CN112649765B - 全向磁场测量方法及使用其的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统，该方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路；求解横向极化磁场信号与检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，基于相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节驱动光频率至原子跃迁能级，调节驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度使原子自旋磁共振线宽最小；调节多原子气室复合的横向极化磁场强度，基于线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中传统磁场测量方法面临死区、失锁、性能退化的技术问题。

Description

全向磁场测量方法及使用其的测量系统

技术领域

本发明涉及海洋资源勘探、水下目标磁异常探测技术领域，尤其涉及一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统。

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。原子磁强计具有高灵敏、小体积等突出优势，特别适用于海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域。

原子磁强计通常采用一束驱动光极化原子自旋，通过测量极化的原子自旋在磁场中的拉莫尔进动频率得到磁场的信息。原子自旋的极化强度直接影响了磁强计性能。在地磁环境中，原子自旋极化的量子轴总是沿磁场方向。由于原子自旋极化相关部件与磁强计结构固联，在动态测量过程中，传统测量方法面临死区、失锁、性能退化等问题。现有技术采用单一气室实现磁场测量，且在待测磁场垂直驱动光平面以及与平行横向极化磁场所在平面附近时处于测量死区；在待测磁场方向接近测量死区时磁场测量性能快速下降；当待测磁场方向跨过测量死区变化时，将导致失锁-重新锁定，因此即便采用多气室复合测量等技术仍不能实现连续测量。因此，需要研究一种全向磁场测量方法，使磁强计可以在任意方向连续测量且性能不退化，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域高灵敏磁强计的需求。

发明内容

本发明提供了一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统，能够解决传统磁场测量方法面临死区、失锁、性能退化的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种全向磁场测量方法，全向磁场测量方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场；同步采集横向极化磁场信号以及任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，求解横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，标定横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，基于横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级，在原子跃迁F＝I-1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽最小；同步测量任一原子气室对应的原子自旋横向极化强度，标定任一设定原子气室的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值，根据原子自旋横向极化强度的幅度最大值调节多原子气室复合的横向极化磁场以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，基于线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。

进一步地，基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场具体包括：将三个原子气室设置在不同位置，三个原子气室互不干涉；在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场。

进一步地，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度，采集的任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度。

进一步地，原子自旋横向极化强度M_p可根据M_p＝M_jcos(ωt)+M_isin(ωt)来获取，其中，以待测磁场方向为z向构建旋转坐标系i-j-z，M_i为i方向上的极化强度，M_j为j方向上的极化强度，ω为磁共振频率。

进一步地，i方向上的极化强度M_i和j方向上的极化强度M_j可根据

来获取，其中，M₀为无激励下的稳态极化率，Δω为横向调制磁场相对共振频率的失谐，B₁为横向极化磁场强度，γ为旋磁比，T₂为横向弛豫时间，T₁为纵向弛豫时间。

进一步地，线性比例系数k可根据Δf＝k·Δψ来获取，其中，Δψ为横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，Δf为横向极化磁场频率调节步长。

进一步地，全向磁场测量方法根据基态与激发态的能量差公式调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级。

进一步地，基态与激发态的能量差ΔE_v公式为

其中，

为普朗克常量，Φ为光子通量，

为光子自旋向量，

为原子自旋向量，

为理想气体常数，r_e为经典电子半径，c为光速，f为振动强度，v-v₀为驱动光频率失谐，Γ_L为洛伦兹谱线型，Γ_G为高斯谱线型。

进一步地，多原子气室复合的横向极化磁场可根据

来调节，其中，B_Z为施加在第一原子气室或第二原子气室的Z轴方向的横向极化磁场，B_X为施加在第三原子气室的X轴方向的横向极化磁场，R_A为第一原子气室的原子自旋横向极化强度，R_B为第二原子气室的原子自旋横向极化强度。

根据本发明的又一方面，提供了一种全向磁场测量系统，全向磁场测量系统使用如上所述的全向磁场测量方法测量全向磁场。

应用本发明的技术方案，提供了一种全向磁场测量方法，该方法采用自旋极化光压缩技术，将低超精细能级上的原子抽空，从而在大动态条件下维持测量性能不衰退，在待测磁场偏离敏感方向时仍可以维持高极化率，保证了磁场测量的性能。此外，通过驱动—检测—正交调制解算技术，使色散曲线过零方向与待测磁场无关，避免了磁强计失锁，从而避免了待测磁场方向跨测量死区变化时测量失锁。再者，通过多个原子气室构造原子自旋三轴极化检测回路，通过多气室复合测量技术克服了测量死区，实现全向磁场测量。因此，本发明所提供的全向磁场测量方法与现有技术相比，其能够使磁强计可以在任意方向连续测量且性能不退化，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域高灵敏磁强计的需求。

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示出了根据本发明的具体实施例提供的全向磁场测量方法的流程框图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的吸收曲线与色散曲线的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种全向磁场测量方法，该全向磁场测量方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场；同步采集横向极化磁场信号以及任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，求解横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，标定横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，基于横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级，在原子跃迁F＝I-1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽最小；同步测量任一原子气室对应的原子自旋横向极化强度，标定任一设定原子气室的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值，根据原子自旋横向极化强度的幅度最大值调节多原子气室复合的横向极化磁场强度以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，基于线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。

应用此种配置方式，提供了一种全向磁场测量方法，该方法采用自旋极化光压缩技术，将低超精细能级上的原子抽空，从而在大动态条件下维持测量性能不衰退，在待测磁场偏离敏感方向时仍可以维持高极化率，保证了磁场测量的性能。此外，通过驱动—检测—正交调制解算技术，使色散曲线过零方向与待测磁场无关，避免了磁强计失锁，从而避免了待测磁场方向跨测量死区变化时测量失锁。再者，通过多个原子气室构造原子自旋三轴极化检测回路，通过多气室复合测量技术克服了测量死区，实现全向磁场测量。因此，本发明所提供的全向磁场测量方法与现有技术相比，其能够使磁强计可以在任意方向连续测量且性能不退化，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域高灵敏磁强计的需求。

在本发明中，通过检测原子自旋横向极化实现高灵敏磁场测量，由于横向极化总是与待测磁场方向垂直，而特定方向上极化部件不能产生足够强度的极化，因此磁场测量存在死区。尽管通过驱动—检测—正交调制解算技术能够提升磁场连续测量范围，采用单一原子气室仍不能完全避免死区，因此在本发明中，基于多气室构建原子自旋三轴极化与检测回路以实现在任意方向的连续测量。

具体地，为了实现全向磁场测量，首先需要构建原子自旋三轴极化与检测回路。在本发明中，基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场具体包括：将三个原子气室设置在不同位置，三个原子气室互不干涉；在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场。

作为本发明的一个具体实施例，三个原子气室(气室A、气室B、气室C)在空间上临近布置但互不干涉，在空间直角坐标系下，在第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场(B_Z)，在第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场(B_Z)，在第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场(B_X)。

进一步地，在完成了多气室原子自旋三轴极化与检测回路的构建之后，需要基于驱动—检测—正交调制解算磁场。

具体地，针对任一原子气室建立原子自旋的Bloch方程，并进行稳态解析，如下：

式中，M₀为无激励下的稳态极化率，Δω为横向调制磁场相对共振频率的失谐，B₁为横向极化磁场强度，γ为旋磁比，T₂为横向弛豫时间，T₁为纵向弛豫时间，以待测磁场方向为z向构建旋转坐标系i-j-z，M_i为i方向上的极化强度，M_j为j方向上的极化强度，M_z为z方向上的极化强度，ω为磁共振频率。

透射气室检测光观测原子自旋进动在激光传播方向上的投影(即原子自旋横向极化强度M_p)为M_p＝M_jcos(ωt)+M_isin(ωt)。

则可通过锁相放大原理提取正交分量M_i与同相分量M_j。正交分量M_i与同相分量M_j与激励频率相关曲线分别对应洛伦兹吸收曲线与洛伦兹色散曲线，如图2所示。当原子自旋处于磁共振状态，极化磁场的频率即为共振频率，有Δω＝0，因此M_j＝0，即色散曲线通过零点。因此色散曲线在零点附近的波动反映了待测磁场的变化，不同于传统测量方法，本方法中色散曲线通过零点的方向与待测磁场方向无关。因此，后续可通过调整横向极化磁场的横向极化磁场频率以多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，进而实现对待测磁场的磁场强度的测量。

基于驱动—检测—正交调制解算磁场具体包括：同步采集横向极化磁场信号以及任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度B₁，采集的任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度M_p，其中，M_p＝M_jcos(ωt)+M_isin(ωt)；求解横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差Δψ；标定横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，即Δf＝k·Δψ，基于横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差Δψ与横向极化磁场频率调节步长Δf的线性比例关系求解线性比例系数k。

进一步地，在获取了线性比例系数k之后，需要进行自旋极化光压缩。具体地，在本发明中，原子自旋处于光压缩状态时纵向极化率接近100％，此时待测磁场方向在一定范围内变化对极化率的影响很小，可以避免动态条件下磁场测量性能衰退。当作用在原子上的激光频率处在原子跃迁频率附近时，原子将发生能级跃迁，根据量子力学的基本原理，跃迁前后原子的能量差ΔE_v(即基态与激发态的能量差)可用公式表示为：

其中，

为普朗克常量，Φ为光子通量，

为光子自旋向量，

为原子自旋向量，

为理想气体常数，r_e为经典电子半径，c为光速，f为振动强度，对D1线光抽运取1/3，v-v₀为驱动光频率失谐，Γ_L为洛伦兹谱线型，Γ_G为高斯谱线型，erf表示误差函数。且定义V(v-v₀)的实部和虚部分别满足以下关系：

光压缩技术要求尽可能提高原子自旋的极化率。一般采用碱金属原子的D1线或D2线实现原子自旋的极化。由基态与激发态的能量差公式可知，若采用D2线光抽运，可获得原子自旋系综的极化率极限为50％，而采用D1线F＝I-1/2能级可以达到的理论极化率为100％，因此采用D1线极化原子自旋。

由于光压缩技术可以使原子自旋大部分处在同一能级上，处在其它能级上的原子基本为零。在这种原子自旋分布条件下，由于大部分原子处于同一能级，不同原子间发生自旋交换碰撞时将不会导致原子自旋弛豫，从而减小原子自旋磁共振线宽，所以以此为依据实现自旋极化光压缩，具体步骤为：调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级，其中，F为超精细能级，I为核自旋，在原子跃迁F＝I-1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽(如图2中的吸收曲线的半高半宽)最小。

进一步地，在本发明中，在完成了自旋极化光压缩之后，即可基于多气室复合测量待测磁场。多气室覆盖全空间方向，可实现全向磁场测量，具体地，首先，同步测量原子气室A、原子气室B和原子气室C对应的原子自旋横向极化强度R_A、R_B、R_C(如图2中吸收曲线幅度)，在本实施例中，标定原子气室A的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值为R_max。然后，根据原子自旋横向极化强度的幅度最大值R_max调节多原子气室复合的横向极化磁场强度以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，多原子气室复合的横向极化磁场可根据

来调节，其中，B_Z为施加在第一原子气室或第二原子气室的Z轴方向的横向极化磁场，B_X为施加在第三原子气室的X轴方向的横向极化磁场，R_A为第一原子气室的原子自旋横向极化强度，R_B为第二原子气室的原子自旋横向极化强度。最后，基于线性比例系数k调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定三个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值max(R_A、R_B、R_C)对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。

根据本发明的另一方面，提供了一种全向磁场测量系统，该全向磁场测量系统使用如上所述的全向磁场测量方法测量全向磁场。由于本发明所提供的方法采用自旋极化光压缩技术，将低超精细能级上的原子抽空，从而在大动态条件下维持测量性能不衰退，在待测磁场偏离敏感方向时仍可以维持高极化率，保证了磁场测量的性能。此外，通过驱动—检测—正交调制解算技术，使色散曲线过零方向与待测磁场无关，避免了磁强计失锁，从而避免了待测磁场方向跨测量死区变化时测量失锁。再者，通过多个原子气室构造原子自旋三轴极化检测回路，通过多气室复合测量技术克服了测量死区，实现全向磁场测量。因此，将该方法运用到全向磁场测量系统中来测量磁场，能够极大地提高系统的测量精度，保证在任意方向连续测量且性能不退化。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图2对本发明所提供的全向磁场测量方法进行详细说明。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种全向磁场测量方法，该方法具体包括如下步骤。

步骤一，将三个原子气室设置在不同位置，三个原子气室互不干涉；在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场(B_Z)；在空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场(B_Z)；在空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场(B_X)。

步骤二，同步采集横向极化磁场信号以及任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度B₁，采集的任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度M_p，其中，M_p＝M_jcos(ωt)+M_isin(ωt)；求解横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差Δψ；标定横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，即Δf＝k·Δψ，基于横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差Δψ与横向极化磁场频率调节步长Δf的线性比例关系求解线性比例系数k。

步骤三，调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级，其中，F为超精细能级，I为核自旋，在原子跃迁F＝I-1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽(如图2中的吸收曲线的半高半宽)最小。

步骤四，同步测量原子气室A、原子气室B和原子气室C对应的原子自旋横向极化强度R_A、R_B、R_C(如图2中吸收曲线幅度)，在本实施例中，标定原子气室A的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值为R_max；根据原子自旋横向极化强度的幅度最大值R_max调节多原子气室复合的横向极化磁场强度以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，多原子气室复合的横向极化磁场可根据

来调节；基于线性比例系数k调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定三个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值max(R_A、R_B、R_C)对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。

综上所述，本发明提供了一种全向磁场测量方法，该方法适合于海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域，其采用自旋极化光压缩技术，将低超精细能级上的原子抽空，从而在大动态条件下维持测量性能不衰退，在待测磁场偏离敏感方向时仍可以维持高极化率，保证了磁场测量的性能。此外，通过驱动—检测—正交调制解算技术，使色散曲线过零方向与待测磁场无关，避免了磁强计失锁，从而避免了待测磁场方向跨测量死区变化时测量失锁。再者，通过多个原子气室构造原子自旋三轴极化检测回路，通过多气室复合测量技术克服了测量死区，在不影响性能的情况下实现任意方向磁场的连续测量。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全向磁场测量方法，其特征在于，所述全向磁场测量方法包括：

基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一所述原子气室中均施加横向极化磁场；

同步采集横向极化磁场信号以及任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，求解所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，标定所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，基于所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；

调节任一所述原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级，在原子跃迁F＝I-1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一所述原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽最小；

同步测量任一原子气室对应的原子自旋横向极化强度，标定任一设定原子气室的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值，根据所述原子自旋横向极化强度的幅度最大值调节多原子气室复合的横向极化磁场以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，基于所述线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的全向磁场测量方法，其特征在于，基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一所述原子气室中均施加横向极化磁场具体包括：

将三个原子气室设置在不同位置，三个所述原子气室互不干涉；

在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在所述第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；

在所述空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在所述第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；

在所述空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在所述第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场。

3.根据权利要求1所述的全向磁场测量方法，其特征在于，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度，采集的任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度。

4.根据权利要求3所述的全向磁场测量方法，其特征在于，所述原子自旋横向极化强度M_p可根据M_p＝M_jcos(ωt)+M_isin(ωt)来获取，其中，以待测磁场方向为z向构建旋转坐标系i-j-z，M_i为i方向上的极化强度，M_j为j方向上的极化强度，ω为磁共振频率。

5.根据权利要求4所述的全向磁场测量方法，其特征在于，i方向上的极化强度M_i和j方向上的极化强度M_j可根据

来获取，其中，M₀为无激励下的稳态极化率，Δω为横向调制磁场相对共振频率的失谐，B₁为横向极化磁场强度，γ为旋磁比，T₂为横向弛豫时间，T₁为纵向弛豫时间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的全向磁场测量方法，其特征在于，所述线性比例系数k可根据Δf＝k·Δψ来获取，其中，Δψ为所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，Δf为横向极化磁场频率调节步长。

7.根据权利要求6所述的全向磁场测量方法，其特征在于，所述全向磁场测量方法根据基态与激发态的能量差公式调节任一所述原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I-1/2能级。

8.根据权利要求7所述的全向磁场测量方法，其特征在于，所述基态与激发态的能量差ΔE_v公式为

其中，

为普朗克常量，Φ为光子通量，

为光子自旋向量，

为原子自旋向量，

为理想气体常数，r_e为经典电子半径，c为光速，f为振动强度，v-v₀为驱动光频率失谐，Γ_L为洛伦兹谱线型，Γ_G为高斯谱线型。

9.根据权利要求8所述的全向磁场测量方法，其特征在于，多原子气室复合的横向极化磁场可根据

来调节，其中，B_Z为施加在第一原子气室或第二原子气室的Z轴方向的横向极化磁场，B_X为施加在第三原子气室的X轴方向的横向极化磁场，R_A为第一原子气室的原子自旋横向极化强度，R_B为第二原子气室的原子自旋横向极化强度。

10.一种全向磁场测量系统，其特征在于，所述全向磁场测量系统使用如权利要求1至9中任一项所述的全向磁场测量方法测量全向磁场。

Images