CN116879812A - 电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法及***,包括:调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0;调整驱动激光方向,在三维线圈上施加激励磁场;以激励磁场频率为中心进行扫频,扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率。应用本发明的技术方案,以解决现有技术中外部磁场变化时采用固定频率激励的方式会导致电子共振型磁强计测量误差增大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子共振型磁强计技术领域,尤其涉及一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法及***。
背景技术
量子传感器是目前物理量测量领域最具发展潜力的一种类型的传感器,其原理就是利用量子自旋存在不同特性对物理量(如磁场、时间、角速率等)进行精密测量。电子共振型磁强计可以在地磁场环境下直接对正交的两个方向磁场进行实时测量,在地质测量以及地磁导航等领域有着广泛的应用前景。目前电子共振型磁强计中用于激励磁强计中敏感核心——碱金属原子进行顺磁共振的激励磁场是固定频率的磁场,并且通过所施加的补偿磁场进行反算得到最终的测量磁场值,在这种测量方法条件下,磁强计测量精度、测量带宽以及测量范围等指标均受制于产生补偿磁场的电流源。而当外部磁场变化时,电子顺磁共振频率发生较大变化,若仍然采用固定频率激励的方式,会导致电子共振型磁强计测量误差增大。
发明内容
本发明提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法及***,能够解决现有技术中外部磁场变化时采用固定频率激励的方式会导致电子共振型磁强计测量误差增大的技术问题。
根据本发明的一方面,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法包括:设置驱动光源、检测光源、三维线圈、圆偏振器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制器,驱动光源用于产生驱动激光,检测光源用于产生检测激光,三维线圈设置在原子气室的外部,三维线圈用于产生使原子产生共振的激励磁场,圆偏振器用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,第一光电探测器用于探测透过原子气室的第一检测激光,第二光电探测器用于探测透过原子气室的第二检测激光,控制器用于根据第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率;打开驱动光源和检测光源,对原子气室进行温度控制,调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0;根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向,在三维线圈上施加激励磁场;以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
进一步地,在三维线圈上施加的激励磁场的磁场频率为当地磁场大小乘以原子气室内原子源旋磁比。
进一步地,根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向具体包括:根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向与当地磁场方向相平行。
进一步地,以激励磁场频率为中心进行扫频,扫频幅度为激励磁场频率的±10%。
进一步地,在打开驱动光源和检测光源,对原子气室进行温度控制之前,电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法还包括:在装配光路时,使检测激光垂直于驱动激光;加热原子气室,打开检测光源和驱动光源,打开第一光电探测器和第二光电探测器;在没有外界磁场条件下,调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0,关闭检测光源和驱动光源。
根据本发明的另一方面,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测***,电子共振型磁强计频率闭环控制检测***使用如上所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法进行电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
进一步地,电子共振型磁强计频率闭环控制检测***包括驱动光源、检测光源、三维线圈、圆偏振器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制器,驱动光源用于产生驱动激光,检测光源用于产生检测激光,三维线圈设置在原子气室的外部,三维线圈用于产生使原子产生共振的激励磁场,圆偏振器用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,第一光电探测器用于探测透过原子气室的第一检测激光,第二光电探测器用于探测透过原子气室的第二检测激光,控制器用于根据第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率。
应用本发明的技术方案,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,该方法通过以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。在此种方式下,通过对共振信号进行分析,解算,达到可以实时辨别激励磁场正确与否,并进行实时反馈控制电子共振型磁强计的激励频率,从而使电子共振型磁强计实时工作在最佳状态,并且通过所施加的激励频率直接计算得到纵向磁场,使电子共振型磁强计实时处于最佳共振状态保证了电子共振型磁强计的测量精度。因此,本发明所提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法与现有技术相比,电子共振型磁强计在所测量磁场大范围变化时能够保证测量性能的闭环检测,通过对电子共振型磁强计频率进行实时闭环控制,保证了电子共振型磁强计一直保持在最优的工作状态,提高了电子共振型磁强计的环境适应性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于例示本发明的实施例,并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测***的结构示意图;
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的激励磁场扫频色散曲线的示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
10、驱动光源;20、检测光源;30、三维线圈;40、圆偏振器;50、第一光电探测器;60、第二光电探测器;70、控制器。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1和图2所示,根据本发明的具体实施例提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,该电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法包括:设置驱动光源10、检测光源20、三维线圈30、圆偏振器40、第一光电探测器50、第二光电探测器60和控制器70,驱动光源10用于产生驱动激光,检测光源20用于产生检测激光,三维线圈30设置在原子气室的外部,三维线圈30用于产生使原子产生共振的激励磁场,圆偏振器40用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,第一光电探测器50用于探测透过原子气室的第一检测激光,第二光电探测器60用于探测透过原子气室的第二检测激光,控制器70用于根据第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率;打开驱动光源10和检测光源20,对原子气室进行温度控制,调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0;根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向,在三维线圈30上施加激励磁场;以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
应用此种配置方式,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,该方法通过以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。在此种方式下,通过对共振信号进行分析,解算,达到可以实时辨别激励磁场正确与否,并进行实时反馈控制电子共振型磁强计的激励频率,从而使电子共振型磁强计实时工作在最佳状态,并且通过所施加的激励频率直接计算得到纵向磁场,使电子共振型磁强计实时处于最佳共振状态保证了电子共振型磁强计的测量精度。因此,本发明所提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法与现有技术相比,电子共振型磁强计在所测量磁场大范围变化时能够保证测量性能的闭环检测,通过对电子共振型磁强计频率进行实时闭环控制,保证了电子共振型磁强计一直保持在最优的工作状态,提高了电子共振型磁强计的环境适应性。
具体地,在本发明中,在三维线圈30上施加的激励磁场的磁场频率为当地磁场大小乘以原子气室内原子源旋磁比。
此外,在本发明中,为了提高磁场测量的精确性,根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向具体包括:根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向与当地磁场方向相平行。
进一步地,在本发明中,以激励磁场频率为中心进行扫频,扫频幅度为激励磁场频率的±10%。
此外,在本发明中,为了提高检测灵敏度,在打开驱动光源10和检测光源20,对原子气室进行温度控制之前,电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法还包括:在装配光路时,使检测激光垂直于驱动激光;加热原子气室,打开检测光源20和驱动光源10,打开第一光电探测器50和第二光电探测器60;在没有外界磁场条件下,调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0,关闭检测光源20和驱动光源10。
根据本发明的另一方面,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测***,该电子共振型磁强计频率闭环控制检测***使用如上所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法进行电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
应用此种配置方式,提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测***,该***通过以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。在此种方式下,通过对共振信号进行分析,解算,达到可以实时辨别激励磁场正确与否,并进行实时反馈控制电子共振型磁强计的激励频率,从而使电子共振型磁强计实时工作在最佳状态,并且通过所施加的激励频率直接计算得到纵向磁场,使电子共振型磁强计实时处于最佳共振状态保证了电子共振型磁强计的测量精度。因此,本发明所提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测***与现有技术相比,电子共振型磁强计在所测量磁场大范围变化时能够保证测量性能的闭环检测,通过对电子共振型磁强计频率进行实时闭环控制,保证了电子共振型磁强计一直保持在最优的工作状态,提高了电子共振型磁强计的环境适应性。
进一步地,在本发明中,电子共振型磁强计频率闭环控制检测***包括驱动光源10、检测光源20、三维线圈30、圆偏振器40、第一光电探测器50、第二光电探测器60和控制器70,驱动光源10用于产生驱动激光,检测光源20用于产生检测激光,三维线圈30设置在原子气室的外部,三维线圈30用于产生使原子产生共振的激励磁场,圆偏振器40用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,第一光电探测器50用于探测透过原子气室的第一检测激光,第二光电探测器60用于探测透过原子气室的第二检测激光,控制器70用于根据第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率。
为了对本发明有进一步地了解,下面结合图1和图2对本发明所提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法进行详细说明。
如图1和图2所示,根据本发明的具体实施例提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法和***,首先对电子共振型磁强计频率闭环控制检测***进行简要描述。
电子共振型磁强计频率闭环控制检测***包括驱动光源10、检测光源20、三维线圈30、圆偏振器40、第一光电探测器50、第二光电探测器60和控制器70,驱动光源10用于产生驱动激光,检测光源20用于产生检测激光,三维线圈30设置在原子气室的外部,三维线圈30用于产生使原子产生共振的激励磁场,圆偏振器40用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,用于使原子气室内原子具有宏观指向性,最终用于敏感磁场;第一光电探测器50用于探测透过原子气室的第一检测激光,第二光电探测器60用于探测透过原子气室的第二检测激光,第一光电探测器50和第二光电探测器60均用于将原子敏感到的磁场信息转换成电信号输出至控制器70,控制器70用于根据第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率,使激励磁场频率实时处于共振状态。原子气室内部充有原子,是量子传感器的核心敏感元件。
下面对电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法进行详细说明。
步骤一,在装配光路时,使检测激光垂直于驱动激光,以减小两光夹角造成的误差;
步骤二,加热原子气室,打开检测光源20和驱动光源10,打开第一光电探测器50和第二光电探测器60,确保实验装置正常运行;
步骤三,在没有外界磁场条件下,第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出应为0,如果不在0附近,证明光路没有完全对准,或有漏光的情况,此时需要调整原子气室光路,以保证第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0,关闭检测光源20和驱动光源10;
步骤四,当需要对电子共振型磁强计频率闭环控制检测时,打开驱动光源10和检测光源20(即两个激光器),调整激光器参数使其工作在正常状态,对原子气室进行温度控制,检查第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出是否为0,若第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出不为0时,检查两光夹角或检测环境是否存在漏光,调整原子气室的光路以使第一检测激光与第二检测激光的差分信号输出为0;
步骤五,根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向,初始状态最好为当地磁场方向与驱动激光方向相平行。在三维线圈30上施加激励磁场,磁场频率为当地磁场大小乘以原子气室内原子源旋磁比,磁场大小约为当地磁场大小;
步骤六,以激励磁场频率为中心进行扫频,扫频幅度为激励磁场频率的±10%,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相,其中幅度信息和相位信息如图2所示;
步骤七,根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
综上所述,本发明提供了一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,该方法通过以激励磁场频率为中心进行扫频,根据第一检测激光和第二检测激光扫出色散曲线,将第一检测激光与第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。在此种方式下,通过对共振信号进行分析,解算,达到可以实时辨别激励磁场正确与否,并进行实时反馈控制电子共振型磁强计的激励频率,从而使电子共振型磁强计实时工作在最佳状态,并且通过所施加的激励频率直接计算得到纵向磁场,使电子共振型磁强计实时处于最佳共振状态保证了电子共振型磁强计的测量精度。因此,本发明所提供的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法与现有技术相比,电子共振型磁强计在所测量磁场大范围变化时能够保证测量性能的闭环检测,通过对电子共振型磁强计频率进行实时闭环控制,保证了电子共振型磁强计一直保持在最优的工作状态,提高了电子共振型磁强计的环境适应性。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,其特征在于,所述电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法包括:
设置驱动光源(10)、检测光源(20)、三维线圈(30)、圆偏振器(40)、第一光电探测器(50)、第二光电探测器(60)和控制器(70),所述驱动光源(10)用于产生驱动激光,所述检测光源(20)用于产生检测激光,所述三维线圈(30)设置在原子气室的外部,所述三维线圈(30)用于产生使原子产生共振的激励磁场,所述圆偏振器(40)用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,所述第一光电探测器(50)用于探测透过原子气室的第一检测激光,所述第二光电探测器(60)用于探测透过原子气室的第二检测激光,所述控制器(70)用于根据所述第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率;
打开驱动光源(10)和检测光源(20),对原子气室进行温度控制,调整原子气室的光路以使所述第一检测激光与所述第二检测激光的差分信号输出为0;
根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向,在所述三维线圈(30)上施加激励磁场;
以激励磁场频率为中心进行扫频,根据所述第一检测激光和所述第二检测激光扫出色散曲线,将所述第一检测激光与所述第二检测激光进行差分以获取探测器差分信号,将初始激励磁场频率作为参考信号,将所述探测器差分信号作为待锁信号对色散曲线进行锁相;
根据扫出来的色散曲线,调整激励磁场频率以使所述色散曲线的相位控制为0,使电子共振型磁强计始终保持在最佳共振频率,完成电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
2.根据权利要求1所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,其特征在于,在所述三维线圈(30)上施加的激励磁场的磁场频率为当地磁场大小乘以原子气室内原子源旋磁比。
3.根据权利要求2所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,其特征在于,根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向具体包括:根据磁强计所处当地磁场大小和方向,调整驱动激光方向与当地磁场方向相平行。
4.根据权利要求3所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,其特征在于,以激励磁场频率为中心进行扫频,扫频幅度为激励磁场频率的±10%。
5.根据权利要求4所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法,其特征在于,在打开驱动光源(10)和检测光源(20),对原子气室进行温度控制之前,所述电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法还包括:
在装配光路时,使检测激光垂直于驱动激光;
加热原子气室,打开检测光源(20)和驱动光源(10),打开第一光电探测器(50)和第二光电探测器(60);
在没有外界磁场条件下,调整原子气室的光路以使所述第一检测激光与所述第二检测激光的差分信号输出为0,关闭所述检测光源(20)和所述驱动光源(10)。
6.一种电子共振型磁强计频率闭环控制检测***,其特征在于,所述电子共振型磁强计频率闭环控制检测***使用如权利要求1至5中任一项所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测方法进行电子共振型磁强计频率闭环控制检测。
7.根据权利要求6所述的电子共振型磁强计频率闭环控制检测***,其特征在于,所述电子共振型磁强计频率闭环控制检测***包括驱动光源(10)、检测光源(20)、三维线圈(30)、圆偏振器(40)、第一光电探测器(50)、第二光电探测器(60)和控制器(70),所述驱动光源(10)用于产生驱动激光,所述检测光源(20)用于产生检测激光,所述三维线圈(30)设置在原子气室的外部,所述三维线圈(30)用于产生使原子产生共振的激励磁场,所述圆偏振器(40)用于将驱动激光输出的线偏振光变成圆偏振光,所述第一光电探测器(50)用于探测透过原子气室的第一检测激光,所述第二光电探测器(60)用于探测透过原子气室的第二检测激光,所述控制器(70)用于根据所述第一检测激光和第二检测激光控制激励磁场的频率。
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