基于銫光泵磁力儀的地磁噪聲補償技術(shù)

謝胤，羅方雪，張樊，王羚，柳占新

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所國防科技工業(yè)弱磁一級計量站，湖北宜昌 443001）

0 引言

磁場測量一直是精密測量領(lǐng)域的重要研究方向。自中國古代發(fā)明指南針以來，基于多種工作原理的磁場測量設(shè)備已被研制出來，如霍爾傳感器、磁通門、質(zhì)子磁力儀、超導量子磁力儀、無自旋交換弛豫磁力儀等。其中基于光磁共振原理的光泵磁力儀是一種量子磁傳感器［1］，憑借高精度、高靈敏度和快速響應(yīng)等特點在眾多磁力儀中脫穎而出。光泵磁力儀在醫(yī)學診斷［2］、地球物理［3］、慣性導航［4-5］等多個領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

根據(jù)工作模式的不同，光泵磁力儀可分為自激式和跟蹤式，自激式光泵磁力儀具有更快的響應(yīng)速率與更強的抗干擾能力［6］；根據(jù)工作元素的不同，光泵磁力儀又可分為堿金屬原子光泵磁力儀和惰性氣體光泵磁力儀［7］，堿金屬光泵磁力儀中的工作物質(zhì)主要為鉀、銣和銫等元素。在地磁探測、磁性目標搜索等任務(wù)中，磁力儀需要安裝在飛行器等運動載體上，自激式銫光泵磁力儀因具備快速響應(yīng)、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，得到了重點應(yīng)用。

近年來，隨著光泵磁力儀的發(fā)展，其國際最優(yōu)水平靈敏度已達到0.3 pT/Hz1/2@1 Hz［8］。為了給磁傳感器的校準和測試提供穩(wěn)定的磁場環(huán)境，常用的方法是給磁屏蔽筒內(nèi)的線圈通入恒定電流［9］來復(fù)現(xiàn)恒定的磁場，因此，復(fù)現(xiàn)磁場的噪聲水平主要取決于電流源的噪聲。若僅采用精密電流源來復(fù)現(xiàn)地磁場量級的磁場，其噪聲水平無法滿足光泵磁力儀的測試需求。

為了獲得噪聲更低的恒定磁場，介紹了一種基于光泵磁力儀的地磁噪聲補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光泵磁力儀、函數(shù)發(fā)生器、鑒相控制器、磁場復(fù)現(xiàn)線圈等組成的鎖相閉環(huán)系統(tǒng)，其中光泵磁力儀的靈敏度決定了該系統(tǒng)的補償效果。實驗采用研制的兩型自激式銫光泵磁力儀：一種是以激光為光源的激光銫光泵磁力儀（Laser Optical-Pumping Magnetometer，LOPM），另一種是以銫原子光譜燈為光源的銫光泵磁力儀（CAM-01），該兩種磁力儀除了光源不同，其它組成部分完全相同。基于此兩種光泵磁力儀的地磁噪聲補償系統(tǒng)均復(fù)現(xiàn)了穩(wěn)定的弱磁場，本文研究為設(shè)計和建造基于高靈敏度銫原子磁力儀的地磁噪聲補償系統(tǒng)提供了重要參考。

1 基本原理和實驗裝置

LOPM和CAM-01通過光泵浦和磁共振等技術(shù)測量拉莫爾頻率，該方法首次被Dehmelt提出理論［10］，由Bell和Bloom實驗驗證［11］。自激式光泵磁力儀是通過光探測的方式鎖定發(fā)生磁共振時射頻場頻率，進而推算待測磁場值。

激光器產(chǎn)生894.6 nm的線偏振光，經(jīng)過光學器件后變成圓偏振光，入射到銫原子氣室。銫原子與外磁場、射頻場建立的三維坐標如圖1所示，以外磁場B方向為z軸，射頻場方向為x軸建立三維坐標系。

圖1 三維坐標Fig.1 Three-dimensional coordinate

射頻場表達式為

式中：B1為射頻場磁感應(yīng)強度的大小，T；ω為射頻場頻率，rad/s。

氣室內(nèi)銫原子在激光、外磁場和射頻場等因素作用下，原子磁化強度發(fā)生改變，x軸磁矩越大，透射光強越小。整個原子宏觀磁性可以用磁化強度M表示為

式中：μ為核磁矩，A·m2；V為樣品體積，m3。其運動方程有

式中：B為外磁場和射頻場的疊加，T；γ為原子的旋磁比，Hz/T。

根據(jù)布洛赫方程，磁化強度在x，y，z軸分量的演化為

式中：T1為縱向弛豫時間，s；T2為橫向弛豫時間，s；Mx為磁化強度在x軸上的分量，A·m-1；My為磁化強度在y軸上的分量；Mz為磁化強度在z軸上的分量；M0為處于平衡態(tài)的原子的磁化強度。

解穩(wěn)態(tài)方程，式（4）在x軸分量的穩(wěn)態(tài)解有

式中：Δω=ω0-ω=γB-ω為頻率的失諧量。

令

代入式（5）可得

根據(jù)式（6）可得

當銫原子氣室發(fā)生光磁共振時，Δω趨近于0，根據(jù)式（8）可以得出α=90°，這時根據(jù)式（7）與式（1）可以計算出x軸的磁極化強度分量Mx滯后射頻場相位90°［12］。

若要完成磁場的探測則需要增添一個自激回路進行磁場鎖定和跟蹤。首先，需要將光電信號進行一定幅度的放大，以滿足幅度條件|AF|=1，A為開環(huán)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)；然后，因光信號超前射頻信號90°，而光電轉(zhuǎn)換及后續(xù)電路不會產(chǎn)生相移，所以需要額外的移相電路使得光電信號與射頻信號滿足自激振蕩的相位條件，即Δφ=2nπ（n=0，1，2，3…）。這樣便形成了完整的自激回路，可以進行磁場的跟蹤與鎖定。

CAM-01和LOPM的光路分別如圖2（a）、圖2（b）前端所示。圖2（a）為原子光譜燈光源的銫光泵磁力儀，一定功率的射頻信號激勵銫原子光譜燈，其發(fā)出的熒光經(jīng)過準直透鏡后變成準平行光，然后通過窄帶濾光片得到894.6 nm譜線的光。圖2（b）為激光光源的銫光泵磁力儀，采用Vescent公司的D2-100-DBR激光模塊，通過恒溫控制和飽和吸收譜穩(wěn)頻之后得到894.6 nm波長的激光，再通過整形和擴束得到平行光。LOPM和CAM-01分別以激光和原子光譜燈作為光源，經(jīng)偏振片和1/4波片后變成圓偏振光，隨后進入原子氣室并與銫原子相互作用，最后由透鏡匯聚于光電探測器。實驗過程中，兩種光源的光斑直徑均約為12 mm，光強約為1 mW。

地磁噪聲補償系統(tǒng)是一種具備噪聲抑制和磁場復(fù)現(xiàn)功能的裝置［13］。圖2（c）展示了地磁補償系統(tǒng)組成部分。為獲取恒定的磁場，首先使用磁通門測量Y軸，Z軸磁場，并通過精密恒流電源進行補償，抵消地磁場在Y，Z軸方向的分量，再通過精密恒流電源改變X軸線圈的電流來調(diào)節(jié)X軸方向的磁場大小。高穩(wěn)定頻率源輸出一個參考頻率，參考頻率值對應(yīng)目標磁場值，銫光泵磁力儀將X軸磁場值轉(zhuǎn)換為頻率信號，并通過改變X軸恒流源的輸出電流，使銫光泵磁力儀輸出頻率值逼近參考頻率，當頻率差足夠小，整個環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。當環(huán)路進入鎖定狀態(tài)后，系統(tǒng)則可以自動補償X軸地磁場的變化，并使銫光泵磁力儀的輸出頻率穩(wěn)定在參考頻率附近。

圖2 基于銫光泵磁力儀的地磁噪聲補償系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of geomagnetic noise compensation system based on cesiumoptical-pumping magnetometer

3 實驗結(jié)果

實驗中，先采用CAM-01以10 Hz的采樣率對地磁噪聲補償系統(tǒng)周圍的環(huán)境磁場進行測量，如圖3所示。從圖中可以看出，環(huán)境磁場不但有持續(xù)漂移，而且在一定范圍內(nèi)環(huán)境磁場的磁感應(yīng)強度峰-峰值大于80 pT，磁場漂移和噪聲超出了磁傳感器的校準和測試的要求。引起環(huán)境磁場漂移和噪聲的因素十分復(fù)雜［14］，如地球自轉(zhuǎn)、環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造、周圍地形環(huán)境、人造金屬物體和周圍電器設(shè)備等因素均會導致磁場噪聲，當這些影響因素不可避免時，可通過地磁噪聲補償系統(tǒng)進行地磁噪聲補償和恒定磁場復(fù)現(xiàn)。

圖3 環(huán)境磁場Fig.3 Environmental magnetic field

復(fù)現(xiàn)磁場的峰-峰值是評價地磁噪聲補償系統(tǒng)的重要指標。然后，將CAM-01和LOPM分別用于地磁噪聲補償系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)大小分別為20000，35000，50000，65000和80000 nT的磁場，兩類銫光泵磁力儀測得的磁場如圖4所示。分別以CAM-01和LOPM作為磁傳感器的地磁噪聲補償系統(tǒng)所復(fù)現(xiàn)磁場的峰-峰值如表1所示。其中，當LOPM所測磁場的峰-峰值處于2.9 pT至7.6 pT之間時，CAM-01所測磁場的峰-峰值處于3.2 pT至10.8 pT之間時，均遠低于地磁環(huán)境下磁場噪聲，說明該地磁噪聲補償系統(tǒng)可以有效復(fù)現(xiàn)低噪聲磁環(huán)境。如圖4（a）～圖4（c）所示，當復(fù)現(xiàn)50000 nT以下磁場時，以LOPM和CAM-01作為磁傳感器的地磁噪聲補償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場的峰-峰值相差不大；如圖4（d）和圖4（e）所示，當復(fù)現(xiàn)高于50000 nT的磁場時，以LOPM作為磁傳感器的地磁噪聲補償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場的峰-峰值低于以CAM-01為磁傳感器的補償系統(tǒng)。

表1 不同復(fù)現(xiàn)磁場的峰-峰值Table.1 Peak-to-peak value of different reproduced magnetic fields

圖4 不同復(fù)現(xiàn)磁場的補償效果圖Fig.4 Diagram of the compensation effect of different reproduced magnetic fields

銫光泵磁力儀的靈敏度會對地磁噪聲補償系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)磁場的效果產(chǎn)生影響，其復(fù)現(xiàn)磁場雖然不能直接用來進行銫光泵磁力儀噪聲和靈敏度指標的評估，但能間接反映銫光泵磁力儀的性能。本文通過復(fù)現(xiàn)磁場的功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）來間接分析銫光泵磁力儀靈敏度［15］。分別以CAM-01和LOPM作為磁傳感器的地磁補償系統(tǒng)，所復(fù)現(xiàn)磁場在1 Hz處的功率譜密度如表2所示。表中數(shù)據(jù)為圖5（a）～圖5（e）中LOPM和CAM-01在1 Hz的功率譜密度，隨著復(fù)現(xiàn)磁場的增大，LOPM的PSD逐漸增大，但始終低于CAM-01，其原因在于，隨著磁場強度的增大，原子氣室內(nèi)磁場梯度增大，且磁共振信號的線寬增大，導致光泵磁力儀靈敏度降低。

表2 不同復(fù)現(xiàn)磁場的功率譜密度(1 Hz)Table.2 PSDof different reproduced magnetic fields(1 Hz)

圖5 不同復(fù)現(xiàn)磁場的功率譜密度Fig.5 PSDof different reproduced magnetic fields

4 結(jié)論

針對光泵磁力儀在地磁補償系統(tǒng)中的應(yīng)用問題，本文研制了兩類用于地磁噪聲補償系統(tǒng)的自激式銫光泵磁力儀，相對于跟蹤式氦光泵、鉀光泵及質(zhì)子磁力儀，具有更高的頻率響應(yīng)帶寬，實現(xiàn)補償系統(tǒng)對更高頻率磁干擾的補償能力。復(fù)現(xiàn)磁場峰-峰值低于10.8 pT（10 Hz采樣率），功率譜密度優(yōu)于0.5 pT/Hz1/2@1 Hz?；诩す夤庠吹腖OPM和基于原子光譜燈光源的CAM-01，既解決了環(huán)境磁場漂移的問題，又避免了環(huán)境磁場噪聲過大的問題，復(fù)現(xiàn)了穩(wěn)定的弱磁場，提高了校準和測試磁傳感器的能力。此外，本文首次將激光銫光泵磁力儀應(yīng)用于地磁噪聲補償系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明在較大磁場下可復(fù)現(xiàn)噪聲更低的恒定磁場，為光泵磁力儀的靈敏度指標繼續(xù)提高也提供了可參考的技術(shù)方案。