一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，包括上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元，实现磁场补偿的闭环控制，可在磁场锁零实现SERF态条件下测量磁场，所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元包括光电探测器，前置放大器和AD模块，数据处理单元包括锁相放大器，磁场精密控制单元包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈。本发明专利技术满足心脑磁测量用的小型化SERF原子磁强计磁场补偿持续锁零的要求，实现闭环工作模式输出，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度。

A magnetic closed-loop control system and design method of small magnetometer based on extremely weak magnetic field measurement

【技术实现步骤摘要】
一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法
本专利技术属于极弱磁测量的传感器小型化应用的磁闭环补偿控制
，涉及一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，满足心脑磁测量用的小型化SERF原子磁强计磁场补偿持续锁零的要求，可保证在测量磁场时一直满足SERF态。
技术介绍
量子磁场精密测量是以量子调控为主要探测手段，实现对磁信号的量子精密测量技术，可显著提高磁场测量精度和灵敏度，是新一代高性能磁场探测方法，对我国基础物理、磁异常探测、生命科学、人工智能、古地磁学等领域具有重要意义，也是国外严密封锁和禁运的核心技术。探索和揭示人脑功能奥秘一直是人类和科学界的梦想。近年来，随着人工智能技术取得突破性进展，脑科学的巨大潜力再次受到各国政府和科学界的高度重视。利用量子磁场精密测量方法测量心脑磁并生成新型无损被动高分辨率心脑磁成像来对心脏，大脑活动或病理进行研究是未来的发展趋势。小型化SERF磁强计样机灵敏度与国外产品差距较大，急需研制兼具高精度与小体积的SERF磁强计探头，实现心、脑磁测量，在原位磁补偿方法方面，小型化SERF原子磁强计补偿方法使用首先在抽运光方向增加调制信号，进行抽运光方向垂直平面两轴磁补偿，该方法补偿精度低且未实现自动。在原子磁强计极弱磁测量领域国内有坚实基础，在心脑磁测量小型化方面也有一定进展，但仍需努力，其中磁补偿闭环自动控制系统缺乏实践研究。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：在现有心脑磁应用的小型化SERF磁强计主动补偿方法中，补偿精度低，且不能持续磁场锁零，该专利技术提供一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度。本专利技术技术解决方案：一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，包括：上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元，所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片XILINX-ZYNQ7035；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(ProgrammableLogic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(ProcessorSystem)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小。一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统设计方法，包括如下步骤：步骤(1)、信号发生单元根据上位机设置的参数使用FPGAcordic算法和PLL锁相环生成同频率同相位两个信号，分别为调制信号和参考信号。包括以下3个步骤：步骤(11)、在上位机设置页面中设置信号参数：频率、相位和幅值；步骤(12)、将信号参数通过RS232通信协议传输给下位机系统总控芯片PS端；步骤(13)、总控芯片PS端和PL端交互通信，将传输来的信号参数通过PL端cordic算法生成两路同频同相的信号，并用锁相环PLL进行锁相，两路信号分别为调制信号和参考信号。步骤(2)、碱金属气室原子在高温弱磁抽运光条件下实现SERF态，首先在激光的作用下将原子极化，极化后的碱金属原子内电子在光场、磁场的作用下的动力学方程可用Bloch方程来描述：γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。其稳态解为：γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。抽运光方向Z轴极化率携带了三轴磁场信息，而光电探测器PD接收的透射光强与抽运光方向Z轴原子极化率成线性关系，故光电探测器信号携带了三轴磁场信息，利用步骤1产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，光电探测器检测透射光强，并将气室透射光强信号转换为电流信号，然后前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换得到数字电压信号。包括以下3个步骤：步骤(21)、碱金属气室在无磁电加热，激光抽运和屏蔽桶屏蔽条件下，光电探测器检测到的光强信号携带了三轴磁场信息，利用步骤(1)产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，利用光电探测器检测携带调制磁场信息的透射光强，选取硅光二极管作为光电探测器，硅光二极管在受光照时，产生一个与照度成正比的电流信号，故将光强信号转换为电流信号。步骤(22)、对步骤(22)的电流信号，通过消偏前置放大器消偏放大，消偏前置放大电路包括二级放大：第一级为跨阻放大电路，含有隔离直流偏置的直流积分反馈回路，将光电流的交流成分转换为电压信号，第二级为反相放大电路，具有调节放大增益倍数的功能，最终实现光检信号电流转换为电压信号，消除直流偏置，并进行放大的作用；步骤(23)、将步骤(22)的电压信号首先经过单端转差分电路，AD模块采用差分输入电压，这可以有效地抑制共模噪声和温度漂移的影响，通过AD采集模块进行模数转换，得到数字电压信号，便于后端PID控制器的数字处理。步骤(3)、由步骤(2)数据采集单元得到的数字电压信号进入总控芯片PL端，总控芯片PL端中结合步骤(1)中产生的参考信号实现数字锁相放大器，锁相放大器对光强响应外界磁场信号的提取放大，得到数字锁相放大器输出与外界磁场的关系曲线。包括以下3个步骤：步骤(31)、步骤(2)产生的数字电压信号进入总控芯片PL端，PL端实现数字锁相放大器功能，锁相放大器由两部分构成，乘法器和滤波器；步骤(32)、数字电压信号和参考信号输入乘法器，电压信号中含有调制磁场信息，调制磁场与参考信号理论上同频同相，实际中会有频移，幅值没有达到最大值，从乘法器输出后进入低通滤波器，采用巴特沃斯低通滤波器；步骤(33)、信号经过锁相放大器后得到与被测磁场有关的输出曲线。步骤(4)、由步骤(3)得到的数字锁相放大器输出信号曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，且经过零点，故步骤(2)的磁场调制和步骤(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，包括：上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元；所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(Programmable Logic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，包括：上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元；所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(ProgrammableLogic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(ProcessorSystem)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小。


2.一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、信号发生单元根据上位机设置的参数使用FPGAcordic算法和PLL锁相环生成同频率同相位两个信号，分别为调制信号和参考信号；
步骤(2)、碱金属气室原子在高温弱磁抽运光条件下实现SERF态，首先在激光的作用下将原子极化，极化后的碱金属原子内电子在光场、磁场的作用下的动力学方程可用Bloch方程来描述：



γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率，其稳态解为：









γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率；抽运光方向Z轴极化率携带了三轴磁场信息，而光电探测器PD接收的透射光强与抽运光方向Z轴原子极化率成线性关系，故光电探测器信号携带了三轴磁场信息，利用步骤1产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，光电探测器检测透射光强，并将气室透射光强信号转换为电流信号，然后前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换得到数字电压信号；
步骤(3)、由步骤(2)数据采集单元得到的数字电压信号进入总控芯片PL端，总控芯片PL端中结合步骤(1)中产生的参考信号实现数字锁相放大器，锁相放大器对光强响应外界磁场信号的提取放大，得到数字锁相放大器输出与外界磁场的关系曲线；
步骤(4)、由步骤(3)得到的数字锁相放大器输出信号曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，且经过零点，步骤(2)的磁场调制和步骤(3)的锁相放大的作用是做了微分，锁相放大器输出信号将非线性环节转换为一定程度的比例环节，设计PID控制器将磁场锁到零点，PID控制器在总控芯片PS(ProcessorSystem)端中完成，PID控制器根据锁相放大器输出信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，可得出被测磁场，该信号经DA模块进...

【专利技术属性】
技术研发人员：周向阳，李煜乾，刘欣跃，索雨辰，宋欣达，韩邦成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11