[发明专利]非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测量方法

说明书

本发明涉及一种非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测量方法，是由三轴磁场抵消线圈1中心设有标量磁力仪探头4，x线圈由驱动电流源I激励，y线圈由驱动电流源Ⅱ激励，z线圈由驱动电流源Ⅲ激励，标量磁力仪探头4输出信号通过精密平方运算电路6接入锁相放大器5构成。不同于现有的对磁力仪进行磁场调制，并对输出数据进行拟合处理，再通过推导得到线圈X轴、Y轴非正交角的测量方法，提出一种调制磁场后直接根据数据进行简单计算即可测得非正交角的方法。由于不受SERF磁力仪本身条件限制，无需测得大量数据进行拟合，并且对线圈的三个非正交角均可测量，解决了SERF磁力仪实验中数据校准的问题。

技术领域

本发明涉及一种应用于三轴磁场线圈非正交角检测方法，尤其适用于SERF原子磁力仪在非屏蔽模式下磁场抵消线圈非正交角测量装置与方法。

背景技术

采用高灵敏度磁力仪进行弱磁场测量作为获取磁场信息最新方式，广泛应用于诸多领域。在现代医学中可以利用弱磁场的探测进行胃磁诊断，心磁脑磁诊断等；在军事方面可以进行船只，飞行器等载体姿态的测量与控制。高灵敏度矢量磁传感器能够比标量磁传感器提供更多磁场信息，是测量弱磁场的重要手段。无自旋交换弛豫原子磁力仪(SpinExchange Relaxation Free Regime,SERF)是目前世界上最灵敏的磁力仪，理论灵敏度可达到阿特斯拉量级，应用前景十分广阔。

SERF原子磁力仪是以超精细能级原子跃迁为基础，工作在弱磁环境下的精密磁场测量装置。由于无自旋交换弛豫的基本条件是原子的拉莫尔进动频率远小于原子自旋交换碰撞频率,这就要求原子气室必须工作在微弱磁场下。然而目前大部分SERF原子磁力仪的研究都是采用多层屏蔽筒达到弱磁场环境，磁屏蔽筒在屏蔽干扰磁场的同时也屏蔽掉了外部环境有用信号，另外由于体型庞大的屏蔽筒不易搬移，使其在野外实际应用受限。若要将SERF原子磁力仪的高灵敏优势应用于野外地学测量，甚至扩展到航空(机载)、海洋、深地等复杂环境，则必须消除屏蔽筒带来的不便。

欲使SERF磁力仪摆脱屏蔽筒，则必须采用其他方式抵消环境磁场，三轴磁场线圈是必需的重要构件之一。三轴磁场线圈主要有两方面用途：一是补偿环境磁场，以使原子气室处于弱磁环境中；二是产生磁场调制信号。在生产过程中，很难保证三对线圈完全正交，而这种非正交性直接影响到环境磁场的补偿以及磁场的调制，进而对磁场测量的精度产生影响。因此必须准确测量每两轴线圈间的非正交角，以便对线圈驱动电流进行补偿，从而提高SERF原子磁力仪的精度。

CN105301541A公开的一种适用于SERF原子磁强计的鞍型线圈X,Y轴非正交角的测量装置与方法，其原理是对磁力仪进行磁场调制，基于磁力仪Bloch动力学方程的稳态解对磁力仪输出数据进行拟合处理，从而得到稳态解中的各项参数值，进一步通过推导得到鞍型线圈X,Y轴非正交角。

CN103033786A公开的一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置，利用磁场投影法，测量正交偏差角度，计算正交校准矩阵，解决将三轴矢量磁强计探头测量的数据校准到一个正交坐标系内的问题。

上述方法中CN105301541A可直接通过SERF原子磁力仪的输出得到X,Y轴非正交角，但也存在一定缺陷。此方法需测得大量数据并对数据进行拟合，处理过程较为复杂。并且只能得到X,Y轴间的非正交角，对于X,Z与Y,Z间的非正交角无法测量，有一定的局限性。CN103033786A对于三轴矢量磁强计探头的正交校准是一种行之有效的方法，然而由于磁强计探头本身是磁传感装置，因此此种方法无法应用到三轴磁场线圈的非正交角检测中。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提出一种针对非屏蔽SERF原子磁力仪三轴磁场抵消线圈非正交角测量装置；

本发明的另一目的是提出一种针对非屏蔽SERF原子磁力仪三轴磁场抵消线圈非正交角测量装置的测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：