单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法、系统、终端及介质技术方案

本发明专利技术提供单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法、系统、终端及介质，所述方法包括：分别沿垂直于光路方向的x轴和y轴添加不同频率的扫描磁场和调制磁场；在光路方向添加直流补偿磁场来使x轴响应信号及y轴响应信号均为单一频率的正弦波；沿x轴添加直流补偿磁场以使x轴响应信号的直流偏置为0，沿y轴添加直流补偿磁场以使y轴响应信号的直流偏置为0。本发明专利技术对单光束结构的OPM传感器进行原位三轴剩余磁场补偿；对三轴磁场补偿时间快，灵敏轴方向的磁场设置对其他方向的反应效果无影响，无需循环迭代，节省磁场抵消时间；对OPM非灵敏轴方向的磁场抵消的分辨率做评估，最后达到x轴、y轴和z轴的剩余磁场抵消的分辨率优于0.6pT、0.6pT和5pT。0.6pT和5pT。0.6pT和5pT。

【技术实现步骤摘要】
单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法、系统、终端及介质


[0001]本专利技术涉及精密磁场测量
，特别是涉及单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法、系统、终端及介质。

技术介绍

[0002]近些年，生物弱磁信号检测在疾病诊断和神经科学研究等领域有着广泛的应用。目前最为灵敏的弱磁检测传感器有光泵原子磁力仪(OPM)和超导量子干涉器件(SQUID)。相较于OPM，SQUID仍是目前最常用的生物医学磁测量器件，但其体积庞大且运行成本较高的缺点也阻碍了其广泛应用。而OPM随着激光技术和微加工技术的不断发展更具小型化和便携性，使其在磁场检测方面具有更广的发展前景。目前灵敏度最高的OPM传感器需要工作在无自旋弛豫交换(SERF)机制下，SERF
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OPM已成功用于测量心磁图、脑磁图、肌磁图等。在20世纪末21世纪初，人们发现接近零磁场的工作环境对SERF
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OPM获得最高的灵敏度至关重要，因为可以通过使原子工作在近零磁场的环境中来消除原子自旋交换碰撞引起的弛豫，而较大的背景磁场会使传感器灵敏度降低甚至不能正常工作。
[0003]为实现近零磁场的工作环境，应屏蔽或消除背景磁场。普遍存在的地磁场和以工频50Hz为代表的电磁干扰会影响传感器的正常工作。通常，SERF
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OPM应在高磁导率的磁屏蔽设备中运行，例如磁屏蔽室或磁屏蔽桶，即被动屏蔽(无源屏蔽)。但值得注意的是，被动磁屏蔽设备通常只能将剩磁降低到几个nT的水平。进一步降低磁场会使屏蔽设备变得非常笨重和昂贵，另一种减小OPM所处位置的磁场的方法是使用有源磁屏蔽(主动屏蔽)，其中承载特定电流的线圈用于产生磁场以补偿剩余磁场，这种方法通常需要使用额外的磁力计来进行三轴磁场补偿。由于额外的磁力计无法准确的测量每个OPM所处的原位磁场，这会导致补偿结果不准确，并会使其结构复杂。
[0004]为了使SERF
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OPM在不断变化的磁场环境中运行，集成的SERF
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OPM传感器通常在传感器内部包含磁场补偿线圈，并且利用传感器自身固有特性来进行三轴磁场补偿，这可以减少磁场补偿的位置误差。近些年许多用于SERF光泵磁力计的原位三轴剩余磁场补偿方法被提出。S.J.Seltzera等人提出了一种通过小调制场同时测量三轴剩余磁场的方法，可以基于三轴反馈系统将剩余磁场补偿到接近零。通过最大化零场谐振信号的一阶微分值，赵俊鹏等实现了沿泵浦方向和探头方向的磁场同步补偿，x、z、y轴的磁场补偿分辨率为9pT、7pT和0.05pT。邹胜等展示了一种基于电子顺磁共振的交叉调制方法来检测剩余磁场的三个分量，这种方法可以将屏蔽罩内的剩余磁场从10nT左右降低到几十pT，满足工作在SERF机制下的OPM对背景磁场的要求。尽管上述大多数系统都可以将剩余磁场补偿到几乎为零，但它们使用的是双激光器设置，这使得传感器变得复杂，并且无法针对便携式应用将其最小化。为了满足传感器小型化且结构简单的需求，近些年研究了用单激光束代替双激光设置的OPM。Fang等人提出了一种基于原子磁强计本身原子自旋极化的动态特性来补偿磁场的方法。张少文等展示了一种基于单光束结构的零场OPM三轴磁场补偿方法，先通过预补偿将磁场补偿到几nT，然后通过单轴的高频磁场调制进一步对剩余磁场进行补偿。
[0005]但是，对于这些方法有一定的局限性，一个方向的磁场设置对磁场偏移到其他方向的效果有显着影响，因此需要循环迭代，这非常耗时。另外这些方法对于光路方向的磁场补偿分辨率不能准确评估。
[0006]具体而言，以基于单光束的零场光泵原子磁力计的原位三轴剩余磁场补偿技术为背景，存在的技术问题有如下：
[0007](1)SERF
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OPM工作在较大剩余磁场下的磁屏蔽问题。SERF
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OPM工作的环境为近零场，用于生物磁测量的SERF
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OPM需要检测到生物弱磁信号大概在nT甚至在小于pT级别，而普遍存在的地磁场(大概是50
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60uT)和以工频50Hz为代表的电磁干扰会影响传感器的正常工作。SERF
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OPM应在高磁导率的磁屏蔽设备中运行，例如磁屏蔽室或磁屏蔽桶，这里我们将传感器放在磁屏蔽桶中，将剩余磁场抵消到5nT以内。
[0008](2)对OPM原位的三轴剩余磁场抵消系统和方法。被动屏蔽只能将剩余磁场屏蔽在几nT以内，SERF
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OPM的灵敏度与剩余磁场的大小相关。在实际应用中，需要尽可能降低传感器所处位置的剩余磁场以优化SERF
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OPM的灵敏度。这要求制作一套严格以传感器内部cell为中心的三轴剩余磁场抵消系统，并且用传感器自身的固有特性进行传感器处的三轴磁场抵消，不需要使用其他的传感器，以此精简传感器结构设计且能进行传感器原位的剩场抵消。
[0009](3)快速的三轴磁场抵消方法。在实际应用中，需要对外界磁场的变化做出迅速的反应，这要求对三轴剩余磁场抵消的步骤精简，且要求所用的方法一个方向的磁场设置不会使磁场偏移到其他方向，以来减小反复迭代所消耗的时间。
[0010](4)对单光束OPM非灵敏轴方向磁场分辨率的评估。在实际的应用中需要对各个轴的磁场抵消结果进行近似评估。这要求不单要能对灵敏轴方向(即非光路方向)的磁场补偿分辨率做评估，所提出的方法还要能对非灵敏轴方向(即光路方向)的磁场补偿分辨率做评估。

技术实现思路

[0011]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法、系统、终端及介质，用于解决SERF
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OPM工作在较大剩余磁场下的磁屏蔽、无法有效对OPM原位的三轴剩余磁场抵消、无法快速的三轴磁场抵消、无法对单光束OPM非灵敏轴方向磁场分辨率的评估的技术问题。
[0012]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术的第一方面提供一种单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，包括：分别沿垂直于光路方向的x轴和y轴添加不同频率的扫描磁场和调制磁场；在光路方向添加直流补偿磁场来使x轴响应信号及y轴响应信号均为单一频率的正弦波；沿x轴添加直流补偿磁场以使x轴响应信号的直流偏置为0；以及，沿y轴添加直流补偿磁场以使y轴响应信号的直流偏置为0。
[0013]于本专利技术的第一方面的一些实施例中，沿x轴、y轴所添加的不同频率的扫描磁场和调制磁场被表示为：
[0014]其中，为x轴所添加的调制磁场，为x轴所添加的扫描磁场；
[0015]其中，为y轴所添加的调制磁场，为y轴所添加的扫描磁场。
[0016]于本专利技术的第一方面的一些实施例中，所述在光路方向添加直流补偿磁场来使x轴响应信号及y轴响应信号均为单一频率的正弦波，包括：沿光路方向添加直流补偿磁场直至满足x轴响应信号β
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为只包含单一频率的正弦波而不包含频率以及满足y轴响应信号β
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为只包含单一频率的正弦波而不包含频率
[0017]于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，其特征在于，包括：分别沿垂直于光路方向的x轴和y轴添加不同频率的扫描磁场和调制磁场；在光路方向添加直流补偿磁场来使x轴响应信号及y轴响应信号均为单一频率的正弦波；沿x轴添加直流补偿磁场以使x轴响应信号的直流偏置为0；以及，沿y轴添加直流补偿磁场以使y轴响应信号的直流偏置为0。2.根据权利要求1所述的单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，其特征在于，沿x轴、y轴所添加的不同频率的扫描磁场和调制磁场被表示为：其中，为x轴所添加的调制磁场，为x轴所添加的扫描磁场；其中，为y轴所添加的调制磁场，为y轴所添加的扫描磁场。3.根据权利要求1所述的单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，其特征在于，所述在光路方向添加直流补偿磁场来使x轴响应信号及y轴响应信号均为单一频率的正弦波，包括：沿光路方向添加直流补偿磁场直至满足x轴响应信号β
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为只包含单一频率的正弦波而不包含频率以及满足y轴响应信号β
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为只包含单一频率的正弦波而不包含频率4.根据权利要求1所述的单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，其特征在于，所述方法在能够抵消地磁场中部分磁场的磁屏蔽空间内进行。5.根据权利要求4所述的单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调零方法，其特征在于，所述磁屏蔽空间包括5层磁屏蔽桶。6.一种单光束光泵原子磁力仪三轴磁场调...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶朝锋，牛亚琼，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：