CN114035128B

CN114035128B - 原子磁强计、弱磁测量系统和方法、计算机程序产品、计算机设备以及可读存储介质

Info

Publication number: CN114035128B
Application number: CN202111080733.7A
Authority: CN
Inventors: 宋欣达; 索宇辰; 马建; 周斌权
Original assignee: Hangzhou Nuochi Life Science Co ltd
Current assignee: Hangzhou Nuochi Life Science Co ltd
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2041-09-15
Also published as: CN114035128A

Abstract

本申请涉及一种原子磁强计及、弱磁测量系统和方法、计算机程序产品、计算机设备以及可读存储介质。原子磁强计包括：光线发生装置，用于发射探测光线；调制线圈，用于发射正弦调制磁场；气室，用于接收所述探测光线、并在正弦调制磁场的作用下形成携带磁场信息的待测光线；光线检测装置，用于接收所述待测光线并转换为待测电信号；可编程电路，用于输出可控制所述正弦调制磁场的正弦调制信号，以及接收并解调所述待测电信号获得预期信号。本申请的原子磁强计和弱磁测量方法，可降低设备成本。

Description

原子磁强计、弱磁测量系统和方法、计算机程序产品、计算机设备以及可读存储介质

技术领域

本申请涉及弱磁检测技术领域，特别是涉及原子磁强计及弱磁测量方法。

背景技术

高精度极弱磁场测量被广泛于生物医疗、基础物理、前沿科学等技术领域，而基于磁场调制的原子磁强计是进行磁场测量的有效手段之一，随着磁强计不断地发展和研究水平的不断提高，在基础科学研究、地质勘探、航空测磁和心脑磁测量等领域都发挥着不可或缺的作用。

以脑磁测量为例，被测对象会进行某些动作以达到对心脑的某一方面进行测量的目的。人类大脑所产生的磁场信号强度在fT量级，通过基于磁场调制的原子磁强计探头阵列可以测量人脑某个区域的活动，进而为医生的脑疾病研究、脑功能诊断乃至脑认知领域提供更全面的实验依据。

原子磁强计的工作原理为，探测光线通过气室时，探测光线的偏振或强度等参数会受到环境磁场的影响，通过检测探测光线的参数变化即可计算环境中的磁场强度，例如脑磁强度。脑磁是一种微弱的磁场信号，通过调制解调技术可以提高对微弱信号的检测灵敏度。

磁场调制技术提高原子磁强计灵敏度的有效手段。传统的原子磁强计通过信号发生器向气室发射调制磁场，使待测电信号中同时携带脑磁信息和调制磁场信息，再利用锁相放大器对待测电信号解调，提取含脑磁信息的边带。该过程需要两台电子设备的参与，如果采用磁场补偿技术，还需要另一台信号发生器，设备较复杂。

在对人体心脑磁测量空间分辨率较高的场合，常需要将多个原子磁强计的探头组合成探头阵列使用。传统的商用锁相放大仪器通常仅能支持4～8通道信号的锁相放大，而探头阵列化所需的探头将有20个以上，这将导致测磁系统过于复杂、费用过高，限制了原子磁强计的阵列化应用。

发明内容

本申请提供一种基于磁场调制的原子磁强计，可降低设备成本。

基于磁场调制的原子磁强计包括：

光线发生装置，用于发射探测光线；

调制线圈，用于发射正弦调制磁场；

气室，用于接收所述探测光线、并在正弦调制磁场的作用下形成携带磁场信息的待测光线；

光线检测装置，用于接收所述待测光线并转换为待测电信号；

可编程电路，用于输出可控制所述正弦调制磁场的正弦调制信号，以及接收并解调所述待测电信号获得预期信号。

可选的，所述光线发生装置包括沿光路依次布置的：

激光器，用于发射初始激光；

反光件，用于将所述初始激光朝所述气室方向反射；

起偏器，用于将所述初始激光转换为线偏振光；

四分之一波片，用于将所述线偏振光转换为圆偏振光，所述圆偏振光作为所述探测光线进入所述气室内。

可选的，所述光线检测装置包括光电探测器和信号放大电路，所述光电探测器用于接收所述待测光线并转换为初始电信号，所述信号放大电路连接于所述光电探测器并用于将所述初始电信号放大并转换为所述待测电信号。

可选的，所述可编程电路为现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列在上电状态下包括：

波形发生电路，用于产生正弦数字信号；

数模转换电路，用于将所述正弦数字信号转换为正弦模拟信号并作为所述正弦调制信号；

模数转换电路，用于将所述待测电信号转换为待测数字信号；

解调电路，用于解调所述待测电信号获得所述预期信号。

本申请还提供一种弱磁测量系统，包括所述的原子磁强计以及上位机，所述上位机与所述可编程电路通信连接，用于控制所述正弦数字信号的生成、参与解调以及根据所述预期信号得到待测的弱磁信息。

本申请还提供一种弱磁测量方法，包括：

步骤S1，可编程电路产生正弦调制信号；

步骤S2，将受控于所述正弦调制信号的正弦调制磁场施加至原子磁强计中的气室；

步骤S3，朝所述气室发射探测光线，以形成携带磁场信息的待测光线；

步骤S4，接收所述待测光线并转换为待测电信号；

步骤S5，所述可编程电路解调所述待测电信号获得预期信号；

步骤S6，根据所述预期信号得到待测的弱磁信息。

本申请还提供一种弱磁测量方法，包括以下步骤：

步骤S100，产生正弦调制信号，该正弦调制信号用于生成正弦调制磁场，该正弦调制磁场用于施加至原子磁强计中的气室；

步骤S200，接收待测电信号，该待测电信号由来自所述气室、且由携带磁场信息的待测光线转换而来；

步骤S300，解调所述待测电信号，获得预期信号；

所述步骤S100、步骤S200以及步骤S300在可编程电路中实施。

可选的，所述步骤S100具体包括：

步骤S110，产生锯齿波数据；

步骤S120，根据所述锯齿波数据结合CORDIC算法生成正弦数字信号；

步骤S130，将所述正弦数字信号转换为正弦模拟信号，所述正弦模拟信号作为所述正弦调制信号；

可选的，所述步骤S300具体包括：

步骤S310，将所述待测电信号转换为待测数字信号；

步骤S320，获取相位偏移参数和所述锯齿波数据；

步骤S330，根据所述锯齿波数据、所述相位偏移参数以及CORDIC算法生成与所述待测数字信号同频同相的正弦参考信号；

步骤S340，将所述待测数字信号与所述正弦参考信号做乘法运算得到解调信号；

步骤S350，对所述解调信号滤波得到所述预期信号。

本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现所述的弱磁测量方法的步骤。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的弱磁测量方法的步骤。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的弱磁测量方法的步骤

本申请提供的磁场调制的原子磁强计、弱磁测量系统、弱磁测量方法、弱磁测量方法、计算机程序产品以及计算机设备，可降低设备成本。

附图说明

图1为本申请原子磁强计一实施例的结构示意图；

图2为图1中光线发生装置的结构示意图；

图3为图1中光线检测装置的结构示意图；

图4为本申请弱磁测量系统一实施例的结构示意图；

图5为本申请弱磁测量方法一实施例的流程图；

图6为图5中步骤S100的具体流程图；

图7为图6中不同频率锯齿波的波形图；

图8a和图8b为图6中CORDIC算法的示意图；

图9为根据图7中的锯齿波产生的正弦调制信号的波形图；

图10为频率、幅值、直流偏置均不同的正弦调制信号的波形图；

图11为图5中步骤S300的具体流程图；

图12为磁场调制的原理示意图；

图13为同频与不同频的条件下得到的解调信号的对比图；

图14为获取图11中相位偏移参数一实施例的流程图；

图15为本申请弱磁测量方法一实施例的流程图；

图16为本申请计算机设备一实施例的结构示意图。

图中附图标记说明如下：

1、光线发生装置；11、探测光线；12、待测光线；13、激光器；131、初始激光；14、反光件；15、起偏器；16、四分之一波片；2、气室；3、光线检测装置；31、光电探测器；32、信号放大电路；321、运算放大器；322、反馈电阻；323、反馈电容；4、调制线圈；5、可编程电路；51、第一信号输出端；52、第一信号输入端；53、波形发生电路；54、数模转换电路；55、模数转换电路；56、解调电路；57、恒温晶体振荡器；6、接口电路；7、上位机；8、屏蔽装置；9、探头壳体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面将结合图1～图16以及相应的实施例，对本申请的原子磁强计和弱磁测量系统进行阐述，达到降低设备复杂度和成本的目的。

参考图1，基于磁场调制的原子磁强计包括光线发生装置1、气室2、光线检测装置3、调制线圈4和可编程电路5。

光线发生装置1用于发射探测光线11，调制线圈4用于发射正弦调制磁场，气室2用于接收探测光线11、并在正弦调制磁场的作用下形成携带磁场信息的待测光线12，光线检测装置3用于接收待测光线12并转换为待测电信号，可编程电路5用于输出可控制正弦调制磁场的正弦调制信号，以及接收并解调待测电信号获得预期信号。

气室2用于封装非零磁偶极矩的气体，例如K、Rb、Cs等碱金属原子。碱金属气体的极化状态受环境中待测磁场的影响，而碱金属气体的极化状态进一步影响气室2的光学属性，例如当探测光线11为相对于碱金属原子的共振激光或远失谐激光时，探测光线与极化态的气体原子发生作用后会发生不同程度的强度衰减或法拉第旋转，导致待测光线12的光学参数相对于探测光线11发生变化。通过光线检测装置3检测待测光线12的光学参数得到待测电信号，待测电信号中包含了正弦调制磁场信息和待测磁场信息，待测磁场信息可以是心磁、脑磁的强度，方向等信息。可编程电路5通过解调电路或解调算法从待测电信号中提取出预期信号。预期信号的大小与待测磁场有确定的映射关系而与正弦调制磁场无关，换言之，根据该映射关系可推算出待测磁场的大小。

待测磁场的频率通常低于100Hz，在这个频率范围内，1/f噪声、工频噪声等影响会极大限制基于磁场调制的原子磁强计的灵敏度。本申请通过可编程电路5在调制线圈4上施加高频的调制磁场，将待测磁场调制到高频，改善了电磁噪声对待测电信号的影响，提高了基于磁场调制的原子磁强计的灵敏度。

本实施例中，解调所用到的电路或算法可采用现有技术。参考图1，可编程电路5通过第一信号输出端51输出正弦调制信号，通过第一信号输入端52接收待测电信号。第一信号输出端51和第一信号输入端52可以是芯片引脚，也可以位于芯片内部而不可见。

现有技术中，产生正弦调制磁场需要一台信号发生器，从待测电信号中解调出待测磁场信息需要一台锁相放大器，若发射补偿磁场则还需第二台信号发生器。

本申请的可编程电路5可以是数字可编程电路，也可以是同时集成有模拟电路，可编程电路5可以采用PAL、CPLD、Cyclone系列、Stratix系列等。本申请通过可编程电路5产生调制信号，替代了信号发生器，还通过可编程电路5从待测电信号中提取待测磁场信息，取代了锁相放大器，当需要通过磁场补偿技术进一步提高灵敏度时，还可以通过可编程电路5发生控制补偿磁场的信号，减少了电子设备的数量，降低了成本。

为进一步提高测磁精度，原子磁强计还包括磁补偿线圈，磁补偿线圈用于朝气室发射补偿磁场，可编程电路5还具有第二信号输出端(未图示)，第二信号输出端输出控制磁补偿线圈内电流的磁补偿信号。磁补偿线圈可以由调制线圈4承当，也可以相对于调制线圈4另外设置。

为了方便原子磁强计的阵列化应用，可以通过合理布置光线发生装置来缩小原子磁强计的探头体积。参考图2，光线发生装置1包括沿光路依次布置的激光器13、反光件14、起偏器15、四分之一波片16。激光器用于发射初始激光131，反光件14用于将初始激光131朝气室2方向反射，起偏器15用于将初始激光131转换为线偏振光，四分之一波片16用于将线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光作为探测光线11进入气室2内。

通过反光件14改变激光的传播方向，使基于磁场调制的原子磁强计内电器的空间布置更加灵活，基于磁场调制的原子磁强计体积更小。通过使用反光件14还可以避免激光反灌进入激光器13，从而延长激光器的使用寿命。可以理解的是，为满足不同空间布置的需要，反光件14的形状和数量不作限制。反光件14可以是多面体形，例如三棱柱、四面体等。反光件14可以实心结构，也可以是空心结构。光路内可以设置一个、两个、或多个反光件14。

通过起偏器15和四分之一波片16将探测光线11设置为光强、消光比较为稳定的圆偏振光，圆偏振光既作为碱金属原子的抽运光线，又作为探测光线使用，无需设置专门的光泵浦器件，从而进一步缩小原子磁强计的体积。探测光线11的光强、偏振度不随外界的变化而变化，检测结果更稳定。

现有的原子磁强计中，光线检测装置将光信号转换形成的电信号强度通常较弱，容易受到电磁干扰的影响。为提高原子磁强计的灵敏度，参考图3，光线检测装置3包括光电探测器31和信号放大电路32，光电探测器31用于接收待测光线12并转换为初始电信号，信号放大电路32连接于光电探测器31并用于将初始电信号放大并转换为待测电信号，待测电信号的强度较高，可改善环境电磁干扰的影响。光电探测器31可以为光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管、或光敏晶体管等，相应的信号放大电路32可以为电流放大器、电压放大器、电流-电压转换器、电压-电流转换器等。

具体的，光电探测器31为光敏二极管，信号放大电路32为跨阻放大器，跨阻放大器用于将光敏二极管的电流信号转换为电压信号输出至可编程电路5。光敏二极管的体积较小、测量精度较高，有利于缩小基于磁场调制的原子磁强计的体积。

跨阻放大器包括运算放大器321、反馈电阻322和反馈电容323。运算放大器321的同相输入端接地，反相输入端连接光敏二极管的阴极，输出端用于输出待测电信号，光敏二极管的阳极接地。反馈电阻322连接在运算放大器321的输出端与反相输入端之间，反馈电容323并联于反馈电阻322的两端。

通过设置反馈电阻322的阻值可以调整信号放大电路32的增益。将反馈电容323并联于反馈电阻322的两端，可以削弱信号放大电路32的自激震荡，减小信号延时，提高磁场测量的精度。

为了方便原子磁强计的阵列化应用，可编程电路5为现场可编程门阵列(FPGA)。采用FPGA作为基于磁场调制的原子磁强计的控制电路，不需要投片生产，有利于缩短产品周期。FPGA具有丰富的I/O引脚和并行计算能力，在用多个探头对各脑区进行检测时，FPGA可以满足大量数据并行传输和处理需求。

具体的，参考图4，现场可编程门阵列在上电状态下包括波形发生电路53、数模转换电路54、模数转换电路55以及解调电路56。

波形发生电路53用于产生正弦数字信号，数模转换电路54用于将正弦数字信号转换为正弦模拟信号并作为正弦调制信号，模数转换电路55用于将待测电信号转换为待测数字信号，解调电路56用于解调待测电信号获得预期信号。

为确保对待测数字信号解调的精确度，参考图4，可编程电路5连接有用于提供时钟信号的恒温晶体振荡器57。恒温晶体振荡器57通过将温度控制为恒定来使晶振频率保持恒定，比温补晶振的频率更稳定，有利于减少误差，提高预期信号的纯度。

可编程电路5的位置靠近探头时，待测电信号在解调前引入的噪声较小。为确保单个探头的灵敏度，基于磁场调制的原子磁强计还包括探头壳体9，光线发生装置1、气室2、光线检测装置3、调制线圈4以及可编程电路5位于探头壳体9内。本实施例直接在探头壳体9内完成解调，改善了电磁干扰对待测电信号在传输过程中的影响，提高了原子磁强计的灵敏度。

为缩小探头体积，方便阵列化应用，基于磁场调制的原子磁强计还包括探头壳体9，光线发生装置1、气室2、光线检测装置3以及调制线圈4位于探头壳体9内，可编程电路5位于探头壳体9外，并通过穿过探头壳体9的电线与探头壳体9内的用电设备连接。通过将可编程电路5设置在探头壳体9外，减小了探头壳体9的体积，使单位面积上能够布置更多的探头，使原子磁强计具有更高的空间分辨率。

为提高原子磁强计的空间分辨率，探头壳体9设置多个，各探头壳体9内的用电设备分别与可编程电路5通信连接。通过将各探头获得的待测电信号集中在同一可编程电路5内进行解调处理，精简了电子设备，降低了设备成本，并有利于提高各脑区数据的同步性。

参考图4，本申请的弱磁测量系统包括以上实施例中的原子磁强计以及上位机7，上位机7与可编程电路5通信连接，用于控制正弦数字信号的生成、参与解调以及根据预期信号得到待测的弱磁信息。在原理上，预期信号与弱磁信息之间存在确定的映射关系，例如线性相关函数关系，因此，在得到预期信号后，通过带入函数公式或查表即可得出脑磁、心磁等磁场的大小。

本申请的弱磁测量方法包括：

步骤S1，可编程电路产生正弦调制信号；

步骤S2，将受控于正弦调制信号的正弦调制磁场施加至原子磁强计中的气室；

步骤S3，朝气室发射探测光线，以形成携带磁场信息的待测光线；

步骤S4，接收待测光线并转换为待测电信号；

步骤S5，可编程电路解调待测电信号获得预期信号；

步骤S6，根据预期信号得到待测的弱磁信息。

该弱磁测量方法中，正弦调制信号的产生和待测电信号的解调都在可编程电路中完成，取代了信号发生器和锁相放大器，减少了电子设备的数量。具体的，可编程电路可采用现场可编程门阵列，并行计算能力强，可大幅缩减原子磁强计阵列化应用的电器数量。

参考图5，本申请的弱磁测量方法，包括以下步骤：

步骤S100，产生正弦调制信号，该正弦调制信号用于生成正弦调制磁场，该正弦调制磁场用于施加至原子磁强计中的气室2。

步骤S200，接收待测电信号，该待测电信号由来自气室2、且由携带磁场信息的待测光线12转换而来。

步骤S300，解调待测电信号，获得预期信号。

步骤S100、步骤S200以及步骤S300在可编程电路中实施。

本方法统一用可编程电路实现调制和解调过程，减少了电器数量，降低了成本。

应该理解的是，虽然图5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，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图5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，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它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。

参考图6，步骤S100具体包括：

步骤S110，产生锯齿波数据；

步骤S120，根据锯齿波数据结合CORDIC算法生成正弦数字信号；

步骤S130，将正弦数字信号转换为正弦模拟信号，正弦模拟信号作为正弦调制信号。

步骤S110中，上电状态下可编程电路5中具有累加器模块，累加器模块可接收上位机7通过接口电路6传来的频率控制字，累加器模块根据频率控制字产生不同频率的锯齿波。

具体的，接口电路6可以采用RS232标准，锯齿波数据代表三角函数的相位角，锯齿波数据可以临时保存于累加器模块的寄存器中，频率控制字表示为单位时间Δt内相位角增加的步长Δθ，其中Δt为确定量，以时间为横坐标，以相位角为纵坐标，得到斜率和频率受频率控制字控制、范围为[-1,+1]的锯齿波信号，以图7为例，虚线代表频率为5Hz的锯齿波，实线代表频率为8Hz的锯齿波。

步骤S120中，CORDIC算法可采用现有技术，下面也提供了一种优选方法。

参考图8a和图8b，

坐标旋转前后关系式为：

x₁＝x₀cosθ-y₀sinθ

y₁＝x₀sinθ+y₀cosθ

若提取cosθ因数，则关系式变为：

如果去除因式项cosθ，则变成一个伪旋转方程式：

通过对坐标平面旋转的的计算过程进行简化操作，可以去除cosθ项，CORDIC算法的核心即伪旋转角度，其中tanθ＝2^-i，这样上式变成迭代过程，每个迭代(i)的旋转角度与2-i对应值。此外，再建立一个方程，它被称为角度累加器，用于每次迭代算法中累加跟踪所要达到的角度，则整个方程可改写为：

其中d_i＝±1，它是一个判决算子决定旋转的方向，所以根据分析，在简化算法忽略cosθ的影响中，需要一个伸缩因子K_n，该伸缩因子可以通过预先查表获取。

CordicIP核方法有两种工作方式：旋转方式(Rotation mode)、向量方式(Vectormodel)，本实施例采用旋转方式实现，通过设置x⁽⁰⁾＝1/K_n和y⁽⁰⁾＝0，以z⁽⁰⁾为最终要旋转的角度和伸缩因子K_n，根据其迭代公式可求得旋转角度正/余弦值cosz⁽⁰⁾或sinz⁽⁰⁾：

x⁽ⁿ⁾＝K_n(x⁽⁰⁾cosz⁽⁰⁾-y⁽⁰⁾sinz⁽⁰⁾)

y⁽ⁿ⁾＝K_n(y⁽⁰⁾cosz⁽⁰⁾+x⁽⁰⁾sinz⁽⁰⁾)

z⁽ⁿ⁾＝0

通过上述的CORDIC算法，并结合上位机7发送的幅值控制指令、直流偏置控制指令，可以生成一个频率、幅值、直流偏置均受上位机控制的正弦数字信号。

步骤S130中，数模转换步骤可由可编程电路5中的数模转换模块完成，正弦数字信号经步骤S130平滑处理后形成的正弦调制信号可参考图9、图10，图9中的正弦调制信号的幅值进行了归一化处理，实线表示频率为5Hz的正弦调制信号，虚线表示频率为8Hz的正弦调制信号。图10表示了频率、幅值、直流偏置均不相同的两组正弦调制信号，其中，实线表示频率为5Hz的正弦调制信号，虚线表示频率为8Hz的正弦调制信号。

参考图11，步骤S300具体包括：

步骤S310，将待测电信号转换为待测数字信号；

步骤S320，获取相位偏移参数和锯齿波数据；

步骤S330，根据锯齿波数据、相位偏移参数以及CORDIC算法生成与待测数字信号同频同相的正弦参考信号；

步骤S340，将待测数字信号与正弦参考信号做乘法运算得到解调信号；

步骤S350，对解调信号滤波得到预期信号。

具体的，步骤S310中，待测电信号为模拟信号，可通过可编程电路5中的模数转换模块将待测电信号转换为待测数字信号，模数转换模块可通过硬件描述语言预先设置。

步骤S320中，相位偏移参数可通过手动实验得到，并通过接口电路6传输至可编程电路5。手动实验可采取试验法，逐步调整相位偏移参数的大小，预期信号的幅值最小时对应的相位偏移参数记为相位偏移参考值，相位偏移参考值与最终确定的相位偏移参数对应的相位相差90度。

步骤S330中，可以先通过CORDIC算法将锯齿波数据转换为初始正弦参考信号，再将初始正弦参考信号移动相位偏移参数对应的相位，得到正弦参考信号。

步骤S340中，乘法运算可在可编程电路5中预先构建的乘法器模块中完成。乘法器模块可由硬件描述语言构建。乘法运算可以是直接将待测数字信号的幅值与正弦参考信号的幅值相乘，也可以是包含乘法的其他运算。

步骤S350中，滤波操作可在可编程电路5中预先构建的滤波器模块中完成，滤波器模块可由硬件描述语言构建，滤波器模块可采用FIR(Finite Impulse Response，即有限长单位冲激响应)低通滤波器。通过低通滤波器可以将与调制信号幅值、频率相关的高频分量幅值衰减到与包含待测磁场信息的低频信号幅值相比可以忽略不计的程度。

待测磁场经过正弦调制磁场作用后形成已调磁场，图12示意性地给出了待测磁场与已调磁场的关系图，图12中的虚线表示待测磁场的正弦信号，图12中的实线表示已调磁场的信号，从图12中可看出，已调磁场的强度和频率明显高于待测磁场，已调磁场的幅值受控于待测磁场的幅值。实际的脑磁等待测磁场虽然不一定是正弦波形，但经傅里叶变换后可视为正弦信号的叠加。下面以正弦信号为例，说明本申请一实施例的解调原理。

假设待测电信号的波形为：

其中，ω₀为正弦调制信号的角速度，

为待测电信号的初相位。

正弦参考信号的波形为：

S_ref＝sin(ω₁t+φ)

其中，ω₁为正弦参考信号的角速度，φ为正弦参考信号的初相位。

解调信号的波形为：

假设ω₀≈ω₁且远高于低通滤波器的截止频率，则经过低通滤波器之后，可以得到低频分量为：

令ω₀-ω₁＝Δω，

则上式可以化为：

可以看出，当待测数字信号与正弦参考信号不完全同频时，解调信号会呈现余弦波形，影响原子磁强计的磁场幅值测量。本申请的正弦参考信号直接根据锯齿波数据产生，确保了待测数字信号与正弦参考信号完全同频。

图13示意性地给出了正弦参考信号待测数字信号分别在同频、不同频时得到的解调信号。图13中的虚线表示不同频时的解调信号，图13中的时线表示同频时的解调信号。从图13可看出，通过同频处理，可以使解调信号的振幅更稳定，谐波更少，从而提高原子磁强计的检测精度。

根据原子磁强计的响应特性，待测电信号的频率与正弦调制信号的频率一致，但相位可能存在偏差。本申请通过相位偏移参数对锯齿波的相位做偏移，使锯齿波的相位与待测电信号的相位保持一致，从而避免由于正弦参考信号与待测数字信号不完全同频率所带来的缓慢的相位漂移，提高预期信号的纯度。

相位偏移参数既可以通过人工获得，也可以通过可编程电路5自动获得。

参考图14，通过程序获取相位偏移参数具体包括：

步骤S331，产生相位偏移角度值；

步骤S332，根据相位偏移角度值得到预期信号；

步骤S333，比较预期信号的幅值与预设幅值的大小，当预期信号的幅值大于或等于预设幅值时，重复步骤S331～步骤S333，当预期信号的幅值小于预设幅值时，将相应的相位偏移角度值作为相位偏移参考值输出；

步骤S334，将相位偏移参考值加90度得到相位偏移参数，或将相位偏移参考值减90度得到相位偏移参数。

以上弱磁测量方法中的累加器等模块可以理解为可编程电路5在上电状态下的电路模块。根据可编程电路5的特性，上位机7或其他存储介质中可以存储相应的程序模块。

本申请提供的计算机程序产品包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现以上任一实施例中的弱磁测量方法的步骤。相应的处理器可以是可编程电路5、上位机7或二者的结合。

本实施例中，计算机程序产品包括程序代码部分，以用于当计算机程序产品由一个或多个计算装置执行时，执行本申请各实施例中所述的弱磁测量方法的步骤。计算机程序产品可被存储在计算机可读记录介质上。还可经由数据网络(例如，通过RAN、经由因特网和/或通过RBS)提供计算机程序产品以便下载。备选地或附加地，该方法可被编码在现场可编程门阵列(FPGA)和/或专用集成电路(ASIC)中，或者功能性可借助于硬件描述语言被提供以便下载。

本申请还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以上主动磁补偿方法的步骤。该计算机设备可以是可编程电路5、上位机7或二者的结合。

该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图16所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现以上弱磁测量方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图16中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上实施例中弱磁测量方法的步骤。

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，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上实施例表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.基于磁场调制的原子磁强计，其特征在于，包括：

光线发生装置，用于发射探测光线；

调制线圈，用于发射正弦调制磁场；

可编程电路，用于输出可控制所述正弦调制磁场的正弦调制信号，以及接收并解调所述待测电信号获得预期信号；

其中解调所述待测电信号获得预期信号，包括：

将待测电信号转换为待测数字信号；

获取相位偏移参数，包括：产生相位偏移角度值，根据相位偏移角度值得到预期信号，当预期信号的幅值小于预设幅值时，将相应的相位偏移角度值作为相位偏移参考值输出，将相位偏移参考值加90度得到相位偏移参数，或将相位偏移参考值减90度得到相位偏移参数；

获得锯齿波数据，通过CORDIC算法将锯齿波数据转换为初始正弦参考信号，再将初始正弦参考信号移动相位偏移参数对应的相位，得到正弦参考信号；

将待测数字信号与正弦参考信号做乘法运算得到解调信号；

对解调信号滤波得到预期信号。

2.根据权利要求1所述的基于磁场调制的原子磁强计，其特征在于，所述光线发生装置包括沿光路依次布置的：

激光器，用于发射初始激光；

反光件，用于将所述初始激光朝所述气室方向反射；

起偏器，用于将所述初始激光转换为线偏振光；

3.根据权利要求1所述的基于磁场调制的原子磁强计，其特征在于，所述光线检测装置包括光电探测器和信号放大电路，所述光电探测器用于接收所述待测光线并转换为初始电信号，所述信号放大电路连接于所述光电探测器并用于将所述初始电信号放大并转换为所述待测电信号。

4.根据权利要求1所述的基于磁场调制的原子磁强计，其特征在于，所述可编程电路为现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列在上电状态下包括：

波形发生电路，用于产生正弦数字信号；

解调电路，用于解调所述待测电信号获得所述预期信号。

5.弱磁测量系统，其特征在于，包括如权利要求1~4中任一项所述的原子磁强计以及上位机，所述上位机与所述可编程电路通信连接，用于控制正弦数字信号的生成、参与解调以及根据所述预期信号得到待测的弱磁信息。

6.弱磁测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1，可编程电路产生正弦调制信号；

步骤S4，接收所述待测光线并转换为待测电信号；

步骤S6，根据所述预期信号得到待测的弱磁信息；

在步骤S5中，解调所述待测电信号获得预期信号，包括：

将待测电信号转换为待测数字信号；

将待测数字信号与正弦参考信号做乘法运算得到解调信号；

对解调信号滤波得到预期信号。

7.弱磁测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100包括步骤S110～步骤S130：

步骤S110，产生锯齿波数据；

步骤S300，解调所述待测电信号，获得预期信号；

所述步骤S300具体包括：

步骤S310，将所述待测电信号转换为待测数字信号；

步骤S320，获取相位偏移参数和所述锯齿波数据，获取相位偏移参数，包括：产生相位偏移角度值，根据相位偏移角度值得到预期信号，当预期信号的幅值小于预设幅值时，将相应的相位偏移角度值作为相位偏移参考值输出，将相位偏移参考值加90度得到相位偏移参数，或将相位偏移参考值减90度得到相位偏移参数；

步骤S330，通过CORDIC算法将锯齿波数据转换为初始正弦参考信号，再将初始正弦参考信号移动相位偏移参数对应的相位，得到正弦参考信号；

步骤S350，对所述解调信号滤波得到所述预期信号；

所述步骤S100、步骤S200以及步骤S300在可编程电路中实施。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7所述的弱磁测量方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7所述的弱磁测量方法的步骤。