【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于cpt磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，属于光与碱金属原子相互作用及自动控制。
技术介绍
1、cpt效应是一种量子相干效应(cpt，coherent population trapping，相干布居囚禁)，利用cpt效应及塞曼效应可以实现对外界磁场绝对测量的cpt磁强计。一般来说，cpt磁强计的磁场大小是通过测量cpt流形的频率失谐量δν，利用频率失谐量δν与外界磁场大小b0的关系计算得到外界磁场的大小：
2、δν＝γ0|b0| (1)
3、其中γ0是碱金属原子的旋磁比。
4、为了获得cpt流形的频率失谐量，常用三角波函数信号及正弦波函数信号调制双色光场的频率，利用光电探测器和锁相放大器观测得到多个cpt色散信号，标定每个色散信号之间过零点处激光的频率，进而获得cpt流形的频率失谐量δν。
5、然而，该方法难以获得高频的磁场测量，主要受限于双色光场激光频率的扫描范围及扫描频率。当外界磁场较大时，频率的失谐量大，激光频率的扫描范围随之提升，由于仪器自有的分辨率及带宽，若提高扫描频率可能出现漏峰、错峰的现象，而较低的扫描频率将大幅减小磁场测量信号获取速率；当外界磁场较小时，频率的失谐量小，激光频率的扫描范围小，扫描频率可以略微提升，但始终由于存在扫描过程难以实现磁场的实时连续测量。而磁强计除了测量恒定的磁场大小，更重要的是测量磁场的变化甚至突变过程，因此实现磁场的实时连续输出至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术解决
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、基于cpt磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括向cpt磁强计系统的激光器输入由调制射频信号与直流信号相混合的混合信号以使所述激光器发射的多色激光在透过原子气室后形成携带磁场信息的光信号，所述光信号经过光电探测放大器转换为cpt信号进入锁相放大器中调制解调后获得多个色散信号，并从所述多个色散信号中选择磁敏感色散信号作为闭环跟踪对象，pi控制器或pid控制器根据所述磁敏感色散信号过零点的频率偏移量形成提供给压控振荡器vco的输入电压变化量，所述压控振荡器vco为产生所述调制射频信号的射频信号发生器提供时钟信号，通过所述输入电压变化量确定待测磁场变化量。
4、所述激光器为垂直腔面发射激光器，所述激光器连接t型偏置器的输出端以获得所述混合信号，所述t型偏置器的第一输入端连接vcsel激光控制器以获得所述直流信号，所述t型偏置器的第二输入端连接所述射频信号发生器以获得所述调制射频信号，所述射频信号发生器连接加法器的输出端以对射频信号进行调制，所述加法器的第一输入端连接三角波信号发生器，所述加法器的第二输入端连接正弦波信号发生器，所述正弦波信号发生器连接所述锁相放大器以将正弦波信号作为解调得到色散信号的参考信号，所述pi控制器或pid控制器连接输入电压数据采集系统。
5、所述混合信号依次通过λ/2波片、偏振分束棱镜、光纤耦合器、保偏光纤和激光准直器后进入所述原子气室，所述原子气室位于烤箱内，所述烤箱位于磁场线圈内，所述磁场线圈位于铁氧体屏蔽层内，所述铁氧体屏蔽层位于坡莫合金屏蔽层内。
6、包括以下关系式：
7、δνref＝kt·δvin
8、其中δνref是压控振荡器vco输出的时钟信号变化量，kt是系数，单位为v/hz，系数大小取决于压控振荡器vco的性能，δvin是压控振荡器vco的输入电压变化量。
9、包括以下关系式：
10、δν′＝γ·δb
11、其中δν′是频率偏移量，γ是原子气室中的碱金属原子旋磁比，δb是被测磁场变化量。
12、包括以下关系式：
13、
14、其中δb是被测磁场变化量，γ是原子气室中的碱金属原子旋磁比，kt是系数，δvin是压控振荡器vco的输入电压变化量。
15、包括以下步骤：
16、(1)多色激光产生
17、基于cpt磁强计的原理，需要产生两激光频率满足rb87原子d1线两超精细能级频率差为6.834ghz，将vcsel激光器锁定在d1线上，再使用射频信号发生器产生3.417ghz信号，通过t型偏置器将射频信号调制进vcsel激光器的直流信号中，得到多色激光，其中射频信号发生器的基本时钟信号由外部压控振荡器vco提供，为闭环控制提供保障；
18、(2)调制解调cpt信号获得色散信号
19、射频信号发生器所产生的信号受到三角波函数和正弦波函数频率调制，三角波函数用以实现频率扫描功能，正弦波函数调制光信号，并将正弦波函数信号作为锁相放大器的参考信号输入，解调得到相应的色散信号；由于色散信号与cpt信号有着一一对应的关系，并且色散信号的过零点与cpt信号的峰值点一致，由此利用色散信号测量磁场；在外部磁场的情况下，由于基态的塞曼多重性，形成多个cpt共振；对于碱金属原子磁量子数mf＝±1的塞曼子能级频率差会随着磁场变化，频率偏移发生变化，因此所产生的色散信号称为磁敏感色散信号，而mf＝0的塞曼子能级频率差保持不变，始终等于超精细能级频率差，被称为磁不敏感色散信号；
20、(3)色散信号选择实现及调制信号调整
21、闭环测量需要对外界磁场感知，因此选择磁敏感色散信号作为闭环跟踪对象；以3.417ghz作为射频调制中心，其产生的色散信号中心为mf＝0的磁不敏感信号；因此调整中心频率，使所获得的色散信号中心位置对应于mf＝1或mf＝-1磁敏感色散信号的过零点处，具体的选择根据实验中峰值的高低决定，此过程同时调节射频信号的扫描范围以实现更加精密的对准；
22、(4)闭环系统控制实现
23、原子磁强计系统等效为一阶惯性环节，开环系统在频域响应中表现为一阶低通滤波器，其中输入是待测磁场，输出是信号电压，两本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括向CPT磁强计系统的激光器输入由调制射频信号与直流信号相混合的混合信号以使所述激光器发射的多色激光在透过原子气室后形成携带磁场信息的光信号，所述光信号经过光电探测放大器转换为CPT信号进入锁相放大器中调制解调后获得多个色散信号，并从所述多个色散信号中选择磁敏感色散信号作为闭环跟踪对象，PI控制器或PID控制器根据所述磁敏感色散信号过零点的频率偏移量形成提供给压控振荡器VCO的输入电压变化量，所述压控振荡器VCO为产生所述调制射频信号的射频信号发生器提供时钟信号，通过所述输入电压变化量确定待测磁场变化量。
2.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，所述激光器为垂直腔面发射激光器，所述激光器连接T型偏置器的输出端以获得所述混合信号，所述T型偏置器的第一输入端连接VCSEL激光控制器以获得所述直流信号，所述T型偏置器的第二输入端连接所述射频信号发生器以获得所述调制射频信号，所述射频信号发生器连接加法器的输出端以对射频信号进行调制，所述加法器的第一输入端连接三角波信号发生器，所述加法
3.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，所述混合信号依次通过λ/2波片、偏振分束棱镜、光纤耦合器、保偏光纤和激光准直器后进入所述原子气室，所述原子气室位于烤箱内，所述烤箱位于磁场线圈内，所述磁场线圈位于铁氧体屏蔽层内，所述铁氧体屏蔽层位于坡莫合金屏蔽层内。
4.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括以下关系式：
5.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括以下关系式：
6.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括以下关系式：
7.根据权利要求1所述的基于CPT磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于cpt磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，包括向cpt磁强计系统的激光器输入由调制射频信号与直流信号相混合的混合信号以使所述激光器发射的多色激光在透过原子气室后形成携带磁场信息的光信号，所述光信号经过光电探测放大器转换为cpt信号进入锁相放大器中调制解调后获得多个色散信号，并从所述多个色散信号中选择磁敏感色散信号作为闭环跟踪对象，pi控制器或pid控制器根据所述磁敏感色散信号过零点的频率偏移量形成提供给压控振荡器vco的输入电压变化量，所述压控振荡器vco为产生所述调制射频信号的射频信号发生器提供时钟信号，通过所述输入电压变化量确定待测磁场变化量。
2.根据权利要求1所述的基于cpt磁强计的磁场闭环跟踪测量方法，其特征在于，所述激光器为垂直腔面发射激光器，所述激光器连接t型偏置器的输出端以获得所述混合信号，所述t型偏置器的第一输入端连接vcsel激光控制器以获得所述直流信号，所述t型偏置器的第二输入端连接所述射频信号发生器以获得所述调制射频信号，所述射频信号发生器连接加法器的输出端以对射频信号进行调制，所述加...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜鹏程，杨飞帆，霍宪阳，李进，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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