一种基于FPGA的自由进动式原子磁强计电控系统

本发明涉及磁场测量，尤其是涉及一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统。

背景技术：

1、磁场测量是认识磁场的关键手段，对磁场认识的深入程度决定着其应用的潜力，随着量子信息领域的发展，基于量子精密测量理论的原子磁强计应运而生，其在磁场测量领域的广泛应用催生出高性能、小型化、低成本的发展方向，基于自由进动原理的原子磁强计是一种高性能的新型磁强计，由于将抽运光、射频磁场和检测光分开施加，排除了光致展宽和射频展宽对共振线宽的影响，进行检测时被极化的原子以拉莫尔频率自由进动而不受抽运光的影响，和连续抽运模式相比系统光频移得到抑制，提高了磁场测量的准确性。同时由于其可以直接从时域信号提取拉莫尔进动频率，不需要进行闭环频率跟踪，在硬件实现和提取频率上更加简单可靠，具有更优的小型化潜力。自由进动式原子磁强计的磁强计结构可以依托传统原子磁强计，但对于其激励和检测的时序配合需求现有仪器设备难以实现，基于自由进动式磁强计的理论研究也多采用拟合算法进行后处理，无法实时进行磁场测量。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，可以有效激励原子磁强计产生自由进动信号，并根据时序配合需求实时提取拉莫尔进动频率实时测量磁场幅值，具有实时性好、硬件结构简单、易集成的优势。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，包括光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元，光磁激励驱动脉冲调制单元分别与激光单元和调制磁场线圈连接，调制磁场线圈安装在磁强计探头上，激光单元与磁强计探头相互连接，磁强计探头还与自由进动信号采集处理单元连接，光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元均与上位机交互连接。

3、优选的，激光单元包括激光器1和激光器2，激光器1与磁强计探头连接，激光器2通过光强调制器与磁强计探头连接。

4、优选的，光磁激励驱动脉冲调制单元包括fpga、dac1和dac2，fpga、dac1和dac2形成两路dds，第一路产生光激励驱动信号供给光强调制器，激光器2发出的抽运光对原子施加光激励；第二路产生磁激励驱动信号供给调制磁场线圈，对原子施加磁激励使磁强计探头中的原子进入自由进动状态。

5、优选的，自由进动信号采集处理单元包括fpga、pda和比较器模块，激励阶段完成后进入检测阶段，来自激光器1的检测光进入磁强计探头，气室中的原子敏感检测光而产生自由进动信号，经pda跨阻放大后进入比较器模块进行整形处理，最后进入fpga，其内部设计的频率计提取拉莫尔进动频率，得到磁场信息。

6、优选的，上位机用于下发指令至fpga，进行激励驱动信号波形、频率、相位、占空比的交互，同时接收fpga上传的拉莫尔进动频率，将其转换为待测磁场幅值进行实时显示，并具有保存导出数据功能以供后续处理分析。

7、优选的，光强调制器可选，可以对抽运光进行脉冲幅度调制，此时磁强计为双光束磁光调制模式，当不采用幅度调制时，仅通过磁激励脉冲驱动得到自由进动信号，此时磁强计为双光束磁调制模式；当不采用激光器2，仅采用单光束作用时，磁强计为单光束磁调制模式。

8、优选的，采用调制磁场线圈对磁强计施加磁激励时磁强计存在磁调制的作用。当不施加磁激励驱动信号时无磁激励的作用，仅有光激励的作用，此时磁强计为双光调制模式；

9、当不施加磁激励驱动信号且仅采用激光器2不采用激光器1时，只有单光束的作用，待脉冲激励完成后降低光功率使其不会抽运原子而进入检测阶段，检测出自由进动信号，此时磁强计为单光调制模式。

10、因此，本发明采用上述结构的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，具备以下有益效果：

11、本发明可以有效激励原子磁强计产生自由进动信号，并根据时序配合需求实时提取拉莫尔进动频率进而实现磁场幅值的实时测量。现有仪器设备由于时钟不统一而难以满足自由进动模式激励检测时序配合需求，基于自由进动式磁强计的理论研究也多采用拟合算法进行后处理，无法实时进行磁场测量，本发明与现有技术相比，具有实时性好、硬件结构简单、易集成、成本低的优势。

12、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于，包括光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元，光磁激励驱动脉冲调制单元分别与激光单元和调制磁场线圈连接，调制磁场线圈安装在磁强计探头上，激光单元与磁强计探头相互连接，磁强计探头还与自由进动信号采集处理单元连接，光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元均与上位机交互连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于：激光单元包括激光器1和激光器2，激光器1与磁强计探头连接，激光器2通过光强调制器与磁强计探头连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于：光磁激励驱动脉冲调制单元包括fpga、dac1和dac2，其中fpga、dac1和dac2形成两路dds，第一路产生光激励驱动信号供给光强调制器，激光器2发出的抽运光对原子施加光激励；第二路产生磁激励驱动信号供给调制磁场线圈，对原子施加磁激励使磁强计探头中的原子进入自由进动状态。

4.根据权利要求3所述的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于：自由进动信号采集处理单元包括fpga、pda和比较器模块，激励阶段完成后进入检测阶段，来自激光器1的检测光进入磁强计探头，气室中的原子敏感检测光而产生自由进动信号，经pda跨阻放大后进入比较器模块进行整形处理，最后进入fpga，其内部设计的频率计提取拉莫尔进动频率，得到磁场信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于：上位机用于下发指令至fpga，进行激励驱动信号波形、频率、相位、占空比的交互，同时接收fpga上传的拉莫尔进动频率，将其转换为待测磁场幅值进行实时显示，并具有保存导出数据功能以供后续处理分析。

6.根据权利要求3所述的一种基于fpga的自由进动式原子磁强计电控系统，其特征在于：光激励驱动信号和磁激励驱动信号的波形为常规脉冲信号或在脉冲高电平时为正弦波或方波的同步脉冲信号中的一种。

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA的自由进动式原子磁强计电控系统，属于磁场测量技术领域。包括光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元，光磁激励驱动脉冲调制单元分别与激光单元和调制磁场线圈连接，调制磁场线圈安装在磁强计探头上，激光单元与磁强计探头相互连接，磁强计探头还与自由进动信号采集处理单元连接，光磁激励驱动脉冲调制单元和自由进动信号采集处理单元均与上位机交互连接。本发明实时性好、硬件结构简单、易集成、成本低，可以有效激励原子磁强计产生自由进动信号，并根据时序配合需求实时提取拉莫尔进动频率进而实现磁场幅值的实时测量。

技术研发人员：姜丽伟,刘峻豪,王卓,徐靖鸿
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：2024/11/11