全向磁场测量方法及使用其的测量系统技术方案

本发明专利技术提供了一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统，该方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路；求解横向极化磁场信号与检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，基于相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节驱动光频率至原子跃迁能级，调节驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度使原子自旋磁共振线宽最小；调节多原子气室复合的横向极化磁场强度，基于线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中传统磁场测量方法面临死区、失锁、性能退化的技术问题。退化的技术问题。退化的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
全向磁场测量方法及使用其的测量系统


[0001]本专利技术涉及海洋资源勘探、水下目标磁异常探测
，尤其涉及一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统。

技术介绍

[0002]磁异常探测是通过测量磁性物体引起的地球磁力线扰动，利用磁异常信息探测与识别磁性物体的一种技术，具有定位精度高、纯被动探测、环境适应性好等优点，在油气矿产的资源勘探、水下目标识别等领域获得了广泛应用。原子磁强计具有高灵敏、小体积等突出优势，特别适用于海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域。
[0003]原子磁强计通常采用一束驱动光极化原子自旋，通过测量极化的原子自旋在磁场中的拉莫尔进动频率得到磁场的信息。原子自旋的极化强度直接影响了磁强计性能。在地磁环境中，原子自旋极化的量子轴总是沿磁场方向。由于原子自旋极化相关部件与磁强计结构固联，在动态测量过程中，传统测量方法面临死区、失锁、性能退化等问题。现有技术采用单一气室实现磁场测量，且在待测磁场垂直驱动光平面以及与平行横向极化磁场所在平面附近时处于测量死区；在待测磁场方向接近测量死区时磁场测量性能快速下降；当待测磁场方向跨过测量死区变化时，将导致失锁
‑
重新锁定，因此即便采用多气室复合测量等技术仍不能实现连续测量。因此，需要研究一种全向磁场测量方法，使磁强计可以在任意方向连续测量且性能不退化，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域高灵敏磁强计的需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种全向磁场测量方法及使用其的测量系统，能够解决传统磁场测量方法面临死区、失锁、性能退化的技术问题。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供了一种全向磁场测量方法，全向磁场测量方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场；同步采集横向极化磁场信号以及任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，求解横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，标定横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，基于横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I
‑
1/2能级，在原子跃迁F＝I
‑
1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽最小；同步测量任一原子气室对应的原子自旋横向极化强度，标定任一设定原子气室的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值，根据原子自旋横向极化强度的幅度最大值调节多原子气室复合的横向极化磁场以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，基于线性比例系数调节
横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。
[0006]进一步地，基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一原子气室中均施加横向极化磁场具体包括：将三个原子气室设置在不同位置，三个原子气室互不干涉；在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场。
[0007]进一步地，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度，采集的任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度。
[0008]进一步地，原子自旋横向极化强度M
p
可根据M
p
＝M
j
cos(ωt)+M
i
sin(ωt)来获取，其中，以待测磁场方向为z向构建旋转坐标系i
‑
j
‑
z，M
i
为i方向上的极化强度，M
j
为j方向上的极化强度，ω为磁共振频率。
[0009]进一步地，i方向上的极化强度M
i
和j方向上的极化强度M
j
可根据来获取，其中，M0为无激励下的稳态极化率，Δω为横向调制磁场相对共振频率的失谐，B1为横向极化磁场强度，γ为旋磁比，T2为横向弛豫时间，T1为纵向弛豫时间。
[0010]进一步地，线性比例系数k可根据Δf＝k
·
Δψ来获取，其中，Δψ为横向极化磁场信号与任一原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，Δf为横向极化磁场频率调节步长。
[0011]进一步地，全向磁场测量方法根据基态与激发态的能量差公式调节任一原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I
‑
1/2能级。
[0012]进一步地，基态与激发态的能量差ΔE
v
公式为其中，其中，为普朗克常量，Φ为光子通量，为光子自旋向量，为原子自旋向量，为理想气体常数，r
e
为经典电子半径，c为光速，f为振动强度，v
‑
v0为驱动光频率失谐，Γ
L
为洛伦兹谱线型，Γ
G
为高斯谱线型。
[0013]进一步地，多原子气室复合的横向极化磁场可根据来调节，其中，B
Z
为施加在第一原子气室或第二原子气室的Z轴方向的横向极化磁场，B
X
为施加在第三原子气室的X轴方向的横向极化磁场，R
A
为第一原子气室的原子自旋横向极化强度，R
B
为第二原子气室的原子自旋横向极化强度。
[0014]根据本专利技术的又一方面，提供了一种全向磁场测量系统，全向磁场测量系统使用如上所述的全向磁场测量方法测量全向磁场。
[0015]应用本专利技术的技术方案，提供了一种全向磁场测量方法，该方法采用自旋极化光压缩技术，将低超精细能级上的原子抽空，从而在大动态条件下维持测量性能不衰退，在待测磁场偏离敏感方向时仍可以维持高极化率，保证了磁场测量的性能。此外，通过驱动—检测—正交调制解算技术，使色散曲线过零方向与待测磁场无关，避免了磁强计失锁，从而避免了待测磁场方向跨测量死区变化时测量失锁。再者，通过多个原子气室构造原子自旋三轴极化检测回路，通过多气室复合测量技术克服了测量死区，实现全向磁场测量。因此，本专利技术所提供的全向磁场测量方法与现有技术相比，其能够使磁强计可以在任意方向连续测量且性能不退化，满足海洋资源勘探、水下目标磁异常探测等领域高灵敏磁强计的需求。
附图说明
[0016]所包括的附图用来提供对本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全向磁场测量方法，其特征在于，所述全向磁场测量方法包括：基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一所述原子气室中均施加横向极化磁场；同步采集横向极化磁场信号以及任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号，求解所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差，标定所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系，基于所述横向极化磁场信号与任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号的相位差与横向极化磁场频率调节步长的线性比例关系求解线性比例系数；调节任一所述原子气室的驱动光频率至原子跃迁F＝I
‑
1/2能级，在原子跃迁F＝I
‑
1/2能级的驱动光频率下，依次调节任一所述原子气室的驱动光功率、原子密度和横向极化磁场强度以使原子自旋磁共振线宽最小；同步测量任一原子气室对应的原子自旋横向极化强度，标定任一设定原子气室的任意待测磁场方向上原子自旋横向极化强度的幅度最大值，根据所述原子自旋横向极化强度的幅度最大值调节多原子气室复合的横向极化磁场以使多原子气室复合的横向极化磁场方向与待测磁场方向垂直，基于所述线性比例系数调节横向极化磁场的横向极化磁场频率，锁定多个原子气室的原子自旋横向极化强度的最大值对应的原子气室色散曲线过零点，通过横向极化磁场频率以获取待测磁场的磁场强度。2.根据权利要求1所述的全向磁场测量方法，其特征在于，基于多个原子气室构建原子自旋三轴极化与检测回路，在任一所述原子气室中均施加横向极化磁场具体包括：将三个原子气室设置在不同位置，三个所述原子气室互不干涉；在空间直角坐标系下，将驱动光以X轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第一原子气室，在所述第一原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在所述空间直角坐标系下，将驱动光以Y轴方向入射、检测光以X轴方向入射至第二原子气室，在所述第二原子气室的Z轴方向施加横向极化磁场；在所述空间直角坐标系下，将驱动光以Z轴方向入射、检测光以Y轴方向入射至第三原子气室，在所述第三原子气室的X轴方向施加横向极化磁场。3.根据权利要求1所述的全向磁场测量方法，其特征在于，采集的横向极化磁场信号包括横向极化磁场相位和横向极化磁场强度，采集的任一所述原子气室的检测光携带的原子自旋横向极化信号包括原子自旋横向极化磁场相位和原子自旋横向极化磁场强度。4.根据权利要求3所述的全向磁场测量方法，其特征在于，所述原子自旋横向极化强度M

【专利技术属性】
技术研发人员：秦杰，郭宇豪，万双爱，刘建丰，刘栋苏，薛帅，魏克全，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：