一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法

本发明涉及一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，属于原子磁强计领域，也可以用于原子惯性测量系统领域。

背景技术：

1、磁场是最基本、最重要的物理量之一，磁场测量是研究与磁场相关的物理过程的一种重要手段。各种类型的磁测量传感器已经广泛应用于工业、医学、国防、科研等各个领域，并发挥着越来越重要的作用。近年来，随着量子领域新理论和新技术的不断发展，以原子钟、原子重力仪、原子磁强计等为代表的量子科学仪器的性能大幅提高，不断突破着各个物理量的测量精度极限，成为世界上最精密的测量仪器。其中，基于无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free，serf)技术的原子磁强计因其具有超越现有相关测量手段的超高理论精度，得到了国内外的广泛关注。

2、相比其它种类的原子磁强计，serf原子磁强计实现了在高原子密度条件下对自旋交换弛豫的充分抑制，从而解决了原子密度与原子自旋横向弛豫时间之间的矛盾，因而可以大大提升灵敏度。目前国外研制的小型化serf原子磁强计，已经在物质的极弱磁性分析、人体的心磁脑磁测量等领域得到了越来越广泛的应用。特别是在心脑磁测量方面，有望成为新一代心脑磁图测量仪器，为生物科学研究提供一种有效手段。

3、serf原子磁强计采用抽运光和三轴磁场的主磁场同轴的结构。内核是碱金属和惰性气体的混合物。磁光非正交将引起原子磁强计的多方面性能损失，严重影响了磁强计在心脑磁测量中的应用，当磁光非正交较大时，面临着重新装配的问题。

4、目前，磁光非正交的抑制方法主要为针对大型的原子测量设备的直接调节正交性。本发明可以很好的解决小型化集成磁强计的磁光非正交问题。同时，解决单光束原子磁强计的磁光非正交问题，意味着可以很轻易的拓展到双轴甚至三轴原子测量系统中，具有很高的应用前景。

5、综上，随着原子自旋磁场\惯性测量技术的发展和应用的普及，对原子磁强计磁光非正交进行抑制是必要的，而这方面的实践研究还比较缺乏。本发明主要研究磁强计的磁光非正交的综合抑制方法，可以提升系统刻度系数，增强输出信号强度，提升信噪比，提高磁场测量灵敏度指标，可以探测到更微弱的磁场，进一步保障原子磁强计在阵列式心脑磁方面的应用。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是：提供一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，属于一种全方位的、提升输出信号强度、提高磁场测量灵敏度的磁强计的磁光非正交的综合抑制方法，对系统灵敏度及稳定性的提升具有重要意义，进一步保障原子磁强计在生物磁测量中的广泛应用。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1，启动serf原子磁强计，将其中的气室加热到150℃，利用圆偏振光将气室中的原子极化，采用磁场交叉调制补偿技术补偿磁场，使磁强计工作在“近零磁状态”；

5、步骤2，在敏感轴x轴上施加1khz的正弦调制磁场，气室出射的抽运光依次经过光电探测器和跨阻抗放大器所形成的输出信号的一次谐波利用锁相放大器进行解调，利用原子磁强计磁光非正交角的测量方法，获得抽运光与z向主磁场的夹角α和抽运光在磁场x-o-y平面的投影与x轴的夹角β；

6、步骤3，针对出现的磁光非正交现象采取多维度抑制措施，包括首先利用磁场补偿进行初步抑制，通过实验获得补偿磁场随抽运光变化的关系，将三轴剩磁与三轴光频移区分开，获得不包含光频移的三轴剩磁；然后根据磁光非正交的测量结果，将敏感轴x轴和敏感轴y轴依照β角的大小按比例进行补偿；之后施加扫描磁场，获得磁强计响应信号随外界磁场的关系，改变z轴补偿磁场直至色散曲线的峰值对称；在补偿磁场过程中能够发现灵敏度、信噪比、和刻度系数的提升，以及磁线宽的降低，色散曲线的线性区也将更加对称；

7、步骤4，当磁场补偿无法满足原子磁强计对磁光非正交抑制的要求时，采用以下措施中一种或多种：调制参数优化措施，抽运光频率调节措施，增大光强措施。

8、所述步骤4中包括：当磁场补偿无法满足抑制要求时，将按照优化磁强计调制参数、调节抽运光频率、调节抽运光功率的顺序抑制磁光非正交，之后再次进行磁场补偿，即可实现磁光非正交综合抑制。

9、包括建立serf原子磁强计响应信号模型以获取原子磁强计的输入输出关系，并进一步获得刻度系数和线性度的信息。

10、包括以所述刻度系数和线性度的信息为标准，判断所采取的综合抑制方法的效果。

11、所述serf原子磁强计包括顺序连接的dfb激光器、保偏光纤、光纤准直器、直角反射镜、线偏振片、λ/4波片、气室、光电探测器pd、跨阻抗放大器tia、锁相放大器lia和数据处理系统，所述气室周围设置有三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈与气室之间设置有温度传感器和无磁电加热膜，所述三轴磁场线圈分别连接pid温度控制系统和波形发生器。

12、所述serf原子磁强计的外围设置有外置三轴线圈以提供灵敏度测量所需的校准磁场，所述外置三轴线圈连接波形发生器，所述serf原子磁强计连接电控系统，所述外置三轴线圈的外围设置有多层磁屏蔽桶。

13、本发明的技术效果如下：本发明一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，旨在解决磁光非正交问题所导致的系统刻度系数、输出信号强度减小、信噪比变差和灵敏度下降等问题，从而保障原子磁强计在心脑磁方面的应用，包括多维度抑制措施如磁场补偿、调制参数优化、抽运光频率调节和增大光强等方法，依照合理的流程，以综合抑制磁光非正交问题，显著增强磁强计的响应信号强度，减小系统误差，提高信噪比和灵敏度，拓展磁强计的应用范围，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，所述步骤4中包括：当磁场补偿无法满足抑制要求时，将按照优化磁强计调制参数、调节抽运光频率、调节抽运光功率的顺序抑制磁光非正交，之后再次进行磁场补偿，即可实现磁光非正交综合抑制。

3.根据权利要求1所述的解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，包括建立serf原子磁强计响应信号模型以获取原子磁强计的输入输出关系，并进一步获得刻度系数和线性度的信息。

4.根据权利要求3所述的解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，包括以所述刻度系数和线性度的信息为标准，判断所采取的综合抑制方法的效果。

5.根据权利要求1所述的解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，所述serf原子磁强计包括顺序连接的dfb激光器、保偏光纤、光纤准直器、直角反射镜、线偏振片、λ/4波片、气室、光电探测器pd、跨阻抗放大器tia、锁相放大器lia和数据处理系统，所述气室周围设置有三轴磁场线圈，所述三轴磁场线圈与气室之间设置有温度传感器和无磁电加热膜，所述三轴磁场线圈分别连接pid温度控制系统和波形发生器。

6.根据权利要求1所述的解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，其特征在于，所述serf原子磁强计的外围设置有外置三轴线圈以提供灵敏度测量所需的校准磁场，所述外置三轴线圈连接波形发生器，所述serf原子磁强计连接电控系统，所述外置三轴线圈的外围设置有多层磁屏蔽桶。

技术总结
一种解决原子磁强计磁光非正交问题的综合抑制方法，旨在解决磁光非正交问题所导致的系统刻度系数、输出信号强度减小、信噪比变差和灵敏度下降等问题，从而保障原子磁强计在心脑磁方面的应用，包括多维度抑制措施如磁场补偿、调制参数优化、抽运光频率调节和增大光强等方法，依照合理的流程，以综合抑制磁光非正交问题，显著增强磁强计的响应信号强度，减小系统误差，提高信噪比和灵敏度，拓展磁强计的应用范围，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：翟跃阳,李任杰,李佳洁
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14