一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统及方法

本发明涉及原子磁强计双轴测量与闭环控制，特别是一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统及方法，该闭环控制系统基于抽运-检测正交构型的双光束serf原子磁强计(serf，spin-exchange relaxation-free，无自旋交换弛豫)，通过偏振差分方法检测旋光角来获取磁场信息。双轴测量是通过在抽运方向施加一个偏置磁场和一个与其严格共振的π脉冲磁场实现的，进一步对脉冲共振进行分析后，可以将磁强计解调信号的正交分量引入pi控制模块(pi，proportional-integral，比例积分)，并将控制量反馈给线圈的信号发生器实现闭环，将磁强计系统锁定在脉冲共振点。该方法能够抑制抽运轴磁场漂移所带来的脉冲共振点偏移，提高系统的稳定性和抗外界干扰能力，是基于脉冲共振的双轴原子磁强计迈向多场景实际应用的重要组成部分，在心磁测量和脑磁测量等领域具有广泛的应用前景。

背景技术：

1、随着超高灵敏精密测量技术的发展，基于长相干时间原子系综的量子精密测量技术在磁场测量领域展现出了巨大潜力。其中，serf磁强计以其高灵敏度和小型化的优良性能引起了人们的广泛关注(serf，spin-exchange relaxation-free，无自旋交换弛豫)。为了进一步提高磁场源定位能力，特别是在被测磁场方向不确定的情况下，需要提高磁场方向的分辨率。因此，多种基于serf的双轴甚至三轴测量方法被提出，特别适用于与人民生命健康息息相关的心脑磁测量领域。其中，π脉冲共振是一种可以通过周期性翻转电子自旋来实现双轴测量的方法，具有抑制磁强计低频噪声和延长原子相干时间的优势。

2、然而，π脉冲共振难以确定，尤其是当z轴外界磁场波动或不确定的情况下，严重限制了π脉冲共振双轴磁强计的应用范围。共振点的微小偏移就会带来严重的双轴测量轴间耦合和敏感轴倾斜等问题，因此需要一种对共振点实时稳定的控制方法。目前，对脉冲共振的相关研究较少，仍属于理论提出后的初级阶段，不能有效应用于实际场景。基于此本发明人完成了本发明。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统及方法，该闭环控制系统基于抽运-检测正交构型的双光束serf原子磁强计(serf，spin-exchange relaxation-free，无自旋交换弛豫)，通过偏振差分方法检测旋光角来获取磁场信息。双轴测量是通过在抽运方向施加一个偏置磁场和一个与其严格共振的π脉冲磁场实现的，进一步对脉冲共振进行分析后，可以将磁强计解调信号的正交分量引入pi控制模块(pi，proportional-integral，比例积分)，并将控制量反馈给线圈的信号发生器实现闭环，将磁强计系统锁定在脉冲共振点。该方法能够抑制抽运轴磁场漂移所带来的脉冲共振点偏移，提高系统的稳定性和抗外界干扰能力，是基于脉冲共振的双轴原子磁强计迈向多场景实际应用的重要组成部分，在心磁测量和脑磁测量等领域具有广泛的应用前景。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统，其特征在于，包括双光束serf原子磁强计系统，所述双光束serf原子磁强计系统中的一束圆偏振光用于抽运碱金属气室中的碱金属原子，一束线偏振光因其在所述碱金属气室中产生由外磁场引起的旋光角而作为检测光用于检测x轴方向待测磁场bx和y轴方向待测磁场by以实现双轴测量，所述双轴测量包括在抽运方向即z轴方向施加一个偏置磁场和一个与所述偏置磁场严格共振的π脉冲磁场，通过将磁强计解调信号的正交分量pquad引入比例积分pi控制模块，并将控制量反馈给驱动三轴匀场线圈的第一信号发生器实现抽运轴磁场即z轴磁场的闭环控制，从而将磁强计系统锁定在脉冲共振点。

4、所述比例积分pi控制模块分别连接第一信号发生器、上位机和锁相放大器，所述锁相放大器解调出磁强计信号一次谐波的同相分量pin-phase和正交分量pquad，所述锁相放大器通过信号采集系统连接所述上位机，所述锁相放大器依次通过低通滤波器和跨阻放大器连接减法器的输出端，所述减法器的第一输入端通过第一光电探测器连接偏振分束器pbs的透射侧，所述减法器的第二输入端依次通过第二光电探测器和第二反射镜连接所述偏振分束器pbs的反射侧，所述偏振分束器pbs的输入侧依次通过1/2波片、碱金属气室、第二线偏振片、第二凸透镜和第二凹透镜连接dbr激光器。

5、所述碱金属气室的抽运光输入侧依次通过第一反射镜、第一凸透镜、第一凹透镜、1/4波片和第一线偏振片连接dfb激光器，所述碱金属气室位于无磁电加热系统内，所述无磁电加热系统位于三轴匀场线圈内，所述三轴匀场线圈位于磁屏蔽桶内，所述三轴匀场线圈连接第一信号发生器，所述无磁电加热系统连接第二信号发生器。

6、所述π脉冲磁场频率是所述z轴偏置场的幅值引起的原子拉莫尔进动频率的2倍，所述偏置磁场大小设置在30-80nt之间，所述π脉冲重复频率在400-1000hz之间。

7、pquad用于测量bx，pin-phase用于测量by：

8、

9、

10、其中r为光抽运率，γ′为弛豫率，γ为经典电子半径，q为核减慢因子。

11、所述π脉冲磁场的占空比和幅值的乘积所确定的等效磁场等于所述偏置磁场。

12、所述dfb激光器激发的抽运光的频率位于所使用碱金属原子的d1线。

13、所述dbr激光器激发的检测光的频率位于所使用碱金属原子的d2线。

14、一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制方法，其特征在于，包括采用上述基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统。

15、包括以下步骤：

16、步骤1，打开信号发生器驱动无磁电加热系统将金属气室加热至原子系综的密度满足serf态需求；

17、步骤2，打开dfb和dbr激光器，调节激光器的温度和电流使得抽运激光的频率处于碱金属原子的d1线，检测激光的频率处于碱金属原子的d2线，打开信号发生器改变驱动三轴匀场线圈的幅值将碱金属气室处的剩磁补偿至零点，此时原子位于serf态；

18、步骤3，使用信号发生器驱动三轴匀场线圈施加偏置场和与其严格共振的π脉冲磁场，偏置磁场大小为30-80nt，π脉冲重复频率为400-1000hz；

19、步骤4，利用锁相放大器解调出磁强计信号一次谐波的同相分量pin-phase和正交分量pquad；

20、步骤5，将正交分量pquad引入pi控制模块，pi控制模块将控制信号反馈给驱动三轴匀场线圈的信号发生器，实现z轴偏置场的实时锁定；

21、步骤6，将解调出来磁强计信号一次谐波的同相分量pin-phase和正交分量pquad采集到上位机，同时使用信号发生器驱动三轴匀场线圈在x轴和y轴均产生30.5hz，100ptrms的标定磁场，解算得到磁强计的性能指标。

22、本发明的技术效果如下：本发明一种基于脉冲共振的双轴原子磁强计闭环控制系统及方法，该闭环控制系统基于抽运-检测正交构型的双光束serf原子磁强计，通过偏振差分方法检测旋光角来获取磁场信息。双轴测量是通过在抽运方向施加一个偏置磁场和一个与其严格共振的π脉冲磁场实现的，进一步对脉冲共振进行分析后，可以将磁强计解调信号的正交分量引入pi控制模块，并将控制量反馈给线圈的信号发生器实现闭环，将磁强计系统锁定在脉冲共振点。该方法能够抑制抽运轴磁场漂移所带来的脉冲共振点偏移，提高系统的稳定性和抗外界干扰能力，是基于脉冲共振的双轴原子磁强计迈向多场景实际应用的重要组成部分，在心磁测量和脑磁测量等领域具有广泛的应用前景。

23、本发明具有以下特点：

24、(1)本发明从磁、光及原子共振的本质出发，通过将抽运轴磁场实时锁定在π脉冲共振点实现整体系统的稳定，控制更准确，效果更直观。

25、(2)本发明方案方法简单，操作方便，扩展了π脉冲共振双轴测量的应用范围。