CN112816926B - 基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，通过将装有铯原子及缓冲气体的原子玻璃气室置于三维线圈中心，分别对三维线圈中任意一个或两个方向上的线圈施加电流并产生产生直流磁场并通过左旋圆偏振光照射原子气室，圆偏振光照射的方向与所施加直流磁场在同一平面，同时在垂直于直流磁场与圆偏振光平面的方向施加一频率固定的射频磁场，通过调整电流大小达到光泵核磁共振状态，此时透过原子气室的光会受到铯原子的最大调制，对出射光进行光电转换和解调后得到出射光的幅值，当获得最大幅值所对应的电流值时即实现线圈系数标定。本方法特点精度高、避免使用其它磁场测量仪器，同时具备操作简单、通用性好的优点，能够方便应用于核磁共振陀螺仪三维线圈的线圈系数测定。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种核磁共振领域的技术，具体是一种基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法。
背景技术
核磁共振陀螺在航空、航天、航海、交通等领域具有广阔的应用前景，其中作为核心组件的三维线圈的性能指标对核磁共振陀螺的检测精度有极大影响，但核磁共振陀螺三维线圈为小尺寸异形线圈，很难通过常规方式进行标定。现有技术有采用微型三轴磁通门、采用核磁共振法标定以及基于SERF磁强计进行线圈标定，由于线圈体积较小，磁强计探头受限于其大小与形状无法放置在线圈中心，从而会导致较大的标定误差精度，无法应用于核磁共振陀螺仪三维线圈的标定。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，标定方法特点精度高、避免使用其它磁场测量仪器，同时具备操作简单、通用性好的优点，能够方便应用于核磁共振陀螺仪三维线圈的线圈系数测定。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过将装有铯原子及一些缓冲气体的原子玻璃气室置于三维线圈中心，分别对三维线圈中任意一个或两个方向上的线圈施加电流并产生产生直流磁场并通过左旋圆偏振光照射原子气室，圆偏振光照射的方向与所施加直流磁场在同一平面，同时在垂直于直流磁场与圆偏振光平面的方向施加一频率固定的射频磁场，通过调整电流大小达到光泵核磁共振状态，此时透过原子气室的光会受到铯原子的最大调制，对出射光进行光电转换和解调后得到出射光的幅值，当获得最大幅值所对应的电流值时即实现线圈系数标定。
所述的光泵核磁共振状态是指：射频磁场的频率ω＝γB0，其中：γ是铯原子的旋磁比，为固定常数，B0为直流磁场的场强，射频磁场的场强B1cosωt。
所述的最大幅值所对应的电流值，通过对出射光进行光电转换和解调后得到出射光的幅值，当幅值最大时即最大调制点。所对应的电流值I满足ω＝γIλ，从而得到对应方向上的线圈的线圈系数λ。
技术效果
本发明整体解决了现有磁通门磁强计在进行线圈标定时，受线圈体积形状、磁强计体积形状等限制无法对线圈中心点进行精确有效地标定，且由于磁力仪探头体积形状限制导致的标定不精确以及由于标定三围线圈导致的繁琐安装过程的技术问题。
与现有技术相比，本发明通过光泵磁共振效应可以精确地对三维线圈中心进行精确地标定，精度高、避免使用其它磁场测量仪器。本发明中所使用的原子气室尺寸形状容易进行更改，目前尺寸最小可到1mm级别，可以不受所标定线圈形状、大小的影响。同时，标定每一维线圈系数时不用进行装拆，具备操作简单、通用性好的优点，能够方便应用于核磁共振陀螺仪三维线圈的线圈系数测定。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2和图3为实施例检测装置示意图；
图4和图5为实施例效果示意图；
图中：泵浦激光光源1、线偏振片2、λ/4波长光学镜片3、磁屏蔽筒4、x轴亥姆霍兹线圈5、y轴亥姆霍兹线圈6、铯原子气室7、z轴亥姆霍兹线圈8、光电探测器9、锁相放大器10。
具体实施方式
如图1～图3所示，为本实施例涉及一种基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定装置，包括：依次设置于磁屏蔽筒4侧的泵浦激光光源1、线偏振片2、λ/4波长光学镜片3，以及依次设置于磁屏蔽筒4一侧的光电探测器9和锁相放大器10，其中：三维亥姆霍兹线圈5、6、8从内到外装配好后置于磁屏蔽筒4中心，铯原子气室7固定在三维亥姆霍兹线圈中心，泵浦激光光源1产生激光依次通过线偏振片2以及λ/4波长光学镜片3转变为左旋圆偏振光，该左旋圆偏振光通过空间自由光的形式透射至铯原子气室7后的出射光由光电探测器9探测后由锁相放大器10解调，以得到光电信号的幅值大小。
所述的泵浦激光光源1通电产生波长为894.2nm的激光。
所述的线偏振片2用于将泵浦激光光源1处产生的光转换为线偏振光。
所述的λ/4波长光学镜片3用于将经过线偏振片2后的线偏振光转换为左旋圆偏振光。
所述的磁屏蔽筒4用于屏蔽环境磁场干扰，在其内部进行线圈标定更具准确性。
所述的亥姆霍兹线圈5、6、8为互相垂直的待标定的三维线圈，可用于产生直流或交流磁场。
所述的铯原子气室7为方形玻璃气泡且内部充有铯原子气体以及缓冲气体，尺寸大小为4mm。
所述的光电探测器9用于接收从铯原子气室7出射的光并将其转换为电压信号。
所述的锁相放大器10用于对光电探测器9所输出的电压信号进行解调，锁相放大器10可以从复杂信号中得到特定频率成分信号的幅值。
本实施例涉及上述装置的标定方法，包括以下步骤：
①x轴方向上线圈系数λx标定：
1.1)通过泵浦激光光源1发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当在泵浦激光方向平行的x轴亥姆霍兹线圈5上施加电流产生平行于泵浦激光方向的磁场B0＝Ixλx，其中：Ix为施加在线圈5上电流通过万用表进行电流值读取，λx为x轴亥姆霍兹线圈的线圈系数。同时在垂直于泵浦光方向的y轴亥姆霍兹线圈6(或z轴亥姆霍兹线圈8)上施加射频磁场B1cosωt，其中射频磁场频率ω为一确定值。
1.2)从零开始逐渐增大电流Ix，使得平行于泵浦激光方向的磁场对应B0增加，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比。通过光电探测器9检测得到的正弦波波形输入锁相放大器10中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小，调节Ix使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Ixmax。通过使用万用表上读取此时施加在线圈5上电流值Ixmax计算得到所对应的线圈系数
②y轴方向上线圈系数λy的标定：
2.1)泵浦激光光源1发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当同时在x轴亥姆霍兹线圈5、y轴亥姆霍兹线圈6上施加电流Ix、Iy，则产生两个正交磁场矢量和
其中：施加于线圈上的电流Ix、Iy通过万用表分别读出。此时在垂直于磁场B0的平面z轴亥姆霍兹线圈8上施加射频磁场B1cosωt，设定射频磁场频率ω为一确定值。
2.2)固定电流Ix不变的同时，从零开始逐渐增大电流Iy，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比。通过光电探测器9检测得到的正弦波波形输入锁相放大器10中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小。调节Iy使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Iymax。通过使用万用表上读取此时施加在线圈6上电流值Iymax，结合步骤①得到的线圈系数λx计算得到所对应的线圈系数
③z轴方向上线圈系数λz的标定与λy类似：
3.1)泵浦激光光源1发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当分别在x方向线圈5，z方向线圈8上施加电流Ix、Iz，此时产生的磁场大小为两个正交磁场矢量和
线圈上所施加的电流Ix、Iz可通过万用表分别读出。在垂直于磁场B0的平面y方向线圈上施加射频磁场B1cosωt，设定射频磁场频率ω为一确定值。
设定x方向线圈5上电流Ix为一固定值，从零开始逐渐增大z方向线圈8上电流Iz，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比。通过光电探测器9检测得到的正弦波波形输入锁相放大器10中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小。调节Iz使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Izmax。通过使用万用表上读取此时施加在线圈8上电流值Izmax，结合步骤①得到的线圈系数λx计算得到所对应的线圈系数
通过将图1中装置安装在光学平台上，原子气室及其固定装置如图2所示，线圈与磁屏蔽简如图3所示。经过具体实际实验，通过本方法得到三维线圈的线圈系数分别为：λx＝285.17nT/mA，λy＝350.26nT/mA，λz＝381.79nT/mA。通过调节对应线圈上的电流使得锁相放大器输出最大，可通过扫描电流值得到锁相输出曲线如图4、图5所示，以便于找到输出最大点对应的电流值。
与现有技术相比，本方法所用敏感物质铯原子气室大小仅为4mm方形，对于线圈中心产生的磁场的标定更加精确。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (4)
1.一种基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，其特征在于，通过将装有铯原子及缓冲气体的原子玻璃气室置于三维线圈中心，分别对三维线圈中任意一个或两个方向上的线圈施加电流并产生直流磁场并通过左旋圆偏振光照射原子气室，圆偏振光照射的方向与所施加直流磁场在同一平面，同时在垂直于直流磁场与圆偏振光平面的方向施加一频率固定的射频磁场，通过调整电流大小达到光泵核磁共振状态，此时透过原子气室的光会受到铯原子的最大调制，对出射光进行光电转换和解调后得到出射光的幅值，当获得最大幅值所对应的电流值时即实现线圈系数标定。
2.根据权利要求1所述的基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，其特征是，所述的光泵核磁共振状态是指：射频磁场的频率ω＝γB0，其中：γ是铯原子的旋磁比，为固定常数，B0为直流磁场的场强，射频磁场的场强B1cosωt。
3.根据权利要求1所述的基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，其特征是，所述的最大幅值所对应的电流值，通过对出射光进行光电转换和解调后得到出射光的幅值，当幅值最大时即最大调制点，所对应的电流值I满足ω＝γIλ，从而得到对应方向上的线圈的线圈系数λ。
4.根据权利要求1～3中任一所述的基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法，其特征是，具体包括以下步骤：
①x轴方向上线圈系数λx标定：
1.1)通过泵浦激光光源发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当在泵浦激光方向平行的x轴亥姆霍兹线圈上施加电流产生平行于泵浦激光方向的磁场B0＝Ixλx，其中：Ix为施加在线圈上电流通过万用表进行电流值读取，λx为x轴亥姆霍兹线圈的线圈系数，同时在垂直于泵浦光方向的y轴亥姆霍兹线圈或z轴亥姆霍兹线圈上施加射频磁场B1cosωt，其中射频磁场频率ω为一确定值；
1.2)从零开始逐渐增大电流Ix，使得平行于泵浦激光方向的磁场对应B0增加，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比，通过光电探测器检测得到的正弦波波形输入锁相放大器中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小，调节Ix使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Ixmax，通过使用万用表上读取此时施加在线圈上电流值Ixmax计算得到所对应的线圈系数
②y轴方向上线圈系数λy的标定：
2.1)泵浦激光光源发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当同时在x轴亥姆霍兹线圈、y轴亥姆霍兹线圈上施加电流Ix、Iy，则产生两个正交磁场矢量和
其中：施加于线圈上的电流Ix、Iy通过万用表分别读出，此时在垂直于磁场B0的平面z轴亥姆霍兹线圈上施加射频磁场B1cosωt，设定射频磁场频率ω为一确定值；
2.2)固定电流Ix不变的同时，从零开始逐渐增大电流Iy，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比，通过光电探测器检测得到的正弦波波形输入锁相放大器中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小，调节Iy使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Iymax，通过使用万用表上读取此时施加在线圈上电流值Iymax，结合步骤①得到的线圈系数λx计算得到所对应的线圈系数
③z轴方向上线圈系数λz的标定与λy类似：
3.1)泵浦激光光源发出的泵浦方向沿x方向使铯原子极化，当分别在x方向线圈，z方向线圈上施加电流Ix、Iz，此时产生的磁场大小为两个正交磁场矢量和
线圈上所施加的电流Ix、Iz可通过万用表分别读出，在垂直于磁场B0的平面y方向线圈上施加射频磁场B1cosωt，设定射频磁场频率ω为一确定值；
设定x方向线圈上电流Ix为一固定值，从零开始逐渐增大z方向线圈上电流Iz，直至产生光泵磁共振的现象，此时透射光光强将受到铯原子以射频磁场频率ω最大幅度的频率调制，ω＝γB0，其中：γ为铯原子的旋磁比，通过光电探测器检测得到的正弦波波形输入锁相放大器中用频率为ω的参考信号进行锁相即可得到信号的幅值大小，调节Iz使得锁相放大器输出最大，寻找当信号幅值最大时所对应的电流Izmax，通过使用万用表上读取此时施加在线圈上电流值Izmax，结合步骤①得到的线圈系数λx计算得到所对应的线圈系数
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