一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪制造技术

本发明专利技术公开了一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪。包括地磁补偿线圈，初步抵消算法模块，闭环反馈抵消算法模块等。SERF磁力仪的原理限制了碱金属气室(磁敏感原件)必须工作于极弱磁场下，因此采用线圈对环境磁场进行主动抵消。在系统启动时，初步抵消算法模块通过不断降低磁共振频率使磁总场逐步逼近于0，进入SERF工作模式后自动形成闭环反馈进行磁场精密抵消，三轴线圈的控制信号通过换算可得三轴磁场矢量值。通过对检测光分为两部份或多部份分别探测，可形成磁梯度测量或阵列测量。通过改变锁相放大器的解调相位可进行磁测灵敏度优化。本发明专利技术具有高灵敏度与便携的优点，可应用于深空探测，海洋调查，矿产资源勘查等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪
本专利技术属于磁场探测领域，尤其涉及采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF(Spin-Exchange-Relaxation-Free)原子磁梯度仪及其磁场与磁梯度测量方法，可以完成对于三轴磁场的矢量测量及特定轴方向上的梯度测量，具有高灵敏度与便携的优点，可应用于深空探测，海洋调查，矿产资源勘查等领域。
技术介绍
随着科学技术的发展，对于极弱磁场的测量需求使人们对磁力仪的灵敏度、稳定性及功耗提出了越来越高的要求。这其中具有代表性的是超导量子磁强计(SQUID)。它是目前得到大量使用的灵敏度最高的磁力仪，但是它造价高昂，同时需要杜瓦装置超低温冷却，限制了它的应用范围。相比之下，光学磁力仪可长时间持续工作无需任何维护，因此成为便携式磁测设备的理想选择。近年来，通过无自旋交换弛豫机制(SERF)，SERF原子磁力仪的灵敏度更是超过了SQUIDs一举成为目前世界上最灵敏的磁传感器。另外在磁测领域中，磁场梯度测量能够抑制共模噪声，同时能够更为准确可靠地描述磁场异常。相比于其他磁力仪需要两个独立探头进行梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于，该梯度仪包括：泵浦激光仪(9)，检测激光(11)，碱金属原子气室及其加热装置(12)，地磁补偿线圈(10)，三组反馈电流源(13)，检测光探测系统(5)，初步抵消算法模块(14)，闭环反馈抵消算法模块(1)，三轴矢量检测模块(15)；/n其中，泵浦激光(9)完成对碱金属原子气室及其加热装置(12)内碱金属原子的抽运，所述检测光探测系统(5)对检测激光(11)在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测形成两个通道，其中第一通道作为基准进行抵消，输出信号输入初步抵消算法模块(14)及闭环反馈抵消算法模块(1)中；在系统启动...

【技术特征摘要】
1.一种采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于，该梯度仪包括：泵浦激光仪(9)，检测激光(11)，碱金属原子气室及其加热装置(12)，地磁补偿线圈(10)，三组反馈电流源(13)，检测光探测系统(5)，初步抵消算法模块(14)，闭环反馈抵消算法模块(1)，三轴矢量检测模块(15)；
其中，泵浦激光(9)完成对碱金属原子气室及其加热装置(12)内碱金属原子的抽运，所述检测光探测系统(5)对检测激光(11)在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测形成两个通道，其中第一通道作为基准进行抵消，输出信号输入初步抵消算法模块(14)及闭环反馈抵消算法模块(1)中；在系统启动时，初步抵消算法模块(14)在地磁补偿线圈(10)的y轴施加一射频磁场，通过控制三组反馈电流源(13)，使磁场偏置值与射频磁场频率共振，不断降低射频磁场频率，可使磁场偏置迅速衰减到0附近，使碱金属原子能够进入SERF工作模式；此时关闭初步抵消算法模块(14)，启动闭环反馈抵消算法模块(1)，第一通道输出信号输入y轴闭环反馈算法模块(2)，x轴闭环反馈算法模块(3)，以及z轴闭环反馈算法模块(4)，分别完成对y轴，x轴，z轴磁场的精确补偿；z轴闭环反馈算法模块(4)中的第三信号发生器提供x轴磁场调制，x轴闭环反馈算法模块(3)中的第二信号发生器提供z轴磁场调制，闭环反馈抵消算法模块(1)中的x轴的第四锁相放大器和z轴的第五锁相放大器优化解调相位后提取第一通道输出信号中对应频率分量的信号幅度，经由各自的控制器得到磁场抵消信号，分别与z轴闭环反馈算法模块(4)和x轴闭环反馈算法模块(2)的调制信号叠加后分别驱动三组反馈电流源(13)中的z反馈电流源与x反馈电流源；y轴闭环反馈算法模块(2)中的第二低通滤波器提取第一通道输出信号中的低频分量，经由y轴闭环反馈算法模块(2)的第一控制器得到磁场抵消信号，驱动三组反馈电流源(13)中的y反馈电流源；同时闭环反馈抵消算法模块(1)中的三个模块中三个控制器的输出经比例换算分别提供了第一通道三轴矢量磁场值，y轴闭环反馈算法模块(2)提供第一通道的y轴矢量磁场值，x轴闭环反馈算法模块(3)提供第一通道的x轴矢量磁场值，z轴闭环反馈算法模块(4)提供第一通道的z轴矢量磁场值。


2.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：检测光探测系统(5)对检测激光(11)在y轴方向上分成的空间中均等的两部分分别进行探测，形成两个通道的输出信号，作为第一通道和第二通道，第二通道输出信号经由第二通道连接三轴矢量检测模块(15)提取三轴磁场矢量信息，其中第二通道的三轴矢量检测模块(15)包括第一低通滤波器提取y轴矢量信息，以及第二锁相放大器和第三锁相放大器经解调相位优化后分别提取x轴与z轴矢量信息，经比例换算分别与第一通道的三轴矢量磁场值叠加，x轴矢量信息与第一通道的x轴矢量磁场值叠加得到第二通道的x轴矢量磁场值，y轴矢量信息与第一通道的y轴矢量磁场值叠加得到第二通道的y轴矢量磁场值，z轴矢量信息与第一通道的z轴矢量磁场值叠加得到第二通道的z轴矢量磁场值；第二通道的三轴矢量检测模块(15)中低通滤波器输出经比例换算得到y方向磁场梯度值。


3.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：地磁补偿线圈包括相互垂直的y轴方向抵消线圈、x轴线圈、以及z轴线圈，y轴线圈方向抵消线圈采用磁场均匀的螺线管，x轴线圈和z轴线圈采用鞍形线圈；或三个方向均采用球形线圈。


4.根据权利要求1所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于：碱金属原子气室及其加热装置(12)，地磁补偿线圈(10)均采用非磁性材料制成。


5.根据权利要求4所述的采用主动磁场抵消的非屏蔽矢量SERF原子磁梯度仪，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王言章，秦佳男，陈晨，孙永泽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22