一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统及方法与流程

本发明涉及电变量或磁变量的测量，尤其涉及一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统及方法。

背景技术：

1、基于量子原理的磁力仪和陀螺仪逐渐发展，其核心是利用碱金属原子对磁场或转动的响应实现磁场和惯性测量。碱金属原子的能级分裂受外界磁场影响，磁场的补偿效果直接决定了陀螺仪和磁力仪的灵敏度与准确度，尤其是基于无自旋交换弛豫原理的相关系统受磁场补偿效果影响更为严重，甚至可能存在磁场补偿效果较差导致系统无法正常运行的情况。而磁场的补偿效果直接与磁场线圈的非正交角有关，因此研究磁场非正交角测量系统与方法具有必要性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统及方法，单光束经过碱金属原子气室，基于磁共振原理，利用不同偏置磁场方向下系统共振频率的差异，计算得到两偏置磁场线圈之间的非正交角。

2、本发明是通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于单光束的磁场非正交角原位测量方法，其包括如下步骤：

4、s1：光源产生的单光束经过碱金属原子气室后，进行光电转换得到光束的幅值信息；

5、s2：分别给产生磁场方向与单光束方向相同的z轴偏置磁场线圈及产生磁场方向与单光束方向垂直的y轴偏置磁场线圈施加电流，使y轴偏置磁场线圈与z轴偏置磁场线圈在碱金属原子气室位置处产生的偏置磁场相等且产生的总偏置磁场幅值为设定值，交替变换y轴偏置磁场线圈及z轴偏置磁场线圈的电流方向进行测量，同时对产生磁场方向与单光束方向相同的射频磁场线圈施加不同频率的电流，信号采集模块记录光束的幅值达到最大值时射频磁场线圈的共振峰值频率，完成一轮测试；

6、s3：改变总偏置磁场幅值的设定值，重复步骤s2的操作，直至达到设定轮数，得到不同测试条件下相应的射频磁场线圈的共振峰值频率与总偏置磁场幅值的拟合方程；

7、s4：对不同测量条件下相应的射频磁场线圈的共振峰值频率及总偏置磁场幅值的拟合方程进行拟合，得到相应拟合方程的斜率及截距；

8、s5：根据拟合方程的斜率计算磁场非正交角。

9、优化的，步骤s1中碱金属原子气室的温度稳定在70℃～110℃范围内。

10、进一步，y轴偏置磁场线圈、z轴偏置磁场线圈、射频磁场线圈及碱金属原子气室均置于磁屏蔽模块内。

11、进一步，步骤s2中每一轮测量交替变换y轴偏置磁场线圈及z轴偏置磁场线圈的电流方向包括如下过程：i、y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向；ii、y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向；iii、y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向；iv、y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向。

12、进一步，步骤s3中不同测量条件下相应的拟合方程为式（1）：

13、（1）；

14、其中：表示第轮测量的总磁场幅值，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向时第轮射频磁场线圈的共振峰值频率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向时拟合方程的斜率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈产生的为正向时拟合方程的截距，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向时第轮射频磁场线圈的共振峰值频率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向时拟合方程的斜率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为正向时拟合方程的截距，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时第轮射频磁场线圈的共振峰值频率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时拟合方程的斜率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为反向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时拟合方程的截距，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时第轮射频磁场线圈的共振峰值频率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时拟合方程的斜率，表示y轴偏置磁场线圈电流方向为正向，z轴偏置磁场线圈电流方向为反向时拟合方程的截距。

15、进一步，步骤s5中按照式（2）计算磁场非正交角：

16、（2）。

17、一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统，用于执行如上述任意一项所述的一种基于单光束的磁场非正交角原位测量方法，其包括光源模块、碱金属原子气室、磁场产生模块、信号采集模块及数据处理模块，所述光源模块用于产生单光束入射至碱金属原子气室，所述信号采集模块用于将从碱金属原子气室输出光束的光信号转化成电信号，得到光束的幅值信息并传输给数据处理模块，所述磁场产生模块用于在碱金属原子气室的位置产生y轴偏置磁场、z轴偏置磁场及射频磁场，所述数据处理模块用于接收信号采集模块的信息及磁场产生模块的信息，对不同测量条件下相应的拟合方程进行拟合处理，计算磁场非正交角。

18、进一步，碱金属原子气室外设有气室温控模块，将碱金属原子气室的温度稳定在设定温度范围内。

19、进一步，磁场产生模块包括y轴偏置磁场线圈、z轴偏置磁场线圈、射频磁场线圈、y轴偏置磁场线圈电流源、z轴偏置磁场线圈电流源、射频磁场线圈压控电流源及扫频单元，所述射频磁场线圈设置于碱金属原子气室外且所述射频磁场线圈产生的磁场方向与光源产生的单光束方向一致，y轴偏置磁场线圈及z轴偏置磁场线圈分别位于所述射频磁场线圈的外围，且所述z轴偏置磁场线圈产生的磁场方向与光源产生的单光束方向一致，所述y轴偏置磁场线圈产生的磁场方向与光源产生的单光束方向垂直，所述y轴偏置磁场线圈电流源与y轴偏置磁场线圈连接为y轴偏置磁场线圈提供所需电流，所述z轴偏置磁场线圈电流源与z轴偏置磁场线圈连接为z轴偏置磁场线圈提供所需电流，所述扫频单元分别与射频磁场线圈压控电流源及数据处理模块连接，射频磁场线圈压控电流源与射频磁场线圈连接，所述扫频单元用于产生频率变化的射频电压信号作用于射频磁场线圈压控电流源，并将频率变化的射频电流信号传输给数据处理模块，所述射频磁场线圈压控电流源用于给射频磁场线圈提供所需压控电流。

20、进一步，还包括磁屏蔽模块，所述磁屏蔽模块设置于两个y轴偏置磁场线圈及两个z轴偏置磁场线圈的外围。

21、发明的有益效果：

22、本发明提供的一种基于单光束的磁场非正交角原位测量系统及方法，单光束经过碱金属原子气室，基于磁共振原理，利用不同偏置磁场方向下系统共振频率的差异，计算得到两偏置磁场线圈之间的非正交角，本发明提供的方法及系统仅依靠单束光可以实现yz轴或xz轴两对线圈间非正交角的原位标定，并且不需要引入其他外界磁场测量设备，不需要改变碱金属原子气室的位置就可以实现磁场非正交角的测量，即磁场非正交角的原位测量，大幅简化了测量系统。相比于利用两束光实现非正交角标定的方法，本发明系统更为简单，适用范围更广，且避免了系统中光与光之间夹角引入的误差。相比引入外界磁力仪等磁场测量设备，通过改变碱金属原子气室的位置进行非正交角标定的方法，避免了非原位测量带来的位置误差。