[发明专利]一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统

说明书

一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统，该系统采用分时调制方法调制微波信号频率，将微波信号频率同时锁定在4组EIT信号上，4组EIT信号包含±3级(或±1级)和±2级EIT峰，通过测量±2级EIT峰或±3级EIT峰的频差实现磁场的高精度测量。由于系统同时锁定4组EIT信号，当磁场方向发生变化时，若±3级和±1级(或±2级)EIT峰消失时可通过测量±2级(或±3级和±1级)EIT峰的频差实现磁场测量，因此可实现一种无方向盲区CPT磁力仪，并且在磁场方向改变时不需要切换测量模式，可保证磁场连续测量，具有极高的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及一种实现无方向盲区测量的CPT磁力仪系统，属于微波频率锁定领域。

背景技术

CPT磁力仪具有小体积、低功耗、高精度、无方向盲区等特点，有望取代光泵磁力仪应用于空间测磁、海洋测磁、航空测磁等领域。

CPT磁力仪是基于原子精细结构能级在磁场中的塞曼劈裂现象，通过检测原子两个跃迁通道之间干涉引起的透射光谱特性来实现对磁场的测量。在∧型三能级系统中，能级|1，|2为基态能级，|3为激发态能级。两束相干光作用于原子，它们的频率为ω₁和ω₂，分别对应着两个基态和激发态之间的跃迁频率。在这样的情况下，能级|1和|2会处于相干叠加态，此时原子不再可能发生基态向激发态的跃迁，原子布居被陷俘在基态上，因此不再吸收光，上述即为CPT现象，所产生的信号称为EIT信号，CPT磁力仪正是通过测量EIT信号间的微波频率进而实现高精度的磁场测量。

EIT信号会随着外界磁场与激光夹角的变化发生变化。图1中给出了激光与磁场方向平行时的EIT信号，此时只存在±2级和0级EIT信号，而±3级和±1级EIT信号消失；同理当激光方向与磁场方向垂直时，如图2所示，此时只存在±3级和±1级EIT信号，而±2级和0级EIT信号消失。若只通过锁定2个EIT信号峰测量磁场，若激光和磁场方向变化，则锁定的2个EIT信号可能消失，此时磁力仪工作异常，即磁力仪存在测量盲区。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统，解决了采用2个EIT信号测量时存在方向盲区，需要切换测量模式的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种多峰闭环无方向盲区CPT磁力仪系统，包括：

正弦调频模块：通过微波源产生一个单一频率的微波信号，对该微波信号进行单边带正弦调频，调制频率为f_m，调频范围为A_m；

中心频率调整模块：改变单边带正弦调频之后的微波信号的中心频率，将中心频率调整为-3级或-1级EIT信号的中心频率；

微分信号获取模块：根据调整得到的-3级或-1级EIT信号的中心频率，采用相敏检波方法，获取-3级或-1级EIT信号的微分信号，记为P′(-3)或P′(-1)；

循环改变模块：依次改变微波信号的中心频率：将中心频率调整为f₀-γB、f₀+γB和的组合，或者调整为f₀-γB、f₀+γB和的组合，分别采用相敏检波方法获取EIT信号的微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+3)的组合，或者得到微分信号P′(-2)、P′(+2)和P′(+1)的组合；

待测磁场值确定模块：将循环改变模块中获取的EIT信号的微分信号相加组合成总的误差信号P′(B)注入数字PID控制器中；数字PID控制器通过调节B使误差信号P′(B)为零，构成PID闭环控制系统，此时PID信号调节的B值即为待测磁场值。

进一步的，将产生的单一频率的微波信号注入激光器，对激光器光强进行调制产生的调制后激光中包含两个边带光，将调制后的激光注入内部充有碱金属的玻璃气室中，通过测量透射光功率的变化实现解调出EIT信号。