CN114089243A - 一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法，包括x‑y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈、x‑y面内旋转磁场线圈组和抽运‑检测型原子磁力仪；所述x‑y面内补偿磁场线圈组用于动态地补偿矢量磁场在铷泡空间位置的x轴和y轴投影分量；所述z轴线圈用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号；所述x‑y面内旋转磁场线圈组用于在铷泡空间位置产生固定振幅的x‑y面内旋转磁场；所述抽运‑检测型原子磁力仪用于测量铷泡空间位置处总磁场的模值；矢量原子磁力仪配套软件根据抽运‑检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值动态地改变通入x‑y面内补偿磁场线圈组的电流值，当矢量磁场在铷泡空间位置的x轴和y轴投影分量被补偿至趋于零时，抽运‑检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小，矢量原子磁力仪处于锁定状态时由相关参量计算出矢量磁场的三轴投影分量。本公开的矢量原子磁力仪具有动态连续测量、测量范围宽和测量盲区小的特点。
Description
技术领域
本公开属于弱磁测量技术领域，具体涉及一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法。
背景技术
有效的地磁数据、地磁异常探测以及空间磁场监测可广泛应用于军事领域和民用领域，例如用于地磁匹配导航、军事磁异反潜、矿产资源勘探、地震监测等方面。众所周知地磁场是个矢量场，目前广泛使用磁通门三轴矢量磁力仪来测量矢量地磁场，然而其自身固有的零偏误差、灵敏度误差以及三轴非正交误差导致其测量稳定性和测量精度较差。原子磁力仪具有无零点漂移的优点，2018年北京航空航天大学董海峰老师综述了三轴矢量原子磁力仪的7种实现方法(参考文献：导航与控制，2018，17(5)：18-25.)，该综述论文最后指出：由于原理的限制，三轴矢量磁力仪的动态响应特性较差，很难应用于航空磁测，这是今后理论和实验研究需要深入考虑的一个问题。因此，设计和实现具有良好动态响应特点的矢量原子磁力仪是弱磁测量领域的一个难点问题。
公开内容
本公开克服了现有技术的不足之一，公开了一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法。通过采用具有锁定能力强、测量范围宽和测量盲区小的标量抽运-检测型原子磁力仪，使得矢量原子磁力仪具有动态连续测量、测量范围宽和测量盲区小的优点。
根据本公开的一方面，本公开提供一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置，所述装置包括：x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈、x-y面内旋转磁场线圈组和抽运-检测型原子磁力仪。
所述x-y面内补偿磁场线圈组包括x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2，所述通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流值由矢量原子磁力仪工作时动态地改变，使矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量分别被补偿至预设范围内；
所述z轴线圈3用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，所述符号为“+”符号或“-”符号；
所述x-y面内旋转磁场线圈组包括x轴线圈4和y轴线圈5，所述x轴线圈4和y轴线圈5的线圈系数相等，所述x轴线圈4和y轴线圈5中通入相位差90°的两组正弦交变信号，用于在铷泡7空间位置产生固定振幅的x-y面内旋转磁场；
所述抽运-检测型原子磁力仪包括铷泡加热模块6、铷泡7、亥姆霍兹线圈8、圆偏振抽运光9和线偏振探测光10；铷泡加热模块6使铷泡7保持恒温；铷泡7被置于x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3、x-y面内旋转磁场线圈组和亥姆霍兹线圈8的几何中心；亥姆霍兹线圈8的轴线方向平行于x轴，亥姆霍兹线圈8内输入与拉莫尔进动频率相等的共振射频信号，用于驱动铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩进动至x-y平面；圆偏振抽运光9与z轴平行，用于制备铷泡7内铷原子系综的极化态，使原子系综的宏观磁矩平行于z轴；线偏振探测光10与x轴平行，用于测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕磁场进动的拉莫尔进动信号；所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场。
在一种可能的实现方式中，当矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量都被补偿至预设范围内时，所述抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小；所述预设范围为x轴或y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值对应的变化磁场的10倍，所述x轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值和y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值相等。
在一种可能的实现方式中，所述矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量为矢量原子磁力仪处于锁定状态时由x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数乘以对应的补偿电流分别得到。
在一种可能的实现方式中，所述矢量磁场在z轴投影分量符号未知时，由所述z轴线圈3辅助判定；利用所述z轴线圈3判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，包括：向z轴线圈3通入正向电流后在铷泡7空间位置产生沿z轴正方向的磁场，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值增大，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“+”符号，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值减小，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“-”符号。
在一种可能的实现方式中，所述x-y面内旋转磁场线圈组中通入正弦交变信号的频率小于或等于100Hz，载流x轴线圈4和载流y轴线圈5在铷泡7空间位置产生正弦交变磁场的振幅相等，且都小于或等于1000nT。
在一种可能的实现方式中，所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场，其中抽运-检测型原子磁力仪的磁场采样率设定值应大于或等于x-y面内旋转磁场线圈组中正弦交变信号频率的10倍。
在一种可能的实现方式中，在磁屏蔽环境中y轴方向产生1000nT至5000nT范围的本底磁场，利用圆偏振抽运光9制备铷泡7内铷原子系综的极化态后，禁用亥姆霍兹线圈8的功能，利用与x轴平行的线偏振探测光10测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕y轴磁场进动的拉莫尔进动信号，并利用所述抽运-检测型铷原子磁力仪测量y轴线圈5中通入正弦交变信号后的旋转磁场的振幅。
在一种可能的实现方式中，所述铷泡7空间位置处的磁场是待测矢量磁场、x-y面内补偿磁场线圈组产生的补偿磁场和x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的矢量叠加。
在一种可能的实现方式中，矢量原子磁力仪对矢量磁场模值的测量范围为10000nT至100000nT。
在一种可能的实现方式中，所述x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4和y轴线圈5都设计为方形亥姆霍兹线圈。
根据本公开的另一方面，提出了一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪的实现方法，所述方法应用于上述的基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置，所述方法包括：
步骤1：通过实验分别测得x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cx1和Cy2，以及x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的振幅B⊥；设定通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1和y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2均为0mA；通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1的变化步长为ΔIx，通入y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2的变化步长为ΔIy；
步骤2：根据z轴线圈3判定矢量磁场
在z轴投影分量的符号；
步骤3：利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值Btot，并记录所述总磁场值Btot变化的峰峰值ΔBtot和平均值Btot-avg；根据所述x轴补偿磁场线圈1的线圈系数Cx1，y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cy2，通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1，y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2，矢量磁场
在z轴投影分量的符号，总磁场值Btot变化的平均值Btot-avg计算矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β；
步骤4：向x轴补偿磁场线圈1中通入电流Ix1+ΔIx，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-x；
步骤5：向y轴补偿磁场线圈1中通入电流Iy2+ΔIy，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-y；
步骤6：如果ΔBTot-x-ΔBtot＞0，则赋值ΔIx＝-ΔIx，否则赋值ΔIx＝ΔIx；如果ΔBTot-y-ΔBtot＞0，则赋值ΔIy＝-ΔIy，否则赋值ΔIy＝ΔIy；
步骤7：如果|ΔBTot-x-ΔBtot|≤|ΔBTot-y-ΔBtot|，则赋值Ix1＝Ix1，Iy2＝Iy2+ΔIy，否则赋值Ix1＝Ix1+ΔIx，Iy2＝Iy2；
步骤8：重复步骤3-7，每次重复循环中保证|ΔIx|＝|ΔIy|，当ΔBtot最小时，输出与待测矢量磁场关联正确的矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β的值。
本公开的一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法，包括x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3、x-y面内旋转磁场线圈组和抽运-检测型原子磁力仪；所述x-y面内补偿磁场线圈组用于动态地补偿矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量；所述z轴线圈3用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号；所述x-y面内旋转磁场线圈组用于在铷泡7空间位置产生固定振幅的x-y面内旋转磁场；所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处总磁场的模值；矢量原子磁力仪配套软件根据抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值动态地改变通入x-y面内补偿磁场线圈组的电流值，当矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量被补偿至趋于零时，抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小，矢量原子磁力仪处于锁定状态时由相关参量计算出矢量磁场的三轴投影分量。本公开的矢量原子磁力仪具有动态连续测量、测量范围宽和测量盲区小的特点。
附图说明
附图用来提供对本公开的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本公开实施例的附图与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，但并不构成对本公开技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置的结构示意图；
图2示出了根据本公开一实施例的基于磁场旋转调制法的矢量磁场测量原理示意图；
图3示出了根据本公开一实施例的通入x-y面内旋转磁场线圈组的相位差90°的两组正弦交变信号；
图4a示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中标定旋转磁场振幅的y轴本底磁场的测量结果；
图4b示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中标定载流y轴线圈5产生的交变磁场的振幅的测量结果；
图5a示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中抽运-检测型原子磁力仪测量的一组原始信号；
图5b示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量磁场α角度参数约为5°时抽运-检测型原子磁力仪测量的一组波动磁场值；
图5c示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量磁场α角度参数约为0°时抽运-检测型原子磁力仪测量的一组稳定磁场值；
图6a示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的Bx随时间变化的曲线；
图6b示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的By随时间变化的曲线；
图6c示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的Bz随时间变化的曲线；
图6d示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的B随时间变化的曲线；
图6e示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的α角度随时间变化的曲线；
图6f示出了根据本公开一实施例的在磁屏蔽装置中矢量原子磁力仪动态测量方波矢量磁场时输出的β角度随时间变化的曲线。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本公开的实施方式，借此对本公开如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本公开的实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本公开的保护范围之内。
图1示出了根据本公开一实施例的基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置的结构示意图。该矢量原子磁力仪装置的测量范围为10000nT至100000nT。
如图1所示，装置可以包括x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4、y轴线圈5、铷泡加热模块6、铷泡7、亥姆霍兹线圈8、圆偏振抽运光9和线偏振探测光10。由于y轴补偿磁场线圈2和z轴线圈3设计在一个骨架上，故在空间上看着是重合的。
其中，x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2组成了x-y面内补偿磁场线圈组，能够在矢量原子磁力仪工作时动态地改变通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流值，使矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量分别被补偿至预设范围内，该预设范围为x轴或y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值对应的变化磁场的10倍，其中x轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值和y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值相等。当矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量都被补偿至预设范围内时，所述抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小。
其中，矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量为矢量原子磁力仪处于锁定状态时由x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数乘以对应的补偿电流分别得到。
其中z轴线圈3用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，所述符号为“+”符号或“-”符号。利用z轴线圈3判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，包括：向z轴线圈3通入正向电流后在铷泡7空间位置产生沿z轴正方向的磁场，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值增大，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“+”符号，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值减小，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“-”符号。
其中x轴线圈4和y轴线圈5组成了x-y面内旋转磁场线圈组，x轴线圈4和y轴线圈5的线圈系数相等，x轴线圈4和y轴线圈5中通入相位差90°的两组正弦交变信号，用于在铷泡7空间位置产生固定振幅的x-y面内旋转磁场。其中，x-y面内旋转磁场线圈组中通入正弦交变信号的频率小于或等于100Hz，载流x轴线圈4和载流y轴线圈5在铷泡7空间位置产生正弦交变磁场的振幅相等，且都小于或等于1000nT，例如可以设定旋转磁场频率为20Hz，振幅为500nT，旋转磁场频率和振幅的值可以根据具体的实验要求进行设定，在此不做一一限定。
图1中仅列出抽运-检测型原子磁力仪的探头部分，包括铷泡加热模块6、铷泡7、亥姆霍兹线圈8、圆偏振抽运光9和线偏振探测光10。其中，铷泡加热模块6使铷泡7保持恒温；铷泡7被置于x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3、x-y面内旋转磁场线圈组和亥姆霍兹线圈8的几何中心；亥姆霍兹线圈8的轴线方向平行于x轴，亥姆霍兹线圈8内输入与拉莫尔进动频率相等的共振射频信号，用于驱动铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩进动至x-y平面附近；圆偏振抽运光9与z轴平行，用于制备铷泡7内铷原子系综的极化态，使原子系综的宏观磁矩平行于z轴；线偏振探测光10与x轴平行，用于测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕磁场进动的拉莫尔进动信号；所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场。
抽运-检测型铷原子磁力仪的组成及工作原理见已授权的发明专利“一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法”(授权公告号为：CN107015172B)。抽运-检测型原子磁力仪的量程可以为100nT～100000nT，磁场采样率最高可达1000Hz。抽运-检测型铷原子磁力仪测量时可选高磁场采样率模块或低磁场采样率模块，本公开的矢量原子磁力仪装置中抽运-检测型铷原子磁力仪选用高磁场采样率模块，用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场，实现对交变磁场或稳定磁场的高速测量。其中抽运-检测型原子磁力仪的磁场采样率设定值应大于或等于x-y面内旋转磁场线圈组中正弦交变信号频率的10倍，例如旋转磁场频率设定为20Hz时，可以将抽运-检测型原子磁力仪的磁场采样率设定为200Hz，也可以根据具体试验要求设定为其它数值，在此不做限定。
图2分别示出了根据本公开一实施例的基于磁场旋转调制法的矢量磁场测量原理示意图。
如图1所示，抽运-检测型原子磁力仪探头部分的铷泡7被置于x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3和x-y面内旋转磁场线圈组的几何中心，x-y面内旋转磁场线圈组在x-y面内产生的旋转磁场为
本公开实施例中设定其频率为20Hz；图2(a)中总磁场为：
式中，
为铷泡7空间位置处的待测矢量磁场，
为由x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场，
为抽运-检测型原子磁力仪测得的总磁场；图2(a)中待测磁场
平行于z轴，总磁场
的方向随时间变化，但模值不随时间变化，抽运-检测型原子磁力仪测得的磁场是稳定值；在图2(b)中，当待测磁场
与z轴的夹角为α角度时，总磁场
的方向和模值同时随时间变化，抽运-检测型原子磁力仪测得20Hz交流变化的磁场，其磁场最大值Bmax和最小值Bmin分别由表达式(2)和(3)决定：
因此测量的20Hz波动磁场的振幅ΔBtot为：
ΔBtot＝Bmax-Bmin (4)
如图2(c)所示，在x-y面内补偿磁场线圈组中通入电流产生总的补偿磁场
使
与
的矢量和平行于z轴，则抽运-检测型原子磁力仪将测得没有调制信息的稳定磁场。以一组磁场值波动的峰峰值作为判定条件，不断改变通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流，使一组磁场值波动的峰峰值趋近于零，则由通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流值乘以对应的线圈系数可得矢量磁场的Bx和By分量，z轴分量为：
由x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的绕线方式结合补偿电流的正或负得到Bx和By分量的符号，在测量前通过载流z轴线圈3辅助判定Bz的符号。已知Bx、By和Bz后，通过计算可得矢量磁场与z轴夹角α，以及矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β。
下面结合实施例具体说明公开内容中提出的一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置及方法。考虑矢量原子磁力仪装置的稳定性和矢量磁场方向标定的便利性，x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4和y轴线圈5可以设计为方形的亥姆霍兹线圈，它们被放置在一个磁屏蔽筒中，铷泡7处于磁屏蔽筒的中心位置。将x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4和y轴线圈5可以设计为方形仅仅是一个示例，根据需要还可以将x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4和y轴线圈5可以设计为圆形，在此不做限定。
实施例一：
步骤1：通过实验分别测得x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cx1＝56.813nT/mA和Cy2＝65.671nT/mA，x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的振幅B⊥＝500nT；设定通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1和y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2均为0mA，通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1的变化步长为ΔIx，通入y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2的变化步长为ΔIy。
图3示出了通入x-y面内旋转磁场线圈组的相位差90°的两组正弦交变信号示意图。
如图3所示，该两组正弦交变信号频率为20Hz。用改进的抽运-检测型原子磁力仪测量由x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的振幅，改进方法是在磁屏蔽筒中y轴方向产生1000nT的本底磁场，禁用亥姆霍兹线圈8的功能，与z轴平行的圆偏振抽运光9制备铷泡7内铷原子系综的极化态后，直接用与x轴平行的线偏振探测光10测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕y轴磁场进动的拉莫尔进动信号，当y轴线圈5中通入正弦交变信号后可测得旋转磁场的振幅。
图4a示出了在磁屏蔽装置中标定旋转磁场振幅的y轴本底磁场的测量结果示意图；图4b示出了在磁屏蔽装置中标定载流y轴线圈5产生的交变磁场的振幅的测量结果示意图。
如图4b所示，当y轴线圈5中通入正弦交变信号后，在如图4a所示的1000nT本底磁场条件下抽运-检测型原子磁力仪测量磁场的波动峰峰值为1000nT，因此交变磁场的振幅为500nT。同理，沿着z轴旋转抽运-检测型原子磁力仪的磁探头90°，或x-y面内旋转磁场线圈组绕z轴旋转90°，标定x轴线圈4中通入正弦交变信号时产生的交变磁场的振幅为500nT。本实施例中x-y面内旋转磁场的振幅为B⊥＝500nT。
步骤2：本实施例在磁屏蔽筒中产生待测的矢量磁场，磁屏蔽筒内的附属线圈在z轴正方向产生40000nT的稳定本底磁场，在y轴方向轮流产生0nT或大约3400nT的脉冲磁场，每个脉冲持续时长为20分钟，当y轴方向脉冲磁场约为3400nT时，矢量磁场与z轴的夹角α约为5°。虽然本实施例中矢量磁场z轴分量的符号已知，但可根据z轴线圈3验证矢量磁场
在z轴投影分量的符号。
步骤3：利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值Btot，并记录所述总磁场值Btot变化的峰峰值ΔBtot和平均值Btot-avg；根据所述x轴补偿磁场线圈1的线圈系数Cx1，y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cy2，通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1，y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2，矢量磁场
在z轴投影分量的符号，总磁场值Btot变化的平均值Btot-avg计算矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β；上述参数的计算方法为：Bx＝Cx1×Ix1，By＝Cy2×Iy2，
α＝arccos(Bz/B)，β＝arctan(By/Bx)；实时输出Bx、By、Bz、B、α和β的值。
步骤4：向x轴补偿磁场线圈1中通入电流Ix1+ΔIx，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-x。
步骤5：向y轴补偿磁场线圈1中通入电流Iy2+ΔIy，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-y。
步骤6：如果ΔBTot-x-ΔBtot＞0，则赋值ΔIx＝-ΔIx，否则赋值ΔIx＝ΔIx；如果ΔBTot-y-ΔBtot＞0，则赋值ΔIy＝-ΔIy，否则赋值ΔIy＝ΔIy。
步骤7：如果|ΔBTot-x-ΔBtot|≤|ΔBTot-y-ΔBtot|，则赋值Ix1＝Ix1，Iy2＝Iy2+ΔIy，否则赋值Ix1＝Ix1+ΔIx，Iy2＝Iy2。
步骤8：重复步骤3-7，每次重复循环中保证|ΔIx|＝|ΔIy|，本实施例中设定的电流变化步长ΔIx和ΔIy是随ΔBtot的值动态变化的，最小电流变化步长的绝对值限制为0.1mA；当矢量原子磁力仪锁定时ΔBtot最小，输出与待测矢量磁场关联正确的矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β的值，其中Bx和By的波动峰峰值约为最小电流变化步长对应的变化磁场的10倍，即对Bx和By来说其磁场分量的短期波动峰峰值分别约为57nT和66nT。
在上述步骤3中，抽运-检测型原子磁力仪测量2个旋转磁场周期内的一组总磁场值Btot。当磁屏蔽筒中z轴正方向产生40000nT的稳定本底磁场，y轴方向产生大约3400nT的磁场时，图5a示出了抽运-检测型原子磁力仪测量的一组原始信号，其中原子磁力仪的一个工作周期为5ms，抽运光作用1ms，射频场作用0.2ms，在自由弛豫的拉莫尔进动信号中截取3ms的数据用于计算拉莫尔进动频率；图5b示出了对应于图5a的抽运-检测型原子磁力仪测量的一组波动磁场值，这组磁场值变化的峰峰值ΔBtot＝81.5nT，平均值Btot-avg＝40149.8nT；当磁屏蔽筒中z轴正方向产生40000nT的稳定本底磁场，y轴方向产生零磁场时，图5c示出了抽运-检测型原子磁力仪测量的一组稳定磁场值，这组磁场值变化的峰峰值ΔBtot＝0.3nT，平均值Btot-avg＝40003.3nT。
在上述步骤2的基础上重复步骤3-7，矢量原子磁力仪实时输出Bx、By、Bz、B、α和β的值，测试结果分别显示在图6a、6b、6c、6d、6e和6f中。图6a中Bx随时间在55nT至185nT范围内波动；图6b中By随时间在0nT至-3400nT之间呈方波式地变化；在矢量磁场被锁定时图6c中Bz约等于40000nT；图6d中B随时间在约40001nT和约40148nT之间呈方波式地变化；图6e中α角度随时间在约0°和约5°之间呈方波式地变化；当By约等于-3400nT时图6f中β角度约等于90°。由于磁屏蔽筒材料的磁化会引入误差，因此上述测量值与理论预期结果略有偏差。
综上所述，实施例一仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述装置包括x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈、x-y面内旋转磁场线圈组和抽运-检测型原子磁力仪；
所述x-y面内补偿磁场线圈组包括x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2，所述通入x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的电流值由矢量原子磁力仪工作时动态地改变，使矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量分别被补偿至预设范围内；
所述z轴线圈3用于判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，所述符号为“+”符号或“-”符号；
所述x-y面内旋转磁场线圈组包括x轴线圈4和y轴线圈5，所述x轴线圈4和y轴线圈5的线圈系数相等，所述x轴线圈4和y轴线圈5中通入相位差90°的两组正弦交变信号，用于在铷泡7空间位置产生固定振幅的x-y面内旋转磁场；
所述抽运-检测型原子磁力仪包括铷泡加热模块6、铷泡7、亥姆霍兹线圈8、圆偏振抽运光9和线偏振探测光10；铷泡加热模块6使铷泡7保持恒温；铷泡7被置于x-y面内补偿磁场线圈组、z轴线圈3、x-y面内旋转磁场线圈组和亥姆霍兹线圈8的几何中心；亥姆霍兹线圈8的轴线方向平行于x轴，亥姆霍兹线圈8内输入与拉莫尔进动频率相等的共振射频信号，用于驱动铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩进动至x-y平面；圆偏振抽运光9与z轴平行，用于制备铷泡7内铷原子系综的极化态，使原子系综的宏观磁矩平行于z轴；线偏振探测光10与x轴平行，用于测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕磁场进动的拉莫尔进动信号；所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场。
2.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，当矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量都被补偿至预设范围内时，所述抽运-检测型原子磁力仪测量的一组磁场值的波动峰峰值最小；所述预设范围为x轴或y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值对应的变化磁场的10倍，所述x轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值和y轴补偿磁场线圈中通入的最小电流变化步长绝对值相等。
3.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述矢量磁场在铷泡7空间位置的x轴和y轴投影分量为矢量原子磁力仪处于锁定状态时由x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数乘以对应的补偿电流分别得到。
4.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述矢量磁场在z轴投影分量符号未知时，由所述z轴线圈3辅助判定；利用所述z轴线圈3判定矢量磁场在z轴投影分量的符号，包括：
向z轴线圈3通入正向电流后在铷泡7空间位置产生沿z轴正方向的磁场，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值增大，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“+”符号，如果抽运-检测型原子磁力仪测量的磁场值减小，则矢量磁场在z轴投影分量的符号为“-”符号。
5.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述x-y面内旋转磁场线圈组中通入正弦交变信号的频率小于或等于100Hz，载流x轴线圈4和载流y轴线圈5在铷泡7空间位置产生正弦交变磁场的振幅相等，且都小于或等于1000nT。
6.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述抽运-检测型原子磁力仪用于测量铷泡7空间位置处的标量磁场，其中抽运-检测型原子磁力仪的磁场采样率设定值应大于或等于x-y面内旋转磁场线圈组中正弦交变信号频率的10倍。
7.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，在磁屏蔽环境中y轴方向产生1000nT至5000nT范围的本底磁场，利用圆偏振抽运光9制备铷泡7内铷原子系综的极化态后，禁用亥姆霍兹线圈8的功能，利用与x轴平行的线偏振探测光10测量铷泡7内铷原子系综的宏观磁矩绕y轴磁场进动的拉莫尔进动信号，并利用所述抽运-检测型铷原子磁力仪测量y轴线圈5中通入正弦交变信号后的旋转磁场的振幅。
8.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述铷泡7空间位置处的磁场是待测矢量磁场、x-y面内补偿磁场线圈组产生的补偿磁场和x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的矢量叠加。
9.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，矢量原子磁力仪对矢量磁场模值的测量范围为10000nT至100000nT。
10.根据权利要求1所述的矢量原子磁力仪装置，其特征在于，所述x轴补偿磁场线圈1、y轴补偿磁场线圈2、z轴线圈3、x轴线圈4和y轴线圈5都设计为方形亥姆霍兹线圈。
11.一种基于磁场旋转调制法的矢量原子磁力仪的实现方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-10所述的矢量原子磁力仪装置，所述方法包括：
步骤1：通过实验分别测得x轴补偿磁场线圈1和y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cx1和Cy2，以及x-y面内旋转磁场线圈组产生的旋转磁场的振幅B⊥；设定通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1和y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2均为0mA；通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1的变化步长为ΔIx，通入y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2的变化步长为ΔIy；
步骤2：根据z轴线圈3判定矢量磁场
在z轴投影分量的符号；
步骤3：利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值Btot，并记录所述总磁场值Btot变化的峰峰值ΔBtot和平均值Btot-avg；根据所述x轴补偿磁场线圈1的线圈系数Cx1，y轴补偿磁场线圈2的线圈系数Cy2，通入x轴补偿磁场线圈1的电流Ix1，y轴补偿磁场线圈2的电流Iy2，矢量磁场
在z轴投影分量的符号，总磁场值Btot变化的平均值Btot-avg计算矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β；
步骤4：向x轴补偿磁场线圈1中通入电流Ix1+ΔIx，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-x；
步骤5：向y轴补偿磁场线圈1中通入电流Iy2+ΔIy，利用抽运-检测型原子磁力仪测量至少2个旋转磁场周期内的一组总磁场值BTot，记录这组磁场值变化的峰峰值ΔBTot-y；
步骤6：如果ΔBTot-x-ΔBtot＞0，则赋值ΔIx＝-ΔIx，否则赋值ΔIx＝ΔIx；如果ΔBTot-y-ΔBtot＞0，则赋值ΔIy＝-ΔIy，否则赋值ΔIy＝ΔIy；
步骤7：如果|ΔBTot-x-ΔBtot|≤|ΔBTot-y-ΔBtot|，则赋值Ix1＝Ix1，Iy2＝Iy2+ΔIy，否则赋值Ix1＝Ix1+ΔIx，Iy2＝Iy2；
步骤8：重复步骤3-7，每次重复循环中保证|ΔIx|＝|ΔIy|，当ΔBtot最小时，输出与待测矢量磁场关联正确的矢量磁场
分别在x轴、y轴和z轴的投影分量Bx、By和Bz，以及矢量磁场与z轴夹角α，矢量磁场在x-y面内的投影分量与x轴的夹角β的值。
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