CN112816920B - 三轴矢量磁场探测方法和探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开三轴矢量磁场探测方法和探测装置，其中三轴矢量磁场探测方法包括提供一束激光；对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场；将激光调整为圆偏振光，使圆偏振光入射原子气室、经反射镜反射后、再次通过原子气室后射出，得到出射激光；测量出射激光的光功率信号，并根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息。通过上述方式，本申请的圆偏振光在原子气室中形成相交光路的磁敏感区域，相交光路的磁敏感区域的探测盲区相互互补，从而可以实现全方向的三轴矢量磁场探测。

Description

三轴矢量磁场探测方法和探测装置

技术领域

本申请涉及量子信息领域的磁场信号探测，尤其涉及三轴矢量磁场探测方法和探测装置。

背景技术

电磁场广泛存在于日常生活中，大至宇宙天体，小至原子分子都存在着自身的磁场。通过探测物体周围的磁场，我们可以推测物体内部的结构和组成或是外部的磁场变化，从而了解物体内部的结构性质或外部的环境信息。磁力仪是测量磁场强度和方向的仪器的统称，Cal Friedrich Gauss于1833年发明了第一台磁力仪，之后磁力仪从传统的矿业、石油行业的应用逐渐发展至高精尖的航空磁测、生物磁测、基础物理研究等应用中。

目前，常用于弱磁场、特别是地磁场测量的磁力仪，无论是地磁台站的观测或野外地面磁测、航空、航天、海洋和井中磁测，从磁力仪的工作原理上大致可分为三大类，即：基于电磁感应原理的磁通门磁力仪、基于原子与电磁场相互作用的光泵磁力仪、基于超导量子干涉原理的超导磁力仪。

根据磁力仪的特点，有的磁力仪只能测定磁场的大小，其测量结果与磁力仪的姿态无关，对平台的机动不敏感，称为标量磁力仪。而有的可以同时测量磁场的大小和方向，能够获得更多的磁场信息，可以实现更精确的磁源定位，称为矢量磁力仪。

对于三轴矢量磁场的探测，可以采用磁通门磁力仪或超导磁力仪来实现。但是，磁通门磁力仪或超导磁力仪都有各自的缺点。磁通门磁力仪或超导磁力仪都是测量通过线圈的磁通量来探测磁场，目前，超导量子干涉仪(superconducting quantum interferencedevice，SQUID)是灵敏度最高的磁力仪之一，其基本原理是基于超导隧道效应和磁通量子化。虽然SQUID灵敏度很高，但是SQUID工作需要液氦来维持极低的温度，导致实验费用高昂且不易缩小体积。相比SQUID，磁通门磁力仪适用范围比较广泛且小巧便携。磁通门磁力仪的基本原理是基于铁芯材料的非线性磁化特性，其敏感元件为高磁导率、易饱和材料制成的铁芯，通过特定的检测电路将外界磁场信号从围绕在铁芯上的感应线圈中提取出来。其灵敏度与准确度不高。

对于三轴矢量磁场的探测，也可以采用光泵磁力仪来实现。与上述两种磁力仪相比，光泵磁力仪具有更好的灵敏度和准确度。对基于原子和磁场相互作用的光泵磁力仪，原子自旋极化的动力学演化过程通常可用Bloch方程描述，如式(1)所示：

以典型的磁共振式光泵磁力仪为例，式(1)中磁场B由待测磁场B_x，B_y，B_z和调制磁场B₁sinωt组成。通过求解该Bloch方程可知，当调制频率ω＝γB₀时，极化率P会产生同频的共振，其中B₀为待测磁场的大小。因此基于这一共振可以较容易地实现待测磁场大小B₀的测量，此时该光泵磁力仪体现为标量磁力仪。实现标量测量的光泵磁力仪类型有M_x磁力仪，M_z磁力仪以及Bell-Bloom磁力仪。但是对于三轴矢量磁场B_x，B_y，B_z而言，由于三者相互之间存在非线性耦合，因此难以直接进行独立测量。如何分离出三轴矢量磁场各自的信息，是基于光泵磁力仪探测三轴矢量磁场所要解决的难题。

由于光泵磁力仪通常对沿着光传播方向的磁场相对不敏感，且各个方向的磁场强度之间存在非线性耦合、环境噪声以及电路低频噪声的影响，如果直接进行三轴矢量磁场的独立测量，导致测量结果准确度不高，存在严重误差。

发明内容

本申请提供三轴矢量磁场探测方法和探测装置，采用光泵磁力仪来实现，以解决现有技术中光泵磁力仪测量三轴矢量磁场时对磁场强度的测量结果灵敏度不高的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种三轴矢量磁场探测方法，包括提供一束激光；对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场；将激光调整为圆偏振光，使圆偏振光入射原子气室、经反射镜反射后、再次通过原子气室后射出，得到出射激光；测量出射激光的光功率信号，并根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息。

为解决上述技术问题，本申请提出一种三轴矢量磁场探测装置，包括：光源，用于提供一束激光；原子气室，为充有碱金属原子及缓冲气体的透明气室，用于为激光和碱金属原子提供作用场所；三维磁场线圈，用于为原子气室提供三个方向施加不同频率的调制磁场；光学元件，包括偏振片、1/4波片和反射镜；其中，偏振片和1/4波片用于调整激光的偏振状态，使激光调整为圆偏振光，并入射原子气室；反射镜用于调整激光光路，使入射原子气室的圆偏振光反射后再次通过原子气室射出，从而得到出射激光；光电探测器，用于接收出射激光，并测量出射激光的光功率信号；锁相放大器，根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，得到对应三个方向的磁场信息。

通过本申请的三轴矢量磁场探测方法和探测装置，圆偏振光在原子气室反射后会形成相交光路的磁敏感区域，相交光路的磁敏感区域的探测盲区相互互补，从而可以实现全方向的三轴矢量磁场探测；并且，通过对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场，从而分离出各自方向的磁场信息；只需要一束激光即可同时作为泵浦光和探测光，通过简单的结构缩小了装置的体积，便于进行小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，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是本申请光泵磁力仪的原理示意图；

图2是本申请三轴矢量磁场探测装置一实施例的结构示意图；

图3是本申请三轴矢量磁场探测方法一实施例的流程示意图；

图4是本申请x轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线；

图5是本申请y轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线；

图6是本申请y轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供的三轴矢量磁场探测方法和探测装置进一步详细描述。

光泵磁力仪，其主要原理是利用原子能级的塞曼效应，在外加磁场(待测磁场)下，原子能级的超精细结构发生塞曼分裂，即原来不同总角动量代表的能级又分裂成出了新的能级结构，称为塞曼子能级，且塞曼子能级间的能量差与外磁场密切相关，这时磁场大小的变化转化为原子能级裂距的变化，再利用光和原子相互作用的光谱学特性，通过测量塞曼能级差实现对磁场的高灵敏度测量。使用一束泵浦光对原子气室中的原子进行极化，此时在原子气室外加频率对应ω₀的射频场，在射频场作用下原子在各塞曼子能级上发生跃迁，再使用探测光测量原子磁矩，通过检测探测光的光强或者偏振方向的变化，找到射频场的频率ω₀，即可计算出外界磁场。

请参阅图1，图1是本申请光泵磁力仪的原理示意图。本申请的光泵磁力仪可以包括光源11、波片12、原子气室13、光电探测器14和信号处理器15。

光源11可以提供激光，激光入射波片12可以调整为圆偏振光，而后入射原子气室13，圆偏振光在原子气室13中可以发生极化反应，出射后被光电探测器14捕获，光电探测器14可以记录光强变化并传输至信号处理器14进行信号处理。

工作原理如下：将充有缓冲气体的碱金属原子气室13置于极微弱外磁场(～nT)下，使用原子的D1线作为光泵浦跃迁线。采用了右旋圆偏光同时作为使原子产生极化的泵浦光和探测原子自旋磁矩的探测光，入射光出射原子气室13，最后通过使用光电探测器14记录激光经过原子气室后的光强变化即可测得当前磁场矢量信息。

可选的，光源提供的激光可以为窄线宽低噪声激光光源，经过原子气室之后可以拥有高信噪比，从而使得信号处理器15可以完成极微弱信号处理。

本申请的三轴矢量磁场探测方法和探测装置，可以解决光泵磁力仪通常对沿着光传播方向的磁场相对不敏感的问题，从而实现对磁场的三轴矢量探测；并可以进一步提高探测的灵敏度和准确度。

具体地，请参阅图2，图2是本申请三轴矢量磁场探测装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，三轴矢量磁场探测装置100可以包括光源模块110，探测模块120和信号处理模块130。

其中，光源模块110可以包括光源111、偏振片112和1/4波片113。探测模块120可以包括三维磁场线圈121、原子气室122和反射镜123。信号处理模块130可以包括光电探测器131和锁相放大器132。

具体地，光源111可以用于提供一束激光，在本实施例中，只需要一束激光就可以同时作为泵浦光和探测光，简化了三轴矢量磁场探测装置100，便于实现小型化。

偏振片112和1/4波片113可以用于调整激光的偏振状态，将激光调整为圆偏振光，并入射原子气室122。具体地，激光经过偏振片112可以变成线偏振光，线偏振光经过1/4波片113可以变成圆偏振光。

三维磁场线圈121可以用于为原子气室122提供三个方向施加不同频率的调制磁场。具体地，三维磁场线圈121可以包括三对线圈，每对线圈相对设置，且三对线圈分别平行于x轴方向、y轴方向和z轴方向设置。

三个方向的调制磁场可以为两两相互垂直的三个方向，可以按照直角坐标系将三个方向划分为x轴方向、y轴方向和z轴方向。并且，为了减小环境噪声以及电路上的低频噪声，调制磁场可以为高频磁场，调制磁场的范围可以为1～2kHz。通过利用三个方向不同频率的调制磁场，在经过解调处理即可获得待测磁场的时域信号。原子气室122可以为充有碱金属原子及缓冲气体的透明气室，可以用于为激光和碱金属原子提供作用场所。具体地，碱金属原子可以为钾原子、铷原子或者銫原子中的任意一种，缓冲气体可以为化学性质稳定的气体，例如惰性气体、氮气等。

反射镜123可以用于调整激光光路，使入射原子气室的圆偏振光反射后再次通过原子气室射出，从而得到出射激光。可选地，反射镜123的反射角度可以为90°。

需要说明的是，本实施例中的三轴矢量磁场探测装置100为双原子气室结构，圆偏振光入射第一原子气室122后经过反射镜123反射，反射光再经过第二原子气室122后射出。在其他的实施例中，三轴矢量磁场探测装置100也可以为单原子气室结构，即反射镜123设置在原子气室122内，或者原子气室122内设置有反射面，入射的圆偏振光经原子气室122的反射镜/反射面反射后，从原子气室122射出，从而得到出射激光。

光电探测器131可以用于接收出射激光，并测量出射激光的光功率信号，并将光功率信号发送至锁相放大器132进行处理。

锁相放大器132可以根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，得到对应三个方向的磁场信息。

进一步地，三轴矢量磁场探测装置100的探测模块120还可以包括函数信号发生器124，函数信号发生器124可以用于为三维磁场线圈提供不同频率的三维磁场信号，即为三个方向的调制磁场提供不同的调制频率，可以分为：B_xcosω_xt、B_ycosω_yt、B_zcosω_zt。函数信号发生器124将参考信号发送至锁相放大器132，其中，参考信息可以包括三个方向的调制磁场的调制频率。

在一些实施例中，三轴矢量磁场探测装置100的探测模块120还可以包括加热片、温度检测件。

加热片可以用于提高原子气室温度，增加原子气室内的原子数密度；温度检测件可以连接加热片，用于监测和调节原子气室的温度。其中，温度检测件可以为热感电阻等。在本实施例中，可以将原子气室内的温度提高至150℃～160℃，从而提高原子对激光的吸收。

本实施例中还采用了无自旋交换弛豫(SERF,spin-exchange relaxation free)磁力仪方案提高系统的灵敏度。将原子气室的温度升高到150℃，高温下高速的自旋交换碰撞使原子系综处于自旋温度分布状态，从而消除自旋交换弛豫的影响。

在一些实施例中，三维磁场线圈130还可以还用于施加与待测磁场相反的补偿磁场，以使原子气室内的原子处于近零磁场的状态，进一步消除自旋交换弛豫的影响从而提高灵敏度。进一步地，探测模块可以集成为探头，探头内部还可以包括窗口片和气凝胶，窗口片和气凝胶可以用于保温和隔热，以降低探头外部温度。其中窗口片可以设置在激光经过的光路，既不影响光路还可以实现隔热，例如设置在光电探测器对应探头的位置。气凝胶可以设置在探头内部激光不经过的其他位置，隔热效果更佳。

需要说明的是，探头内部还可以包括屏蔽罩125和加热炉126，加热片、温度检测件、原子气室122、反射镜123可以设置在加热炉内，加热炉外设置有三维磁场线圈121，屏蔽罩125覆盖加热炉126和三维磁场线圈121。其中，屏蔽罩125可以降低外界磁场对原子气室内原子的干扰，提高探测的灵敏度和准确性。

需要说明的是，在本实施例中，可以通过如下公式由光功率信号计算得到磁场强度信息：

光强与原子极化率的关系为：

其中I为光强；x为光在原子气室传播的距离；n为碱金属原子数密度；σ(v)为吸收系数，它与激光频率有关；P_x为原子极化率，而P_x与拉莫尔频率有如下关系：

其中

为平衡自旋极化；R_OP为光泵浦率；Γ₂为自旋弛豫率；J₀与J₁为第一类贝塞尔函数；τ＝(R_OP+Γ₂)^-1；ω_L为拉莫尔频率且ω_L＝γB，其中γ为原子的旋磁比，而B即为磁场强度，由此即可计算出待测磁场。

综上，可以通过光吸收与磁场大小的相关公式计算得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息。

在本实施例中，三轴矢量磁场探测装置使用了基于反射式光路的单原子气室或者双原子气室结构，获得光路相交的磁敏感区域，消除了探测盲区，可以实现对磁场的三轴矢量探测，其次，为了提高对低频微弱磁场探测的灵敏度，调制磁场为高频调制，可以减小环境噪声以及电路低频噪声的影响。并且，本实施例只需要一束激光同时作为泵浦光与探测光，三轴矢量磁场探测装置的结构得以大大简化。

通过上述方式，本实施例中三轴矢量磁场探测装置的灵敏度指标在每个方向均优于

以及低于10％的各方向串扰。

请参阅图3，图3是本申请三轴矢量磁场探测方法一实施例的流程示意图。在本实施例中三轴矢量磁场探测方法可以包括以下步骤：

S110：提供一束激光。

S120：对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场。

预先通过三维磁场线圈对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场。其中，三维磁场线圈对原子气室的三个方向施加的三个调制磁场可以两两相互垂直。例如，按照直角坐标系将三个方向划分为x轴方向、y轴方向和z轴方向。并且，为了减小环境噪声以及电路上的低频噪声，调制磁场可以为高频磁场，调制磁场的范围可以为1～2kHz。

S130：将激光调整为圆偏振光，使圆偏振光入射原子气室、经反射镜反射后、再次通过原子气室后射出，得到出射激光。

利用光学元件将激光调整为圆偏振光，具体地，激光经过偏振片变成线偏振光，线偏振光经过1/4波片变成圆偏振光。圆偏振光入射原子气室，经反射镜反射后、再次通过原子气室后射出，得到出射激光。圆偏振光在原子气室内会形成两条相交的光路，从而消除探测盲区。

在一些实施例中，圆偏振光入射原子气室，经反射镜反射90°后，再次通过原子气室，即在原子气室中获得光路正交的磁敏感区域，从而消除探测盲区。

S140：根据PID闭环反馈，利用三维磁场线圈施加与待测磁场相反的补偿磁场，以使原子气室内的原子处于近零磁场的状态，从而提高测量的灵敏度。

在探测磁信号前，应首先将装置调节到最佳工作状态，为此需要调节多个参数。由于原子气室对激光的吸收，当激光光强过小时，将无法通过原子气室进入光电探测器；当激光光强过大时，吸收信号又会不明显。因此需要调整到合适的光强大小以得到一个适宜的信号。

在本实施例，调制磁场频率应适宜，并且可以通过PID闭环锁定的方法在待测磁场方向施加反向补偿磁场。并且将原子气室的温度升高到150℃，高温下高速的自旋交换碰撞使原子始终处于自旋温度分布状态，从而消除自旋交换弛豫的影响，即可以使得装置工作在近零磁场的环境下的SERF状态，从而提高装置的灵敏度。

本实施例加入了PID闭环反馈和提高原子气室的温度，可以进一步提高探测的灵敏度和准确度。

S150：测量出射激光的光功率信号，并根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息。

具体地，根据调制磁场对出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息，可以理解为通过光吸收与磁场大小的相关公式计算得到待测磁场的对应三个方向的磁场信息，具体在上述实施例中已详细介绍，在此不再赘述。

通过上述方法，圆偏振光在原子气室中反射，形成相交的光路，相交光路的探测盲区可以相互补偿，从而避免单一光路的磁敏感区域造成的探测盲区，以实现全方向的三轴矢量磁场探测；同时，本实施例中只需要一束激光即可同时作为泵浦光和探测光，通过简单的结构缩小了装置的体积，便于进行小型化；并且，本实施例中还通过三维磁场线圈对原子气室的三个方向施加不同频率的调制磁场，通过解调即可分离出各自的磁场信息。

请参阅图4～图6，图4是本申请x轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线；图5是本申请y轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线；图6是本申请y轴磁场与锁相放大器输出幅值一实施例的关系曲线。

根据图4-图6可以得知，通过解调光电探测器上的光功率信号得到相应的磁场信息，利用时域磁场信号计算噪声谱，观察装置在目标频段下三个探测方向的灵敏度。目前，装置的灵敏度指标

以及低于10％的各方向串扰。

需要说明的是，本申请的三轴矢量磁场探测方法和探测装置除了可以适用于SERF磁力仪外，还可以适用于其他类型的磁力仪或其他原子气室，如氦原子气室等，在此不多赘述。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三轴矢量磁场探测方法，其特征在于，所述三轴矢量磁场探测方法包括：

提供一束激光；

对原子气室的三个方向施加不同频率的高频率调制磁场；其中，所述高频率调制磁场的范围为1~2kHz，所述原子气室的温度为150℃~160℃；

将所述激光调整为圆偏振光，使所述圆偏振光入射所述原子气室、经反射镜反射后、再次通过所述原子气室后射出，得到出射激光；

测量所述出射激光的光功率信号，并根据所述高频率调制磁场对所述出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应所述三个方向的磁场信息。

2.根据权利要求1所述的三轴矢量磁场探测方法，其特征在于，所述测量所述出射激光的光功率信号，并根据所述高频率调制磁场对所述出射激光的光功率信号进行解调，得到对应所述三个方向的磁场信息之前，还包括：

根据PID闭环反馈，施加与所述待测磁场相反的补偿磁场，以使所述原子气室内的原子处于近零磁场的状态，从而增加磁力仪的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的三轴矢量磁场探测方法，其特征在于，还包括：

加热所述原子气室以增大所述原子气室内的原子数密度，从而增强原子对所述圆偏振光的吸收。

4.根据权利要求1所述的三轴矢量磁场探测方法，其特征在于，包括：

所述圆偏振光入射所述原子气室，经反射镜反射90°后，再次通过所述原子气室；其中，三维磁场线圈对所述原子气室的三个方向施加的三个高频率调制磁场两两相互垂直。

5.根据权利要求1所述的三轴矢量磁场探测方法，其特征在于，所述将所述激光调整为圆偏振光，包括：

所述激光经过偏振片变成线偏振光，所述线偏振光经过1/4波片变成所述圆偏振光。

6.一种三轴矢量磁场探测装置，其特征在于，所述三轴矢量磁场探测装置包括：

光源模块，包括光源、偏振片和1/4波片；其中，所述光源用于提供一束激光，所述偏振片和1/4波片用于将所述激光调整为圆偏振光；

探测模块，包括三维磁场线圈、原子气室、反射镜和加热片；其中，所述三维磁场线圈用于为所述原子气室提供三个方向施加不同频率的高频率调制磁场；所述高频率调制磁场的范围为1~2kHz，所述原子气室为充有碱金属原子及缓冲气体的透明气室，用于为所述圆偏振光和碱金属原子提供作用场所；所述反射镜用于使入射所述原子气室的圆偏振光反射后再经过所述原子气室后射出，得到出射激光；所述加热片用于提高所述原子气室温度至150℃~160℃，增加所述原子气室内的原子数密度；

信号处理模块，包括光电探测器和锁相放大器，其中，所述光电探测器用于测量所述出射激光的光功率信号，所述锁相放大器用于根据所述高频率调制磁场对所述出射激光的光功率信号进行解调，以得到待测磁场的对应所述三个方向的磁场信息。

7.根据权利要求6所述的三轴矢量磁场探测装置，其特征在于，

所述三维磁场线圈还用于施加与所述待测磁场相反的补偿磁场，以使所述原子气室内的原子处于近零磁场的状态，从而增加测量灵敏度。

8.根据权利要求6所述的三轴矢量磁场探测装置，其特征在于，所述探测模块还包括：

温度检测件，连接所述加热片，用于监测和调节所述原子气室的温度。

9.根据权利要求6所述的三轴矢量磁场探测装置，其特征在于，

所述探测模块集成为探头，所述探头内部还包括窗口片和气凝胶；所述窗口片和气凝胶用于保温和隔热，以降低所述探头外部温度。

10.根据权利要求6所述的三轴矢量磁场探测装置，其特征在于，所述探测模块还包括函数信号发生器，所述函数信号发生器用于为所述三维磁场线圈提供不同频率的三维磁场信号。

Images