CN113009385B - 一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法，该测量装置包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室、温度控制模块和信号分析控制模块，对经过两个原子气室中的两路泵浦光分别进行光功率调制，对经过两个原子气室中的同一路探测光进行空间分离的偏振态调制，在不增加激光光源和探测器的前提下实现了双通道的原子磁梯度测量，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁异常测量灵敏度；本发明利用功率调制的泵浦光实现两个原子磁场通道中原子自旋的激励，通过控制泵浦光束的光束直径和行进路径，有效避免两个磁场测量通道之间的耦合，实现原子自旋共振激励的完全隔绝，避免双通道磁测量信号之间的串扰，获得更加准确的磁梯度测量结果。

Description

一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，特别地，涉及一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法。

背景技术

在工程领域，各类地下管线、人防工程、旧建筑基础等障碍物是影响高层建筑、市政、公路、铁路、水利等各类工程建设项目设计和施工的重要因素。因此，在工程设计和施工前需要查明这些物体的分布、性质和地下埋藏情况。针对大埋深非开挖金属管线探测、深埋人防工程、桩靴等铁磁性障碍物探测应用，传统探测手段受到探测原理、探测精度或探测距离等因素制约，难以解决上述难题。

非开挖金属管线探测、深埋人防工程、桩靴以及灌注桩钢筋笼等目标均属于强铁磁性物质，受地球磁场的磁化作用，在其周围区域均分布有较强的磁异常。利用高灵敏度的磁梯度测量装置能够实现地下磁异常目标的精确定位。

原子磁探测技术利用碱金属原子在磁场中的自旋共振效应实现磁场测量，是目前世界上最灵敏的磁场测量手段，具有高灵敏、低功耗、可连续测量的优点。单通道工作的原子磁测量装置只装配一个传感单元，灵敏度稍低，且仅能测量磁场的总场强度，受外部磁场均匀度、磁场日变以及周围环境温度变化等的影响很大。原子磁梯度测量装置使用两个磁传感单元进行磁场梯度测量，能够有效提升抗干扰能力和磁异常测量灵敏度，不仅能够在工程建设领域中获得较好应用效果，在军事领域可以用于探测水下潜艇、未爆炸物、磁性障碍物等，在医疗研究领域可用于无线胶囊跟踪、靶向癌细胞的检测、舌头跟踪等，在地球物理领域可用于矿产勘探、洞穴测绘、地磁场演变等。

原子磁梯度测量装置需要两个传感单元中工作原子实现同步共振激励和同步进动检测，目前普遍采用的射频磁场激励方案和多探测器检测方案同步性差，且容易在两个传感单元之间造成串扰，使测量结果耦合，难以实现较好抗干扰效果。

综上所述，急需一种全新原子磁梯度测量方案以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，具体方案如下：

一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室、温度控制模块和信号分析控制模块；

所述原子气室包括第一原子气室和第二原子气室；

所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室和第二原子气室中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器、泵浦激光器、第一分光片、第一二分之一波片、偏振分光镜、第一激光功率调制元件、第一扩束镜、第一起偏器、第一四分之一波片、第一反射镜、第二激光功率调制元件、第二扩束镜、第二起偏器以及第二四分之一波片；所述泵浦激光器用于发射泵浦激光；所述第一分光片用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束和泵浦光主光束；所述泵浦激光控制器设置在泵浦光参考光束光路上并用于实现对泵浦激光器的泵浦激光频率的选择及锁定；所述偏振分光镜用于将泵浦光主光束分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，所述第一二分之一波片位于第一分光片和偏振分光镜之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；所述第一激光功率调制元件、第一扩束镜、第一起偏器和第一四分之一波片顺次设置在泵浦光第一光束的光路上，第一激光功率调制元件用于实现对泵浦光第一光束的光功率进行调制，第一扩束镜用于扩大泵浦光第一光束的光斑尺寸，第一起偏器和第一四分之一波片用于调整进入第一原子气室的泵浦光第一光束的偏振状态；所述第一反射镜、第二激光功率调制元件、第二扩束镜、第二起偏器以及第二四分之一波片顺次设置在泵浦光第二光束的光路上，第一反射镜用于实现对泵浦光第二光束激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件用于实现对泵浦光第二光束光功率的调制，第二扩束镜用于扩大泵浦光第二光束的光斑尺寸，第二起偏器和第二四分之一波片用于调整进入第二原子气室的泵浦光第二光束的偏振状态；

所述探测光路模块用于产生探测激光，探测激光经过第一原子气室和第二原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述探测光路模块包括探测激光控制器、探测激光器、第二分光片、第二反射镜、第三扩束镜、第三起偏器、激光偏振调制元件、聚焦透镜、第三反射镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器；所述探测激光器发射探测激光；第二分光片用于将探测激光分为探测光参考光束和探测光主光束；所述探测激光控制器设置在探测光参考光束的光路上并用于实现对探测激光器的探测激光频率的选择及锁定；所述第二反射镜、第三扩束镜和第三起偏器顺次设置在探测光主光束的光路上，第二反射镜用于实现对探测光主光束激光行进路线的调整，第三扩束镜用于扩大探测光主光束的光斑尺寸，第三起偏器用于调整进入第一原子气室的探测光主光束的偏振状态；所述激光偏振调制元件位于第一原子气室和第二原子气室之间，用于调制穿过第一原子气室后进入第二原子气室的探测光主光束的偏振状态；所述聚焦透镜、第三反射镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器顺次设置在穿过第二原子气室的探测光主光束的光路上，聚焦透镜用于汇聚经过第二原子气室的探测光主光束，探测光主光束经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测探测光主光束经过第一原子气室和第二原子气室偏振方向的变化；

温度控制模块用于控制第一原子气室和第二原子气室的温度；

所述信号分析控制模块分别连接第一激光功率调制元件、第二激光功率调制元件、激光偏振调制元件以及平衡探测器。

优选的，所述平衡探测器的输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

优选的，温度控制模块包括第一无磁温度传感器、第一电加热片、第一温度控制器、第二无磁温度传感器、第二电加热片和第二温度控制器；

所述第一无磁温度传感器用于监测第一原子气室的温度，第一电加热片用于加热第一原子气室，第一无磁温度传感器和第一电加热片均与第一温度控制器连接；

所述第二无磁温度传感器用于监测第二原子气室的温度，第二电加热片用于加热第二原子气室，第二无磁温度传感器和第二电加热片均与第二温度控制器连接。

优选的，信号分析控制模块包括激光偏振调制控制器、锁相放大器、第一激光功率调制控制器、第二激光功率调制控制器、转换电路和数据处理服务器；

激光偏振调制控制器驱动信号输出端与激光偏振调制元件和锁相放大器的参考信号输入端相连，用于产生激光偏振调制元件驱动信号；所述锁相放大器的信号输入端与平衡探测器的输出端相连，用于解调探测光主光束经过第二原子气室后偏振方向的变化信号；

所述第一激光功率调制控制器的输出端与第一激光功率调制元件相连，用于产生第一激光功率调制元件的驱动信号；所述第二激光功率调制控制器的输出端与第二激光功率调制元件相连，用于产生第二激光功率调制元件驱动信号；所述转换电路的模数转换输入端分别于与平衡探测器的差分输出端、锁相放大器的输出端相连；所述转换电路的数模转换输出端分别与第一激光功率调制控制器的输入端和第二激光功率调制控制器的输入端连接；所述数据处理服务器与转换电路连接。

优选的，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜分别能进行单独调节。

本发明还公开一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将上述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置组装好；

步骤二、所述泵浦激光器发射的泵浦激光，经过第一分光片分为泵浦光参考光束和泵浦光主光束，其中：泵浦光参考光束反馈给泵浦激光控制器用于实现对泵浦激光频率的选择及锁定；泵浦光主光束经过第一二分之一波片后被偏振分光镜分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，泵浦光第一光束被第一激光功率调制元件调制光功率，调制后泵浦光第一光束经过第一扩束镜扩大光斑尺寸，经过第一起偏器和第一四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第一原子气室；泵浦光第二光束经过第一反射镜后被第二激光功率调制元件调制光功率，调制后泵浦光第二光束经过第二扩束镜扩大光斑尺寸，经过第二起偏器和第二四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第二原子气室；

所述探测激光器发射的探测激光，经过第二分光片后分为探测光参考光束和探测光主光束，其中：探测光参考光束光路反馈给探测激光控制器用于实现对探测激光频率的选择及锁定；探测光主光束先经过第二反射镜后被第三扩束镜扩大光斑尺寸，再经过第三起偏器调整偏振状态后穿过第一原子气室；透射出第一原子气室的探测光被激光偏振调制元件调制偏振状态后穿过第二原子气室；聚焦透镜汇聚经过第二原子气室的透射光，由第三反射镜调整行进方向后，经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测探测光主光束经过第一原子气室和第二原子气室偏振方向的变化；

步骤三、所述第一激光功率调制控制器输出交流信号驱动第一激光功率调制元件，调制泵浦光第一光束的光功率，调制频率位于第一原子气室中碱金属原子自旋进动频率附近；所述第二激光功率调制控制器输出交流信号驱动第二激光功率调制元件，调制泵浦光第二光束的光功率，调制频率位于第二原子气室中碱金属原子自旋进动频率附近；

信号分析控制模块中激光偏振调制控制器输出驱动信号给激光偏振调制元件调制进入第二原子气室的探测光束偏振方向，平衡探测器的差分输出端同时输出给锁相放大器信号输入端和转换电路的模数转换输入端，锁相放大器以激光偏振调制控制器的驱动信号解调平衡探测器的差分输出信号，得到第二原子气室中碱金属原子自旋进动频率，输出给转换电路的模数转换输入端；信号分析控制模块中数据处理服务器经过转换电路采集平衡探测器输出的探测激光偏振方向变化信号，以激光偏振调制控制器的驱动信号中心频率进行带阻滤波，剔除第二原子气室中碱金属原子自旋进动信号，得到第一原子气室中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第一原子气室测量的磁场强度；数据处理服务器经过转换电路采集锁相放大器输出的第二原子气室中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第二原子气室测量的磁场强度；数据处理服务器将第一原子气室测量的磁场强度与第二原子气室测量的磁场强度做差分运算，得到磁梯度测量信号；

步骤二至步骤三中：温度控制模块中第一温度控制器用于接收第一无磁温度传感器的温度测量信号并向第一电加热片输出对应的温度控制信号；温度控制模块中第二温度控制器用于接收第二无磁温度传感器的温度测量信号并向第二电加热片输出对应的温度控制信号。

优选的，所述第一温度控制器和第二温度控制器内设闭环控制方式。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，对经过两个原子气室中的两路泵浦光分别进行光功率调制，对经过两个原子气室中的同一路探测光进行空间分离的偏振态调制。在不增加激光光源和探测器的前提下实现了双通道的原子磁梯度测量，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁异常测量灵敏度。

(2)本发明提出的原子磁梯度测量装置利用功率调制的泵浦光实现两个原子磁场通道中原子自旋的激励，通过控制泵浦光束的光束直径和行进路径，可以有效避免两个磁场测量通道之间的耦合，实现原子自旋共振激励的完全隔绝，有效避免双通道磁测量信号之间的串扰。

(3)本发明中通过两个原子气室中的泵浦光功率调制控制器信号通过数据处理服务器统一控制，共用同一时钟和触发信号，可以实现两个原子气室中工作原子同步共振激励；本发明采用同一束探测光通过两个原子气室，可以实现同步进动检测，可以获得更加准确的磁梯度测量结果。

(4)本发明提出激光光束分束和分布式调制方案，不仅能够实现双通道的原子磁场测量，还可以进一步向更多通道扩展。

(5)本发明通过设置放大倍数可调的第一扩束镜、第二扩束镜和第三扩束镜，可实现对激光光束直径的调整，使激光覆盖原子气室，因此本发明构造的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置适用于各种不同形状尺寸的原子气室。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置的结构示意图；

其中，1、泵浦光路模块，101、泵浦激光控制器，102、泵浦激光器，103、第一分光片，104、第一二分之一波片，105、偏振分光镜，106、第一激光功率调制元件，107、第一扩束镜，108、第一起偏器，109、第一四分之一波片，110、第一反射镜，111、第二激光功率调制元件，112、第二扩束镜，113、第二起偏器，114、第二四分之一波片；2、探测光路模块，201、探测激光控制器，202、探测激光器，203、第二分光片，204、第二反射镜，205、第三扩束镜，206、第三起偏器，207、激光偏振调制元件，208、聚焦透镜，209、第三反射镜，210、第二二分之一波片，211、沃拉斯顿棱镜，212、平衡探测器；3、原子气室，301、第一原子气室，302、第二原子气室；4、温度控制模块，401、第一无磁温度传感器，402、第一电加热片，403、第一温度控制器，404、第二无磁温度传感器，405、第二电加热片，406、第二温度控制器；5、信号分析控制模块，501，激光偏振调制控制器，502、锁相放大器，503、第一激光功率调制控制器，504、第二激光功率调制控制器，505、转换电路，506、数据处理服务器；

1A、泵浦光参考光束，1B、泵浦光主光束，1C、泵浦光第一光束，1D、泵浦光第二束，2A、探测光参考光束，2B、探测光主光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例：

参见图1，一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，包括泵浦光路模块1、探测光路模块2、原子气室3、温度控制模块4和信号分析控制模块5；

原子气室3包括第一原子气室301和第二原子气室302，原子气室为密闭的通光气室，内部充有碱金属原子(如钾、铷、铯)、缓冲气体(如氮气)、淬火气体(如氦气)。

所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室301和第二原子气室302中的碱金属原子介质；所述探测光路模块用于产生探测激光，所述探测激光经过第一原子气室301和第二原子气室302中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述温度控制模块用于控制第一原子气室301和第二原子气室302处的温度；所述信号分析控制模块分别连接泵浦光路模块、探测光路模块，所述信号分析控制模块用于控制泵浦光路模块、探测光路模块中各个光调制器件的驱动信号和解算探测得到磁梯度信号。

所述泵浦光路模块1包括泵浦激光控制器101、泵浦激光器102、第一分光片103、第一二分之一波片104、偏振分光镜105、第一激光功率调制元件106、第一扩束镜107、第一起偏器108、第一四分之一波片109、第一反射镜110、第二激光功率调制元件111、第二扩束镜112、第二起偏器113和第二四分之一波片114，具体是：

所述泵浦激光器102用于发射泵浦激光；

第一分光片103用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束1A和泵浦光主光束1B；所述泵浦激光控制器101设置在泵浦光参考光束1A光路上并用于对泵浦激光频率的选择及锁定；

所述偏振分光镜105用于将泵浦光主光束1B分为泵浦光第一光束1C和泵浦光第二光束1D，所述第一二分之一波片104位于第一分光片103和偏振分光镜105之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；

所述第一激光功率调制元件106、第一扩束镜107、第一起偏器108和第一四分之一波片109顺次设置在泵浦光第一光束1C的光路上，第一激光功率调制元件106用于实现对泵浦光第一光束1C的光功率进行调制，第一扩束镜107用于扩大泵浦光第一光束1C的光斑尺寸，第一起偏器108和第一四分之一波片109用于调整进入第一原子气室301的泵浦光第一光束1C的偏振状态；

所述第一反射镜110、第二激光功率调制元件111、第二扩束镜112、第二起偏器113以及第二四分之一波片114顺次设置在泵浦光第二光束1D的光路上，第一反射镜110用于实现对泵浦光第二光束1D激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件111用于实现对泵浦光第二光束1D光功率的调制，第二扩束镜112用于扩大泵浦光第二光束1D的光斑尺寸，第二起偏器113和第二四分之一波片114用于调整进入第二原子气室302的泵浦光第二光束1D的偏振状态。

所述探测光路模块2包括探测激光控制器201、探测激光器202、第二分光片203、第二反射镜204、第三扩束镜205、第三起偏器206、激光偏振调制元件207、聚焦透镜208、第三反射镜209、第二二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212，具体是：

所述探测激光器202发射探测激光；

第二分光片203用于将探测激光分为探测光参考光束2A和探测光主光束2B，探测激光控制器201设置在探测光参考光束2A的光路上并用于对探测激光频率的选择及锁定；

所述第二反射镜204、第三扩束镜205和第三起偏器206顺次设置在探测光主光束2B的光路上，第二反射镜204用于实现对探测光主光束2B激光行进路线的调整，第三扩束镜205用于扩大探测光主光束2B的光斑尺寸，第三起偏器206用于调整进入第一原子气室301的探测光主光束2B的偏振状态；

所述激光偏振调制元件207位于第一原子气室301和第二原子气室302之间，用于调制穿过第一原子气室301后进入第二原子气室302的探测光主光束2B的偏振状态；

所述聚焦透镜208、第三反射镜209、第二二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212顺次设置在穿过第二原子气室302的探测光主光束2B的光路上，聚焦透镜208用于汇聚经过第二原子气室302的探测光主光束2B，探测光主光束2B经过第二二分之一波片210和沃拉斯顿棱镜211后被平衡探测器212接收，所述第三二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212用于检测探测光主光束2B经过第一原子气室301和第二原子气室302偏振方向的变化。优选地，所述平衡探测器212输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

所述温度控制模块4包括第一无磁温度传感器401、第一电加热片402、第一温度控制器403、第二无磁温度传感器404、第二电加热片405和第二温度控制器406，具体是：

所述第一无磁温度传感器401用于监测第一原子气室301处的温度，第一电加热片402用于加热第一原子气室301，第一无磁温度传感器401和第一电加热片402均与第一温度控制器403连接，所述第一温度控制器403用于接收第一无磁温度传感器401的温度测量信号并向第一电加热片402输出对应的温度控制信号；

所述第二无磁温度传感器404用于监测第二原子气室302处的温度，第二电加热片405用于加热第二原子气室302，第二无磁温度传感器404和第二电加热片405均与第二温度控制器406连接，所述第二温度控制器406用于接收第二无磁温度传感器404的温度测量信号并向第二电加热片405输出对应的温度控制信号。

所述信号分析控制模块5包括激光偏振调制控制器501、锁相放大器502、第一激光功率调制控制器503、第二激光功率调制控制器504、转换电路505和数据处理服务器506，具体是：所述激光偏振调制控制器501驱动信号输出端与激光偏振调制元件207和锁相放大器502参考信号输入端相连，用于产生激光偏振调制元件207驱动信号；所述锁相放大器502信号输入端与平衡探测器212输出端相连，用于解调探测光主光束2B经过第二原子气室302后偏振方向的变化信号；所述第一激光功率调制控制器503输出端与第一激光功率调制元件106相连，用于产生第一激光功率调制元件106驱动信号；所述第二激光功率调制控制器504输出端与第二激光功率调制元件111相连，用于产生第二激光功率调制元件111驱动信号；所述转换电路505的模数转换输入端分别于与平衡探测器212的差分输出端、锁相放大器502输出端相连；所述转换电路505的数模转换输出端分别与第一激光功率调制控制器503输入端和第二激光功率调制控制器504输入端连接；所述数据处理服务器506通过转换电路505与平衡探测器212的差分输出端、锁相放大器502输出端、第一激光功率调制控制器503输入端和第二激光功率调制控制器504输入端分别连接，用于接收来自第一原子气室301和第二原子气室302中碱金属原子自旋进动信号，通过信号解算和差分运算后得到磁梯度信息且发出针对第一原子气室301和第二原子气室302中碱金属原子自旋的泵浦激光功率调制信号。

本实施例中优选地，所述数据处理服务器506与转换电路505之间、所述转换电路505与锁相放大器502之间、所述转换电路505与平衡探测器212之间、所述转换电路505与第一激光功率调制控制器503之间、所述转换电路505与第二激光功率调制控制器504之间、所述锁相放大器502之间与激光偏振调制控制器501之间、所述第一激光功率调制控制器503与第一激光功率调制元件106之间、所述第二激光功率调制控制器504与第二激光功率调制元件111之间、所述第一无磁温度传感器401与第一温度控制器403之间、所述第一电加热片402与第一温度控制器403之间、第二无磁温度传感器404与第二温度控制器406之间、所述第二电加热片405与第二温度控制器406之间通过数据传输线连接。

应用本实施例的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其工作过程如下：

1)、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置组装好；

2)、泵浦激光器102出射的泵浦激光经过第一分光片103分为泵浦光参考光束1A和泵浦光主光束1B，其中泵浦光参考光束1A反馈给泵浦激光控制器101用于实现对泵浦激光频率的选择及锁定，泵浦光主光束1B经过第一二分之一波片104后被偏振分光镜105分为泵浦光第一光束1C和泵浦光第二光束1D，其中泵浦光第一光束1C被第一激光功率调制元件106调制光功率，调制后泵浦光第一光束1C经过第一扩束镜107扩大光斑尺寸，经过第一起偏器108和第一四分之一波片109后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第一原子气室301；泵浦光第二光束1D经过第一反射镜110后被第二激光功率调制元件111调制光功率，调制后泵浦光第二光束1D经过第二扩束镜112扩大光斑尺寸，经过第二起偏器113和第二四分之一波片114后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第二原子气室；

3)、所述探测激光器202出射的探测激光经过第二分光片203后分为探测光参考光束2A和探测光主光束2B，其中探测光参考光束光路2A反馈给探测激光控制器201用于实现对探测激光频率的选择及锁定，探测光主光束2B经过第二反射镜204后被第三扩束镜205扩大光斑尺寸，经过第三起偏器206调整偏振状态后穿过第一原子气室301；透射出第一原子气室301的探测光被激光偏振调制元件207调制偏振状态后穿过第二原子气室302，聚焦透镜208汇聚经过第二原子气室302的透射光，由第三反射镜209调整行进方向后，经过第二二分之一波片210和沃拉斯顿棱镜211后被平衡探测器212接收，所述第三二分之一波片210、沃拉斯顿棱镜211和平衡探测器212用于检测探测光主光束2B经过第一原子气室301和第二原子气室302偏振方向的变化；

4)、所述第一激光功率调制控制器503输出交流信号驱动第一激光功率调制元件106，调制泵浦光第一光束1C的光功率，调制频率位于第一原子气室301中碱金属原子自旋进动频率附近；所述第二激光功率调制控制器504输出交流信号驱动第二激光功率调制元件111，调制泵浦光第二光束1D的光功率，调制频率位于第二原子气室302中碱金属原子自旋进动频率附近；

5)、所述激光偏振调制控制器501输出驱动信号给激光偏振调制元件207调制进入第二原子气室302的探测光束偏振方向，平衡探测器212的差分输出端同时输出给锁相放大器502信号输入端和转换电路505的模数转换输入端，锁相放大器502以激光偏振调制控制器501的驱动信号解调平衡探测器212的差分输出信号，得到第二原子气室302中碱金属原子自旋进动频率，输出给转换电路505的模数转换输入端；所述数据处理服务器602经过转换电路601采集平衡探测器212输出的探测激光偏振方向变化信号，以激光偏振调制控制器501的驱动信号中心频率进行带阻滤波，剔除第二原子气室302中碱金属原子自旋进动信号，得到第一原子气室301中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第一原子气室301测量的磁场强度；所述数据处理服务器602经过转换电路601采集锁相放大器502输出的第二原子气室302中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第二原子气室302测量的磁场强度；所述数据处理服务器602将第一原子气室301测量的磁场强度与第二原子气室302测量的磁场强度做差分运算，得到磁梯度测量信号。

本实施例中：所述第一温度控制器403用于接收第一无磁温度传感器401的温度测量信号并向第一电加热片402输出对应的温度控制信号，所述第二温度控制器406用于接收第二无磁温度传感器404的温度测量信号并向第二电加热片405输出对应的温度控制信号。优选的，所述第一温度控制器403和第二温度控制器406内设闭环控制方式。

应用本发明的技术方案，效果是：

本发明所公开的基于分布式调制的原子磁梯度测量装置，对经过两个原子气室中的两路泵浦光分别进行光功率调制，对经过两个原子气室中的同一路探测光进行空间分离的偏振态调制，在不增加激光光源和探测器的前提下实现了双通道的原子磁梯度测量，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁异常测量灵敏度；本发明利用功率调制的泵浦光实现两个原子磁场通道中原子自旋的激励，通过控制泵浦光束的光束直径和行进路径，可以有效避免两个磁场测量通道之间的耦合，实现原子自旋共振激励的完全隔绝，有效避免双通道磁测量信号之间的串扰；本发明通过两个原子气室中的泵浦光功率调制控制器信号利用数据处理服务器统一控制，共用同一时钟和触发信号，可以实现两个原子气室中工作原子同步共振激励；本发明采用同一束探测光通过两个原子气室，可以实现同步进动检测，可以获得更加准确的磁梯度测量结果；本发明提出激光光束分束和分布式调制方案，不仅能够实现双通道的原子磁场测量，还可以进一步向更多通道扩展；本发明结构简单，操作方便，可用于不同类型的原子气室，可移植性强，适于实用。

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 (7)

1.一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，包括泵浦光路模块(1)、探测光路模块(2)、原子气室(3)、温度控制模块(4)和信号分析控制模块(5)；

所述原子气室(3)包括第一原子气室(301)和第二原子气室(302)；

所述泵浦光路模块(1)用于产生泵浦激光极化第一原子气室(301)和第二原子气室(302)中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器(101)、泵浦激光器(102)、第一分光片(103)、第一二分之一波片(104)、偏振分光镜(105)、第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)、第一四分之一波片(109)、第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)；所述泵浦激光器(102)用于发射泵浦激光；所述第一分光片(103)用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束(1A)和泵浦光主光束(1B)；所述泵浦激光控制器(101)设置在泵浦光参考光束(1A)光路上并用于实现对泵浦激光器(102)的泵浦激光频率的选择及锁定；所述偏振分光镜(105)用于将泵浦光主光束(1B)分为泵浦光第一光束(1C)和泵浦光第二光束(1D)，所述第一二分之一波片(104)位于第一分光片(103)和偏振分光镜(105)之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；所述第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)和第一四分之一波片(109)顺次设置在泵浦光第一光束(1C)的光路上，第一激光功率调制元件(106)用于实现对泵浦光第一光束(1C)的光功率进行调制，第一扩束镜(107)用于扩大泵浦光第一光束(1C)的光斑尺寸，第一起偏器108和第一四分之一波片109用于调整进入第一原子气室(301)的泵浦光第一光束(1C)的偏振状态；所述第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)顺次设置在泵浦光第二光束(1D)的光路上，第一反射镜(110)用于实现对泵浦光第二光束(1D)激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件(111)用于实现对泵浦光第二光束(1D)光功率的调制，第二扩束镜(112)用于扩大泵浦光第二光束(1D)的光斑尺寸，第二起偏器(113)和第二四分之一波片(114)用于调整进入第二原子气室(302)的泵浦光第二光束(1D)的偏振状态；

所述探测光路模块(2)用于产生探测激光，探测激光经过第一原子气室301和第二原子气室302中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述探测光路模块(2)包括探测激光控制器(201)、探测激光器(202)、第二分光片(203)、第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)、第三起偏器(206)、激光偏振调制元件(207)、聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)；所述探测激光器(202)发射探测激光；第二分光片(203)用于将探测激光分为探测光参考光束(2A)和探测光主光束(2B)；所述探测激光控制器(201)设置在探测光参考光束(2A)的光路上并用于实现对探测激光器(202)的探测激光频率的选择及锁定；所述第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)和第三起偏器(206)顺次设置在探测光主光束(2B)的光路上，第二反射镜(204)用于实现对探测光主光束(2B)激光行进路线的调整，第三扩束镜(205)用于扩大探测光主光束(2B)的光斑尺寸，第三起偏器(206)用于调整进入第一原子气室(301)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述激光偏振调制元件(207)位于第一原子气室(301)和第二原子气室(302)之间，用于调制穿过第一原子气室(301)后进入第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)顺次设置在穿过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的光路上，聚焦透镜(208)用于汇聚经过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)，探测光主光束(2B)经过第二二分之一波片(210)和沃拉斯顿棱镜(211)后被平衡探测器(212)接收，第三二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)用于检测探测光主光束(2B)经过第一原子气室(301)和第二原子气室(302)偏振方向的变化；

温度控制模块(4)用于控制第一原子气室(301)和第二原子气室(302)的温度；

所述信号分析控制模块(5)分别连接第一激光功率调制元件(106)、第二激光功率调制元件(111)、激光偏振调制元件(207)以及平衡探测器(212)。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，所述平衡探测器(212)的输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，温度控制模块(4)包括第一无磁温度传感器(401)、第一电加热片(402)、第一温度控制器(403)、第二无磁温度传感器(404)、第二电加热片(405)和第二温度控制器(406)；

所述第一无磁温度传感器(401)用于监测第一原子气室(301)的温度，第一电加热片(402)用于加热第一原子气室(301)，第一无磁温度传感器(401)和第一电加热片(402)均与第一温度控制器(403)连接；

所述第二无磁温度传感器(404)用于监测第二原子气室(302)的温度，第二电加热片(405)用于加热第二原子气室(302)，第二无磁温度传感器(404)和第二电加热片(405)均与第二温度控制器(406)连接。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，信号分析控制模块(5)包括激光偏振调制控制器(501)、锁相放大器(502)、第一激光功率调制控制器(503)、第二激光功率调制控制器(504)、转换电路(505)和数据处理服务器(506)；

所述激光偏振调制控制器(501)驱动信号输出端与激光偏振调制元件(207)和锁相放大器(502)的参考信号输入端相连，用于产生激光偏振调制元件(207)驱动信号；所述锁相放大器(502)的信号输入端与平衡探测器(212)的输出端相连，用于解调探测光主光束(2B)经过第二原子气室(302)后偏振方向的变化信号；

所述第一激光功率调制控制器(503)的输出端与第一激光功率调制元件(106)相连，用于产生第一激光功率调制元件(106)的驱动信号；

所述第二激光功率调制控制器(504)的输出端与第二激光功率调制元件(111)相连，用于产生第二激光功率调制元件(111)驱动信号；

所述转换电路(505)的模数转换输入端分别于与平衡探测器(212)的差分输出端、锁相放大器(502)的输出端相连；所述转换电路(505)的数模转换输出端分别与第一激光功率调制控制器(503)的输入端和第二激光功率调制控制器(504)的输入端连接；所述数据处理服务器(506)与转换电路(505)连接。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，第一反射镜(110)、第二反射镜(204)和第三反射镜(209)分别能进行单独调节。

6.一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照激光经过顺序以及设备间连接关系将如权利要求1-5任意一项所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置组装好；

步骤二、所述泵浦激光器发射的泵浦激光，经过第一分光片分为泵浦光参考光束和泵浦光主光束，其中：泵浦光参考光束反馈给泵浦激光控制器用于实现对泵浦激光频率的选择及锁定；泵浦光主光束经过第一二分之一波片后被偏振分光镜分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，泵浦光第一光束被第一激光功率调制元件调制光功率，调制后泵浦光第一光束经过第一扩束镜扩大光斑尺寸，经过第一起偏器和第一四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第一原子气室；泵浦光第二光束经过第一反射镜后被第二激光功率调制元件调制光功率，调制后泵浦光第二光束经过第二扩束镜扩大光斑尺寸，经过第二起偏器和第二四分之一波片后由线偏振光转化为圆偏振光，辐照第二原子气室；

所述探测激光器发射的探测激光，经过第二分光片后分为探测光参考光束和探测光主光束，其中：探测光参考光束光路反馈给探测激光控制器用于实现对探测激光频率的选择及锁定；探测光主光束先经过第二反射镜后被第三扩束镜扩大光斑尺寸，再经过第三起偏器调整偏振状态后穿过第一原子气室；透射出第一原子气室的探测光被激光偏振调制元件调制偏振状态后穿过第二原子气室；聚焦透镜汇聚经过第二原子气室的透射光，由第三反射镜调整行进方向后，经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测探测光主光束经过第一原子气室和第二原子气室偏振方向的变化；

步骤三、第一激光功率调制控制器输出交流信号驱动第一激光功率调制元件，调制泵浦光第一光束的光功率，调制频率位于第一原子气室中碱金属原子自旋进动频率附近；第二激光功率调制控制器输出交流信号驱动第二激光功率调制元件，调制泵浦光第二光束的光功率，调制频率位于第二原子气室中碱金属原子自旋进动频率附近；

信号分析控制模块中激光偏振调制控制器输出驱动信号给激光偏振调制元件调制进入第二原子气室的探测光束偏振方向，平衡探测器的差分输出端同时输出给锁相放大器信号输入端和转换电路的模数转换输入端，锁相放大器以激光偏振调制控制器的驱动信号解调平衡探测器的差分输出信号，得到第二原子气室中碱金属原子自旋进动频率，输出给转换电路的模数转换输入端；信号分析控制模块中数据处理服务器经过转换电路采集平衡探测器输出的探测激光偏振方向变化信号，以激光偏振调制控制器的驱动信号中心频率进行带阻滤波，剔除第二原子气室中碱金属原子自旋进动信号，得到第一原子气室中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第一原子气室测量的磁场强度；数据处理服务器经过转换电路采集锁相放大器输出的第二原子气室中碱金属原子自旋进动信号，解算得到第二原子气室测量的磁场强度；数据处理服务器将第一原子气室测量的磁场强度与第二原子气室测量的磁场强度做差分运算，得到磁梯度测量信号；

步骤二至步骤三中：温度控制模块中第一温度控制器用于接收第一无磁温度传感器的温度测量信号并向第一电加热片输出对应的温度控制信号；温度控制模块中第二温度控制器用于接收第二无磁温度传感器的温度测量信号并向第二电加热片输出对应的温度控制信号。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述第一温度控制器和第二温度控制器内设闭环控制方式。

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