用于非屏蔽SERF原子磁力仪的主动分级磁补偿系统和方法与流程

本发明属于磁场测量传感器，涉及一种主动分级磁补偿系统和方法，是一种用于非屏蔽serf原子磁力仪的主动分级磁补偿系统和方法。

背景技术：

1、serf磁力仪通过激光抽运实现碱金属气室内原子系综的极化，极化的原子系综在外界磁场下进动，通过光、原子相互作用与外界磁场耦合，从而检测出外界磁场信息。当碱金属原子数密度高且处于极弱磁场环境时，其自旋交换率远大于电子larmor进动频率，此时，自旋交换弛豫效应可忽略，即碱金属原子处于serf态，弛豫时间延长。自旋投影噪声决定的灵敏度测量极限与弛豫时间开方成反比，故可实现更高灵敏度的磁场测量。

2、1973年，哥伦比亚大学的w.happer等人首次发现在高原子密度和低磁场下，磁共振线宽大幅降低，这一现象与直觉相反，被称为“无自旋交换弛豫(serf)现象”。2003年美国普林斯顿大学的kominis i.k.等人首次基于serf效应实现了28-45hz频段内0.54ft/hz1/2的磁场测量灵敏度。2010年该团队的dang h.b.等人增加敏感元件体积实现了0.16ft/hz1/2的灵敏度。2019年北京航空航天大学房建成院士团队利用基于原子自旋serf效应超高灵敏磁场测量平台实现了30-39hz频段内0.089ft/hz1/2的磁场测量灵敏度，成为当时国际公开报道的最高指标。

3、由于无自旋交换弛豫的基本条件是原子的拉莫尔进动频率远小于原子自旋交换碰撞频率。这就要求原子气室必须工作在微弱磁场下，地磁场强度一般在50μt左右。为了实现serf态，往往采用屏蔽筒和磁线圈并用的方式。因此限制了serf磁强计在非屏蔽环境，例如资源勘探、地震监测和地质学中地磁场的测绘等领域的应用。

4、普林斯顿大学的seltzer课题组曾提出过一种非屏蔽serf磁力仪的技术方案。利用额外的磁通门磁力仪获取地磁信息，地磁场的补偿由最外层大型helmholtz线圈执行。在剩磁较弱后，利用serf磁力仪原理实现磁场测量。由于该方法只是一个初步的技术尝试，最终获得的灵敏度指标无法和屏蔽状态相比。

5、在国内进行相关研究的单位包括：中南大学和北京航空航天大学。其中中南大学尚金堂教授的研究集中在有关元件如气室和磁抵消线圈的微型化，不过受限于补偿精度现有仪器的灵敏度指标并不理想。

6、经检索，发现公开号为cn103412268a的专利文献中，北京航空航天大学董海峰教授团队采用三个轴依次扫描磁场寻光强极值的抵消算法进行初步的磁场抵消，但没有更进一步的精细补偿过程。

7、因此，本发明提出了一种用于非屏蔽serf原子磁力仪的主动分级磁补偿系统和方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于非屏蔽serf原子磁力仪的主动分级磁补偿系统和方法，通过分级补偿系统用以实现地磁环境下的磁场大动态范围高精度补偿，保证仪器在地磁条件下进行高灵敏度磁场测量。

2、本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种非屏蔽serf磁力仪用的主动分级磁补偿系统，包括：检测激光、1/2波片、磁场补偿线圈、磁场调制线圈、无磁加热组件、碱金属原子气室、偏振分光棱镜、平衡光电探测器、分级反馈控制模块、抽运激光、1/4波片、.聚焦透镜和光电探测器；

4、其中，所述磁场补偿线圈和磁场调制线圈由同轴的两组线圈组成，分别用于实现地磁补偿与原子自旋的调制；

5、所述分级反馈控制模块内置锁相放大器共4个，信号发生器共3个，补偿电流源共3个；其中，第一锁相放大器用于解调平衡光电探测器的输出信号，第二、三、四锁相放大器用于解调不同频率的光电探测器的输出信号；三个信号发生器分别用于生成x、y、z向调制磁场信号和锁相放大器的参考信号；三个电流源分别用于产生x、y、z向补偿磁场；

6、所述抽运激光经过1/4波片转化为圆偏振光后，入射到碱金属原子气室对原子进行极化，无磁加热组件用于对碱金属原子气室进行加热恒温处理；

7、所述检测激光首先经过1/2波片调节其偏振态，在透过碱金属原子气后，经过偏振分光棱镜产生相互正交的光分量，平衡光电探测器获得的差分信号，即为初级补偿系统的输入信号；

8、所述分级反馈控制模块通过磁场补偿线圈施加补偿磁场，通过磁场调制线圈施加调制磁场；

9、所述透过原子气室的抽运激光经过聚焦透镜后汇聚在光电探测器，产生的信号与剩余磁场强度有关并作为次级补偿系统的输入信号进入分级反馈控制模块，分级反馈控制模块通过磁场补偿线圈施加补偿磁场，通过磁场调制线圈施加调制磁场。

10、一种用于非屏蔽serf磁力仪的主动分级磁补偿方法，包括以下步骤：

11、s1、启动初级补偿系统：利用分级反馈控制模块，解算获得磁共振频率，并将之作为监测信号，通过主动施加磁场对外磁场进行抵消，随着总磁场的降低，磁共振频率也不断降低，当磁共振频率降低至预设数值ω0，锁定施加的初补偿磁场不变；

12、s2、启动次级补偿系统：三维调制磁场线圈产生调制磁场，通过分级反馈控制模块获得三维磁场强度信息，进一步施加次级补偿磁场使得总的磁场强度接近零场，并通过闭环反馈维持零磁场环境；

13、s3、总的补偿磁场由施加在三维补偿线圈上的总电流解算得出；

14、而且，所述初级补偿系统的具体计算步骤包括：

15、(1)抽运激光通过1/4波片，之后透过原子气室对原子进行极化；对x方向调制磁场线圈施加频率为ωx正旋调制信号产生横向激励磁场，驱动原子磁矩进动；使检测激光透过原子气室，通过平衡光电探测器检测光偏振信号；将该信号输入分级反馈控制模块，内置第一锁相放大器提取该信号的同相信号，将该同相信号作为初级补偿系统的响应；

16、(2)给定初始调制信号频率ωs，令ωx＝ωs；扫描x轴磁补偿磁场大小，补偿磁场通过控制x向补偿电流源生成；以bx1为初补偿x向磁场起始中心值，δbx1为扫描步长，并保持磁补偿线圈的另外两轴补偿磁场不变，寻找令初级补偿系统的响应信号最接近零时的bxf,维持此时x向初补偿磁场强度为bxf；

17、(3)采取与步骤(2)相同的办法寻找初级补偿系统的响应信号最接近零时的y、z方向初补偿磁场强度byf和bzf；

18、(4)重复步骤(2)-(3)，直到初级补偿系统的响应信号为零，此时磁共振频率ω＝ωx＝ωs；

19、(5)降低调制磁场频率，即ωx＝ωs-δωs，δωs为频率改变量；

20、(6)重复(2)-(5)，直到磁共振频率ω＝ωx＜ω0。ω0为预设定值，磁共振频率的降低意味着总磁场大小降低。

21、而且，所述次级补偿系统的补偿算法和步骤为：

22、(1)维持初级补偿系统的三维补偿磁场bxf、byf、bzf输出不变，分级反馈控制模块开始次级磁补偿。反馈控制模块从光电探测器接收信号，开启次级补偿系统；通过x，y，z向调制信号发生器分别对x，y，z三轴施加调制磁场，磁场幅度为bmx、bmy、bmz，对应磁场频率ωmx、ωmy、ωmz，ωmx≠ωmy≠ωmz。

23、(2)输入光电信号将作为独立的第二、三、四锁相放大器的输入信号，第二、三、四锁相放大器的参考信号分别由x，y，z向调制信号发生器输入，与调制磁场信号一致；依次解调得到次级补偿系统信号强度为outx、outy、outz。

24、(3)以outx、outy、outz信号作为控制参量，通过施加反向补偿磁场，保证控制参量为零，闭环维持原子气室所敏感的磁场大小为零。此时补偿电流源的总电流为初级补偿和次级补偿电流之和。

25、而且，所述通过闭环反馈维持零磁场环境的具体方法为：

26、将outx、outy、outz信号输入pid控制器，通过pid控制器控制x、y、z向补偿电流源的输出，使得outx、outy、outz信号保持为零，即保证磁场相应方向分量为零；

27、运行初级补偿系统，控制补偿电流源，令监测磁共振频率不大于设定数值，维持此时初级补偿磁场强度并进入次级补偿系统；进入次级补偿系统后，通过进一步调节磁补偿电流，对地磁场进行精细补偿，判断解调后光电探测器信号是否为零并通过闭环反馈维持零磁场环境；测量分级补偿系统施加在三维补偿线圈上的总的电流强度，分别乘以对应方向的磁场补偿线圈的磁场电流系数，获得该方向上的磁场大小。

28、本发明的优点和有益效果：

29、1、本发明提出一种用于非屏蔽serf原子磁力仪的主动分级磁补偿系统和方法，通过采用分级补偿和闭环控制，初始时初级补偿系统进行大量程低精度补偿。当剩磁水平较低时，采用单光束分频调制闭环serf磁力仪的原理进行精细补偿并完成闭环serf态原子磁测量。本发明能提高非屏蔽serf磁力仪的磁补偿反馈速度与补偿精度，保证非屏蔽serf磁力仪在复杂地磁环境下的使用。

30、2、本发明提出的主动分级磁补偿系统和方法，通过初级补偿系统可以让非屏蔽serf磁力仪快速接近零磁场工作状态，减少了非屏蔽serf磁力仪前期启动时间。

31、3、本发明提出的主动分级磁补偿系统和方法，通过次级补偿系统能够明显提高分级补偿系统的补偿精度。可以更好地维持原子气室的近零场环境，保证磁力仪能够工作在serf态，提高磁力仪灵敏度。

32、4、本发明提出的主动分级磁补偿系统和方法，可以提高仪器带宽和响应速度，改善地磁场波动造成的仪器灵敏度降低。