CN113189528B - 应用于小型化原子磁力计的读出方法、装置、设备及介质 - Google Patents

应用于小型化原子磁力计的读出方法、装置、设备及介质 Download PDF

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CN113189528B CN202110736592.3A CN202110736592A CN113189528B CN 113189528 B CN113189528 B CN 113189528B CN 202110736592 A CN202110736592 A CN 202110736592A CN 113189528 B CN113189528 B CN 113189528B
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Abstract

本申请涉及一种应用于小型化原子磁力计的读出方法、装置、设备及介质，所述方法包括接收并响应磁力计读出请求；基于预设温度驱动无磁加热片对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈进行磁场补偿；采集光电二极管的输出信号；基于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；存储反馈信号。本申请能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态。

Description

应用于小型化原子磁力计的读出方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及极弱磁信号探测技术领域，尤其涉及一种应用于小型化原子磁力计的读出方法、装置、设备及介质。
背景技术
极弱磁信号探测技术是一种用于检测弱磁场(<1nT)的高灵敏磁场探测技术，该技术能够帮助用户更有效的理解这个世界，在生物磁探测、地质勘探、基础物理惯性测量、超低场核磁共振测量等领域具有广泛的应用前景。
近年来，随着光电弱信号检测技术和量子操控技术的发展，基于无自旋交换弛豫（SERF）理论的新型超高灵敏度磁场探测设备-原子磁力计受到了广泛的关注。与传统探测技术超导量子干涉仪（SQUID）相比，SERF原子磁力计在保证灵敏度的前提下，其轻便、可小型化、价格低廉、能在常温环境中工作等优点大大提高了应用价值，也更容易被广泛推广使用。
但是为了保证足够高的探测灵敏度和稳定性，SERF原子磁力计对微弱信号检测电路提出了极高的要求。而传统的SERF原子磁力计微弱信号检测部分通常采用开环检测电路系统，存在测量动态范围不足、带宽较窄以及无法稳定处于SERF工作状态等问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提出一种应用于小型化原子磁力计的读出方法及装置、设备及介质，以解决传统的SERF原子磁力计检测微弱信号的测量动态范围不足、无法稳定处于SERF工作状态的问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例提供一种应用于小型化原子磁力计的读出方法，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路、小型化磁力计探头和信号采集控制电路组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤、准直透镜、偏振片、反射镜、四分之一波片、碱金属原子气室、热电偶、无磁加热片、隔热腔、三轴线圈、光电二极管以及探头外壳组成，该方法采用了如下所述的技术方案：
接收并响应磁力计读出请求；
基于预设温度驱动无磁加热片对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；
采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈进行磁场补偿；
采集光电二极管的输出信号；
利用锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；
基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；
存储反馈信号。
进一步的，采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈进行磁场补偿的步骤，具体包括下述步骤：
驱动三轴线圈进行磁场扫描操作，并采集光电二极管的当前输出信号，得到测量序列；
基于测量序列对三轴线圈的磁场进行补偿操作。
进一步地，基于测量序列对三轴线圈的磁场进行补偿操作的步骤，具体包括：
基于拟合样本函数对测量序列进行数值拟合操作，得到拟合曲线；
基于拟合曲线的极值点对三轴线圈磁场进行粗补偿操作；
将极值点反馈至三轴线圈，并通过PI控制模块对三轴线圈进行细补偿操作。
进一步地，锁相放大器基于数字正交方式实现数字锁相操作。
进一步地，PID算法表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
进一步地，该方法还包括下述步骤：
将反馈信号存储至区块链中。
为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种应用于小型化原子磁力计的读出装置，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路、小型化磁力计探头和信号采集控制电路组成，小型化磁力计探头由保偏光纤、准直透镜、偏振片、反射镜、四分之一波片、碱金属原子气室、热电偶、无磁加热片、隔热腔、三轴线圈、光电二极管以及探头外壳组成，该装置采用了如下所述的技术方案：
响应模块，用于接收并响应磁力计读出请求；
恒温模块，用于基于预设温度驱动无磁加热片对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；
磁场补偿模块，用于采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈进行磁场补偿；
信号采集模块，用于采集光电二极管的输出信号；
解调放大模块，用于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；
锁零输出模块，用于基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；
存储模块，用于存储反馈信号。
进一步的，磁场补偿模块包括：
磁场扫描子模块，用于驱动三轴线圈进行磁场扫描操作，并采集光电二极管的当前输出信号，得到测量序列；
磁场补偿子模块，用于基于测量序列对三轴线圈的磁场进行补偿操作。
为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种计算机设备，采用了如下所述的技术方案：
包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如上所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法的步骤。
为了解决上述技术问题，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，采用了如下所述的技术方案：
所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如上所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法的步骤。
与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：
本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出方法，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路、小型化磁力计探头和信号采集控制电路组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤、准直透镜、偏振片、反射镜、四分之一波片、碱金属原子气室、热电偶、无磁加热片、隔热腔、三轴线圈、光电二极管以及探头外壳组成，该方法包括：接收并响应磁力计读出请求；基于预设温度驱动无磁加热片对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈进行磁场补偿；采集光电二极管的输出信号；基于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；基于PID算法对锁相放大器进行锁零输出操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；存储反馈信号。基于预设温度对原子气室进行加热，以使磁力计工作在预设温度下保持恒温加热状态；再根据当前静磁场环境对三轴线圈进行快速静磁场补偿，以使剩磁到达预设强度，并基于数字信号源产生调制信号，加载到三轴线圈上；进而通过采集光电二极管的输出信号，并基于锁相放大电路对采集到的输出信号进行解调放大处理；再结合PID算法实现对当前锁相放大器输出锁零，并将该反馈信号反馈到三轴线圈中，以保持原子磁力计系统处于零场状态，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；最后对反馈信号进行数据存储。能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，提高探测灵敏度，以及有效提高系统测量动态范围和带宽，从而满足超高灵敏度的探测要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请中的方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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是本申请可以应用于其中的示例性结构示意图；
图2是本申请可以应用于其中的示例性原理框图；
图3是本申请实施例一提供的应用于小型化原子磁力计的读出方法的实现流程图；
图4是图3中步骤S3的一种具体实施方式的流程图；
图5是图4中步骤S302的一种具体实施方式的流程图；
图6是本申请可以应用于其中的示例性正交数字锁相放大电路原理框图：其中，X(t)为光电二极管输出信号(即待测信号)，S0(t)与S1(t)为相位相差90°的同频信号，频率与探头的调制信号频率相同；
图7是本申请实施例二提供的应用于小型化原子磁力计的读出装置的结构示意图；
图8是图7所示磁场补偿模块一种具体实施方式的结构示意图；
图9是根据本申请的计算机设备的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“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。
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。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参阅图3，示出了本申请实施例一提供的应用于小型化原子磁力计的读出方法的实现流程图，为了便于说明，仅示出与本申请相关的部分。
上述的应用于小型化原子磁力计的读出方法，参阅图1至图2，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤3、准直透镜4、偏振片5、反射镜6、四分之一波片7、碱金属原子气室8、热电偶9、无磁加热片10、隔热腔11、三轴线圈12、光电二极管13以及探头外壳14组成，该方法包括以下步骤：
在步骤S1中，接收并响应磁力计读出请求。
在本申请实施例中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，其中，信号采集控制电路2由AD转换模块、高精度数字信号源、数字化信号处理单元、数字化采集控制单元、高可靠通讯接口、温度控制单元等组成，并通过控制背板和上位计算机实现多路信号采集，以使得该小型化原子磁力计能够基于接收到的磁力计读出请求进行请求响应，以及信号的探测和处理。
在步骤S2中，基于预设温度驱动无磁加热片10对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热。
在本申请实施例中，预设温度是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
在本申请实施例中，为了实现对原子气室加热以及稳定控制功能，本实施例采用高频电加热方案，由高精度数字信号源产生高频电信号，具体可以是由FPGA内部的DDS实现波形生成电路，并经过DAC电路以及功率放大电路后驱动探头内部无磁加热片10对原子气室进行加热，并通过热电偶9以及温度采集芯片将温度信息反馈给数字主控模块进行温度控制，使气室保持在设定温度下工作。
在步骤S3中，采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿。
在本申请实施例中，当前静磁场数据是基于驱动三轴线圈12对当前静磁场进行扫描获取到的数据；预设剩磁强度是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
在本申请实施例中，为了实现三轴线圈12磁场补偿驱动功能，本实施例通过采样ADC电路、FGPA芯片以及DAC电路组成测量回路，并基于该测量回路对当前静磁场数据进行采集，并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
在步骤S4中，采集光电二极管13的输出信号。
在本申请实施例中，输出信号是由数字信号源所提供稳定的载波信号，并由ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化后得到的信号；本实施例通过采集光电二极管13的输出信号以使后续能够该输出信号进行处理从而准确获取实际测量磁场。
在步骤S5中，利用锁相放大器对输出信号进行解调放大处理。
在本实施例中，利用锁相放大器对输出信号进行解调放大处理，具体可以是通过将该输出信号输入至锁相放大器中结合预设的参考信号进行解调处理，从而提高信号信噪比；其中，预设的参考信号是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
在步骤S6中，基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈12，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场。
在本申请实施例中，为了快速准确地获取实际测量磁场，本实施例通过将反馈信号结合预设的调制信号一并反馈给三轴线圈12，使得气室周围测量轴方向磁场锁零，具体可以是基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，通过自适应PID算法实现当前锁相放大器输出为零，并将PID反馈信号，经过除法器进行幅度调节，最终通过加法器再次输出到三轴线圈12上，补偿外界磁场，实现原子气室测量轴方向磁场锁零，其中，反馈信号产生的磁场即为实际测量磁场。
在步骤S7中，存储反馈信号。
在本申请实施例中，存储反馈信号具体可以是通过将反馈信号中的数据传输至数据背板，由数据背板将多路数据进行整合并稳定传输至将上位机，从而保证小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，从而提高探测灵敏度。
本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出方法，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤3、准直透镜4、偏振片5、反射镜6、四分之一波片7、碱金属原子气室8、热电偶9、无磁加热片10、隔热腔11、三轴线圈12、光电二极管13以及探头外壳14组成，该方法包括：接收并响应磁力计读出请求；基于预设温度驱动无磁加热片10对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿；采集光电二极管13的输出信号；利用锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈12；存储反馈信号。基于预设温度对原子气室进行加热，以使磁力计工作在预设温度下保持恒温加热状态；再根据当前静磁场环境对三轴线圈12进行快速静磁场补偿，以使剩磁到达预设强度，并基于数字信号源产生调制信号，加载到三轴线圈12上；进而通过采集光电二极管13的输出信号，并利用锁相放大电路对采集到的输出信号进行解调放大处理；再结合PID算法实现对当前锁相放大器输出锁零，并将该反馈信号反馈到三轴线圈12中，以保持原子磁力计系统处于零场状态；最后对反馈信号进行数据存储。能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，提高探测灵敏度，以及有效提高系统测量动态范围和带宽，从而满足超高灵敏度的探测要求。
继续参考图4，示出了图3中步骤S3的一种具体实施方式的流程图，为了便于说明，仅示出与本申请相关的部分。
作为本申请实施例一的一些可选的实现方式中，上述步骤S3具体包括：步骤S301以及步骤S302。
在步骤S301中，驱动三轴线圈12进行磁场扫描操作，并采集光电二极管13的当前输出信号，得到测量序列。
在本申请实施例中，采集光电二极管13的当前输出信号具体可以是由数字信号源所提供稳定的载波信号，并由ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化后得到该当前输出信号，进而将该当前输出信号作为测量目标；并通过控制DAC电路驱动三轴线圈12对该测量目标进行磁场扫描形成测量序列。
在步骤S302中，基于测量序列对三轴线圈12的磁场进行补偿操作。
在本申请实施例中，基于测量序列对三轴线圈12的磁场进行补偿操作具体可以是基于测量序列通过FPGA芯片对三轴线圈12的磁场进行补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
继续参考图5，示出了图4中步骤S302的一种具体实施方式的流程图，为了便于说明，仅示出与本申请相关的部分。
作为本申请实施例一的一些可选的实现方式中，上述步骤S302具体包括：步骤S501、步骤S502以及步骤S503。
在步骤S501中，基于拟合样本函数对测量序列进行数值拟合操作，得到拟合曲线；
在步骤S502中，基于拟合曲线的极值点对三轴线圈12磁场进行粗补偿操作；
在步骤S503中，将极值点反馈至三轴线圈12，并通过PI控制模块对三轴线圈12进行细补偿操作。
在本申请实施例中，为了实现原子磁力计三轴磁场补偿，本实施例通过对三轴线圈12先后分别进行粗补偿以及细补偿来实现，其中，粗补偿，具体是通过ADC电路读取探头内部光电二极管13输出信号作为测量目标，并通过控制DAC电路驱动三轴线圈12进行磁场扫描形成测量序列，进而基于拟合样本函数对测量序列进行数值拟合，其中，该拟合样本函数储存在FPGA芯片内部中；然后，通过以拟合曲线的极值点作为校准初始值；其中，细补偿具体是通过将粗补偿中计算得到的校准初始值反馈到三轴线圈12中，并通过FPGA实现PI控制模块，对静磁场进行进一步补偿；进而，重复该步骤分别对三轴线圈12的X方向以及Z方向的磁场进行补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
在另外的实施例中，对三轴线圈12的磁场补偿驱动功能利用采样由ADC电路、FGPA芯片以及DAC电路组成的测量回路，并通过控制所述三轴线圈12对整个系统静磁场进行测量及补偿。具体说明如下：
下面以单一方向（X方向）举例详述整个补偿过程，整个补充过程分为两步，第一步为粗补偿（扫频补偿），即建立磁场校准模板，其具体过程为，通过主控模块控制DAC驱动三轴线圈12以等磁场间隔（1nT）在整个探测器的测量范围内进行磁场扫描（通常为正负50nT范围内），再通过ADC读取探头内部光电二极管13输出信号作为测量值并形成完整的磁场-电压测量序列，对该组数据进行数值拟合，并将拟合样本函数储存与FPGA内部，并以拟合曲线的极值点作为校准初始值，第二步为细补偿，根据第一步中计算得到的电压值作为校准初始值反馈到线圈，并在正负1nT范围内通过FPGA实现PI控制模块，对静磁场进行进一步补偿,直至磁场信号最大。重复该步骤分别对Y方向及Z方向磁场进行补偿，该方法可以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
继续参考图6，示出了本申请可以应用于其中的示例性正交数字锁相放大电路原理框图，为了便于说明，仅示出与本申请相关的部分。
作为本申请实施例一的一些可选的实现方式中，上述锁相放大器基于数字正交方式实现数字锁相操作。
在本申请实施例中，基于高精度数字信号源为系统提供稳定的参考和调制信号，具体可以由FPGA芯片内部DDS实现，并可以通过控制单元进行频率调节；本实施例利用数字锁相放大电路以实现对采集到的输出信号进行解调处理，具体可以是采用数字正交方式实现数字锁相，本实施例将基准源通过延迟电路，得到一组正交的参考信号，分别与信号相乘从而解决信号相位差的问题，并通过FPGA芯片实现数字乘法器，级联积分梳状滤波器得到滤波信号，进而将滤波信号通过平方模块，即乘法器模块，以及数字加法模块、开方运算模块，即采用牛顿迭代法得到待检测信号的幅度和相位信息，并输出给数字主控模块，以保证高精度高带宽的极弱磁信号的读出，为后续微弱磁信号的检测应用提供了物理条件。
作为本申请实施例一的一些可选的实现方式中，上述PID算法表示为：
Figure 767086DEST_PATH_IMAGE001
其中，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为反馈信号输出，所述e(t) 为光电二极管信号输入，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别为PID控制算法的比例、积分和微分的系数。
在本申请实施例中，为了方便FPGA实现，本实施例通过将上述PID算法进行离散化并进行差分计算后得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，T是时间常数，FPGA芯片内通过寄存器保存e(n)、e(n-1)、e(n-2)三个时刻反馈值；并通过乘法器和加法器实现上述运算式。
在本申请实施例中，PID控制算法具体为通过基于标准系数法的PID参数自动调整算法实现当前磁场强度测量，并将该信号进行反馈，保持系统的零场状态，具体包括如下步骤：
1）控制精度要求确定系统的调节时间，超调量，过渡时间等；
2）按照闭环系统进行四阶无静差PID控制器设计；
对于闭环系统I
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure DEST_PATH_IMAGE008
……
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是系统传递函数各个阶次对应的系数；
3）按照表1选择特征方程系数，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是闭环系统标准特征多项式簇的特征动态性能参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为过渡过程时间。计算表明，此时的特征根按等比级数分布。
表1闭环系统的标准系数法
Figure DEST_PATH_IMAGE013
对于控制器为PID控制器时，当被控对象为四阶系统时，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（1）
得到系统闭环传递函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（2）
将上述表达式表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（3）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（6）
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（7）
Figure DEST_PATH_IMAGE021
（8）
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（9）
按照标准系数法的要求，希望
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，而现在这种情况下，只能使得
Figure DEST_PATH_IMAGE026
尽量地接近于
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，在此基础之上再使得
Figure DEST_PATH_IMAGE028
尽量地接近于
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
尽量地接近于
Figure DEST_PATH_IMAGE031
。由式（4）、式（5）、式（6）三个方程，通过给定
Figure DEST_PATH_IMAGE032
就可以得到不同
Figure 98274DEST_PATH_IMAGE032
下的待设计参数
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。根据上面的计算过程，对于被控对象是四阶系统的情况下，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
控制器设计软件包可设计如下：在大范围内变化
Figure 533803DEST_PATH_IMAGE032
（取0~20），分别求出参数与标准系数近似度
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。根据
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，同时使得
Figure 86270DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 431800DEST_PATH_IMAGE039
尽量趋近于1的要求，即可完成设计任务，得到具体的PID（
Figure 785421DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 380351DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 110409DEST_PATH_IMAGE035
）参数，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
……
Figure DEST_PATH_IMAGE042
分别为每个阶次对应系数，S是控制系统里面常用的传递函数的表示方法，即对系统微分方程进行拉氏变换后的表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为常见四阶系统的开环传递函数，
Figure 405387DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 929909DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 215397DEST_PATH_IMAGE005
分别为PID控制算法的比例、积分和微分的系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
……
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为中间变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为期望的系统参数为已知量
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为实际系统传递函数中的对于开环系统增加了负反馈PID控制器后的闭环传递后的系统参数。
作为本申请实施例一的一些可选的实现方式中，在步骤S7之后，还包括：将反馈信号存储至区块链中。
在本申请实施例中，为进一步保证上述反馈信号的私密和安全性，上述反馈信号还可以存储于一区块链的节点中。
本申请所指区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(Blockchain)，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。区块链可以包括区块链底层平台、平台产品服务层以及应用服务层等。
综上，本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出方法，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤3、准直透镜4、偏振片5、反射镜6、四分之一波片7、碱金属原子气室8、热电偶9、无磁加热片10、隔热腔11、三轴线圈12、光电二极管13以及探头外壳14组成，该方法包括：接收并响应磁力计读出请求；基于预设温度驱动无磁加热片10对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿；采集光电二极管13的输出信号；利用锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈12，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；存储反馈信号。基于高频电加热方案以及基于预设温度驱动探头内部无磁加热片10对原子气室进行加热，并通过热电偶9以及温度采集芯片将温度信息反馈给数字主控模块进行温度控制，使气室保持在设定温度下工作，以保证磁力计工作在预设温度下保持恒温加热状态；再基于采样ADC电路、FGPA芯片以及DAC电路组成测量回路，进而根据当前静磁场环境对三轴线圈12进行快速静磁场补偿，以使剩磁到达预设强度，并基于数字信号源产生调制信号，加载到三轴线圈12上；进而通过ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化来采集光电二极管13的输出信号，并利用正交数字锁相放大电路对采集到的输出信号进行解调放大处理；再结合PID算法实现对当前锁相放大器输出锁零，并将该反馈信号反馈到三轴线圈12中，以保持原子磁力计系统处于零场状态，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；最后对反馈信号进行数据存储。能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，提高探测灵敏度，以及有效提高系统测量动态范围和带宽，从而满足超高灵敏度的探测要求。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机可读指令来指令相关的硬件来完成，该计算机可读指令可存储于一计算机可读取存储介质中，该计算机可读指令在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，前述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）等非易失性存储介质，或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
进一步参考图7，作为对上述图3所示方法的实现，本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出装置的一个实施例，该装置实施例与图3所示的方法实施例相对应，该装置具体可以应用于各种电子设备中。
实施例二
如图7所示，本实施例所述的应用于小型化原子磁力计的读出装置100，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，小型化磁力计探头由保偏光纤3、准直透镜4、偏振片5、反射镜6、四分之一波片7、碱金属原子气室8、热电偶9、无磁加热片10、隔热腔11、三轴线圈12、光电二极管13以及探头外壳14组成，该读出装置100包括：响应模块701、恒温模块702、磁场补偿模块703、信号采集模块704、解调放大模块705、锁零输出模块706以及存储模块707。其中：
响应模块701，用于接收并响应磁力计读出请求；
在本申请实施例中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，其中，信号采集控制电路2由AD转换模块，高精度数字信号源，数字化信号处理单元，数字化采集控制单元，高可靠通讯接口，温度控制单元等组成，并通过控制背板和上位计算机实现多路信号采集，以使得该小型化原子磁力计能够基于接收到的磁力计读出请求进行请求响应，以及信号的探测和处理。
恒温模块702，用于基于预设温度驱动无磁加热片10对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；
在本申请实施例中，预设温度是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
在本申请实施例中，为了实现对原子气室加热以及稳定控制功能，本实施例采用高频电加热方案，由高精度数字信号源产生高频电信号，具体可以是由FPGA内部的DDS实现波形生成电路，并经过DAC电路以及功率放大电路后驱动探头内部无磁加热片10对原子气室进行加热，并通过热电偶9以及温度采集芯片将温度信息反馈给数字主控模块进行温度控制，使气室保持在设定温度下工作。
磁场补偿模块703，用于采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿；
在本申请实施例中，当前静磁场数据是基于驱动三轴线圈12对当前静磁场进行扫描获取到的数据；预设剩磁强度是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
在本申请实施例中，为了实现三轴线圈12磁场补偿驱动功能，本实施例通过采样ADC电路、FGPA芯片以及DAC电路组成测量回路，并基于该测量回路对当前静磁场数据进行采集，并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
信号采集模块704，用于采集光电二极管13的输出信号；
在本申请实施例中，输出信号是由数字信号源所提供稳定的载波信号，并由ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化后得到的信号；本实施例通过采集光电二极管13的输出信号以使后续能够该输出信号进行处理从而准确获取实际测量磁场。
解调放大模块705，用于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；
在本实施例中，基于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理，具体可以是通过将该输出信号输入至锁相放大器中结合预设的参考信号进行解调处理，从而提高信号信噪比；其中，预设的参考信号是根据实际应用需求进行设置的，此处不做具体限制。
锁零输出模块706，用于基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈12；
在本申请实施例中，为了快速准确地获取实际测量磁场，本实施例通过将反馈信号结合预设的调制信号一并反馈给三轴线圈12，使得气室周围测量轴方向磁场锁零，具体可以是基于PID算法对锁相放大器输出进行锁零操作，通过自适应PID算法实现当前锁相放大器输出为零，并将PID反馈信号，经过除法器进行幅度调节，最终通过加法器再次输出到三轴线圈12上，补偿外界磁场，实现原子气室测量轴方向磁场锁零，其中，反馈信号产生的磁场即为实际测量磁场。
存储模块707，用于存储反馈信号。
在本申请实施例中，存储反馈信号具体可以是通过将反馈信号中的数据传输至数据背板，由数据背板将多路数据进行整合并稳定传输至将上位机，从而保证小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，从而提高探测灵敏度。
本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出装置，基于预设温度对原子气室进行加热，以使磁力计工作在预设温度下保持恒温加热状态；再根据当前静磁场环境对三轴线圈12进行快速静磁场补偿，以使剩磁到达预设强度，并基于数字信号源产生调制信号，加载到三轴线圈12上；进而通过采集光电二极管13的输出信号，并利用锁相放大电路对采集到的输出信号进行解调放大处理；再结合PID算法实现对当前锁相放大器输出锁零，并将该反馈信号反馈到三轴线圈12中，以保持原子磁力计系统处于零场状态；最后对反馈信号进行数据存储。能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，提高探测灵敏度，以及有效提高系统测量动态范围和带宽，从而满足超高灵敏度的探测要求。
继续参阅图8，示出了图7所示磁场补偿模块一种具体实施方式的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本申请相关的部分。
在本申请实施例二的一些可选的实现方式中，上述磁场补偿模块703包括：磁场扫描子模块801以及磁场补偿子模块802。
磁场扫描子模块801，用于驱动三轴线圈12进行磁场扫描操作，并采集光电二极管13的当前输出信号，得到测量序列；
在本申请实施例中，采集光电二极管13的当前输出信号具体可以是由数字信号源所提供稳定的载波信号，并由ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化后得到该当前输出信号，进而将该当前输出信号作为测量目标；并通过控制DAC电路驱动三轴线圈12对该测量目标进行磁场扫描形成测量序列。
磁场补偿子模块802，用于基于测量序列对三轴线圈12的磁场进行补偿操作。
在本申请实施例中，基于测量序列对三轴线圈12的磁场进行补偿操作具体可以是基于测量序列通过FPGA芯片对三轴线圈12的磁场进行补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
在本申请实施例二的一些可选的实现方式中，上述磁场补偿子模块802包括：测量序列拟合单元、粗补偿单元以及细补偿单元。
测量序列拟合单元，用于基于拟合样本函数对测量序列进行数值拟合操作，得到拟合曲线；
粗补偿单元，用于基于拟合曲线的极值点对三轴线圈12磁场进行粗补偿操作；
细补偿单元，用于将极值点反馈至三轴线圈12，并通过PI控制模块对三轴线圈12进行细补偿操作。
在本申请实施例中，为了实现原子磁力计三轴磁场补偿，本实施例通过对三轴线圈12先后分别进行粗补偿以及细补偿来实现，其中，粗补偿，具体是通过ADC电路读取探头内部光电二极管13输出信号作为测量目标，并通过控制DAC电路驱动三轴线圈12进行磁场扫描形成测量序列，进而基于拟合样本函数对测量序列进行数值拟合，其中，该拟合样本函数储存在FPGA芯片内部中；然后，通过以拟合曲线的极值点作为校准初始值；其中，细补偿具体是通过将粗补偿中计算得到的校准初始值反馈到三轴线圈12中，并通过FPGA实现PI控制模块，对静磁场进行进一步补偿；进而，重复该步骤分别对三轴线圈12的X方向以及Z方向的磁场进行补偿，以大幅度提高磁场补偿算法的收敛时间，从而实现快速的原子磁力计三轴磁场补偿。
在本申请实施例二的一些可选的实现方式中，上述锁相放大器基于数字正交方式实现数字锁相操作。
在本申请实施例中，基于高精度数字信号源为系统提供稳定的参考和调制信号，具体可以由FPGA芯片内部DDS实现，并可以通过控制单元进行频率调节；本实施例基于数字锁相放大电路以实现对采集到的输出信号进行解调处理，具体可以是采用数字正交方式实现数字锁相，本实施例将基准源通过延迟电路，得到一组正交的参考信号，分别与信号相乘从而解决信号相位差的问题，并通过FPGA芯片实现数字乘法器，级联积分梳状滤波器得到滤波信号，进而将滤波信号通过平方模块，即乘法器模块，以及数字加法模块、开方运算模块，即采用牛顿迭代法得到待检测信号的幅度和相位信息，并输出给数字主控模块，以保证高精度高带宽的极弱磁信号的读出，为后续微弱磁信号的检测应用提供了物理条件。
在本申请实施例二的一些可选的实现方式中，上述PID算法表示为：
Figure 109666DEST_PATH_IMAGE001
其中，所述
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为反馈信号输出，所述e(t)为光电二极管13信号输入，
Figure 695368DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 656371DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 163575DEST_PATH_IMAGE005
分别为PID控制算法的比例、积分和微分的系数。
在本申请实施例中，为了方便FPGA实现，本实施例通过将上述PID算法进行离散化并进行差分计算后得到：
Figure 969857DEST_PATH_IMAGE006
其中，T是时间常数，FPGA芯片内通过寄存器保存e(n)、e(n-1)、e(n-2)三个时刻反馈值；并通过乘法器和加法器实现上述运算式。
在本申请实施例中，PID控制算法具体为通过基于标准系数法的PID参数自动调整算法实现当前磁场强度测量，并将该信号进行反馈，保持系统的零场状态，具体包括如下步骤：
1）控制精度要求确定系统的调节时间，超调量，过渡时间等；
2）按照闭环系统进行四阶无静差PID控制器设计；
对于闭环系统I
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure DEST_PATH_IMAGE050
……
Figure 708268DEST_PATH_IMAGE009
是系统传递函数各个阶次对应的系数；
3）按照表1选择特征方程系数，其中
Figure 574593DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 834673DEST_PATH_IMAGE011
是闭环系统标准特征多项式簇的特征动态性能参数，
Figure 444646DEST_PATH_IMAGE012
为过渡过程时间。计算表明，此时的特征根按等比级数分布。
表1闭环系统的标准系数法
Figure 473782DEST_PATH_IMAGE013
对于控制器为PID控制器时，当被控对象为四阶系统时，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
（1）
得到系统闭环传递函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
（2）
将上述表达式表示成如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
（3）
式中：
Figure 883246DEST_PATH_IMAGE017
（4）
Figure 365043DEST_PATH_IMAGE018
（5）
Figure 778707DEST_PATH_IMAGE019
（6）
Figure 662349DEST_PATH_IMAGE020
（7）
Figure 136056DEST_PATH_IMAGE021
（8）
Figure 105149DEST_PATH_IMAGE022
（9）
按照标准系数法的要求，希望
Figure 558389DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 562118DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 3463DEST_PATH_IMAGE025
，而现在这种情况下，只能使得
Figure 459852DEST_PATH_IMAGE026
尽量地接近于
Figure 215319DEST_PATH_IMAGE027
，在此基础之上再使得
Figure 807974DEST_PATH_IMAGE028
尽量地接近于
Figure 623483DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 68633DEST_PATH_IMAGE030
尽量地接近于
Figure 627791DEST_PATH_IMAGE031
。由式（4）、式（5）、式（6）三个方程，通过给定
Figure 340532DEST_PATH_IMAGE032
就可以得到不同
Figure 61363DEST_PATH_IMAGE032
下的待设计参数
Figure 492344DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 589613DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 156861DEST_PATH_IMAGE035
。根据上面的计算过程，对于被控对象是四阶系统的情况下，
Figure 48594DEST_PATH_IMAGE036
控制器设计软件包可设计如下：在大范围内变化
Figure 468336DEST_PATH_IMAGE032
（取0~20），分别求出参数与标准系数近似度
Figure 369296DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 791050DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 119263DEST_PATH_IMAGE039
。根据
Figure 259257DEST_PATH_IMAGE040
，同时使得
Figure 963908DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 505748DEST_PATH_IMAGE039
尽量趋近于1的要求，即可完成设计任务，得到具体的PID（
Figure 4862DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 133618DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 376380DEST_PATH_IMAGE035
）参数，其中，
Figure 772726DEST_PATH_IMAGE041
……
Figure 442742DEST_PATH_IMAGE042
分别为每个阶次对应系数，S是控制系统里面常用的传递函数的表示方法，即对系统微分方程进行拉氏变换后的表示，
Figure 557329DEST_PATH_IMAGE043
为常见四阶系统的开环传递函数，
Figure 134941DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 651373DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 993755DEST_PATH_IMAGE005
分别为PID控制算法的比例、积分和微分的系数，
Figure 595637DEST_PATH_IMAGE044
……
Figure 180202DEST_PATH_IMAGE045
为中间变量，
Figure 551141DEST_PATH_IMAGE046
为期望的系统参数为已知量
Figure 562959DEST_PATH_IMAGE047
为实际系统传递函数中的对于开环系统增加了负反馈PID控制器后的闭环传递后的系统参数。
在本申请实施例二的一些可选的实现方式中，上述应用于小型化原子磁力计的读出装置100还包括：将反馈信号存储至区块链中。
在本申请实施例中，为进一步保证上述反馈信号的私密和安全性，上述反馈信号还可以存储于一区块链的节点中。
本申请所指区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(Blockchain)，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。区块链可以包括区块链底层平台、平台产品服务层以及应用服务层等。
综上，本申请提供了一种应用于小型化原子磁力计的读出装置，其中，小型化原子磁力计由激光耦合光路1、小型化磁力计探头和信号采集控制电路2组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤3、准直透镜4、偏振片5、反射镜6、四分之一波片7、碱金属原子气室8、热电偶9、无磁加热片10、隔热腔11、三轴线圈12、光电二极管13以及探头外壳14组成，该装置包括：响应模块，用于接收并响应磁力计读出请求；恒温模块，用于基于预设温度驱动无磁加热片10对小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；磁场补偿模块，用于采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对三轴线圈12进行磁场补偿；信号采集模块，用于采集光电二极管13的输出信号；解调放大模块，用于基于锁相放大器对输出信号进行解调放大处理；锁零输出模块，用于基于PID算法对锁相放大器进行输出锁零操作，并将反馈信号反馈至三轴线圈12；存储模块，用于存储反馈信号。基于高频电加热方案以及基于预设温度驱动探头内部无磁加热片10对原子气室进行加热，并通过热电偶9以及温度采集芯片将温度信息反馈给数字主控模块进行温度控制，使气室保持在设定温度下工作，以保证磁力计工作在预设温度下保持恒温加热状态；再基于采样ADC电路、FGPA芯片以及DAC电路组成测量回路，进而根据当前静磁场环境对三轴线圈12进行快速静磁场补偿，以使剩磁到达预设强度，并基于数字信号源产生调制信号，加载到三轴线圈12上；进而通过ADC电路将原子磁力计探头内部光电二极管13所探测的信号进行数字化来采集光电二极管13的输出信号，并基于正交数字锁相放大电路对采集到的输出信号进行解调放大处理；再结合PID算法实现对当前锁相放大器输出锁零，并将该反馈信号反馈到三轴线圈12中，以保持原子磁力计系统处于零场状态；最后对反馈信号进行数据存储。能够实现小型化原子磁力计稳定处于SERF工作状态，提高探测灵敏度，以及有效提高系统测量动态范围和带宽，从而满足超高灵敏度的探测要求。
为解决上述技术问题，本申请实施例还提供计算机设备。具体请参阅图9，图9为本实施例计算机设备基本结构框图。
所述计算机设备200包括通过系统总线相互通信连接存储器210、处理器220、网络接口230。需要指出的是，图中仅示出了具有组件210-230的计算机设备200，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。其中，本技术领域技术人员可以理解，这里的计算机设备是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、数字处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、嵌入式设备等。
所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可以与用户通过键盘、鼠标、遥控器、触摸板或声控设备等方式进行人机交互。
所述存储器210至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、随机访问存储器（RAM）、静态随机访问存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可编程只读存储器（PROM）、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器210可以是所述计算机设备200的内部存储单元，例如该计算机设备200的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器210也可以是所述计算机设备200的外部存储设备，例如该计算机设备200上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。当然，所述存储器210还可以既包括所述计算机设备200的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器210通常用于存储安装于所述计算机设备200的操作系统和各类应用软件，例如应用于小型化原子磁力计的读出方法的计算机可读指令等。此外，所述存储器210还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
所述处理器220在一些实施例中可以是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器220通常用于控制所述计算机设备200的总体操作。本实施例中，所述处理器220用于运行所述存储器210中存储的计算机可读指令或者处理数据，例如运行所述应用于小型化原子磁力计的读出方法的计算机可读指令。
所述网络接口230可包括无线网络接口或有线网络接口，该网络接口230通常用于在所述计算机设备200与其他电子设备之间建立通信连接。
本申请还提供了另一种实施方式，即提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如上述的应用于小型化原子磁力计的读出方法的步骤。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述的方法。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于小型化原子磁力计的读出方法，其特征在于，所述小型化原子磁力计由激光耦合光路、小型化磁力计探头和信号采集控制电路组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤、准直透镜、偏振片、反射镜、四分之一波片、碱金属原子气室、热电偶、无磁加热片、隔热腔、三轴线圈、光电二极管以及探头外壳组成，所述方法包括下述步骤：
接收并响应磁力计读出请求；
基于预设温度驱动所述无磁加热片对所述小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；
采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对所述三轴线圈进行磁场补偿；
采集所述光电二极管的输出信号；
基于锁相放大器对所述输出信号进行解调放大处理；
基于PID算法对所述锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至所述三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；
存储所述反馈信号；
所述采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对所述三轴线圈进行磁场补偿的步骤，具体包括下述步骤：
驱动所述三轴线圈进行磁场扫描操作，并采集所述光电二极管的当前输出信号，得到测量序列；
基于所述测量序列对所述三轴线圈的磁场进行补偿操作；
所述基于所述测量序列对所述三轴线圈的磁场进行补偿操作的步骤，具体包括：
基于拟合样本函数对所述测量序列进行数值拟合操作，得到拟合曲线；
基于所述拟合曲线的极值点对所述三轴线圈磁场进行粗补偿操作；
将所述极值点反馈至所述三轴线圈，并通过PI控制模块对所述三轴线圈进行细补偿操作。
2.根据权利要求1所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法，其特征在于，所述锁相放大器基于数字正交方式实现数字锁相操作。
3.根据权利要求1所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法，其特征在于，所述PID算法表示为：
Figure 305447DEST_PATH_IMAGE001
其中，所述
Figure 713294DEST_PATH_IMAGE002
为反馈信号输出，所述
Figure 863653DEST_PATH_IMAGE003
为光电二极管信号输入，
Figure 599528DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 126324DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 123099DEST_PATH_IMAGE006
分别为PID控制算法的比例、积分和微分的系数。
4.根据权利要求1所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法，其特征在于，在所述存储所述反馈信号的步骤之后，所述方法还包括下述步骤：
将所述反馈信号存储至区块链中。
5.一种应用于小型化原子磁力计的读出装置，其特征在于，所述小型化原子磁力计由激光耦合光路、小型化磁力计探头和信号采集控制电路组成，所述小型化磁力计探头由保偏光纤、准直透镜、偏振片、反射镜、四分之一波片、碱金属原子气室、热电偶、无磁加热片、隔热腔、三轴线圈、光电二极管以及探头外壳组成，所述装置包括：
响应模块，用于接收并响应磁力计读出请求；
恒温模块，用于基于预设温度驱动所述无磁加热片对所述小型化磁力计探头的原子气室进行恒温加热；
磁场补偿模块，用于采集当前静磁场数据并基于预设剩磁强度对所述三轴线圈进行磁场补偿；
信号采集模块，用于采集所述光电二极管的输出信号；
解调放大模块，用于锁相放大器对所述输出信号进行解调放大处理；
锁零输出模块，用于基于PID算法对所述锁相放大器输出进行锁零操作，并将反馈信号反馈至所述三轴线圈，此时反馈信号产生的磁场即为测量磁场；
存储模块，用于存储所述反馈信号；
所述磁场补偿模块包括：
磁场扫描子模块，用于驱动所述三轴线圈进行磁场扫描操作，并采集所述光电二极管的当前输出信号，得到测量序列；
磁场补偿子模块，用于基于所述测量序列对所述三轴线圈的磁场进行补偿操作；
所述磁场补偿子模块包括：测量序列拟合单元、粗补偿单元以及细补偿单元：
所述测量序列拟合单元，用于基于拟合样本函数对所述测量序列进行数值拟合操作，得到拟合曲线；
所述粗补偿单元，用于基于所述拟合曲线的极值点对所述三轴线圈磁场进行粗补偿操作；
所述细补偿单元，用于将所述极值点反馈至所述三轴线圈，并通过PI控制模块对所述三轴线圈进行细补偿操作。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如权利要求1至4中任一项所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的应用于小型化原子磁力计的读出方法的步骤。
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