CN112433186A - 低功耗核磁共振量子磁强计测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其包括四个独立的解调模块，利用低噪声抗强干扰的数字解调方法实现信号解调，其中三个解调模块配合单片机处理器实现三个温度反馈控制，另外一个解调模块配合单片机处理完成磁场闭环控制，并将信号传递给直接数字式频率合成器，进而求解外部磁场；同时，采用两个激光器分别发射检测激光和驱动激光，其光强和频率等可以独立控制，先后发射正交的两束激光使原子自旋极化并产生偏振后分离，两束激光不会相互干扰，可实现良好的探测效果；增加GPS模块，可使磁强计应用在航磁检测等领域时可为载体提供高精度定位信息。本发明可实现低功耗高精度测量，满足金属资源勘探和微弱磁异常信号检测要求。

Description

低功耗核磁共振量子磁强计测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于磁探测技术领域，特别是一种低功耗核磁共振量子磁强计测量系统及其测量方法。

背景技术

铁磁性物质在地磁场作用下产生磁异常信号，磁异常探测通过探测磁异常信号实现对铁磁性物质的识别、定位与跟踪。磁异常信号微弱并且频率主要分布在0.001～1Hz,因此探测磁异常信号需要高精度磁强计。

核磁共振磁强计是以惰性气体原子核自旋磁矩的拉莫尔进动为参考基准，通过测量拉莫尔进动频率或相位观测值的改变来实现磁场的测量。原子核既自旋，又围绕外磁场方向发生的进动称为拉莫尔进动。凡是利用微观世界中与磁场有关的要用量子理论解释现象来测量磁场的仪器，都可称为量子磁强计,不过在习惯上，通常把核子旋进磁强计和光泵磁强计称为量子磁强计。这两类磁强计都是利用亚原子粒子即质子、电子的自旋。

常见的核子旋进磁力仪即质子磁力仪有三种：质子磁力仪，欧弗豪泽效应质子磁力仪和³He核子旋进磁力仪。前两者利用氢原子核即质子的自旋磁矩在外磁场中的旋进来测量磁场。而³He磁力仪则是利用³He的核磁矩在外磁场中的旋进来测量磁场。

常规的质子磁力仪使用静态极化磁化方法是富含质子的液体如水的氢核质子的磁矩极化，就是在垂直于外磁场的方向施加一个很强的恒定磁场磁化极其微弱的核磁矩，形成一个宏观磁矩。测出这个宏观磁矩在外磁场中的拉莫尔频率，即可得到外磁场的值。目前质子磁力仪广泛应用于地面测磁。

欧弗豪泽效应质子磁力仪在富含质子的溶液中加入某种自由基，用几十兆赫的交变磁场使自由基的电子极化，由于自由基电子和溶剂的质子之间有效耦合，自由基电子的极化使溶液中质子自旋强烈极化，形成宏观磁矩，测出这个宏观磁矩在外磁场中的拉莫尔频率，即可得到外磁场的值。这种方法称为动态极化法，动态极化法与静态极化法相比，功率要节省很多。

³He是氦核的一个天然同位素，³He的核由两个质子和一个中子组成，具有核自旋磁矩。³He的外层有两个电子，其轨道磁矩核自旋磁矩分别互相抵消，因此，³He只有核磁矩。³He磁力仪特点是横向弛豫时间很长，可达到5-6小时，这意味着形成宏观核磁矩之后，拉莫尔旋进可持续几小时到几天。³He磁力仪中使用光泵方法是³He的核磁矩极化，形成宏观磁矩，同样，测出红光磁矩在外磁场中的拉莫尔频率则可测得外磁场值。

光泵磁强计利用某些气态碱金属铯、钾、铷原子电子壳层结构最外层配对电子核氦4(⁴He)原子(亚稳态正氦)的电子的自旋磁矩。如果用特定频率的射频例如0.1MHz～1.6MHz照射原子,可引发次能级之间的跃迁。透过工作物质的光波强度减弱。跟踪锁定光波强度最弱时的射频频率，就是拉莫尔频率，由B＝ω/γ即可得到外磁场的数值，其中γ为旋磁比。

尽管质子磁力仪测量可靠性强，技术比较成熟且结构相对简单，但其耗电量大，无法长期连续测量。光泵磁力仪可长期连续测量且精度高，双激光发射器可实现分别独立控制频率及电流，但是如何使光泵磁力仪体积更小，低功率化仍是现在磁力仪研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其通过独立的解调模块与单片机处理器相互配合，采用独立的解调模块对温度信号和激光信号进行解调，实现温度和磁场的闭环控制同时与单片机协同处理信号降低系统的功耗，实现低功耗下核磁共振量子磁强计精确和高效测量的目的。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其包括单片机处理器、原子气室、用于向原子气室提供磁场的磁场线圈和用于加热原子气室的无磁加热器；

所述单片机处理器通过DA模块与驱动电流控制模块相连接，所述驱动电流控制模块分别与第一激光器和第二激光器相连并提供驱动电流；所述第一激光器用于发射偏振激光从而使原子气室内的原子发生偏振；所述第二激光器用于发射驱动激光从而使原子气室内的原子极化并且自旋；单片机处理器通过SPI串口分别向与其相连接的第一解调模块、第二解调模块、第三解调模块和第四解调模块发送激励信号；

所述第一激光器设有第一温度闭环控制组件，所述第一温度闭环控制组件包括所述第一解调模块、第一加热电流控制模块、第一激光加热器和第一温度传感器，其中第一温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第一温度传感器采集第一激光器的温度信号，第一解调模块接收到第一温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值再输入给第一温度传感器，第一温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第一激光器温度并输入给第一解调模块，第一解调模块接收到第一激光器温度值后输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第一加热电流控制模块，第一加热电流控制模块与第一激光加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述第二激光器设有第二温度闭环控制组件，所述第二温度闭环控制组件包括所述第二解调模块、第二加热电流控制模块、第二激光加热器和第二温度传感器，其中第二温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第二温度传感器采集第二激光器的温度信号，第二解调模块接收到第二温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第二温度传感器，第二温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第二激光器温度并输入给第二解调模块，第二解调模块接收到激光器温度值输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第二加热电流控制模块，第二加热电流控制模块与第二激光加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述原子气室设有第三温度闭环控制组件，所述第三温度闭环控制组件包括第三加热电流控制模块、第三解调模块和第三温度传感器，其中第三温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第三温度传感器采集原子气室的温度信号，第三解调模块接收到第三温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第三温度传感器，第三温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出原子气室温度并输入给第三解调模块，第三解调模块接收到原子气室温度值输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第三加热电流控制模块，第三加热电流控制模块与无磁加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述磁场线圈设有磁场闭环控制组件，所述磁场闭环控制组件包括光电探测器、第四解调模块和磁场控制器，其中光电探测器用于探测并检测穿过原子气室的检测激光，第四解调模块接收到光电探测器所输出的电信号并进行解调，并将解调后电信号分别输入给单片机处理器和反馈给磁场控制器；所述磁场控制器用于控制磁场线圈产生磁场；所述单片机处理器将接收到的电信号进行滤波预处理后输入给直接数字式频率合成器；

所述第一解调模块、第二解调模块、第三解调模块和第四解调模块均设有数字解调组件，所述数字解调组件包括解调芯片和放大器；第一解调模块、第二解调模块和第三解调模块的解调芯片接收到单片机处理器输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器进行温度求解，解得的温度重新传给解调芯片与设定温度进行运算，运算结果输出给放大器，放大器输出的信号输入给第一加热电流控制模块、第二加热电流控制模块、第三加热电流控制模块实现温度的闭环控制；第四解调模块的解调芯片接收到单片机处理器输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给磁场控制器和单片机处理器，磁场控制器与磁场线圈相连接，实现磁场的闭环控制，单片机处理器将解调信号滤波后输入给直接数字式频率合成器进行外部磁场解算；

所述数字解调的具体方式如下：

温度信号和激光信号的调制信号为：

其中，A_a为调制信号幅值，ω_a为调制信号频率，

为调制信号相角；

温度、激光载波信号表示为：

则调制后温度信号和激光信号表示为：

其中，A_c为载波信号幅值，ω_c为载波信号频率，

为载波信号相角，m为调制系数；

调制后信号经过电路运算及电子器件后得到未解调信号表示为：

其中，k为幅值缩放比例系数，Δω为此时未解调信号与最初调制后信号频率变化量，

为为此时未解调信号与最初调制后信号相位变化量；

解调芯片内部带有A/D转换模块，将模拟信号专函为数字信号，转换后的未解调信号表示为：

其中，n为离散时间点；

解调芯片产生参考信号为：

r(n)＝cos[(ω_c+mcosω_a+Δω)n]+jsin[(ω_c+mcosω_a+Δω)n]

参考信号与未解调信号进行互相关运算：

令kA_c＝A，ω_c+mcosω_m+Δω＝ω，

则上式为：

其中，A为未解调信号幅值，ω为未解调信号频率同时也是参考信号频率，

为未解调信号相角，τ为平移变量；

从而得到温度和磁场未解调信号的幅值和相角，所述惠更斯电桥通过温度未解调信号的幅值和相角计算温度值，经解调模块运算后反馈给加热器实现温度闭环控制；而直接数字式频率合成器和磁场控制器接收磁场解调信号，通过磁场控制器实现磁场的闭环控制，通过直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现对外部磁场的测量。

可优选的是，第一激光器与第二激光器先后发射两条相互垂直的激光至原子气室，且第一激光器、原子气室和光电检测器三者的中心共线。

可优选的是，所述单片机处理器分别通过RS422串口接收GPS模块的信号和通信模块的信号；所述单片机处理器还与直接数字式频率合成器相连接，所述直接数字式频率合成器用于接收单片机处理器处理后的的解调信号，输出激励频率，从而实现外部磁场的测量。

进一步，所述驱动电路为输出范围为0～2.5mA的正弦激励信号。

进一步，原子气室内放置有³He、R_b和N₂三种气体，其单位体积下原子的数量比为：1：10⁵：10³。

本发明的第二方面提供一种利用前述低功耗核磁共振量子磁强计测量系统的测量方法，其包括以下步骤：

S1、调控原子气室：原子气室内部放置³He、R_b和N₂三种气体，其单位体积下原子的数量比为：1：10⁵：10³，并将原子气室加热到到180℃～250℃；

S2、调整第一激光器和第二激光器：第一激光器与第二激光器先后发射两条相互垂直的激光至原子气室，其中，第二激光器产生驱动激光使原子气室内³He核自旋极化，第一激光器产生检测激光使原子发生偏振；

所述第一激光器和第二激光器的输出频率与温度满足以下关系：

其中，c为真空光速，

绝对零度时禁带宽度，α、β是与半导体材料有关的系数。

所述的第一激光器和第二激光器的输入电流与输出功率满足以下关系：

其中，η_d为外微分量子效率，I_th为阈值电流，h为普朗克常数，v为光频率，e为单位电荷。

S3、光电探测器检测偏振光，将光信号转化为电信号，输入给第四解调模块，信号经解调模块数字解调，解调信号的第一路输入给单片机处理器并滤波后由直接数字式频率合成器进行外部磁场解算，解调信号的第二路反馈给磁场控制器，磁场控制器驱动磁场线圈产生同向激励磁场；

S4、通过直接数字式频率合成器输出的同向激励信号解算出外部磁场，具体解算算法如下：

B＝ω/γ

其中，B为磁场，ω为激励频率，γ为旋磁比，通过直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现外部磁场的测量。

本发明的有益效果在于：

本发明包括四个独立的解调模块，利用低噪声抗强干扰的数字解调方法实现信号解调，其中三个解调模块配合单片机处理器实现三个温度反馈控制，另外一个解调模块配合单片机处理完成磁场闭环控制，并将信号传递给直接数字式频率合成器，进而求解外部磁场；独立的解调模块采用数字解调方法，可降低器件误差对解调结果的干扰从而实现更高精度的解调；同时，独立的解调模块与单片机处理器协同处理信号，可降低整个系统的功耗，从而实现低功耗信号处理；另外，采用两个激光器分别发射检测激光和驱动激光，其光强和频率等可以独立控制，先后发射正交的两束激光使原子自旋极化并产生偏振后分离，两束激光不会相互干扰，可实现良好的探测效果；增加GPS模块，可使磁强计应用在航磁检测等领域时可为载体提供高精度定位信息。

附图说明

图1为本发明低功耗核磁共振量子磁强计测量系统的示意图；

图2为本发明激光器驱动控制的示意图；

图3为本发明磁场线圈驱动控制的示意图；

图4为本发明第一激光器温度闭环控制的示意图。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，包括单片机处理器1、第一解调模块2、第一加热电流控制模块3、第一激光加热器4、第一激光器5、第一温度传感器6、DA模块7、驱动电流控制模块8、第二激光器9、第二激光加热器10、第二温度传感器11、第二解调模块12、第二加热电流控制模块13、原子气室14、磁场线圈15、第三温度传感器16、第三解调模块17、第三加热电流控制模块18、无磁加热器19、光电探测器20、第四解调模块21、磁场控制器22、直接数字式频率合成器23、GPS模块24、通信模块25。

第一激光器5和第二激光器9先后发射两条垂直的激光到原子气室14，使原子极化自旋并产生偏振。光电检测器20检测第一激光器5所发射的检测光，并将其转化为电信号输入到信号处理模块，由第四解调模块21进行解调并经过单片机处理器1进一步滤波处理后输入给直接数字式频率合成器23，可由直接数字式频率合成器23输出的频率推算待算磁场：

B＝ω/γ

其中，B为磁场，ω为直接数字式频率合成器输出频率，γ为旋磁比，通过直接数字式频率合成器23输出的激励频率，实现外部磁场的测量。

具体地，本发明的单片机处理器1通过DA模块7与驱动电流控制模块8相连接，驱动电流控制模块8分别与第一激光器5和第二激光器9相连并提供驱动电流；第一激光器5用于发射偏振激光从而使原子气室14内的原子发生偏振；第二激光器9用于发射驱动激光从而使原子气室14内的原子极化并且自旋；单片机处理器1通过SPI串口分别向与其相连接的第一解调模块2、第二解调模块12、第三解调模块17和第四解调模块21发送激励信号。

第一激光器5设有第一温度闭环控制组件，第一温度闭环控制组件包括第一解调模块2、第一加热电流控制模块3、第一激光加热器4和第一温度传感器6，其中第一温度传感器6为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第一温度传感器6采集第一激光器5的温度信号，第一解调模块2接收到第一温度传感器6的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值再输入给第一温度传感器6，第一温度传感器6利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第一激光器温度并输入给第一解调模块2，第一解调模块2接收到第一激光器5温度值后输入给单片机处理器1进行显示，同时进行运算后反馈给第一加热电流控制模块3，第一加热电流控制模块3与第一激光加热器4相连接并对其实施反馈控制。

第二激光器9设有第二温度闭环控制组件，第二温度闭环控制组件包括第二解调模块12、第二加热电流控制模块13、第二激光加热器10和第二温度传感器11，其中第二温度传感器11为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第二温度传感器11采集第二激光器9的温度信号，第二解调模块12接收到第二温度传感器11的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第二温度传感器11，第二温度传感器11利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第二激光器9温度并输入给第二解调模块12，第二解调模块12接收到激光器温度值输入给单片机处理器1进行显示，同时进行运算后反馈给第二加热电流控制模块13，第二加热电流控制模块13与第二激光加热器10相连接并对其实施反馈控制。

原子气室14设有第三温度闭环控制组件，第三温度闭环控制组件包括第三加热电流控制模块18、第三解调模块17和第三温度传感器16，其中第三温度传感器16为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第三温度传感器16采集原子气室14的温度信号，第三解调模块17接收到第三温度传感器16的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第三温度传感器16，第三温度传感器16利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出原子气室温度并输入给第三解调模块17，第三解调模块17接收到原子气室温度值输入给单片机处理器1进行显示，同时进行运算后反馈给第三加热电流控制模块18，第三加热电流控制模块18与无磁加热器19相连接并对其实施反馈控制。

第一温度闭环控制组件、第二温度闭环控制组件和第三温度闭环控制组件中传感器均采用了惠更斯电桥连接方式，该方式不仅可以更精确的采集温度传感信号，同时也可以根据解调模块解调出的未解调信号幅值和相角求出激光器的温度值，进而实现激光器温度的闭环控制，降低了单片机处理器1的运算功率，从而实现了整个系统的低功耗运行。

磁场线圈15设有磁场闭环控制组件，磁场闭环控制组件包括光电探测器20、第四解调模块21和磁场控制器22，其中光电探测器20用于探测并检测穿过原子气室14的检测激光，第四解调模块21接收到光电探测器20所输出的电信号并进行解调，并将解调后电信号分别输入给单片机处理器1和反馈给磁场控制器22；磁场控制器22用于控制磁场线圈15产生磁场；单片机处理器1将接收到的电信号进行滤波预处理后输入给直接数字式频率合成器23。

第四解调模块21与单片机处理器1相互独立，在第四解调模块21中解得磁场未解调信号的幅值与相角，再经单片机处理器1进行滤波处理，可降低单片机处理器1的功耗同时实现高精度解调。

第一解调模块2、第二解调模块12、第三解调模块17和第四解调模块21均设有数字解调组件，数字解调组件包括解调芯片和放大器；第一解调模块2、第二解调模块12和第三解调模块17的解调芯片接收到单片机处理器1输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器进行温度求解，解得的温度重新传给解调芯片与设定温度进行运算，运算结果输出给放大器，放大器输出的信号输入给第一加热电流控制模块3、第二加热电流控制模块、第三加热电流控制模块实现温度的闭环控制；第四解调模块的解调芯片接收到单片机处理器1输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给磁场控制器22和单片机处理器1，磁场控制器22与磁场线圈相连接，实现磁场的闭环控制，单片机处理器1将解调信号滤波后输入给直接数字式频率合成器进行外部磁场解算。

解调过程如下：

温度信号和激光信号的调制信号为：

其中，A_a为调制信号幅值，ω_a为调制信号频率，

为调制信号相角；

温度、激光载波信号表示为：

则调制后温度信号和激光信号表示为：

其中，A_c为载波信号幅值，ω_c为载波信号频率，

为载波信号相角，m为调制系数；

调制后信号经过电路运算及电子器件后得到未解调信号表示为：

其中，k为幅值缩放比例系数，Δω为此时未解调信号与最初调制后信号频率变化量，

为为此时未解调信号与最初调制后信号相位变化量；

解调芯片内部带有A/D转换模块，将模拟信号专函为数字信号，转换后的未解调信号表示为：

其中，n为离散时间点。

解调芯片产生参考信号为：

r(n)＝cos[(ω_c+mcosω_a+Δω)n]+jsin[(ω_c+mcosω_a+Δω)n]

参考信号与未解调信号进行互相关运算：

令kA_c＝A，ω_c+mcosω_m+Δω＝ω，

则上式为：

其中，A为未解调信号幅值，ω为未解调信号频率同时也是参考信号频率，

为未解调信号相角，τ为平移变量；

从而通过直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现对外部磁场的测量。

本发明的第一激光器5和第二激光器9为VCSEL激光器，VCSEL激光器体积小，输出圆形光斑，单纵模输出，阈值电流小，易集成，波长对温度的增益系数为0.4nm/mA，波长对温度增益系数为0.55nm/℃。

本发明的第一激光器5和第二激光器9的输出频率与温度满足以下关系：

其中，c为真空光速，

绝对零度时禁带宽度，α、β是与半导体材料有关的系数。

本发明的第一激光器5和第二激光器9输入电流与输出功率满足一下关系：

其中，η_d为外微分量子效率，I_th为阈值电流，h为普朗克常数，v为光频率，e为单位电荷。

本发明的通信模块25包括3路RS422串口、2路RS232串口和一个USB接口；RS232串口波特率默认值为115200bps，可通过软件需修改配置；RS422串口波特率不小于1Mbps，可通过软件修改；RS232串口和RS422串口数据字格式默认值为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位，可通过软件修改配置；RS232串口和RS422串口数据更新率默认值为200Hz，可通过软件修改配置，串口收发缓冲区不小于1024字节。

直接数字式频率合成器23模拟输出采用交流耦合，正弦信号频率为3.5k～500kHz，输出电压范围-5V～+5V，电流带载能力不低于4mA，其中负载电阻阻值1kΩ。

在一个具体实施方式中，在本发明的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，中，原子气室14内部放置³He、R_b和N₂三种气体；

无磁加热器19将原子气室14加热到180℃至250℃；

第一激光器5和第二激光器9先后发射两束相互垂直的驱动激光，第二激光器9产生驱动激光使原子气室内³He核自旋极化，第一激光器5产生检测激光使原子发生偏振；

光电探测器20检测偏振光，将光信号转化为电信号，输入给第四解调模块21，输出解调信号一路输入给单片机处理器1，另一路反馈给磁场控制器22，磁场控制器22驱动磁场线圈产生同向激励磁场。

单片机处理器1将解调信号滤波后输入给直接数字式频率合成器23，解算外部磁场。

如图2所示的激光器驱动原子气室示意图，包括单片机处理器1、DA模块7、驱动电流控制模块8、第一激光器5、第二激光器9和原子气室14。

首先，单片机处理器1发出驱动信号，经DA模块7后转关成模拟电流信号；然后，驱动电流控制模块8接收模拟信号后发出激励电流信号到第一激光器5和第二激光器9；最后，第一激光器5和第二激光器9先后发射两条相互垂直的激光到原子气室14，使原子自旋极化并发生偏振。

如图3所示的磁场线圈闭环控制示意图，包括第一激光器5、第二激光器9、磁场线圈15、原子气室14、光电检测器20、第四解调模块21和单片机处理器1。

第一激光器5和第二激光器9先后发射两条相互垂直的激光，使原子气室14内原子发生自旋并产生偏振。光电检测器20通过检测偏振光，将光信号转换成电信号输入给第四解调模块21。第四解调模块21为模拟电流信号输入，通过解调芯片可实现低噪声、强抗干扰的数字解调，所用芯片可替换为具有同等功能的其它芯片。

首先，单片机处理器1输入给解调芯片激励信号，解调芯片产生参考信号；其次，通过输入信号和参考信号进行解调得到解调信号；然后，解调信号经PID控制器输出模拟信号给放大器；最后，将放大后的解调信号的第一路输入到单片机处理器1，进行滤波预处理；解调信号的第二路反馈给磁场控制器22，使其控制磁场线圈15产生同向激励磁场实现磁场线圈闭环控制。

如图4所示的第一激光器5温度闭环控制示意图，包括单片机处理器1、第一解调模块2、第一加热电流控制模块3、第一激光加热器4和第一温度传感器6。

第一解调模块2为模拟电流信号输入，通过解调芯片可实现低噪声、强抗干扰的数字解调，所用芯片可替换为具有同等功能的其它芯片。

第一温度传感器6可采集第一激光5温度并利用惠更斯电桥求解得到温度值，求解得到的温度值一路经过第一解调模块2输入到单片机处理器1进行显示，另一路在第一解调模块2中与设定温度值进行运算后反馈给第一加热电流控制模块3，第一加热电流控制模块3与第一激光加热器4相连接并对其实施反馈控制。

以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其特征在于：其包括单片机处理器、原子气室、用于向原子气室提供磁场的磁场线圈和用于加热原子气室的无磁加热器；

所述单片机处理器通过DA模块与驱动电流控制模块相连接，所述驱动电流控制模块分别与第一激光器和第二激光器相连并提供驱动电流；所述第一激光器用于发射偏振激光从而使原子气室内的原子发生偏振；所述第二激光器用于发射驱动激光从而使原子气室内的原子极化并且自旋；单片机处理器通过SPI串口分别向与其相连接的第一解调模块、第二解调模块、第三解调模块和第四解调模块发送激励信号；

所述第一激光器设有第一温度闭环控制组件，所述第一温度闭环控制组件包括所述第一解调模块、第一加热电流控制模块、第一激光加热器和第一温度传感器，其中第一温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第一温度传感器采集第一激光器的温度信号，第一解调模块接收到第一温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值再输入给第一温度传感器，第一温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第一激光器温度并输入给第一解调模块，第一解调模块接收到第一激光器温度值后输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第一加热电流控制模块，第一加热电流控制模块与第一激光加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述第二激光器设有第二温度闭环控制组件，所述第二温度闭环控制组件包括所述第二解调模块、第二加热电流控制模块、第二激光加热器和第二温度传感器，其中第二温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第二温度传感器采集第二激光器的温度信号，第二解调模块接收到第二温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第二温度传感器，第二温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出第二激光器温度并输入给第二解调模块，第二解调模块接收到激光器温度值输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第二加热电流控制模块，第二加热电流控制模块与第二激光加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述原子气室设有第三温度闭环控制组件，所述第三温度闭环控制组件包括第三加热电流控制模块、第三解调模块和第三温度传感器，其中第三温度传感器为热敏电阻温度传感器并使用惠更斯电桥方式连接，第三温度传感器采集原子气室的温度信号，第三解调模块接收到第三温度传感器的温度信号进行解调，解调出温度信号的相角和幅值输入给第三温度传感器，第三温度传感器利用惠更斯电桥通过接收到的相角和幅值求解出原子气室温度并输入给第三解调模块，第三解调模块接收到原子气室温度值输入给单片机处理器进行显示，同时进行运算后反馈给第三加热电流控制模块，第三加热电流控制模块与无磁加热器相连接并对其实施反馈控制；

所述磁场线圈设有磁场闭环控制组件，所述磁场闭环控制组件包括光电探测器、第四解调模块和磁场控制器，其中光电探测器用于探测并检测穿过原子气室的检测激光，第四解调模块接收到光电探测器所输出的电信号并进行解调，并将解调后电信号分别输入给单片机处理器和反馈给磁场控制器；所述磁场控制器用于控制磁场线圈产生磁场；所述单片机处理器将接收到的电信号进行滤波预处理后输入给直接数字式频率合成器；

所述第一解调模块、第二解调模块、第三解调模块和第四解调模块均设有数字解调组件，所述数字解调组件包括解调芯片和放大器；第一解调模块、第二解调模块和第三解调模块的解调芯片接收到单片机处理器输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器进行温度求解，解得的温度重新传给解调芯片与设定温度进行运算，运算结果输出给放大器，放大器输出的信号输入给第一加热电流控制模块、第二加热电流控制模块、第三加热电流控制模块实现温度的闭环控制；第四解调模块的解调芯片接收到单片机处理器输入的激励信号并产生参考信号r(n)，通过未解调信号和参考信号r(n)运算解调出未解调信号的幅值A和相角

输入给磁场控制器和单片机处理器，磁场控制器与磁场线圈相连接，实现磁场的闭环控制，单片机处理器将解调信号滤波后输入给直接数字式频率合成器进行外部磁场解算；

解调的具体方式如下：

温度信号和激光信号的调制信号为：

其中，A_a为调制信号幅值，ω_a为调制信号频率，

为调制信号相角，t为时间变量；

温度、激光载波信号表示为：

则调制后温度信号和激光信号表示为：

其中，A_c为载波信号幅值，ω_c为载波信号频率，

为载波信号相角，m为调制系数，e_c(t)为温度和激光载波信号；

调制后信号经过电路运算及电子器件后得到未解调信号表示为：

其中，k为幅值缩放比例系数，Δω为此时未解调信号与最初调制后信号频率变化量，

为为此时未解调信号与最初调制后信号相位变化量，y_c(t)为未解调信号；

解调芯片内部带有A/D转换模块，将模拟信号专函为数字信号，转换后的未解调信号表示为：

其中，n为离散时间点，y_c(n)为离散未解调信号；

解调芯片产生参考信号为：

r(n)＝cos[(ω_c+m cosω_a+Δω)n]+j sin[(ω_c+m cosω_a+Δω)n]

参考信号与未解调信号进行互相关运算：

令kA_c＝A，ω_c+m cosω_m+Δω＝ω，

则上式为：

其中，A为未解调信号幅值，ω为未解调信号频率同时也是参考信号频率，

为未解调信号相角，τ为平移变量，j为虚部单位，r(·)为参考信号；

其中，Im为复数虚部，Re为复数实部。

从而得到温度和磁场未解调信号的幅值和相角，所述惠更斯电桥通过温度未解调信号的幅值和相角计算温度值，经解调模块运算后反馈给加热器实现温度闭环控制；而直接数字式频率合成器和磁场控制器接收磁场解调信号，通过磁场控制器实现磁场的闭环控制，通过直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现对外部磁场的测量。

2.如权利要求1所述的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其特征在于：第一激光器与第二激光器先后发射两条相互垂直的激光至原子气室，且第一激光器、原子气室和光电检测器三者的中心共线。

3.如权利要求1所述的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其特征在于：所述单片机处理器分别通过RS422串口接收GPS模块的信号和通信模块的信号；所述单片机处理器还与直接数字式频率合成器相连接，所述直接数字式频率合成器用于接收单片机处理器处理后的的解调信号，输出激励频率，从而实现外部磁场的测量。

4.如权利要求1所述的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其特征在于：所述驱动电路为输出范围为0～2.5mA的正弦激励信号。

5.如权利要求1所述的低功耗核磁共振量子磁强计测量系统，其特征在于：原子气室内放置有³He、R_b和N₂三种气体，其单位体积下原子的数量比为：1：10⁵：10³。

6.一种利用权利要求1-5之一所述低功耗核磁共振量子磁强计测量系统的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、调控原子气室：原子气室内部放置³He、R_b和N₂三种气体，其单位体积下原子的数量比为：1：10⁵：10³，并将原子气室加热到至180℃～250℃；

S2、调整第一激光器和第二激光器：第一激光器与第二激光器先后发射两条相互垂直的激光至原子气室，其中，第二激光器产生驱动激光使原子气室内³He核自旋极化，第一激光器产生检测激光使原子发生偏振；

所述第一激光器和第二激光器的输出频率与温度满足以下关系：

其中，c为真空光速，

绝对零度时禁带宽度，α、β是与半导体材料有关的系数，v为激光器输出频率，T为激光器温度；

所述第一激光器和第二激光器的输入电流与输出功率满足以下关系：

其中，η_d为外微分量子效率，I_th为阈值电流，h为普朗克常数，v为光频率，e为单位电荷，P为激光器输出功率，I为激光器输入电流；

S3、光电探测器检测偏振光，将光信号转化为电信号，输入给第四解调模块，信号经解调模块数字解调，解调信号的第一路输入给单片机处理器并滤波后由直接数字式频率合成器进行外部磁场解算，解调信号的第二路反馈给磁场控制器，磁场控制器驱动磁场线圈产生同向激励磁场；

所述数字解调过程如下：

激光载波信号调制后的信号表示为：

其中，A_c为载波信号幅值，ω_c为载波信号频率，

为载波信号相角，m为调制系数；

调制后的信号依次通过原子气室和光电转换器后得到的未解调信号表示为：

其中，k为幅值缩放比例系数，Δω为光电转换前后信号频率变化，

为光电转换前后信号相位变化；

解调芯片内部带有A/D转换模块，将模拟信号转换为数字信号，转换后的未解调信号表示为：

其中，n为离散时间点；

解调芯片产生参考信号为：

r(n)＝cos[(ω_c+m cosω_a+Δω)n]+j sin[(ω_c+m cosω_a+Δω)n]

参考信号与未解调信号进行互相关运算：

令kA_c＝A，ω_c+m cosω_m+Δω＝ω，

则上式为：

其中，A为未解调信号幅值，ω为未解调信号频率，

为未解调信号相角，τ为平移变量；

S4、通过直接数字式频率合成器输出的同向激励信号解算出外部磁场，具体解算算法如下：

B＝ω/γ

其中，B为磁场，ω为激励频率，γ为旋磁比，通过直接数字式频率合成器输出的激励频率，实现外部磁场的测量。

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