光泵磁力仪中垂直腔面发射激光器激光波长锁定

针对光泵磁力仪(OPM)对小型化、低功耗以及激光光源波长稳定性的要求,提出一套垂直腔面发射激光器激光波长锁定控制方案.所提基于多普勒吸收的光反馈波长锁定方案以133 Cs原子D1线F_(g)=4→F_(e)=3超精细能级跃迁波长为参考波长,OPM的原子蒸汽气室同时作为波长锁定的工作气室,无需任何额外装置即可将激光波长锁定在该D1线跃迁波长.使用数字比例积分微分控制与模糊控制算法进行激光的温度控制,使温度波动在±0.005℃内;采用基于电流镜的激光电流驱动方案,使电流波动在±50 nA内,为激光波长锁定提供了良好的硬件基础.最后,在实验室环境下实现OPM长达2 h的稳定信号输出.

氦光泵磁力仪信号的分析及检测

研究了氦光泵磁力仪中共振曲线、基频调制信号和二倍频信号的特征及关系,将二倍频信号应用到光泵磁力仪检测系统中,利用其幅值在共振区外为零、在共振点处达到峰值这一特性,解决了当外磁场变化超出共振区范围时,光泵磁力仪仅利用基频调制信号难以重新快速定位共振点的问题。系统实测信号幅值变化曲线与数学模型曲线相符合,实测共振曲线线宽约200 nT,在共振点处二倍频信号经放大其峰峰值可达12.6 V,满足实用要求,为光泵磁力仪性能的提升提供了有效方法。

铯光泵磁力仪光电检测电路噪声特性研究

光电检测电路噪声性能是影响磁力仪灵敏度的重要因素。基于M_x型铯光泵磁力仪光电信号的特点,对磁力仪光电检测电路噪声来源进行分析,建立了基于跨阻放大电路的等效噪声模型,推导出电路信噪比及输出噪声频谱特性,并分析各噪声分量在总噪声中的比重;根据磁力仪拉莫尔信号频带范围,设计研制了具有低噪声性能的光电检测电路并应用于铯光泵磁力仪。测试结果表明,所提噪声模型理论分析和实验结果一致,基于跨阻放大的光电检测电路,其低频段噪声主要由等效电流噪声决定,随着频率升高,放大器等效电压噪声逐渐起主要作用。进一步的野外实验表明,基于光电检测电路所研制的光泵磁力仪噪声达0.6 pT/√Hz,与国外同类产品CS-VL水平相当。

氦光泵磁力仪信号检测控制回路的设计

为了解决氦光泵磁力仪传统检测控制方法跟踪速度慢,难以较快速率进行连续测量的问题,设计了检测控制回路采用同时应用基频和二倍频信号的方法,利用二倍频信号幅值变化的特点来完成加速积分作用,从而实现对外磁场变化的快速跟踪。该回路中还实现了一种输出频率范围宽,大于8～20 MHz;波段覆盖系数大,达到2.5,且具有较高瞬时稳定度的压控振荡器,可满足对整个地磁场范围的测磁要求。

氦光泵磁力仪中磁敏传感器的研制

介绍了应用于氦光泵磁力仪的磁敏传感器的工作原理,分析并讨论了该传感器的研制过程,给出了研制该传感器的一些重要参数。另外,为了能够缩短激励时间,提出了一种用于激励氦光源的新方法。实验表明,利用所制传感器可获得磁共振信号的直流分量大于16V,幅度约为400mV,共振线宽小于150nT。配合本实验室研制的检测电路,获得的被测磁场数值与已有的磁力仪获得的数据基本一致。

铯光泵磁力仪(G880)在海洋工程勘探方面的应用

为准确测出光、电缆的位置，利用G880铯光泵磁力仪，在芦潮港和大小洋山之间进行了磁力探测。经过探测，海底通信光缆能引起8～20nT磁异常，海底动力电缆能引起约2000nT的强异常，根据磁异常形态曲线可定出光缆的位置。依据光缆的结构原理图，分析探讨光、电缆产生磁异常的原因。

基于FPGA的铯光泵磁力仪频率计设计

铯光泵磁力仪需要通过测量频率换算得到磁场值。以FPGA(现场可编程门阵列)为核心,采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)语言设计等精度频率计,完成了对铯光泵磁力仪输出频率的采集。该等精度频率计包含整形模块、FPGA测量模块、单片机模块。经测试,该等精度频率计计数分辨率为0.007Hz,对应磁场值为2p T。

光泵磁力仪磁屏蔽筒的尺寸设计

为设计原子光泵磁力仪中的高屏蔽效能磁屏蔽体,修正了多层磁屏蔽筒轴向屏蔽效能公式,并对比验证多层磁屏蔽筒各尺寸参数对轴向屏蔽效能的影响。对3层磁屏蔽筒模型应用Ansoft Maxwell建模仿真得到中心点磁屏蔽效能159.77 d B,公式计算结果为167.5 d B,研究结果表明修正的磁屏蔽筒轴向屏蔽系数公式比现阶段研究中的屏蔽筒轴向屏蔽系数公式(170.5 d B)具有更高的准确度,且参数对磁屏蔽效能的影响趋势与仿真具有较高的一致性。在其他尺寸参数相同情况下,3层磁屏蔽筒轴向长度间隔为46.5 mm时,轴向屏蔽效能存在最优值167.486 d B,在地磁场环境中剩磁小于0.6 p T,对磁屏蔽筒的尺寸设计具有重要指导意义。

光泵磁力仪中压控振荡器的设计与实现

压控振荡器是光泵磁力仪的核心器件。为使光泵磁力仪能够对整个地磁场范围进行有效测量,需要一种输出频率范围宽。波段覆盖系数大,并具有较高瞬时稳定度的压控振荡器。采用多个变容二极管并联的方法,设计了基于西勒振荡电路形式,具有放大功能的压控振荡器。实验结果表明,该压控振荡器的输出频率范围大于8~20 MHz,波段覆盖系数达到2.5,输出波形幅度在整个频率范围内均达到3V以上,信号输出稳定,完全满足光泵磁力仪对地磁测量的要求。

氦光泵磁力仪(HC-95a)在矿体勘查中的应用

目标勘查区出露矿化类型为矽卡岩型矿化,矽卡岩型矿床中常含有能引起明显磁性异常的磁铁矿。为了在区内有效地指导探矿工作,我们使用HC-95a手持式氦（He^4）光泵磁力仪,结合高精度GPS测量,开展了地面高精度磁测工作。测区共进行17条测线,每条测线长700m,在区内西部圈定出两个明显高磁异常体（A,B）。A异常延长290m,宽50-200m;B异常延长300m,宽100-150m,均具有一定规模。两个高磁物探异常可能为矿化体引起,给下一步探矿工作指明了方向。

光泵磁力仪中磁共振光学检测方法研究

在光泵磁力仪中,直接检测塞曼能级跃迁时的信噪比非常低,而采用磁共振光学检测技术,可把对微波量子的检测变换到对能量较微波量子大数万倍的光子的检测上,可大幅度得提高检测信号的信噪比。为此,针对光泵磁力仪中磁共振的光学检测方法进行了研究,论述了吸收室透明度检测法、正交光束检测法、自旋交换碰撞法和调制泵浦光法的基本原理及实验装置,分析对比了这些方法的测量特点,给出其适用对象及实现的难易程度,为光泵磁力仪的设计提供了依据。

光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用

光缆传输光信号时不会产生磁异常 ,但是 ,在实际光缆路由调查工程中 ,用G880 -G磁力仪却能测量到明显的磁异常。本文对光缆产生磁异常的原因作了两个假设 ,一是电流 -磁场模型 ,光缆除了包含有许多光纤外 ,通常还包含有许多转发器 ,这些转发器必须依靠电流才能正常工作 ,而这些电流可能是产生磁异常的原因。另一个假设为圆柱体 -磁场模型 ,光缆除包含有许多软性保护材料外 ,还包含有钢质材料或磁性材料 ,这些材料如同水平无限延伸的圆柱体一样 ,也可能是产生磁异常的原因。最后还讨论了光缆的定位。

基于嵌入式技术的光泵磁力仪控制系统设计

本文设计了光泵磁力仪的后端测频与中央控制系统,利用高速CPLD来测定拉莫尔频率;使用ARM嵌入式中央处理器来实现测量数据的转换、显示与存储,处理器的富余端口同时完成前端拉莫尔频率跟踪锁定环路的辅助捕获功能.实验表明系统各项功能正常,失锁后的重新捕获时间小于5s.相比于原型样机GB-4A,设备的复杂性和体积大大减小,因此在无人机航空磁测等领域具有良好的应用前景.

一种光泵磁力仪自动捕获跟踪系统的设计

采用分立的改进型VCO设计了一种光泵磁力仪的跟踪锁定环路,并利用后继的中央控制器来完成辅助捕获功能。实验表明环路能获得1Hz的跟踪精度,失锁后的重新捕获时间小于5s。相比于在系统中应用手动电调或专门的辅助捕获电路,该跟踪系统充分利用了后继中央控制器的富余资源,减小了设备的复杂性和体积;加之运用廉价的分立元件构建VCO单元,进一步降低了成本,因此具有良好的应用前景。

结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法

为了提高光泵磁力仪频率测量的精度和速度,提出了一种结合平滑时窗-最小二乘法的光泵磁力仪快速高精度频率测量方法。首先,根据光泵磁力仪频率信号的特点,分析了该方法的测量原理和实现方法。然后,推导了频率测量的公式,分析了影响频率测量精度的因素。最后,设计频率测量实验和室外磁场测量实验对提出的方法进行验证。实验结果证明,该方法明显优于多周期同步测频法,在80~350 kHz频率段内均方差均小于2.2×10^(-3)Hz,在磁场测量实验中,采样频率为200 Hz时,噪声功率谱密度为0.001 nT√Hz@1Hz。

DDS在光泵磁力仪频率锁定中的应用

光泵磁力仪测量微弱磁场的实验中,通常需要一个射频场作用于铷原子气室,当发生共振时,所加射频场的频率就等于拉莫尔进动频率,可以通过这个频率换算出待测磁场的值。当待测磁场的值发生变化时,共振频率也会发生变化,因此要求所加的射频场能够追踪共振频率的变化。直接数字频率合成器(DDS)具有频率分辨率高、输出频率稳定和控制方便等优点,因此提出并研制了一种基于DDS的频率锁定系统。DDS用的是AD9854芯片,用微控制器(MCU)读取锁相放大器的输出电压,然后进行比例运算并控制DDS的输出频率,从而达到频率锁定的目的。

基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统

为解决地震地磁矢量观测中质子矢量磁力仪噪声大,长期观测中存在明显漂移,磁通门磁力仪温度效应明显,保温磁房投入大等问题,研制了基于铯光泵磁力仪的地震地磁矢量测量系统,本文详细介绍了其测量原理及仪器结构,设计了混合分量线圈装置,并开展了稳定性分析。研制的样机在蒙城地震台开展了观测实验。结果表明,实验期内记录良好,采样率达到1 Hz,1月份总强度、水平分量和磁偏角月噪声分别为0.01 nT、0.02 nT和0.003′,优于地震地磁观测基本网质子矢量磁力仪最好噪声水平,也优于同场地两台磁通门磁力仪的噪声水平和基准网的平均噪声水平。其实验期内水平分量和磁偏角最大漂移分别为1.3 nT和0.16′,小于座钟式质子矢量磁力仪基线漂移,具有良好的稳定性。

基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法

针对航空超导全张量系统中高精度的磁场测量需求以及应用特点,采用一种新型频率测量方法可以更精确的测量光泵频率,从而可以更为精确的测量磁场。文中介绍了利用GPS授时信号作为闸门时间来进行频率测量的方法,并重点阐述了其设计方法;然后给出了该方法在50～300 k Hz的测量结果,试验表明该方法明显优于普通晶振提供闸门时间的频率测量方法,且在该频率段内最大误差小于0.02 Hz,同时验证了该方法达到实用要求且解决了航空超导全张量系统中使用晶振造成的电磁兼容问题及系统小型化问题。

基于虚拟仪器的光泵磁力仪测控系统设计

为了降低激光泵浦磁力仪的噪声,首次将虚拟仪器技术应用到了光泵磁力仪的测控系统中。采用Labview编程工具和基于PXIe总线的工控系统,完成了数据采集、信号处理和信号发生三个模块的一体化设计。在分析各个模块实现的基础上,重点研究了数字信号处理算法的设计。通过改进FIR结构低通滤波器解决了噪声水平和系统带宽的矛盾,采用梯形积分增量式PID控制算法,提高了系统的抗干扰能力和鲁棒性,使得控制系统的噪声水平达到了0.01μV的量级。结合激光稳频技术和稳功率技术,有效地消除了激光的频率漂移和功率抖动所引入的噪声,将磁力仪的噪声降低到了0.7 pT/Hz0.5@1 Hz。

自激式铯光泵磁力仪吸收室恒温控制系统

吸收室是自激式铯光泵磁力仪的重要组成部分,通常采取加热控制维持吸收室的恒温。研究并设计了应用于铯光泵磁力仪吸收室的恒温加热控制系统,为验证该系统研制了一个恒温槽模型,通过对恒温槽进行加热模拟对铯光泵磁力仪吸收室加热的过程,在此基础上研制了测温平台,通过LabVIEW观测恒温槽内温度随时间变化的全过程。实验结果验证了恒温加热控制系统在铯光泵磁力仪中应用的可行性,对铯光泵磁力仪探头激励的研究提供了数据支持。