数之比为2ω_x，因此对B_z0最灵敏的最优解调相位应设定为：

当在z轴引入调制磁场

仅x方向具有偏置磁场

时，可以解得x方向碱金属原子极化矢量P_x为：

由此可以看到此处单独解调同相或正交信号也无法获得最大灵敏度。其正交信号项与同相信号项在ω_x0＝0处对ω_z0的导数之比为ω_z/Δω，因此对B_x0最灵敏的最优解调相位应设定为：

由此可设计锁相放大器解调相位优化方法，即非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪灵敏度优化方法，实现步骤如下：

(1)测得系统磁共振线宽Δω，设定系统x轴调制磁场频率为ω_x，z轴调制磁场频率为ω_z；

(2)将第二通道的三轴矢量检测模块15中解调z轴磁场信息的第二锁相放大器，z轴闭环反馈算法模块4中的第五锁相放大器解调相位设定为

(3)将第二通道三轴矢量检测模块15，x轴闭环反馈算法模块3中解调x轴磁场信息的第三相放大器和第五锁相放大器解调相位设定为

下面结合具体实例进行详细说明。

采用铷⁸⁷Rb原子进行探测，泵浦激光9对铷原子完成抽运，铷原子在磁场中开始进动，检测激光11对铷原子的进动进行探测，进动信号中携带了磁场的信息。探测系统5对检测激光11在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号，进行磁梯度测量。

首先，利用初步抵消算法对环境磁场进行初步补偿，使之逐步趋近于0，从而使铷原子进入SERF工作模式。如图4所示，按照磁总场与调制信号共振曲线的规律进行磁场抵消：

(1)信号发生器在y轴提供调制磁场，其频率为ω₀＝70kHz，同时作为锁相放大器参考信号。设定调制频率变化步长1kHz；

(2)确定x，y和z三轴补偿磁场初值分别为B_x＝15000nT，B_y＝15000nT，B_z＝15000nT，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x＝2000nT，ΔB_y＝2000nT，ΔB_z＝2000nT。通过调整对应轴反馈电流源13电流，驱动地磁补偿线圈10控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时锁相放大器同相信号输出U₀；

(3)固定y，z轴磁场输出不变，改变x轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时锁相放大器同相信号输出U_-，再改变x轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时锁相放大器同相信号输出U₊；根据同相共振曲线规律，若U_-＜U₀＞U₊，说明共振点即通向共振曲线的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x＝ΔB_x/2；若U_-＜U₀＜U₊，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令x方向输出B_x＝B_x+ΔB_x；同样若U_-＞U₀＞U₊，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x＝B_x-ΔB_x；若U_-＞U₀＜U₊，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x＝2ΔB_x，输出B_x保持不变；

(4)类似的，依次对y轴，z轴依照上述方法搜寻共振点；

(5)重复步骤1-4直至三轴磁场输出基本保持不变。

(6)改变y轴调制频率使ω₀＝ω₀-1kHz，重复步骤1-5，直至调制频率ω₀小于2kHz，地磁补偿线圈10输出磁场B_x，B_y，B_z逼近地磁场环境，剩余磁场小于300nT，使碱金属原子进入SERF工作模式。

系统进入SERF工作模式后，可自动形成闭环反馈，对磁场进行精细抵消。其中第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块2，由锁相放大器与低通滤波提取出各轴磁场信息，由控制器进行运算后输出闭环控制信号提供给反馈电流源13，将第一通道处的磁场精确补偿到零点。此时各控制器的输出分别与三轴磁场成正比，经比例换算后分别提供了第一通道三轴矢量磁场值。第二通道输出信号经由第二通道三轴矢量检测模块15提取三轴磁场矢量信息。经比例换算分别与第一通道三轴矢量磁场值叠加，得到第二通道三轴矢量磁场值。第二通道三轴矢量检测模块15中低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。

其中x与z轴磁场解调过程中对锁相放大器解调相位进行优化，

(1)测得系统磁共振线宽Δω＝180Hz，设定系统x轴调制磁场频率为ω_x＝270Hz，z轴调制磁场频率为ω_z＝330Hz；

(2)将第二通道三轴矢量检测模块15，z轴闭环反馈算法模块4中解调z轴磁场信息的两个锁相放大器解调相位设定为

(3)将第二通道三轴矢量检测模块15，x轴闭环反馈算法模块3中解调x轴磁场信息的两个锁相放大器解调相位设定为

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员可以理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于，该梯度仪包括：泵浦激光仪(9)，检测激光(11)，碱金属原子气室及其加热装置(12)，地磁补偿线圈(10)，三组反馈电流源(13)，检测光探测系统(5)，初步抵消算法模块(14)，闭环反馈抵消算法模块(1)，三轴矢量检测模块(15)；

其中，泵浦激光(9)完成对碱金属原子气室及其加热装置(12)内碱金属原子的抽运，所述检测光探测系统(5)对检测激光(11)在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测形成两个通道，其中第一通道作为基准进行抵消，输出信号输入初步抵消算法模块(14)及闭环反馈抵消算法模块(1)中；在系统启动时，初步抵消算法模块(14)在地磁补偿线圈(10)的y轴施加一射频磁场，通过控制三组反馈电流源(13)，使磁场偏置值与射频磁场频率共振，不断降低射频磁场频率，可使磁场偏置迅速衰减到0附近，使碱金属原子能够进入SERF工作模式；此时关闭初步抵消算法模块(14)，启动闭环反馈抵消算法模块(1)，第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块(2)，x轴闭环反馈算法模块(3)，以及z轴闭环反馈算法模块(4)，分别完成对y轴，x轴，z轴磁场的精确补偿；z轴闭环反馈算法模块(4)中的第三信号发生器提供x轴磁场调制，x轴闭环反馈算法模块(3)中的第二信号发生器提供z轴磁场调制，闭环反馈抵消算法模块(1)中的x轴的第四锁相放大器和z轴的第五锁相放大器优化解调相位后提取第一通道输出信号中对应频率分量的信号幅度，经由各自的控制器得到磁场抵消信号，分别与z轴闭环反馈算法模块(4)和x轴闭环反馈算法模块(2)的调制信号叠加后分别驱动三组反馈电流源(13)中的z反馈电流源与x反馈电流源；y轴闭环反馈算法模块(2)中的第二低通滤波器提取第一通道输出信号中的低频分量，经由y轴闭环反馈算法模块(2)的第一控制器得到磁场抵消信号，驱动三组反馈电流源(13)中的y反馈电流源；同时闭环反馈抵消算法模块(1)中的三个模块中三个控制器的输出经比例换算分别提供了第一通道三轴矢量磁场值，y轴闭环反馈算法模块(2)提供第一通道的y轴矢量磁场值，x轴闭环反馈算法模块(3)提供第一通道的x轴矢量磁场值，z轴闭环反馈算法模块(4)提供第一通道的z轴矢量磁场值。

2.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：检测光探测系统(5)对检测激光(11)在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号，作为第一通道和第二通道，第二通道输出信号经由第二通道连接三轴矢量检测模块(15)提取三轴磁场矢量信息，其中第二通道的三轴矢量检测模块(15)包括第一低通滤波器提取y轴矢量信息，以及第二锁相放大器和第三锁相放大器经解调相位优化后分别提取x轴与z轴矢量信息，经比例换算分别与第一通道的三轴矢量磁场值叠加，x轴矢量信息与第一通道的x轴矢量磁场值叠加得到第二通道的x轴矢量磁场值，y轴矢量信息与第一通道的y轴矢量磁场值叠加得到第二通道的y轴矢量磁场值，z轴矢量信息与第一通道的z轴矢量磁场值叠加得到第二通道的z轴矢量磁场值；第二通道的三轴矢量检测模块(15)中低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。

3.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：地磁补偿线圈包括相互垂直的y轴方向抵消线圈、x轴线圈、以及z轴线圈，y轴线圈方向抵消线圈采用磁场均匀的螺线管，x轴线圈和z轴线圈采用鞍形线圈；或三个方向均采用球形线圈。

4.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：碱金属原子气室及其加热装置(12)，地磁补偿线圈(10)均采用非磁性材料制成。

5.根据权利要求4所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：碱金属原子气室及其加热装置(12)，包括：PEEK保温上壳和PEEK保温下壳合在一起的PEEK保温外壳(16)，在PEEK保温外壳(16)内设置两片氮化硼导热陶瓷加热体(17)，在氮化硼导热陶瓷加热体(17)两侧通过PEEK固定螺丝(18)固定在PEEK保温外壳(16)的无磁扰加热片(20)，两个氮化硼导热陶瓷加热体(17)之间形成碱金属原子气室(19)，所述PEEK保温外壳(16)、两个氮化硼导热陶瓷加热体(17)上在一条直线上开有通道，在通道的开口处设置通光玻璃(21)，使得光可以穿过，设置铂电阻温度传感器(22)采集碱金属原子气室(19)的温度，所述的无磁扰加热片(20)采用往复走线抵消加热电流产生的磁场干扰，同时采用高频电流驱动；所述的铂电阻温度传感器(22)采用高频电流驱动。

6.根据权利要求1或2所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：检测光探测系统包括增设多组光电探测器(8)以及差分放大器(6)，将检测光分成多个部分，形成探测阵列，同时对每个探测点输出信号增加相应的三轴矢量检测模块(15)。

7.根据权利要求1或2所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：所述检测光探测系统(5)包括偏振分光棱镜(7)将光分为两组、每组光通过两个光电探测器(8)探测后，经过差分放大器(6)放大。

8.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：所述初步抵消算法模块的初步抵消算法包括以下步骤：

(1)初步抵消算法模块的信号发生器在y轴提供调制磁场，其频率为ω₀，同时作为初步抵消算法模块的第一锁相放大器参考信号；设定调制频率变化步长Δω₀；

(2)确定x，y和z三轴补偿磁场初值分别为B_x，B_y，B_z，并设定三轴磁场变化步长分别ΔB_x，ΔB_y，ΔB_z；通过调整对应轴反馈电流源(13)电流，驱动地磁补偿线圈(10)控制三轴输出补偿磁场B_x，B_y，B_z，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U₀；

(3)固定y轴，z轴磁场输出不变，改变x轴输出为B_x-ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U_-，再改变x轴输出为B_x+ΔB_x，记录此时初步抵消算法模块的第一锁相放大器同相信号输出U₊；根据同相共振曲线规律，若U_-＜U₀＞U₊，说明共振点通向共振曲线的最大值点，就在[B_x-ΔB_x，B_x+ΔB_x]之间，故输出B_x保持不变，而搜索范围减小一半，步长变为ΔB_x＝ΔB_x/2；若U_-＜U₀＜U₊，说明零点在B_x+ΔB_x右侧，步长保持不变，则令x方向输出B_x＝B_x+ΔB_x；同样若U_-＞U₀＞U₊，说明零点在B_x-ΔB_x左侧，步长保持不变，而B_x＝B_x-ΔB_x；若U_-＞U₀＜U₊，则无法判断零点位置，需扩大搜索范围，使步长ΔB_x＝2ΔB_x，输出B_x保持不变；

(4)类似的，依次对y轴，z轴依照上述方法搜寻共振点；

(5)重复步骤1-4直至三轴磁场输出基本保持不变；

(6)改变y轴调制频率使ω₀＝ω₀-Δω₀，重复步骤1-5，直至ω₀小于特定值，地磁补偿线圈(10)输出磁场B_x，B_y，B_z逼近地磁场环境，使磁场偏置小到足以使碱金属原子进入SERF工作模式。

9.根据权利要求2所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于，采用锁相放大器解调相位方法包括以下步骤：

(1)测得系统磁共振线宽Δω，设定系统x轴调制磁场频率为ω_x，z轴调制磁场频率为ω_z；

(2)将第二通道的三轴矢量检测模块(15)中的第三锁相放大器，z轴闭环反馈算法模块(4)中的第五锁相放大器解调相位设定为

(3)将第二通道的三轴矢量检测模块(15)中的第二锁相放大器，x轴闭环反馈算法模块(3)中的第四锁相放大器解调相位设定为

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