一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种铷原子磁力仪和磁场测量方法，基于非线性磁光旋转原理，结合时序控制和跟踪式锁频控制，原子磁力仪实现了大动态测量范围、高磁场采样率和高灵敏度。DSP时序控制模块根据时序组合控制铷原子磁力仪物理部分中声光调制器、射频信号源的开关，从而调整磁场采样率N；DSP时序控制模块还控制着数据采集卡的采集触发；计算单元利用所接收的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率f，继而计算出外磁场值；根据预先判断待测磁场的动态范围，测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块，以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式，工作流程实现数据的采集和处理，并输出磁场值。

Rubidium atom magnetometer and magnetic field measuring method thereof

The invention discloses a rubidium atomic magnetometer and magnetic field measurement method, the nonlinear magneto optic rotation based on the principle of combining timing control and tracking frequency control, atomic magnetometer to achieve a large dynamic range, high sampling rate and high sensitivity magnetic field. DSP timing control module according to the switch sequence combination control acousto-optic modulator, RF signal source rubidium atomic magnetometer physical part of the magnetic field to adjust the sampling rate of N; DSP timing control module controls the data acquisition card collection trigger; computing unit using the received RB Larmor precession free relaxation signal fast Fourier transform Larmor precession the frequency of F, and then calculated out according to the dynamic range of magnetic field value; pre judge the magnetic field to be measured, before the measurement selection of high sampling rate or low field magnetic module module and sampling rate, sampling rate selection module in low magnetic field to set whether the tracking type locking work mode, work flow for data acquisition and processing, and the output of the magnetic field value.

【技术实现步骤摘要】
一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法
本专利技术属于磁场测量领域，具体涉及一种大动态测量范围、高磁场采样率和灵敏度的铷原子磁力仪及其磁场测量方法。
技术介绍
在磁场测量领域，测量仪器的动态测量范围、磁场采样率、灵敏度是三项重要的指标。目前国际上出现了Mz和Mx模式的光泵磁力仪(opticalpumpingmagnetometer,OPM)、相干布居囚禁(coherentpopulationtrapping,CPT)磁力仪、非线性磁光旋转(nonlinearmagneto-opticalrotation,NMOR)磁力仪、无自旋交换弛豫(spin-exchangerelaxationfree,SERF)磁力仪等多种原子磁力仪，文献“刘国宾，孙献平，顾思洪，冯继文，周欣.高灵敏度原子磁力计研究进展.物理，2012,41:803”综述了上述几种原子磁力仪的国内外进展。其中，NMOR原子磁力仪兼具有高灵敏度和快速响应的特点，与其他原子磁力仪相比在实际应用中更具有优势，而动态测量范围小之前被认为是NMOR磁力仪的重要缺点。美国国家标准与技术研究院(NIST)的Kitching小组在频率调制单光束NMOR原子磁力仪的基础上采用数字锁相环实现对拉莫尔进动频率的自动跟踪锁定，实现了35nT～35000nT的动态测量范围。国内国防科学技术大学研制了NMOR铷原子磁力仪，测量范围为±60nT，灵敏度达到1pT/Hz1/2，具体参考文献“丁志超,李莹颖,汪之国,杨开勇,袁杰.基于法拉第旋转检测的铷原子磁力仪研究.中国激光,2015,42:0408003”。另外，文献“董浩斌，张昌达.量子磁力仪再评说.工程地球物理学报,2010,7(4):460-470”介绍了目前国内外量子磁力仪的进展情况。我国国土资源航空物探遥感中心研制的航空氦光泵磁力仪(HC-2000)，测量范围为35000nT～65000nT，磁场采样率可在1～15Hz内自行调整，灵敏度达到3.0pT/Hz1/2。杭州瑞声海洋仪器有限公司推出的RS-HGB4B型航空氦光泵磁力仪，测量范围为35000nT～70000nT，采样率为0.2～10Hz，静态噪声≤0.01nT。总体来说，国内原子磁力仪的研制还处于起步阶段，原子磁力仪在灵敏度、测量范围、磁场采样率等指标上还有很大的提升空间。国外的若干磁力仪产品动态测量范围大、磁场采样率高、灵敏度高，如核工业航测遥感中心引进加拿大Scintrex公司生产的CS-3光泵磁力仪，测量范围为15000nT～105000nT，灵敏度为0.6pT/Hz1/2RMS，其采样率可选1Hz、10Hz、100Hz。加拿大GEM系统公司生产的GSMP-30型航空钾磁力仪测量范围为20000nT～100000nT，灵敏度为0.7pT/Hz1/2@1Hz，磁场采样率为1、5、10、20Hz。美国Geometrics公司最新推出了G-824A型航空铯磁力仪，测量范围为20000nT～100000nT，灵敏度小于0.2pT/Hz1/2RMS，磁场采样率可达到1000Hz，然而中国进口这种磁力仪需要得到美国出口许可，国内在军工领域很难获得这种磁力仪。高性能的磁力仪可应用于地磁匹配导航、军事磁异反潜、矿产资源勘探、空间磁场探测等。本专利技术基于非线性磁光旋转原理，结合时序控制和跟踪式锁频控制，提供了一种大动态测量范围、高磁场采样率、高灵敏度的铷原子磁力仪，在磁场测量领域内若干指标方面填补了国内空白。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种铷原子磁力仪及其磁场测量方法，基于非线性磁光旋转原理，结合时序控制和跟踪式锁频控制，实现了大动态测量范围、高磁场采样率和高灵敏度。为解决上述技术问题，本专利技术具体方法如下：一种铷原子磁力仪，包括铷原子磁力仪物理部分、DSP时序控制模块、数据采集卡和计算单元；DSP时序控制模块，用于根据时序组合控制铷原子磁力仪物理部分中声光调制器AOM、射频信号源的开关；还根据时序组合控制数据采集卡的采集触发；计算单元利用数据采集卡接收的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率f，继而计算出外磁场值；计算单元中具有低磁场采样率模块和高磁场采样率模块，计算单元根据待测磁场的动态范围，测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块，以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式，被选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块执行自身工作流程实现数据的采集和处理，并输出外磁场值；计算单元通过设定DSP时序控制模块的时序组合，实现磁场采样率N的设定。优选地，所述时序组合的时序配合关系为：AOM的开关周期为T＝1/N，开启时间为t1；射频信号源在AOM关闭的时候开启，开启时间为t2；数据采集卡在射频信号源关闭的时候触发数据采集。优选地，计算单元采用Labview软件编程实现，其界面包括低磁场采样率模块和高磁场采样率模块，其中低磁场采样率模块可选择射频信号源输出频率是否采用跟踪式锁频。优选地，所述低磁场采样率模块，用于控制数据采集卡采集一次铷原子磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号，对采集信号进行快速傅里叶变换，获得拉莫尔进动频率f，根据该拉莫尔进动频率f计算出一个磁场值并输出；该所述低磁场采样率模块还根据运行前预先设定的原子磁力仪是否工作于跟踪式锁频模式进行射频信号源的频率控制：在选定跟踪式锁频模式时，低磁场采样率模块将计算获得的拉莫尔进动频率f发送给射频信号源，用于改变射频信号源的输出频率，然后重新控制数据采集卡采集下一次磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号，进行循环处理；该情况下磁场采样率N设定小于或等于20Hz；当不选定跟踪式锁频模式时，射频信号源的输出频率为定值，该情况下磁场采样率N在1Hz～100Hz范围内可调，用于测量大于5000nT的某一恒定磁场附近的磁场波动；高磁场采样率模块工作时，射频信号源的输出频率为定值；高磁场采样率模块用于控制数据采集卡采集一秒内N次磁力仪工作过程产生的信号数据；在采集数据中截取第i次磁力仪工作过程中射频信号源关闭后的铷原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号；对该自由弛豫信号进行快速傅里叶变换，获得拉莫尔进动频率f，并进一步计算外磁场值并输出；令i依次遍历1～N，直到输出N个外磁场值；然后重新控制数据采集卡采集一秒内N次磁力仪工作过程产生的信号数据，进行循环处理；该情况下磁场采样率可在100Hz～1000Hz范围内可调，用于测量大于5000nT的某一恒定磁场附近的磁场波动。优选地，铷原子磁力仪物理部分包括抽运激光器及其稳频系统、AOM、λ/4玻片、探测激光器、偏振片、射频磁场线圈、铷泡加热模块、铷泡、偏振分光棱镜PBS、两个光电探测器、差分放大电路和射频信号源；外磁场方向与抽运光方向平行，抽运激光器及其稳频系统产生的抽运激光经过AOM和1/4玻片，形成圆偏振光作用在铷泡上；通过AOM的开关控制，令抽运激光作用一段时间t1后关闭，开启射频信号源给射频磁场线圈输入设定时长t2的射频正弦信号，驱动铷泡内的铷原子磁矩进动到与外磁场垂直的平面内；探测激光器产生的探测激光经过偏振片，成为线偏振光穿过铷泡，再通过PBS分成两路，分别通过两个光电探测器，然后进入差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铷原子磁力仪，其特征在于，包括铷原子磁力仪物理部分、DSP时序控制模块(15)、数据采集卡(14)和计算单元(13)；DSP时序控制模块(15)，用于根据时序组合控制铷原子磁力仪物理部分中声光调制器AOM(2)、射频信号源(16)的开关；还根据时序组合控制数据采集卡(14)的采集触发；计算单元(13)利用数据采集卡(14)接收的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率f，继而计算出外磁场值；计算单元(13)中具有低磁场采样率模块和高磁场采样率模块，计算单元(13)根据待测磁场的动态范围，测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块，以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式，被选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块执行自身工作流程实现数据的采集和处理，并输出外磁场值；计算单元(13)通过设定DSP时序控制模块(15)的时序组合，实现磁场采样率N的设定。

【技术特征摘要】
1.一种铷原子磁力仪，其特征在于，包括铷原子磁力仪物理部分、DSP时序控制模块(15)、数据采集卡(14)和计算单元(13)；DSP时序控制模块(15)，用于根据时序组合控制铷原子磁力仪物理部分中声光调制器AOM(2)、射频信号源(16)的开关；还根据时序组合控制数据采集卡(14)的采集触发；计算单元(13)利用数据采集卡(14)接收的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号快速傅里叶变换出拉莫尔进动频率f，继而计算出外磁场值；计算单元(13)中具有低磁场采样率模块和高磁场采样率模块，计算单元(13)根据待测磁场的动态范围，测量前选择高磁场采样率模块或低磁场采样率模块，以及在选择低磁场采样率模块时设定是否采用跟踪式锁频工作模式，被选定的高磁场采样率模块或低磁场采样率模块执行自身工作流程实现数据的采集和处理，并输出外磁场值；计算单元(13)通过设定DSP时序控制模块(15)的时序组合，实现磁场采样率N的设定。2.如权利要求1所述的铷原子磁力仪，其特征在于，所述时序组合的时序配合关系为：AOM(2)的开关周期为T＝1/N，开启时间为t1；射频信号源(16)在AOM(2)关闭的时候开启，开启时间为t2；数据采集卡(14)在射频信号源(16)关闭的时候触发数据采集。3.如权利要求1所述的铷原子磁力仪，其特征在于，计算单元(13)采用Labview软件编程实现，其界面包括低磁场采样率模块和高磁场采样率模块，其中低磁场采样率模块可选择射频信号源(16)输出频率是否采用跟踪式锁频。4.如权利要求1所述的铷原子磁力仪，其特征在于，所述低磁场采样率模块，用于控制数据采集卡(14)采集一次铷原子磁力仪工作过程中射频信号源(16)关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号，对采集信号进行快速傅里叶变换，获得拉莫尔进动频率f，根据该拉莫尔进动频率f计算出一个磁场值并输出；该所述低磁场采样率模块还根据运行前预先设定的原子磁力仪是否工作于跟踪式锁频模式进行射频信号源(16)的频率控制：在选定跟踪式锁频模式时，低磁场采样率模块将计算获得的拉莫尔进动频率f发送给射频信号源(16)，用于改变射频信号源(16)的输出频率，然后重新控制数据采集卡(14)采集下一次磁力仪工作过程中射频信号源(16)关闭后的铷原子拉莫尔进动自由弛豫信号，进行循环处理；该情况下磁场采样率N设定小于或等于20Hz；当不选定跟踪式锁频模式时，射频信号源(16)的输出频率为定值，该情况下磁场采样率N在1Hz～100Hz范围内可调，用于测量大于5000nT的某一恒定磁场附近的磁场波动；高磁场采样率模块工作时，射频信号源(16)的输出频率为定值；高磁场采样率模块用于控制数据采集卡(14)采集一秒内N次磁力仪工作过程产生的信号数据；在采集数据中截取第i次磁力仪工作过程中射频信号源(16)关闭后的铷原子磁矩拉莫尔进动自由弛豫信号；对该自由弛豫信号进行快速傅里叶变换，获得拉莫尔进动频率f，并进一步计算外磁场值并...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪培贤，杨世宇，王剑祥，廉吉庆，涂建辉，杨炜，崔敬忠，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62