原子磁力儀低功耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王維東,楊國卿,梁尚清,徐云飛,王曰海,李紹良,趙萬良

(1.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院,浙江 杭州 310027; 2.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.浙江大學(xué) 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

?

原子磁力儀低功耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王維東1,楊國卿2,梁尚清3,徐云飛3,王曰海1,李紹良4,趙萬良4

(1.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院,浙江 杭州 310027; 2.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.浙江大學(xué) 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)

對原子光泵磁力儀控制系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。介紹了光泵原子磁力儀的物理原理，給出了研制的原子磁力儀控制電路系統(tǒng)的組成。針對銫光泵磁力儀中的低功耗光源，對垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的溫控和恒流驅(qū)動進(jìn)行了研究。用低功耗直接數(shù)字合成器(DDS)產(chǎn)生精確的低噪聲射頻信號，并將Freescale公司的ARM Cortex-M0+微控制器作為主控單元，用數(shù)字算法替代鎖定放大器硬件電路，實(shí)現(xiàn)了激光波長鎖定和磁共振頻率跟蹤的數(shù)字化環(huán)路，有效降低了電路功耗。實(shí)際系統(tǒng)測試表明：控制部分的功耗小于185 mW，地磁場強(qiáng)度下原子磁力儀噪聲小于10 pT/Hz0.5(1 Hz時(shí))。

原子磁力儀； 低功耗； 控制系統(tǒng)； 直接數(shù)字合成器； 信號調(diào)制； 鎖定放大器； 微控制器； 垂直腔面發(fā)射激光器

0 引言

高精度的光泵磁力儀是分析和測量磁場的有效工具，學(xué)科交叉研究的開展使相關(guān)的弱磁測量技術(shù)發(fā)展迅速，高精度磁測技術(shù)在地球物理勘探、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、海陸礦藏勘測、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力[1]。標(biāo)量磁力儀能高精度測量磁場強(qiáng)度的大小，而磁通門矢量磁力儀能產(chǎn)生正比于磁場的大小和方向的三軸矢量輸出，但絕對精度有限。在一些航空和科學(xué)任務(wù)中，需要矢量和標(biāo)量磁力儀的組合應(yīng)用。核磁共振陀螺儀是一種利用核自旋的進(jìn)動過程對自身所在參考系的轉(zhuǎn)動進(jìn)行測量的儀表，本質(zhì)上是用原子磁力儀測量質(zhì)子磁力儀的信號，從而獲得參考系角速度的相關(guān)信息。因此，原子磁力儀相關(guān)技術(shù)也是核磁共振陀螺儀的基礎(chǔ)。

信號檢測技術(shù)和控制系統(tǒng)是光泵磁力儀的關(guān)鍵[2]。激光照射銫原子使其激發(fā)到激發(fā)態(tài)，出現(xiàn)光抽運(yùn)信號，若以射頻信號激發(fā)，原子會從激發(fā)態(tài)跳回基態(tài)。銫原子在外界磁場中產(chǎn)生塞曼分裂，當(dāng)射頻信號頻率與兩個相鄰磁能級間的頻率相等時(shí)，光電二極管能檢測得到原子光磁共振信號。用頻率跟蹤的檢測方法，對光電檢測信號進(jìn)行閉環(huán)鎖相檢測，可自動鎖定吸收最強(qiáng)時(shí)激勵磁場的拉莫爾頻率[1]?；诠獗么殴舱裨硌兄频拇艤y儀器，在工程勘探和科技研究應(yīng)用中有很高的靈敏度。加拿大Scintrex公司的CS-3銫光泵磁力儀，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、梯度容限高、測量盲區(qū)小等特點(diǎn)，工作時(shí)功耗15 W。Geometrics公司的G882等海洋銫光泵磁力儀也具有高靈敏度及高采樣率的特點(diǎn)，功耗12 W。國內(nèi)研制的有中船重工715所的GB-4A型氦光泵磁力儀，中國國土資源部航空物探遙感中心的HC-2000、HC95型氦光泵磁力儀等。美國的磁力儀研究水平和設(shè)備性能一直處于世界前列，而我國的原子磁力儀技術(shù)的研究水平較發(fā)達(dá)國家尚有一定差距。

雖然自激式原子磁力儀方案的電路相對簡單，但其必須對磁場自激頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，高速高精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度高，且功耗較大。目前市場上實(shí)用化的原子磁力儀，多采用堿金屬原子泡射頻激發(fā)產(chǎn)生特定譜線的光，這導(dǎo)致原子磁力儀的功耗無法降低。由于原子磁力儀對低噪聲和高精度的要求，高性能的分布式反饋激光器(DFB)和分布式布拉格反射激光器(DBR)的自身耗電就達(dá)數(shù)百毫瓦，其驅(qū)動電路和控制系統(tǒng)也相對復(fù)雜，這嚴(yán)重限制了原子磁力儀在移動平臺中的應(yīng)用。VCSEL的閾值電流較小(1 mA)，激光輸出效率更高，這為低功耗原子磁力儀的研制提供了基礎(chǔ)[3]。原子磁力儀控制系統(tǒng)較大的復(fù)雜度和功耗成為瓶頸。ARM公司開發(fā)的32位Cortex-M0+處理器采用了90 nm低功耗工藝，耗電量僅 9 μA/MHz，極低功耗并擁有良好的計(jì)算性能，是全球最低功耗效率的微處理器。為此，本文將ARM Cortex-M0+微控制器作為主控單元，對數(shù)字化銫原子磁力儀低功耗控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究。

1 光泵原子磁力儀物理原理

原子在未受到激發(fā)的正常狀態(tài)下處于最低能級，這是最穩(wěn)定的基態(tài)。當(dāng)處于基態(tài)的粒子受到激光的激發(fā)時(shí)，若激光的頻率能量恰好等于原子的能級差，則產(chǎn)生共振吸收，部分原子獲得能量從穩(wěn)定的低能級躍遷到不穩(wěn)定的高能級。受到激發(fā)處于高能級的粒子會釋放能量，自發(fā)躍遷回到最穩(wěn)定的基態(tài)。

堿金屬銫的化學(xué)符號是Cs，銫原子的基態(tài)為62S1/2，低激發(fā)態(tài)為62P1/2，62P3/2。從6P能級躍遷到6S能級會產(chǎn)生兩條譜線，其中：從62P1/2能級到62S1/2能級躍遷的譜線為D1線，對應(yīng)波長894.592 nm；另一條為D2譜線，對應(yīng)波長852.347 nm。

原子中電子繞核運(yùn)動會產(chǎn)生磁矩，電子和原子核的各自自旋也會產(chǎn)生磁矩，其大小與動量矩成正比[4]。在外磁場B0的作用下，同一軌道中不同自旋的電子能量不同導(dǎo)致了原子光譜的塞曼分裂。

在入射激光的持續(xù)作用下，光抽運(yùn)會使塞曼能級上的電子發(fā)生偏極化，導(dǎo)致其非均勻居布。當(dāng)在銫原子氣室外加一射頻磁場B1，射頻磁場的頻率為ν，若滿足

(1)

即如hν等于塞曼子能級差，就發(fā)生磁共振現(xiàn)象，氣室原子偏極化降低，銫原子對光的吸收能力增強(qiáng)了，到達(dá)探測器的光就會減弱。此處：gF為朗德因子；μB為玻爾磁子。

電子躍遷頻率與外磁場強(qiáng)度成確定的比例關(guān)系，銫原子滿足比例關(guān)系

(2)

通過對光強(qiáng)檢測和處理，光強(qiáng)極小值對應(yīng)的射頻為共振頻率，即拉莫爾進(jìn)動頻率。因此，光泵原子磁力儀通過測量該共振頻率可準(zhǔn)確推算出外磁場的大小。

2 磁場測量控制環(huán)路

研制的原子磁力儀控制電路系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)組成主要包括低噪聲恒流源、半導(dǎo)體致冷器(TEC)恒溫控制單元、跨導(dǎo)預(yù)放大器、有源帶通濾波器(BPF)、DDS、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)2個、溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器(TCXO)和ARM Cortex-M0+微控制器1個。原子磁力儀的其它部分包括VCSEL、激光擴(kuò)束透鏡、四分之一波片、銫Cs填充的玻璃氣室單元、無磁光電二極管等，而電源穩(wěn)壓和氣室加熱部分未列入。微控制器(MCU)通過串行接口(UART)將磁場數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)完成采集和分析。

控制系統(tǒng)的主要作用有：

a)VCSEL支持電路，通過穩(wěn)定的電流驅(qū)動和恒溫控制，使輸出的單模激光精確鎖定在銫原子的D1線；

b)高分辨率射頻信號產(chǎn)生電路，通過頻率調(diào)制和同步檢測，使之準(zhǔn)確鎖定于拉莫爾進(jìn)動頻率；

c)系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)和定時(shí)控制及通信。

控制回路的核心是一個Freescale公司的Kinetis系列微控制器MKL15Z64。它采用32位ARM Cortex-M0+高效處理器架構(gòu)，能靈活地?cái)?shù)字化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和產(chǎn)生各種信號。微控制器軟件實(shí)現(xiàn)多個功能模塊，包括2個數(shù)字鎖相放大器(LIA)、2個比例積分(PI)控制器，以及2個調(diào)制頻率的產(chǎn)生等[5]。微控制器通過程序設(shè)計(jì)調(diào)整VCSEL溫度和電流，產(chǎn)生DDS頻率控制射頻信號，激光器的波長掃描和磁場捕捉等系統(tǒng)功能也由微控制器實(shí)現(xiàn)。因多個功能模塊的數(shù)字化、集成化實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的功率消耗更少，電路所需空間和重量也顯著降低。

2.1 直接數(shù)字合成器

DDS原理如圖2所示。調(diào)諧字M可用于指定輸出頻率為時(shí)鐘頻率的分?jǐn)?shù)比，它用于相位累加器的相位步長，累加器的輸出作為周期信號的相位信息，通過查找表轉(zhuǎn)換為正弦信號，該數(shù)字正弦信號通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號。這樣，通過更新DDS的M，就可改變其輸出信號的頻率[2]。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中直接數(shù)字合成器選用Analog Devices公司的低功耗DDS芯片AD9838，該器件相位累加器位寬N=28，DAC位寬10 b，工作電壓2.7～5.0 V，功耗小于20 mW。AD9838與MCU的接口為SPI模式。

DDS的主要優(yōu)點(diǎn)是改善相位噪聲，精確控制輸出頻率。其輸出頻率的最高分辨率定義為

(3)

式中：Δf為頻率分辨率；Mmin為最小可能的二進(jìn)制調(diào)諧字，且Mmin=1；fclock為DDS時(shí)鐘頻率；N為相位累加器實(shí)際寬度。

當(dāng)時(shí)鐘頻率fclock=5 MHz，頻率分辨率Δf=18.6 3 mHz時(shí)，對應(yīng)磁場的分辨率為5.33 pT。DDS的輸出驅(qū)動氣室上的射頻線圈，用于產(chǎn)生原子光磁共振，其最大輸出頻率可達(dá)相當(dāng)于磁場0.7 mT以上。

MCU通過以一定周期規(guī)律地變動DDS的M，就可實(shí)現(xiàn)DDS輸出信號的數(shù)字頻率調(diào)制(FM)。數(shù)字調(diào)頻正弦輸出通過DAC轉(zhuǎn)換到模擬域，并作為射頻(RF)信號激勵射頻線圈。

2.2 光磁共振

氣室的光磁諧振特性相當(dāng)于鑒頻器，將數(shù)字調(diào)頻轉(zhuǎn)換為透射激光強(qiáng)度的幅度調(diào)制。光磁共振的吸收和色散信號如圖3所示[6]。色散信號的過零點(diǎn)對應(yīng)于光磁共振頻率，即拉莫爾進(jìn)動頻率。

透射光通過空間被光電二極管接收。光電二極管將光強(qiáng)的振幅調(diào)制轉(zhuǎn)換為等效電流，跨阻前置放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號。該電壓信號通過運(yùn)放的帶通濾波器進(jìn)一步放大后，被饋送至微控制器ADC采樣數(shù)字化，在微控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的鎖相放大與相干解調(diào)。因DDS的調(diào)制頻率和鎖定放大器的解調(diào)參考基準(zhǔn)均由MCU產(chǎn)生，故無需額外外部器件，且90°移相也由MCU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)[7]。

3 激光載波穩(wěn)定電路

為使原子磁力儀有良好的噪聲性能，VCSEL二極管的載波頻率須滿足銫D1線的光躍遷62P1/2到62S1/2譜線的最大值，其典型半高寬度(FWHM)為500 MHz，偏差需小于80 MHz。

VCSEL的激光頻率與溫度密切相關(guān)，典型的頻移系數(shù)為0.06 nm/K，溫度的穩(wěn)定性影響原子磁力儀的性能。使用的VCSEL，由于內(nèi)部已集成了熱敏電阻和TEC(熱電致冷器)，這樣明顯減小了激光器的體積。本文采用MAIXIM公司的MAX1978芯片作為TEC的驅(qū)動，其基于脈寬調(diào)制(PMW)開關(guān)方式高效驅(qū)動TEC，有效減小了能量消耗。電流以不同方向流過TEC，可實(shí)現(xiàn)加熱或制冷。MAX1978芯片的控制精度可達(dá)0.001 K，能滿足波長溫度穩(wěn)定的需求。通過TEC的溫度掃描，可使激光器的輸出波長對準(zhǔn)在銫原子吸收譜線的D1線的極值點(diǎn)，如圖4所示。

VCSEL的激光頻率與驅(qū)動電流也密切相關(guān)，頻移系數(shù)約0.6 nm/mA，需有非常穩(wěn)定和極低噪聲的恒流源[3，8]。但因基準(zhǔn)電壓器件的長期漂移和溫度漂移，故不可避免將導(dǎo)致載波頻率的漂移[9]。因此，需用反饋控制回路穩(wěn)定激光二極管的載波頻率。

激光器波長鎖定電路主要是利用激光器驅(qū)動電流的反饋鎖定到銫原子吸收光譜實(shí)現(xiàn)的。為避免額外的光路設(shè)計(jì)，減小探頭體積，本文采用了銫原子吸收光譜對波長進(jìn)行鎖定的方式。

MCU通過定時(shí)器產(chǎn)生約1.6 kHz的方波抖動信號，交流電流疊加到VCSEL二極管的直流上，對激光波長進(jìn)行頻率調(diào)制。包含1.6 kHz信號的預(yù)放大輸出，通過MCU內(nèi)部的16位ADC同步采樣后成為數(shù)字信息，90°相移的1.6 kHz定時(shí)對該數(shù)字信息進(jìn)行鎖定放大解調(diào)，這些在MCU內(nèi)部數(shù)字化同步執(zhí)行。數(shù)字域計(jì)算PI環(huán)路濾波，通過16位低噪聲DAC將輸出轉(zhuǎn)換成模擬電流，使VCSEL激光波長始終鎖定在色散S曲線的過零點(diǎn)[10]。因此，控制回路實(shí)現(xiàn)了反饋閉合鎖定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測試該原子磁力儀控制系統(tǒng)的性能，將氣室傳感器單元置于磁屏蔽桶內(nèi)以減少外部的干擾，并通過精密恒流源在內(nèi)部磁場線圈產(chǎn)生所需的穩(wěn)定磁場。整個原子磁力儀控制系統(tǒng)可單電源工作，直流工作電壓3.3 V，工作電流55.2 mA，控制部分的實(shí)際功耗小于185 mW，9 800 mA·h的鋰離子電池可支持連續(xù)工作7 d，滿足移動平臺的使用條件。經(jīng)測試，激光器的TEC溫控部分占用近60%電流，故該部分功耗還可進(jìn)一步降低。原子氣室的最佳工作溫度為45～50 ℃，此處未計(jì)入原子氣室的加熱功耗。

在磁場強(qiáng)度50 000 nT下原子磁力儀噪聲測量及其噪聲密度譜如圖5所示。由圖5可知：在0.01～1 Hz范圍內(nèi)無明顯的1/f噪聲的影響；在1 Hz附近噪聲譜小于10 pT/Hz0.5，磁場響應(yīng)帶寬大于1 Hz。實(shí)際測試表明：激光穩(wěn)頻和系統(tǒng)控制電路在十幾小時(shí)的長時(shí)間磁場測量中工作穩(wěn)定，基本達(dá)到使用的實(shí)際要求。

5 結(jié)束語

本文研究了銫光泵磁力儀的低功耗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新地利用單片ARM Cortex-M0+微控制器同時(shí)實(shí)現(xiàn)VCSEL激光器的波長控制、譜線鎖定和射頻信號的拉莫爾進(jìn)動頻率數(shù)字鎖定，有效降低了控制電路的功耗。由于設(shè)計(jì)原理和器件功耗限制，目前該磁力儀噪聲指標(biāo)還偏大、頻響較低，降低整個系統(tǒng)的噪聲和提高帶寬性能是后續(xù)研究的重點(diǎn)。另外，控制系統(tǒng)的功耗還有望繼續(xù)減小。由于DDS輸出的RF頻率由微控制器輸出控制字決定，該原子磁力儀無需高精度頻率計(jì)對拉莫爾進(jìn)動頻率進(jìn)行計(jì)

數(shù)，其控制字通過內(nèi)部軟件換算，可直接由串口輸出對應(yīng)的磁場強(qiáng)度大小，這樣將進(jìn)一步減少系統(tǒng)的總功耗。本文為核磁共振陀螺儀的研究提供了基礎(chǔ)。低功耗小型化的原子磁力儀將是未來移動平臺高精度和長期穩(wěn)定磁場檢測的重要設(shè)備。

[1] 張斌. 小型化銫光泵原子磁力儀研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2015.

[2] POLLINGER A, LAMMEGGER R, MAGNES W, et al. Control loops for a coupled dark state magnetometer[C]// IEEE Sensors 2010 Conference. Waikoloa: IEEE, 2010: 779-784.

[3] KROEMER E, RUTKOWSKI J, MAURICE V, et al. Characterization of commercially available vertical-cavity surface-emitting lasers tuned on Cs D1 line at 894.6 nm for miniature atomic clocks[J]. Applied Optics, 2016, 55(31): 8839-8847.

[4] ALEKSANDROV E B, VERSHOVSKII A K. Modern radio-optical methods in quantum magnetometry[J]. Physics-Uspekhi, 2009, 52(6): 573-601.

[5] WENN D. Implementing digital lock-in amplifiers using the dsPIC? DSC[R]. Microchip Technology Inc Application Notes, DS01115A, 2007.

[6] BJORKLUND G C, LEVENSON M, LENTH W, et al. Frequency modulation FM spectroscopy[J]. Appl Phys B, 1983, 32: 145-152.

[7] VERSHOVSKII A K, PAZGALEV A S. Optically pumped quantum Mx magnetometers: digital measurement of the Mx resonance frequency in a rapidly varying field[J]. Technical Physics, 2006, 51(7): 924-928.

[8] AFFOLDERBACH C, NAGEL A, KNAPPE S, et al. Nonlinear spectroscopy with a vertical-cavity surfaceemitting laser (VCSEL)[J]. Applied Physics B: Lasers and Optics, 2000, 70: 407-413.

[9] 呂利強(qiáng), 杜潤昌, 劉朝陽, 等. 數(shù)字伺服實(shí)現(xiàn)相干布居囚禁原子頻標(biāo)的激光穩(wěn)頻[J]. 中國激光, 2009, 36(6): 1411-1415.

[10] VERSHOVSKII A K, DMITRIEV S P, PAZGALEV A S. Optically pumped quantum magnetometer with combined advantages of Mz and Mx devices[J]. Technical Physics, 2013, 58(10): 1481-1488.

Study on Design of Low Power Control System for Atomic Magnetometer

WANG Wei-dong1, YANG Guo-qing2, LIANG Shang-qing3, XU Yun-fei3,WANG Yue-hai1, LI Shao-liang4, ZHAO Wan-liang4

(1. College of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,Zhejiang, China; 2. College of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018,Zhejiang, China; 3. Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;4. Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China)

The design of low power control system for atomic optical pumped magnetometer was studied in this paper. The physical principle of the atomic optical pumped magnetometer was introduced. The composition of the control circuit system for the atomic optical pumped magnetometer was presented. For the low power light source in cesium optical pumped magnetometer, the temperature control and constant current driving of vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) were designed. The low power direct digital synthesis (DDS) chip was used for low noise accurate RF signal generation. An ARM Cortex-M0+based microcontroller of Freescale Semiconductor Company was used as master control chip, replacing the hardware circuit of lock-in amplifier with digital algorithm. The locking of the laser wavelength and tracking the magnetic field dependent resonances frequency were implemented in digital closed loops. The circuit power consumption was effectively reduced. The results of the ground tests showed that power consumption of the control system was less than 185 mW, and the noise floor of atomic magnetometer was less than 10 pT/Hz0.5at 1 Hz under geomagnetic field.

atomic magnetometer； low power； control system； direct digital synthesis； modulation signal； lock-in amplifier； microcontroller； vertical cavity surface emitting laser

1006-1630(2017)02-0047-05

2017-01-24；

2017-04-01

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2013AA063901)；上海航天科技創(chuàng)新基金資助(SAST2016075)

王維東(1967—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樵哟帕x系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖像視頻處理等。

TH762

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.02.003