一种用于单光束SERF原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法与流程

本发明涉及一种用于单光束serf(spin-exchange-relaxation-free，无自旋交换弛豫)原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法，属于原子磁强计领域。

背景技术：

原子磁强计是进行磁场测量的有效手段之一，随着磁强计不断地发展和研究水平的不断提高，在基础科学研究、地质勘探、航空测磁和心脑磁测量等领域都发挥着不可或缺的作用，这就对磁强计的精度性能提出了更高水平的要求，serf原子磁强计是近年来超高精度磁强计的代表，如何实现高质量的serf态更是实现超高精度测量的基础。

利用被动补偿方法只能将环境磁场屏蔽到较小的量级但是并不能满足高精度serf原子磁强计的要求，研究高精度主动磁补偿方法十分必要。由于单光束原子磁强计仅有一束光，所以限制了只能用抽运的吸收来进行补偿磁场所需信息的提取，那些针对于双光束原子磁强计的磁场补偿方法都不再适用。目前常规的单光束serf原子磁强计进行剩余磁场补偿时，主要是锁定输出曲线极值点的主动补偿方法，通过补偿三轴线圈的直流偏置量寻找输出曲线的极值点进行对剩余磁场的补偿，受温度、噪声和环境因素影响较大，抗干扰能力差，三轴同时调制时可能存在较大耦合从而影响补偿精度，而本文采用的单轴调制方法只需通过输出信号的fft直接判断磁场是否补偿为零，剩余磁场的补偿精度较低使碱金属原子难以工作在serf态，从而不能实现高精度serf原子磁强计的最佳测量工作效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有常规的用于单光束的serf原子磁强计的剩余磁场补偿时存在的抗干扰能力差、补偿精度较低等问题，在单光束serf磁强计非敏感轴方向增加一个大的偏置量以增加零场共振宽度来使输出响应更加明显，再进行三轴调制观察输出信号的fft进行补偿，从而使剩余磁场能够更加精确的补偿到零点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于单光束serf原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法，该方法利用的实验装置包括磁屏蔽桶、激光器、起偏器、1/4波片、第一平面反射镜、三轴磁补偿线圈、碱金属气室、第二平面反射镜、光电探测器、前置放大器、函数发生器和显示界面，在进行单光束serf原子磁强计剩余磁场补偿时，通过磁屏蔽桶屏蔽掉地磁场和其他外部磁场，再由激光器产生激光束满足激光波长在碱金属原子的d1线的中心，同时用于抽运和磁场的检测，起偏器产生线偏振光接着由1/4波片将线偏振光转化为圆偏振光，然后通过第一平面反射镜入射到碱金属气室内，抽运碱金属原子极化，其中三轴磁补偿线圈用于补偿磁强计工作环境下的剩余磁场，再通过第二平面反射镜出射到光电探测器中，得到包含磁场信息的光电流输出，再输入到前置放大器中将微弱的光电流信息转化成可观测的电压信息，同时，由函数发生器产生电流调制信号输入到三轴磁补偿线圈中，观察输出波形。

其中，所述碱金属气室中的碱金属原子为钾、铷、铯其中的一种，所述系统装置只由激光器产生一束激光同时用于对碱金属原子的抽运和对磁场的检测，激光器产生圆偏振光用于对碱金属原子的抽运，光电探测器探测到该激光束得到包含磁场信息的光电流信号输出。

其中，所述磁屏蔽桶为三层坡莫合金材料，已经完成消磁，屏蔽桶内剩余磁场2～3nt，需要进一步补偿为零。

其中，所述补偿方法在磁强计非敏感轴方向增加一个5-10nt的大偏置量，以增加零场共振宽度来使输出响应更加明显，再由函数发生器产生低频电流调制信号输入到三维磁补偿线圈中进行低频调制。

其中，所述补偿方法需对磁强计的三轴进行低频调制，并且在敏感轴补偿完成时需在敏感轴方向增加一个0.1-0.5n的小偏置量用以补偿非敏感轴，通过观察磁强计输出信号的fft基频信号为零，二倍频信号最大即认为补偿完成。

其中，所述补偿方法具体操作包括以下步骤：

(1)采用锯齿波扫描x方向的磁场，调节x方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最大值靠近中间位置，左右两端对称；

(2)采用锯齿波扫描y方向的磁场，调节y方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最大值靠近中间位置，左右两端对称；

(3)采用锯齿波扫描z方向的磁场，调节y方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最小值靠近中间位置，左右两端对称；

(4)、在z轴方向增加一个5-10nt的大偏置量，采用正弦波调制x轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对x方向剩余磁场的补偿过程；

(5)、同理，采用正弦波调制y轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对y方向剩余磁场的补偿过程；

(6)、在y轴方向增加一个0.1-0.5nt的小偏置量，采用正弦波调制z轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对z方向剩余磁场的补偿过程。

本发明方法与传统的单光束serf原子磁强计剩余磁场补偿方法相比的优点在于：由于serf原子磁强计精度极高，其达到工作状态要求的serf态对高质量的零磁环境依赖性较大，仅通过锁定输出曲线的极值点受环境、噪声等影响较大，输出信号可能存在较大的波动性使极值点难以准确的确定，导致补偿精度难以有所提升，从而在根本上制约了原子磁强计的测量精度。而本发明设计的方法在单光束serf磁强计非敏感轴方向增加一个5-10nt大的偏置量以增加零场共振宽度来使输出响应更加明显，再进行三轴调制观察输出信号的fft使其基频为零，二倍频最大来进行补偿，三轴同时调制时可能存在较大耦合从而影响补偿精度，而分别调制通过输出信号的fft直接判断磁场是否补偿为零，并且通过在敏感轴方向增加0.1-0.5nt的小偏置量来进行非敏感轴的补偿，从而使剩余磁场能够更加迅速准确的补偿到零点。

附图说明

图1为本发明方法的实验验证装置结构示意图：

图中附图标记含义为：1为磁屏蔽桶，2为激光器，3为起偏器，4为1/4波片，5为第一平面反射镜，6为三轴磁补偿线圈，7为碱金属气室，8为第二平面反射镜，9为光电探测器，10为前置放大器，11为函数发生器，12为显示界面；

图2为本发明方法的仿真信号输出示意图，其中a为光电探测器的输出信号，b为当剩余磁场偏置过大时，输出为调制信号的同频信号；c为当剩余磁场存在较小的偏置时，输出为畸变的倍频信号；d为当剩余磁场为零时，输出为完整的倍频信号；

图3为本发明方法的实验验证结果输出波形图，其中a为未补偿完成时的输出信号，b为补偿完成时的输出信号。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明方法实验验证的装置包括：磁屏蔽桶1、激光器2、起偏器3、1/4波片4、第一平面反射镜5、三轴磁补偿线圈6、碱金属气室7、第二平面反射镜8、光电探测器9、前置放大器10、函数发生器11、显示界面12。磁屏蔽桶1为三层坡莫合金磁屏蔽桶。首先，激光器产生激光束满足激光波长在碱金属原子的d1线的中心，同时用于抽运和检测，起偏器产生线偏振光接着由1/4波片将线偏振光转化为圆偏振光，然后通过第一平面反射镜入射到碱金属气室内，抽运碱金属原子极化，再通过第二平面反射镜出射到光电探测器中得到包含磁场信息的光电流输出，此时保证serf原子磁强计已经进入准备工作阶段，各部分及仪器可以正常工作，然后进行检测磁场信息之前的剩余磁场补偿：

1、首先，用bloch方程描述碱金属气室中电子自旋的动力学过程：

求其稳态解，可得：

其中，为三个方向的电子极化率，bx、by、bz为三个方向的环境磁场强度，γe为电子旋磁比，rp为光抽运率，r1为电子纵向自旋弛豫率，r2为电子横向自旋弛豫率。

抽运光方向为z轴方向，所以光电探测器输出pout与电子极化率成正比，pout中包含三轴磁场信息，以x轴方向磁场补偿为例：

其中，kx为光电探测器输出与电子极化率的比例系数，需要实验标定确定其具体数值，系数kx、rp、r1、r2均为正值，则bx前系数一直为负值，所以当bx为零时，光电探测器输出值为极大值。

即当bx趋于零时，pout有极大值，即可通过调节x方向磁补偿线圈的补偿磁场大小直到pout最大时，剩余磁场补偿为零。

同理，得到pout与by和bz的偏导关系：

其中，ky为光电探测器输出与电子极化率的比例系数，kz为光电探测器输出与电子极化率的比例系数，需要实验标定确定其具体数值，可以得到，对于by，pout有极大值，当pout最大时补偿完成，对于bz，pout有极小值，当pout最小时补偿完成，此时完成第一步的粗补偿过程。

2、在x轴方向磁场补偿为例，得到信号为：

图2中的a为光电探测器的输出信号，图2中的b为当剩余磁场偏置过大时，输出为调制信号的同频信号，图2中的c为当剩余磁场存在较小的偏置时，输出为畸变的倍频信号，图2中的d为当剩余磁场为零时，输出为完整的倍频信号。

所以，调节函数发生器的直流偏置量，使光电探测器输出为完整的倍频信号时，即认为对应方向的磁场已经补偿为零。如图3所示，通过观察磁强计输出信号的fft，当未补偿完成时输出信号的fft为图3中a所示，调整补偿线圈三轴的直流量，使输出信号的fft基频信号为零，二倍频信号最大，输出信号的fft为图3中b所示，即完成精补偿过程。

具体操作步骤如下：

(1)采用锯齿波扫描x方向的磁场，调节x方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最大值靠近中间位置，左右两端对称；

(2)采用锯齿波扫描y方向的磁场，调节y方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最大值靠近中间位置，左右两端对称；

(3)采用锯齿波扫描z方向的磁场，调节y方向直流偏置量使锯齿波信号的最大值和最小值对应磁强计的输出曲线上的两点幅值相同，磁强计输出的最小值靠近中间位置，左右两端对称；

(4)在z轴方向增加一个5-10nt的大偏置量，采用正弦波调制x轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对x方向剩余磁场的补偿过程；

(5)同理，采用正弦波调制y轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对y方向剩余磁场的补偿过程；

(6)在y轴方向增加一个0.1-0.5nt的小偏置量，采用正弦波调制z轴方向磁场，观察输出信号的fft，通过调节三轴线圈直流量使fft信号基频消失，二倍频最大，完成对z方向剩余磁场的补偿过程。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。