CN114720918B - 一种测量交变矢量磁场的方法及装置 - Google Patents

一种测量交变矢量磁场的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量交变矢量磁场的方法及装置，包括使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；获取产生第一磁共振信号的共振频率，识别为待测交变矢量磁场的频率；采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号作为探测磁场的激励信号；使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；根据第二磁共振信号的共振频率和正交解调信号计算得到待测交变矢量磁场的大小和方向角。本发明能够准确获得待测交变矢量磁场的频率、大小和方向角。

Description

一种测量交变矢量磁场的方法及装置
技术领域
本发明属于磁场测量技术领域，具体涉及一种测量交变矢量磁场的方法及装置。
背景技术
在生物医学领域，高灵敏度的交变矢量磁场测量装置可作为重要的医疗仪器，解决某些疾病的早期发现及诊断问题。例如矢量心磁图可以清晰地显示心脏磁场的空间特征，进而直观地显示一个心跳周期内心脏磁场方向的变化过程。这是传统的心磁图难以实现的。当一个心跳周期内某些心肌细胞出现异常时，如发生束支传导阻滞或心肌梗塞等情况，心脏磁矢量的方向和强度可能会出现异常。通过观察矢量心磁图就可对这些异常进行诊断和定位。然后现有技术中缺乏对交变矢量磁场的方向进行测量的仪器，所以难以实现对心脏磁矢量的检测，故难以实现对相关疾病的精确诊断。
在工业检测领域，交变磁场测量技术理论上可以实现无损检测，即在不破坏被测物的材料及零部件的情况下，对其几何结构、物理性能以及各种工艺参数等进行非接触测量，进而探测被测物是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位和内含物等情况进行判断，获取其组织分布、应力状态以及机械结构等信息。采用该方法可以及早发现工业生产中的不良品，减少花费在质量检测工作上的人力物力，提高工业制造的经济效益。但是现有技术中多采用测量待测材料的交变标量磁场对其性能进行判定，交变标量磁场中不包含方向信息，所得测量信息不全面，采用交变标量磁场判定材料性能的结果往往精确度欠佳。
同时，目前对磁场测量的研究大多停留在对静磁场的测量研究上，对交变磁场的研究较少，对交变矢量磁场的测量更是极少涉及，缺乏对交变矢量磁场的测量方法及装置的研究。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种测量交变矢量磁场的方法及装置，能够准确获得交变矢量磁场的频率、大小和方向角。
本发明采用的技术方案是：一种测量交变矢量磁场的方法，包括：
碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；
识别第一磁共振信号的共振频率为待测交变矢量磁场的频率；
碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；所述探测磁场与静磁场的方向相互垂直；探测磁场的激励信号采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号；
采用公式：
Figure 9747DEST_PATH_IMAGE001
，计算得到待测交变矢量磁场的大小B1，其中，Ω为第二 磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值；K为碱金属原子的旋磁比；
对第二磁共振信号的一次谐波分量进行正交解调，采用公式：
Figure 254783DEST_PATH_IMAGE002
计算得到待测交变矢量磁场的方向角α；其中，
Figure 300100DEST_PATH_IMAGE003
表示第二磁共振信号的 一次谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 272473DEST_PATH_IMAGE004
表示第二磁共振信号的一次谐波分 量的解调信号的正交分量信号；δ表示探测磁场与待测交变矢量磁场的失谐；
或者对第二磁共振信号的二次谐波分量进行正交解调，采用公式：
Figure 352424DEST_PATH_IMAGE005
计算得到待测交变矢量磁场的方向角α；其中，
Figure 253515DEST_PATH_IMAGE006
表示第二磁共振信号的 二次谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 51707DEST_PATH_IMAGE007
表示第二磁共振信号的二次谐波分 量的解调信号的正交分量信号。
上述技术方案中，通过调整静磁场的大小，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号。本发明通过调整静磁场的大小，从而获得稳定且有效的磁共振信号，保证测量结果的有效性。
上述技术方案中，碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号的过程中，静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致。本发明通过保持静磁场的大小与产生第一磁共振信号时一致，进一步保证测量过程的精确度。
上述技术方案中，通过采集分析第二磁共振信号的直流分量谱线图，识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该直流分量谱线图中两个共振峰的共振频率；计算所述两个共振峰对应共振频率的差值的二分之一的数值，作为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值。本发明通过直流分量谱线图识别磁共振信号的共振频率，有效保证测量结果的精度。
上述技术方案中，对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，计算得到待测交变矢量磁场的方向角的过程包括：
使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和探测磁场的共同作用下产生第三磁共振信号；
采用与探测磁场的激励信号频率成倍数关系的正弦信号作为参考信号，对第三磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，并通过调整参考信号的相移得到标准的正交解调信号，获得补偿相位后的参考信号；
使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；
采用补偿相位后的参考信号对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，获取共振频率处解调信号的同相分量和正交分量，求得待测交变矢量磁场的方向角。本发明通过对参考信号进行相位补偿，进一步提升对磁场方向角的测量精度，从而保证测量结果的准确性。
本发明还提供了一种测量交变矢量磁场的装置，包括：线偏振光、碱金属原子、静磁场、探测磁场和控制模块；所述静磁场与探测磁场的方向相互垂直；
碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；控制模块用于识别第一磁共振信号的共振频率为待测交变矢量磁场的频率；
碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；探测磁场的激励信号采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号；
控制模块还用于根据第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值计算得到待测交变矢量磁场的大小；并对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，获得待测交变矢量磁场的方向角；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的大小B 1 ：
Figure 516186DEST_PATH_IMAGE001
其中，Ω为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值；K为碱金属原子的旋磁比；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的方向角α：
Figure 768088DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 27031DEST_PATH_IMAGE003
表示第二磁共振信号的一次谐波分量的解调信号的同相分量信 号；
Figure 312519DEST_PATH_IMAGE004
表示第二磁共振信号的一次谐波分量的解调信号的正交分量信号；δ表示探 测磁场与待测交变矢量磁场的失谐；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的方向角α：
Figure 128159DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 917124DEST_PATH_IMAGE006
表示第二磁共振信号的二次谐波分量的解调信号的同相分量信 号；
Figure 674864DEST_PATH_IMAGE007
表示第二磁共振信号的二次谐波分量的解调信号的正交分量信号。
上述技术方案中，控制模块还用于调整静磁场的大小，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号。
上述技术方案中，控制模块还用于在碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号的过程中，使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致。
上述技术方案中，所述控制模块包括控制单元、电流源、相干数字信号源、宽带正交解调电路、光电探测器；控制单元控制电流源输出电流以产生静磁场，控制单元控制相干数字信号源输出正弦信号以产生探测磁场；相干数字信号源产生与探测磁场激励信号频率成倍数关系的正弦信号作为宽带正交解调电路的参考信号；光电探测器用于探测第一磁共振信号和第二磁共振信号；宽带正交解调电路对第一磁共振信号和第二磁共振信号进行正交解调，并将解调信号发送至控制单元；控制单元对解调信号进行采样和分析，得到待测交变矢量磁场的频率、大小和方向角。本发明通过控制单元、电流源、相干数字信号源、宽带正交解调电路、光电探测器的相互配合，产生用于交变矢量磁场测量的静磁场和探测磁场，并有效探测磁共振信号，从而实现对待测磁场的参数计算分析。
上述技术方案中，还包括光源装置、碱金属原子气室、第一线圈和第二线圈；其中光源装置用于产生线偏振光；线偏振光透过碱金属原子气室并对其中的碱金属原子进行极化；光电探测器用于探测从碱金属原子气室透出的线偏振光；第一线圈和第二线圈相互正交布置；电流源发送恒定电流至第一线圈以产生静磁场；相干数字信号源发送正弦扫描信号至第二线圈以产生探测磁场；所述碱金属原子气室位于第一线圈和第二线圈的中间，所述测量交变矢量磁场的装置用于测量待测交变矢量磁场在碱金属原子气室位置处的磁场参数。本发明通过线偏振光、碱金属原子气室和线圈的合理设置，有效且稳定产生用于交变矢量磁场测量的静磁场和探测磁场，保证测量结果的精确度和有效性；并通过上述器件的集成布置，使得本发明适用于不同的场景磁场测量。
本发明的有益效果是：本发明基于碱金属原子与磁场的相互作用，利用激光探测矢量射频驱动原子磁共振理论，采集并分析磁共振信号的响应谱线，从而实现对交变矢量磁场的测量。本发明通过对磁共振信号进行正交解调，测得碱金属原子的共振频率，从而求得交变矢量磁场的大小、频率和方向，且测量精确度高。本发明不同于其它测量方法，通过测量磁共振频率来获取磁场大小和频率参数，而不依赖于测量受许多实验因素影响的共振振幅来获取磁场参数，具有良好的抗噪性能，测量精度至少提高了3个量级，实现了交变矢量磁场频率和大小的精确测量。此外，本发明提出了一种交变矢量磁场方向角的全新测量原理和方法，弥补了现有技术的空白，为发展用于生物医学和工业检测的磁成像奠定了基础，拓宽了原子磁力仪的应用。本发明提供的测量交变矢量磁场的装置，使得交变矢量磁场测量方法能够有效应用于实际场合，适用性强，以满足不同领域的交变矢量磁场测量需求。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的装置结构示意图；
图3为激光探测矢量射频驱动原子磁共振理论模型示意图；
图4为本发明的待测交变矢量磁场的参数解算方法示意图；
图5为第二磁共振信号直流分量谱线理论分析与实际测试的对比图；
图6是为本发明的待测交变矢量磁场频率及大小解算流程图；
图7是待测交变矢量磁场方向角解算流程图；
图8是待测交变矢量磁场方向角解算程序流程图；
图9为基于具体实施例产生的第二磁共振信号的解调信号的同相分量I和正交分量Q采样值的方向角测量结果的均值和方差示意图；
图10为基于具体实施例产生的第二磁共振信号的解调信号的同相分量I和正交分量Q采样值的方向角测量结果的噪声功率密度谱；
图11为30°方向角的待测交变矢量磁场产生的第二磁共振信号的共振频率处解调信号的同相分量I、正交分量Q示意图；
图12为是第二磁共振信号的标准正交解调信号波形。
其中，1-λ/2波片，2-偏振分束器，3-格兰泰勒棱镜，4-磁屏蔽筒，5-碱金属原子气室，6-凸透镜，7-光电探测器，8-反射镜；9-第一线圈，10-第二线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种测量交变矢量磁场的方法，包括以下步骤：
调整静磁场的大小，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；获取产生第一磁共振信号的共振频率，识别为待测交变矢量磁场的频率；
然后采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号作为探测磁场的激励信号，从而生成探测磁场；所述探测磁场与静磁场的方向相互垂直；
保持静磁场的大小与产生第一磁共振信号时一致，使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；
根据第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值，计算得到待测交变矢量磁场的大小，对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，获得待测交变矢量磁场的方向角。
通过下式计算得到待测交变矢量磁场的大小B 1 ：
Figure 431336DEST_PATH_IMAGE008
其中，Ω为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值；K为碱金属原子的旋磁比。
不同于其它测量方法，本发明通过测量磁共振频率来获取磁场的大小参数，而不依赖于测量受许多实验因素影响的信号振幅来获取磁场参数，具有良好的抗噪性能，测量精度至少提高了3个量级，实现了交变矢量磁场频率和大小的精确测量。同时，本发明提出了一种交变矢量磁场方向角的全新测量原理和方法，弥补了现有技术的空白。
本发明采用的磁场测量系统理论模型如图3所示，在该系统中，静磁场B 0 垂直于磁场B RF1 和B RF2 ，用来塞曼劈裂磁子能级。其中B RF1 为待测交变矢量磁场，为强射频场，用来驱动磁子能级发生磁共振跃迁。B RF2 为探测磁场，为弱射频场，用来探测磁共振。且B RF1 和B RF2 所成角度为α，B 0 、B RF1 和B RF2 的表达式为：
Figure 768777DEST_PATH_IMAGE009
其中ω1和ω2分别为B RF1 和B RF2 的频率，B0、B1和B2分别为B 0 、B RF1 和B RF2 的磁场强度，系统要求的磁场参数就是待测交变矢量磁场B RF1 的B1、ω1和α。
上述系统产生的信号即为第二磁共振信号，它由直流分量、一次谐波分量和二次谐波分量组成，其表达式为：
Figure 490876DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 91622DEST_PATH_IMAGE011
表示探测磁场B RF2 与待测交变矢量磁场B RF1 的失谐，
Figure 882860DEST_PATH_IMAGE012
为 直流分量，
Figure 538839DEST_PATH_IMAGE013
为一次谐波分量，
Figure 302395DEST_PATH_IMAGE014
为二次谐波分量，各分量的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
其中，
Figure 363456DEST_PATH_IMAGE021
Figure 595985DEST_PATH_IMAGE022
，μB玻尔磁子， gF为朗德g因子，
Figure 540807DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 424450DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 881845DEST_PATH_IMAGE025
为原子的弛豫速率。
Figure 647675DEST_PATH_IMAGE026
为一次 谐波分量的反对称谱幅度，
Figure 333872DEST_PATH_IMAGE027
为一次谐波分量的对称谱幅度，
Figure 885070DEST_PATH_IMAGE028
为二次谐波分量的反对称谱幅度，
Figure 264099DEST_PATH_IMAGE029
为二次 谐波分量的对称谱幅度。
对第二磁共振信号的各信号分量进行分析可知，各信号分量存在相同的两个频率 响应点，即
Figure 766493DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 256380DEST_PATH_IMAGE031
，对应探测磁场的频率
Figure 645773DEST_PATH_IMAGE032
为
Figure 946436DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 686858DEST_PATH_IMAGE034
。
当待测交变矢量磁场的频率
Figure 980437DEST_PATH_IMAGE035
与系统拉莫尔进动频率
Figure 739183DEST_PATH_IMAGE036
完全共振时，即
Figure 194435DEST_PATH_IMAGE037
时，两个频率响应点处的谱线完全一致，且拉比频率
Figure 172886DEST_PATH_IMAGE038
。由
Figure 4576DEST_PATH_IMAGE039
可知，共振时：
Figure 634141DEST_PATH_IMAGE040
其中，K为碱金属原子的旋磁比，是一个常数。由此，就可以求得待测交变矢量磁场的大小B1。对磁共振信号的谐波分量进行分析，发现方向角α在信号中以相位角的形式存在，对其进行正交解调即可求得待测磁场的方向角。
将一次谐波分量
Figure 781000DEST_PATH_IMAGE041
乘以其同频余弦参考信号
Figure 433698DEST_PATH_IMAGE042
，其中V r 为参考信号幅度，过滤掉所得信号中的谐波分量，得到直流分量
Figure 334658DEST_PATH_IMAGE043
；
将一次谐波分量
Figure 756412DEST_PATH_IMAGE041
乘以其同频正弦参考信号
Figure 632096DEST_PATH_IMAGE044
，过滤掉所 得信号中的谐波分量，得到直流分量
Figure 772090DEST_PATH_IMAGE045
；
在共振条件下，可求得交变矢量磁场的方向角α：
Figure 211162DEST_PATH_IMAGE046
同理，将二次谐波分量
Figure 2269DEST_PATH_IMAGE047
乘以其同频余弦参考信号
Figure 298121DEST_PATH_IMAGE042
， 过滤掉所得信号中的谐波分量，得到直流分量为
Figure 925412DEST_PATH_IMAGE048
；
将二次谐波分量
Figure 653327DEST_PATH_IMAGE049
乘以其同频正弦参考信号
Figure 49673DEST_PATH_IMAGE044
，过滤掉 所得信号中的谐波分量，得到直流分量为
Figure 719689DEST_PATH_IMAGE050
：
在共振条件下，可求得交变矢量磁场的方向角α：
Figure 880281DEST_PATH_IMAGE051
至此，就实现了对待测交变矢量磁场的频率ω1、大小B1和方向角α的求解。
如图2所示，本具体实施例提供了一种测量交变矢量磁场的装置（下文称为交变矢量原子磁力仪），具体包括光源装置、碱金属原子气室5、第一线圈9和第二线圈10以及控制模块；
所述控制模块包括控制单元（图2中所示MCU）、电流源、相干数字信号源、宽带正交解调电路、光电探测器7。
所述光源装置用于产生线偏振光；线偏振光透过碱金属原子气室5并对其中的碱金属原子进行极化；光电探测器7用于探测从碱金属原子气室5透出的线偏振光，获取磁共振信号，并将光信号转化为电信号，便于控制模块通过磁共振信号计算得到待测磁场的参数；第一线圈9和第二线圈10相互正交布置；控制单元控制电流源发送恒定电流至第一线圈9以产生静磁场；控制单元控制相干数字信号源发送正弦扫描信号至第二线圈10以产生探测磁场；所述静磁场与探测磁场的方向相互垂直。所述相干数字信号源产生与探测磁场激励信号频率成倍数关系的正弦信号作为正交解调电路的参考信号；宽带正交解调电路对磁共振信号进行正交解调，并将解调信号发送至控制单元；控制单元对解调信号进行采样和分析，得到待测交变矢量磁场的频率、大小和方向角。
所述碱金属原子气室5位于第一线圈9和第二线圈10的中间，所述交变矢量原子磁力仪用于测量待测交变矢量磁场在碱金属原子气室5位置处的磁场参数。
待测交变矢量磁场的来源可以放在任意位置，通过改变本发明的布置位置，就可以测得待测交变矢量磁场在空间中各点的分布情况，从而进行磁成像。待测交变矢量磁场的来源可以是人体脏器或者通电的待测设备和材料，待测交变矢量磁场的磁场参数测量结果作为疾病诊断或者材料部件检测的依据。
本具体实施例采用铯原子气室作为碱金属原子气室5。光源装置选用半导体激光器，其发出的激光经过λ/2波片和偏振分束器2组成的分光光路后被分成两束光，一束用于稳频，另一束用于制备线偏振光产生磁共振信号。用于产生磁共振信号的激光光束还要经过λ/2波片和偏振分束器的组合对其偏振进行控制。随后，光束通过格兰泰勒棱镜3得到线偏振光，对气室内的铯原子进行极化；再通过凸透镜6将光汇聚到光电探测器7上，完成对磁共振信号的探测。
本具体实施例采用饱和吸收谱稳频方法，实现对激光器的稳频，以减少激光器波长抖动对交变矢量原子磁力仪灵敏度的影响。
本具体实施例的第一线圈9和第二线圈10均为环形亥姆霍兹线圈结构。
具体地，本发明的应用对象可以是待检测性能的金属材料，通过对该金属材料通电流以产生待测的交变矢量磁场，通过移动本发明，测量待测材料在碱金属原子气室不同相对位置处的交变矢量磁场参数，结合磁成像技术得到待测金属材料的交变矢量磁场分布图，进而识别被测金属材料是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位和内含物等情况进行判断，获取其组织分布、应力状态以及机械结构等信息，实现对待测金属材料的无损检测。
具体地，本发明的应用对象可以是人体的心磁信号；通过移动本发明，测量人体心磁信号在碱金属原子气室不同相对位置处的交变矢量磁场参数，结合磁成像技术得到对应的矢量心磁图，通过观察矢量心磁图就可实现对相关疾病的诊断和定位。
如图4所示，下面结合具体实施例对交变矢量原子磁力仪的参数解算方法进行说明：
控制单元MCU首先驱动电流源给第一线圈提供电流以产生静磁场。使用光电探测器对信号进行探测，通过调整电流大小，得到第一磁共振信号。
经宽带正交解调电路后，控制单元得到第一磁共振信号的解调信号，控制单元对解调信号进行采样得到解调信号幅度极大值和极小值对应的频率，从而求得两个极值点的中心频率，即静磁场和待测交变矢量磁场共同作用下的共振频率，该频率就是待测交变矢量磁场B RF1 的频率ω1。
然后控制单元控制电流源的电流保持与产生第一磁共振信号时一致；同时，使用相干数字信号源给第二线圈提供中心频率与待测交变矢量磁场频率相同的正弦扫描信号作为驱动信号，以产生探测磁场B RF2 。
使用光电探测器对信号进行探测，控制单元得到如图5点线所示的第二磁共振信号的直流分量谱线图，该直流分量谱线图中存在两个凹陷的地方，对应两个共振峰，且左右两个共振峰关于中心频率对称，理论分析与实际测试的对比如图5所示。
图6是待测磁场的频率及大小的解算流程图，其中相干数字信号源输出频率为ω2 的扫描信号用于驱动产生探测磁场，同时输出频率为2ω2的扫描信号作为正交解调电路的 参考信号；正交解调电路对第二磁共振信号的二次谐波分量进行解调；MCU对解调信号进行 采样，找到两个共振峰的共振频率
Figure 661155DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 912008DEST_PATH_IMAGE053
。其中，ω1为待测交变矢 量磁场的频率，Ω为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值，根据 公式（8）即可计算得到待测交变矢量磁场的大小B1。
用于产生探测磁场的正弦扫描信号的步进是通过STM32控制程序设定的，扫描步进越小，频率的测量结果越精确，但扫描时间也会越长，无法实现快速测量。
本具体实施例采用粗略扫描+细致扫描的模式，测量共振频率，进而实现对待测交变矢量磁场大小和频率的精确测量。
先采用粗略扫描模式生成探测磁场的激励信号，产生第二磁共振信号，采集分析第二磁共振信号的直流分量谱线图，识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该直流分量谱线图中左右对称的两个共振峰及其共振频率，分别记为左共振峰和右共振峰及其对应的粗扫共振频率；
然后将探测磁场的激励信号调整为以左共振峰的粗扫共振频率为中心频率的正弦扫描信号；所述控制模块采用细致扫描模式，保持静磁场的大小与产生第一磁共振信号时一致，使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生参考磁共振信号；控制模块通过采集分析参考磁共振信号的直流分量谱线图，识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该直流分量谱线图中位于左侧的共振峰的共振频率，记为左共振峰的细扫共振频率；将多次扫描后获取的左共振峰的细扫共振频率均值作为左共振峰的共振频率；
将探测磁场的激励信号调整为以右共振峰的粗扫共振频率为中心频率的正弦扫描信号；重复上述步骤再次产生参考磁共振信号并采用相同的方式获取右共振峰的共振频率；
最后将左共振峰和右共振峰的共振频率的差值的二分之一作为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值。
更进一步地，通过采集分析第二磁共振信号的解调信号，分别识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该解调信号的正交分量的两组极大值点和极小值点的中心频率作为左共振峰和右共振峰的粗扫共振频率；通过采集分析参考磁共振信号的解调信号，识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该解调信号的正交分量的两组极大值点和极小值点的中心频率作为左共振峰和右共振峰的细扫共振频率。
优选地，该程序流程如图8所示，粗略扫描时以10Hz的步进实现该频率范围内的探 测磁场的激励信号扫描，找到解调信号两组极大值和极小值的中心频率，即对应粗略扫描 时左共振峰的共振频率
Figure 752925DEST_PATH_IMAGE054
和右共振峰的共振频率ωright_rough，先以
Figure 902278DEST_PATH_IMAGE054
为细致 扫描时的中心频率，以1Hz的步进对
Figure 486843DEST_PATH_IMAGE055
频率范围内的探测磁场的激励信号 进行扫描，求得解调信号极大值和极小值的中心频率，存入数组
Figure 592202DEST_PATH_IMAGE056
，重复扫描5次， 求数组中数据的均值即为细致扫描时左共振峰的共振频率ωleft_exact；重复上述步骤，即可 求得细致扫描时右共振峰的共振频率ωright_exact。ωleft_exact和ωright_exact即为共振频率
Figure 853288DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 473625DEST_PATH_IMAGE053
。进而就可求得交变矢量磁场的大小。
图7是待测磁场的方向角解算流程图，其中相干数字信号源输出频率为ω2的扫描 信号用于驱动产生探测磁场，同时输出频率为2ω2的扫描信号作为正交解调电路的参考信 号；正交解调电路对第二磁共振信号的二次谐波分量进行解调；MCU对解调信号进行采样， 找到两个共振峰的共振频率
Figure 861881DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 572479DEST_PATH_IMAGE053
。
对第二磁共振信号的二次谐波分量进行正交解调，获取第二磁共振信号的共振频率处解调信号的同相分量I、正交分量Q的数据（I_sample和Q_sample），如图11所示，根据公式（10）求得待测交变矢量磁场的方向角α。
优选地，为了消除控制模块引入的相移，即确定不引入待测交变矢量磁场B RF1 时的补偿相位。控制单元通过控制相干数字信号源关闭待测交变矢量磁场B RF1 ，使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致，输出中心频率等于待测交变矢量磁场频率的驱动信号，其频率记作ω2，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和探测磁场的共同作用下产生第三磁共振信号。
控制单元通过控制相干数字信号源输出频率为2ω2的同相正弦波扫描信号作为宽带正交解调电路的参考信号。此时只有一个静磁场和一个探测磁场，故一个周期内只有一个磁共振峰即第三磁共振信号。
控制单元对第三磁共振信号的解调信号进行采样，调整参考信号的相移，直到采样得到如图12所示的标准正交解调信号波形，即解调信号的正交分量Q的极大值和极小值关于偏置电压对称，此时参考信号的相位即为补偿相位。
保持参考信号补偿后的相位不变，恢复待测交变矢量磁场，采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号作为探测磁场的激励信号，使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致，使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号。对进行相位补偿后的第二磁共振信号进行解调，获取第二磁共振信号的共振频率处解调信号的同相分量I、正交分量Q的数据，如图11所示，根据公式（10）求取待测磁场的方向角。
为了对本发明进行验证，本具体实施例在第一线圈9和第二线圈10的内部设置亥姆霍兹线圈作为第三线圈。
通过向第三线圈发送驱动信号产生磁参数可控的交变矢量磁场，从而模拟待测交变矢量磁场，以验证本发明提出的交变矢量磁场测量方法的可行性，并验证本发明设计的交变矢量磁场测量装置的有效性。
为了得到理想的磁场，需要屏蔽外界磁场的干扰，如图2所示第一线圈、第二线圈以及碱金属原子气室均设置于磁屏蔽筒4内。磁屏蔽筒4仅用于实验室验证阶段，在本发明实际使用过程中并不需要。
为了验证本发明的测量精度，通过对待测交变矢量磁场的参数进行调整，得到以下实验结果。
给定待测交变矢量磁场的频率和方向，使用本发明对不同驱动信号幅度对应的磁场大小进行测试，得到本发明对交变矢量磁场大小的测量效果。
待测交变矢量磁场的驱动信号为频率21.4605kHz的正弦信号，其幅度由0.5Vpp递增至3Vpp，以改变两个磁共振峰的频率差2Ω，即改变B1。使用本发明提供的交变矢量原子磁力仪测量各驱动信号幅度下两峰间的频率差，得到装置测量到的磁场强度与驱动信号幅度的对应关系。
表1 交变矢量原子磁力仪对磁场大小的测量
Figure 755199DEST_PATH_IMAGE057
由表1可见，交变矢量原子磁力仪测得的交变矢量磁场强度B1随着B RF1 驱动信号幅度的增加而增加，且两者成线性关系，其拟合曲线的相关系数R≈1，与理论推算结果相符。因此，本发明可以实现对交变矢量磁场大小的有效测量。
为了评估本发明对磁场大小的测量稳定度，将待测交变矢量磁场B RF1 的大小B1固定不变，改变B 0 的驱动电流，使用本发明测量在不同静磁场强度下交变矢量磁场的大小，测试结果如表2所示。
表2 交变矢量原子磁力仪磁场大小的测量稳定度
Figure 331674DEST_PATH_IMAGE058
对表2进行分析可知，本发明具有较高的磁场大小测量稳定度。
改变待测交变矢量磁场的频率，使用交变矢量原子磁力仪调整静磁场驱动电流大小，从而测量待测磁场频率，并与商用磁通门传感器的测量结果进行对比，得到其对应关系。
表3 本发明与商用磁通门传感器对磁场频率的测量对比
Figure 134125DEST_PATH_IMAGE059
对表3进行分析可知，交变矢量原子磁力仪产生的静磁场大小和测得的磁场频率ω1随着待测交变矢量磁场的频率的增加而增加，成线性关系。以商用磁通门传感器的测量结果为基准，本发明的测量误差最大为0.213%，可以实现对交变矢量磁场频率的精确测量。由实验结果可知，本发明对磁场频率的测量精度达到了商用仪器水平，且本发明可以同步实现对交变矢量磁场方向角的测量，是目前商用仪器无法实现的。
为了评估本发明磁场频率的测量稳定度，保持待测交变矢量磁场频率固定不变，改变待测交变矢量磁场B RF1 的驱动信号幅度，即改变磁场的大小，使用本发明测量在不同驱动信号幅度下交变矢量磁场的频率，测试结果如表4所示。
表4 交变矢量原子磁力仪磁场频率的测量稳定度
Figure 948497DEST_PATH_IMAGE060
由表4可见，本发明具有较高的磁场频率测量稳定度。
使用本发明对由第三线圈产生的磁场方向角均为30°但频率不同的待测交变矢量磁场进行测试，得到如表5所示的测试结果。
表5 30°亥姆霍兹线圈方向角测量结果
Figure 567697DEST_PATH_IMAGE061
重复上述操作对由第三线圈产生的磁场方向角为45°的待测交变矢量磁场进行测试，得到如表6所示的测试结果。
表6 45°亥姆霍兹线圈方向角测量结果
Figure 365889DEST_PATH_IMAGE062
由表5-6可见，本发明可以实现对交变矢量磁场方向角的稳定测量。
为了确定交变矢量原子磁力仪的分辨率，在待测交变矢量磁场频率恒定的情况下，通过改变待测交变矢量磁场的驱动信号幅度以改变待测交变矢量磁场大小。使用本发明测量缓慢变化的待测交变矢量磁场的磁场大小，得到磁场测量值间的最小差值，即为本发明的分辨率。
当待测交变矢量磁场驱动信号幅度步进值为2mVrms和0.2mVrms时，磁场强度与驱动信号幅度呈线性关系，且其线性拟合曲线的相关系数R≈1，故该情况下交变矢量原子磁力仪可以对磁场的变化进行分辨，对应磁场大小的最小变化量约为0.33nT，即本发明对磁场大小的测量分辨率约为0.33nT。
本发明采用对交变矢量原子磁力仪测得的磁场数据做噪声功率谱分析的方法，标定其灵敏度。
以方向角为30°的交变矢量磁场为例，通过对恒定磁场下磁力仪系统输出的解调信号的同相分量I、正交分量Q的数据进行长时间采集；求得由I、Q确定的磁场方向角数据的均值、标准差和噪声功率密度谱，具体的测试结果如图9、图10所示。图9中横坐标为采样点，纵坐标为各采样点的采样数值计算得到的方向角数值；图10中横坐标为频率，纵坐标为各频率点的噪声功率密度。为了对数据进行定量分析，本具体实施例对噪声功率密度数据进行了平滑滤波处理，处理后的谱线对应图10中的深色波形。
对图9、图10进行分析可知，由采样信号I、Q确定的磁场方向角的绝对误差约为0.007°，标准差约为0.02°，在1Hz的频率点下其噪声功率密度约为0.005°/√Hz，故本发明的稳定性好，灵敏度高。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种测量交变矢量磁场的方法，其特征在于，包括：
碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；
识别第一磁共振信号的共振频率为待测交变矢量磁场的频率；
碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；所述探测磁场与静磁场的方向相互垂直；探测磁场的激励信号采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号；
采用公式：
Figure 75440DEST_PATH_IMAGE001
，计算得到待测交变矢量磁场的大小B1，其中，通过采集分析 第二磁共振信号的直流分量谱线图，识别探测磁场的激励信号的一个扫描周期内该直流分 量谱线图中两个共振峰的共振频率；计算所述两个共振峰对应共振频率的差值的二分之一 的数值作为Ω；K为碱金属原子的旋磁比；
对第二磁共振信号的一次谐波分量进行正交解调，采用公式：
Figure 819406DEST_PATH_IMAGE002
计算得到待测交变矢量磁场的方向角α；其中，
Figure 666139DEST_PATH_IMAGE003
表示第二磁共振信号的一次 谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 204568DEST_PATH_IMAGE004
表示第二磁共振信号的一次谐波分量的 解调信号的正交分量信号；δ表示探测磁场与待测交变矢量磁场的失谐；
或者对第二磁共振信号的二次谐波分量进行正交解调，采用公式：
Figure 871172DEST_PATH_IMAGE005
计算得到待测交变矢量磁场的方向角α；其中，
Figure 917363DEST_PATH_IMAGE006
表示第二磁共振信号的二次 谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 353024DEST_PATH_IMAGE007
表示第二磁共振信号的二次谐波分量的 解调信号的正交分量信号。
2.根据权利要求1所述的一种测量交变矢量磁场的方法，其特征在于：通过调整静磁场的大小，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号。
3.根据权利要求1所述的一种测量交变矢量磁场的方法，其特征在于：碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号的过程中，静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种测量交变矢量磁场的方法，其特征在于：对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，计算得到待测交变矢量磁场的方向角的过程包括：
使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和探测磁场的共同作用下产生第三磁共振信号；
采用与探测磁场的激励信号频率成倍数关系的正弦信号作为参考信号，对第三磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，并通过调整参考信号的相移得到标准的正交解调信号，获得补偿相位后的参考信号；
使碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；
采用补偿相位后的参考信号对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，获取共振频率处解调信号的同相分量和正交分量，求得待测交变矢量磁场的方向角。
5.一种测量交变矢量磁场的装置，其特征在于：包括控制模块、光源装置、碱金属原子气室、第一线圈和第二线圈；其中光源装置用于产生线偏振光；线偏振光透过碱金属原子气室并对其中的碱金属原子进行极化；第一线圈用于产生静磁场；第二线圈用于产生探测磁场；所述探测磁场与静磁场的方向相互垂直；
碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号；控制模块用于识别第一磁共振信号的共振频率为待测交变矢量磁场的频率；
碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号；探测磁场的激励信号采用以待测交变矢量磁场的频率为中心频率的正弦扫描信号；
控制模块还用于根据第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值计算得到待测交变矢量磁场的大小；并对第二磁共振信号的一次谐波分量或者二次谐波分量进行正交解调，获得待测交变矢量磁场的方向角；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的大小B 1 ：
Figure 327933DEST_PATH_IMAGE001
其中，Ω为第二磁共振信号的共振频率与待测交变矢量磁场的频率的差值；K为碱金属原子的旋磁比；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的方向角α：
Figure 481834DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 567602DEST_PATH_IMAGE003
表示第二磁共振信号的一次谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 890392DEST_PATH_IMAGE004
表示第二磁共振信号的一次谐波分量的解调信号的正交分量信号；δ表示探测磁 场与待测交变矢量磁场的失谐；
所述控制模块通过下式计算得到待测交变矢量磁场的方向角α：
Figure 36203DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 677399DEST_PATH_IMAGE006
表示第二磁共振信号的二次谐波分量的解调信号的同相分量信号；
Figure 566858DEST_PATH_IMAGE007
表示第二磁共振信号的二次谐波分量的解调信号的正交分量信号。
6.根据权利要求5所述的一种测量交变矢量磁场的装置，其特征在于：控制模块还用于调整静磁场的大小，使碱金属原子在线偏振光、静磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第一磁共振信号。
7.根据权利要求5所述的一种测量交变矢量磁场的装置，其特征在于：控制模块还用于在碱金属原子在线偏振光、静磁场、探测磁场和待测交变矢量磁场的共同作用下产生第二磁共振信号的过程中，使静磁场的大小与产生第一磁共振信号时保持一致。
8.根据权利要求5所述的一种测量交变矢量磁场的装置，其特征在于：所述控制模块包括控制单元、电流源、相干数字信号源、宽带正交解调电路、光电探测器；控制单元控制电流源输出电流以产生静磁场，控制单元控制相干数字信号源输出正弦信号以产生探测磁场；相干数字信号源产生与探测磁场激励信号频率成倍数关系的正弦信号作为宽带正交解调电路的参考信号；光电探测器用于探测第一磁共振信号和第二磁共振信号；宽带正交解调电路用于接收并对第一磁共振信号和第二磁共振信号进行正交解调，并将解调信号发送至控制单元；控制单元对解调信号进行采样和分析，得到待测交变矢量磁场的频率、大小和方向角。
9.根据权利要求8所述的一种测量交变矢量磁场的装置，其特征在于：光电探测器用于探测从碱金属原子气室透出的线偏振光；第一线圈和第二线圈相互正交布置；电流源发送恒定电流至第一线圈以产生静磁场；相干数字信号源发送正弦扫描信号至第二线圈以产生探测磁场；所述碱金属原子气室位于第一线圈和第二线圈的中间，所述测量交变矢量磁场的装置用于测量待测交变矢量磁场在碱金属原子气室位置处的磁场参数。
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