【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置及方法，属于原子磁强计。
技术介绍
1、serf(spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫)原子磁强计是一种工作在近零场环境下的超高灵敏的量子精密磁场测量仪器，在生物磁学测量、磁异常探测、前沿物理学研究等领域应用广泛。其中，椭偏光serf原子磁强计利用一束椭圆偏振光同时进行抽运和检测，具有体积小、易于集成、灵敏度高等技术优势。然而，椭偏光serf磁强计的性能会受到磁强计周围环境磁场的影响。环境磁场发生显著漂移或者受到干扰导致磁场发生较大变化时，会使得serf磁强计工作于非零场环境从而导致其灵敏度下降，甚至超出线性工作区而无法继续正常工作，影响了椭偏光serf磁强计的长期稳定使用。
技术实现思路
1、本专利技术解决的问题是：提出一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置及方法，使得磁强计能够实时监控三轴环境磁场的变化，并且当监控到环境磁场偏离零场时，磁强计自动触发快速的在线三轴磁场补偿程序，重新将磁强计感受到的磁场补偿到零场，从而使得磁强计能够继续进行高灵敏度的磁场测量。所提方法都是基于磁强计工作模式在线实现的，而无需停机、重置磁强计，从而增强了椭偏光serf磁强计抵抗环境磁场变化的能力，保证磁强计能够长期稳定使用。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，包括磁屏蔽系统和光电综合系统，所述
4、所述偏振差分检测系统包括位于原子气室激光出射侧的二分之一波片，所述二分之一波片连接侧向位移偏振分光棱镜的输入侧，所述侧向位移偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述侧向位移偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器连接差分放大电路的第一输入端，所述第二光电探测器连接所述差分放大电路的第二输入端，所述差分放大电路的输出端连接所述锁相放大器的输入端，所述原子气室的激光入射侧依次通过四分之一波片和线偏振片连接准直器，所述准直器通过保偏光纤连接所述光电综合系统中的窄线宽半导体激光器。
5、所述窄线宽半导体激光器发射的激光频率失谐于碱金属原子的d1线共振频率100ghz，所述激光经过线偏振片和四分之一波片后转换为椭偏度为22.5°的椭圆偏振光，所述椭圆偏振光透过所述原子气室后依次经过二分之一波片和侧向位移偏振分光棱镜分别到达第一光电探测器和第二光电探测器。
6、设一次谐波分量为θω，二次谐波分量为θ2ω，则当环境磁场为近零场时：
7、
8、其中i0为抽运激光的光功率密度，e是自然常数，v为抽运激光的频率，v0为钾原子d1线共振频率，od(v)为光学深度，г为原子气室的压力展宽，j0和j1和j2分别为0阶、1阶、2阶贝塞尔函数，l为原子气室的长度，n为钾原子的原子数密度，c为光速，r为经典电子半径，f为钾原子d1线共振强度，rop为光抽运率，rrel为横向弛豫率，s为抽运光的自旋角动量，γe电子旋磁比，u为磁场调制系数，b0是指向z轴正向的待测磁场。
9、所述数据采集与控制系统对二次谐波分量θ2ω进行采样，记θ2ω初始采样结果为θ0，记第i次采样结果为θi，i是正整数，k0是所述数据采集与控制系统对输入信号的放大倍数，θ0和θi表达为：
10、
11、记ξ是设定阈值，当|θ0–θi|<ξ时，磁强计正常工作而不触发任何动作，当|θ0–θi|≥ξ时，表明磁强计监控到环境磁场偏离零场，此时磁强计停止测量，并触发在线自动磁场补偿程序，自动磁场补偿程序结束后，|θ0–θi|<ξ的条件被重新满足，磁强计恢复正常工作。
12、所述三轴磁场线圈控制电流驱动三轴磁场线圈产生由数据采集与控制系统运行粒子群优化算法确定的预期磁场作为补偿磁场。
13、所述粒子群优化算法包括以c＝(cx，cy，cz)为初始点，其中c是初始补偿磁场，cx、cy、cz分别是x轴、y轴、z轴初始补偿磁场，在wx＝[cx–rx,cx+rx]，wy＝[cy–ry,cy+ry]，wz＝[cz–rz,cz+rz]的空间内，生成n个粒子bj＝(bxj，byj，bzj)，其中j＝1，2，3……，n，其中rx是根据磁屏蔽系统设定的x方向的剩磁空间，ry是根据磁屏蔽系统设定的y方向的剩磁空间，rz是根据磁屏蔽系统设定的z方向的剩磁空间，bj是第j个粒子磁场，bxj、byj、bzj分别是第j个粒子磁场的x轴、y轴、z轴磁场，wx、wy、wz分别是x轴、y轴、z轴空间搜索域，不断更新这30个粒子在空间内的位置，直至找到补偿磁场b＝–be＝(bx，by，bz)，其中bx、by、bz分别是x轴、y轴、z轴补偿磁场，be是环境磁场偏离零场值，bx∈wx，by∈wy，bz∈wz，使得在补偿磁场为b的条件下满足|θ0–θi|<ξ，此时算法停止运行，磁强计恢复正常工作；当|θ0–θi|≥ξ的情况再次发生时，以c＝(bx，by，bz)为初始点迭代运行粒子群优化算法。
14、一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿方法，其特征在于，包括采用上述基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置。
15、包括以下步骤：
16、步骤1，调节窄线宽半导体激光器的出射频率失谐于碱金属原子的d1线共振频率，且为线偏振光，将该激光通过保偏光纤传输到准直器中，转换成为准直光束，该光束经过线偏振片和四分之一波片后转换为椭偏度为α的椭圆偏振光，将该椭圆偏振光作为抽运激光，照射原子气室从而实现碱金属原子的抽运；
17、步骤2，采用原位三维磁补偿技术将原子气室感受到的环境磁场补偿到零，记录此时三轴的补偿磁场的大小分别为cx，cy和cz，随后控制三通道高精度电流源在y方向施加频率为ω的高频调制磁场，随后在锁相放大器中采用锁相放大技术分别以一倍频ω、二倍频2ω频率对差分放大信号进行解调，分别得到一次谐波分量θω，二次谐波分量θ2ω；
18、步骤3，将一次谐波分量θω作为磁强计输出信号输出，二次谐波分量θ2ω作为环境磁场监控信号被传输到数据采集与控制系统，二次谐波分量θ2ω的初始值被数据采集与控制系统记录为θ0；
19、步骤4，二次谐波分量θ2ω的数值每间隔t时间被数据采集与控制系统记录一次，第i次采样的数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，包括磁屏蔽系统和光电综合系统，所述磁屏蔽系统内放置有原子磁强计探头，所述原子磁强计探头包括均位于磁强计探头外壳内的偏振差分检测系统和被三轴磁场线圈包围的原子气室，所述偏振差分检测系统将从所述原子气室的出射激光中获取的差分放大信号输出到所述光电综合系统中的锁相放大器，所述锁相放大器从所述差分放大信号中解析出作为磁强计输出信号的一次谐波分量和作为环境磁场监控信号的二次谐波分量，所述二次谐波分量通过数据采集与控制系统生成三维控制信号传输到三通道高精度电流源，所述三通道高精度电流源生成三轴磁场线圈控制电流传输到所述三轴磁场线圈以针对所述原子气室自动实现在线三轴磁补偿。
2.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述偏振差分检测系统包括位于原子气室激光出射侧的二分之一波片，所述二分之一波片连接侧向位移偏振分光棱镜的输入侧，所述侧向位移偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述侧向位移偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器连接差分放大电路的第一输
3.根据权利要求2所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述窄线宽半导体激光器发射的激光频率失谐于碱金属原子的D1线共振频率，所述激光经过线偏振片和四分之一波片后转换为椭偏度为22.5°的椭圆偏振光，所述椭圆偏振光透过所述原子气室后依次经过二分之一波片和侧向位移偏振分光棱镜分别到达第一光电探测器和第二光电探测器。
4.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，设一次谐波分量为θω，二次谐波分量为θ2ω，则
5.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述数据采集与控制系统对二次谐波分量θ2ω进行采样，记θ2ω初始采样结果为Θ0，记第i次采样结果为Θi，i是正整数，K0是所述数据采集与控制系统对输入信号的放大倍数，Θ0和Θi表达为：
6.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述三轴磁场线圈控制电流驱动三轴磁场线圈产生由数据采集与控制系统运行粒子群优化算法确定的预期磁场作为补偿磁场。
7.根据权利要求6所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述粒子群优化算法包括以C＝(Cx，Cy，Cz)为初始点，其中C是初始补偿磁场，Cx、Cy、Cz分别是x轴、y轴、z轴初始补偿磁场，在Wx＝[Cx–Rx,Cx+Rx]，Wy＝[Cy–Ry,Cy+Ry]，Wz＝[Cz–Rz,Cz+Rz]的空间内，生成N个粒子Bj＝(Bxj，Byj，Bzj)，其中j＝1，2，3……，N，其中Rx是根据磁屏蔽系统设定的x方向的剩磁空间，Ry是根据磁屏蔽系统设定的y方向的剩磁空间，Rz是根据磁屏蔽系统设定的z方向的剩磁空间，Bj是第j个粒子磁场，Bxj、Byj、Bzj分别是第j个粒子磁场的x轴、y轴、z轴磁场，Wx、Wy、Wz分别是x轴、y轴、z轴空间搜索域，不断更新这30个粒子在空间内的位置，直至找到补偿磁场B＝–BE＝(Bx，By，Bz)，其中Bx、By、Bz分别是x轴、y轴、z轴补偿磁场，BE是环境磁场偏离零场值，Bx∈Wx，By∈Wy，Bz∈Wz，使得在补偿磁场为B的条件下满足|Θ0–Θi|<ξ，此时算法停止运行，磁强计恢复正常工作；当|Θ0–Θi|≥ξ的情况再次发生时，以C＝(Bx，By，Bz)为初始点迭代运行粒子群优化算法。
8.一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿方法，其特征在于，包括采用上述权利要求1-7之一所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置。
9.根据权利要求8所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，包括磁屏蔽系统和光电综合系统，所述磁屏蔽系统内放置有原子磁强计探头，所述原子磁强计探头包括均位于磁强计探头外壳内的偏振差分检测系统和被三轴磁场线圈包围的原子气室，所述偏振差分检测系统将从所述原子气室的出射激光中获取的差分放大信号输出到所述光电综合系统中的锁相放大器，所述锁相放大器从所述差分放大信号中解析出作为磁强计输出信号的一次谐波分量和作为环境磁场监控信号的二次谐波分量，所述二次谐波分量通过数据采集与控制系统生成三维控制信号传输到三通道高精度电流源，所述三通道高精度电流源生成三轴磁场线圈控制电流传输到所述三轴磁场线圈以针对所述原子气室自动实现在线三轴磁补偿。
2.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述偏振差分检测系统包括位于原子气室激光出射侧的二分之一波片，所述二分之一波片连接侧向位移偏振分光棱镜的输入侧，所述侧向位移偏振分光棱镜的透射侧连接第一光电探测器，所述侧向位移偏振分光棱镜的反射侧连接第二光电探测器，所述第一光电探测器连接差分放大电路的第一输入端，所述第二光电探测器连接所述差分放大电路的第二输入端，所述差分放大电路的输出端连接所述锁相放大器的输入端，所述原子气室的激光入射侧依次通过四分之一波片和线偏振片连接准直器，所述准直器通过保偏光纤连接所述光电综合系统中的窄线宽半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，所述窄线宽半导体激光器发射的激光频率失谐于碱金属原子的d1线共振频率，所述激光经过线偏振片和四分之一波片后转换为椭偏度为22.5°的椭圆偏振光，所述椭圆偏振光透过所述原子气室后依次经过二分之一波片和侧向位移偏振分光棱镜分别到达第一光电探测器和第二光电探测器。
4.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的磁场原位监控与自动补偿装置，其特征在于，设一次谐波分量为θω，二次谐波分量为θ2ω，则
5.根据权利要求1所述的基于椭偏光原子磁强计的...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆吉玺，闫一凡，房建成，刘泽华，吴岳松，丁晓舒，全伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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