一种CPT原子磁力仪EIT信号锁定状态监控方法及系统与流程

一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法及系统
技术领域
1.本发明是一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法及系统，涉及cpt原子磁力仪技术领域。


背景技术：

2.cpt(coherent population trapping，相干布居陷俘)磁力仪是一款标量原子磁力仪，其通过测量原子能级在磁场下的塞曼能级分裂间隔来实现磁场测量。cpt原子磁力仪具有小型化，无方向盲区，高精度等特点，可应用于空间磁场测量、水下目标探测等领域。
3.cpt原子磁力仪正常工作时会微波信号频率锁定在eit信号峰上，当外部磁场值变化时，锁定在eit信号峰上的微波信号频率也会发生变化，通过检测微波频率的变化量，即可获取外部磁场值。由于eit信号的线宽较窄，当外部磁场发生阶跃变化，导致微波信号无法跟踪上eit信号时，cpt磁力仪会出现失锁问题，此时cpt磁力仪输出的磁场值存在错误，是一种错误工作模式。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法及系统，现有无法判断cpt磁力仪eit信号峰锁定状态的问题，通过对微波频率进行调频和解调，得到eit信号的幅度信号，通过判断幅度信号是否低于设定阈值，判断cpt磁力仪是否处于锁定状态，磁力仪失锁，则设备可自动寻找eit信号峰恢复锁定状态，提高设备的工程适用性。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
6.本发明公开了一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，包括：
7.将第一信号发生器12产生频率为f2的信号和微波源10产生的频率为f0的微波信号注入iq调制器8中，实现单边带调制，iq调制器8输出频率为f0+f2的信号，发送给激光器1；
8.第二信号发生器11产生频率为2fm的信号，经二分频器分频后，得到频率为fm的信号，注入第一信号发生器12，对第一信号发生器12产生频率为f1的信号进行调制，使第一信号发生器12输出频率为f2的信号；
9.iq调制器8输出的微波信号注入激光器1中，实现对激光器1的高频调制，产生的激光经过起偏器2和1/4波片3转换成圆偏振光，进入原子气室4实现cpt效应，透过原子气室4的光被光电探测器5接收，经驱动电路6转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器7；
10.将第二信号发生器11输出的频率2fm的信号作为参考信号，将驱动电路6输出的信号作为输入信号，采用锁相放大器7将两个信号进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号；
11.设定锁定阈值，若锁相放大器7输出的eit信号峰幅度信号低于锁定阈值连续超过一段时间t，则判定为失锁状态，否则为锁定状态。
12.在上述锁定状态监控方法中，所述输入第一信号发生器12的调频信号的频率为输
入锁相放大器7的参考信号的频率的一半。
13.在上述锁定状态监控方法中，所述f2的值为f1+amcos2πfmt，其中am为调频深度。
14.在上述锁定状态监控方法中，所述第一信号发生器12和第二信号发生器11产生的信号为正弦信号或方波信号。
15.在上述锁定状态监控方法中，所述微波源10产生的微波信号频率为f0＝3417.344
±
10mhz；
16.在上述锁定状态监控方法中，f0+f2为3417.344mhz
±
nγb，其中γ为碱金属原子的旋磁比，b为待测环境磁场值，n为锁定的eit信号峰，n为0、
±
1、
±
2或
±
3。
17.在上述锁定状态监控方法中，所述待测环境磁场值b为100～100000nt。
18.在上述锁定状态监控方法中，所述时间t为1s以上。
19.在上述锁定状态监控方法中，所述微波信号的频率为f0＝3417.344
±
10mhz。
20.本发明公开了一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控系统，包括：
21.微波源10：产生频率为f0的微波信号；
22.第一信号发生器12：产生频率为f1的信号，接收二分频器9发送的频率为fm的信号后对频率为f1的信号进行调制，输出频率为f2的信号，发送给iq调制器8；
23.iq调制器8：接收第一信号发生器12产生频率为f2的信号和微波源10产生的频率为f0的微波信号，调制后输出频率为f0+f2的信号，并发送给激光器1；
24.第二信号发生器11：产生频率为2fm的信号输出给锁相环放大器7，同时发送给二分频器9；
25.二分频器9：接收第二信号发生器11发送的频率为2fm的信号，进行分频后，产生频率为fm的信号，发送给第一信号发生器12；
26.激光器1：接收iq调制器8输入的频率为f0+f2的信号，经过高频调制，产生的激光信号经过起偏器2和1/4波片3转换成圆偏振光，进入原子气室4；
27.光电探测器5：接收透过原子气室4的圆偏振光，将圆偏振光转换为电信号后发送给驱动电路6；
28.驱动电路6：将光电探测器5发送的电信号转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器7；
29.锁相环放大器7：将第二信号发生器11输出的频率2fm的信号作为参考信号，将驱动电路6输出的电压信号作为输入信号，进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号。
30.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
31.1本发明对微波进行频率调制，采用调制频率的二倍频进行相敏检波，获得其二次谐波信号，得到当前eit信号的幅度信号，可以提高信号的检出率。
32.2本发明设当磁力仪正常锁定时，通过二次谐波解调的信号超过设定的阈值，可以识别出当前为锁定状态，当磁力仪失锁时，此时二次谐波解调的信号为零，低于设定的阈值，可以判断磁力仪失锁，可以识别当前磁力仪的锁定状态，若失锁可以迅速恢复锁定状态，具有较高的工程适用性。
附图说明
33.图1为本发明监控方法的处理流程图；
34.图2为本发明eit信号锁定状态说明图；
35.图3为本发明eit信号失锁状态说明图。
具体实施方式
36.下面结合附图进行详细说明。
37.如图1所示，本发明公开了一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，包括：
38.将第一信号发生器12产生频率为f2的信号和微波源10产生的频率为f0的微波信号注入iq调制器8中，实现单边带调制，iq调制器8输出频率为f0+f2的信号，发送给激光器1；f2的值为f1+amcos2πfmt，其中am为调频深度。微波源10产生的微波信号频率为f0＝3417.344
±
10mhz。微波信号的频率为f0＝3417.344
±
10mhz。输入第一信号发生器12的调频信号的频率为输入锁相放大器7的参考信号的频率的一半。第一信号发生器12和第二信号发生器11产生的信号为正弦信号或方波信号。信号发生器12产生频率为f1的信号，使得f0与f1的和为3417.344mhz
±
nγb，其中γ为碱金属原子的旋磁比，b为待测环境磁场值，n为锁定的eit信号峰，n为0、
±
1、
±
2或
±
3。待测环境磁场值b为100～100000nt。
39.第二信号发生器11产生频率为2fm的信号，经二分频器分频后，得到频率为fm的信号，注入第一信号发生器12，对第一信号发生器12产生频率为f1的信号进行调制，使第一信号发生器12输出频率为f2的信号。
40.iq调制器8输出的微波信号注入激光器1中，实现对激光器1的高频调制，产生的激光经过起偏器2和1/4波片3转换成圆偏振光，进入原子气室4实现cpt效应，透过原子气室4的光被光电探测器5接收，经驱动电路6转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器7；
41.将第二信号发生器11输出的频率2fm的信号作为参考信号，将驱动电路6输出的信号作为输入信号，采用锁相放大器7将两个信号进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号。
42.设定锁定阈值，若锁相放大器7输出的eit信号峰幅度信号低于锁定阈值连续超过一段时间t，则判定为失锁状态(如图3所示)，否则为锁定状态(如图2所示)。时间t为1s以上。
43.本发明公开了一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控系统，包括：
44.微波源10：产生频率为f0的微波信号；
45.第一信号发生器12：产生频率为f1的信号，接收二分频器9发送的频率为fm的信号后对频率为f1的信号进行调制，输出频率为f2的信号，发送给iq调制器8；
46.iq调制器8：接收第一信号发生器12产生频率为f2的信号和微波源10产生的频率为f0的微波信号，调制后输出频率为f0+f2的信号，并发送给激光器1；
47.第二信号发生器11：产生频率为2fm的信号输出给锁相环放大器7，同时发送给二分频器9；
48.二分频器9：接收第二信号发生器11发送的频率为2fm的信号，进行分频后，产生频率为fm的信号，发送给第一信号发生器12；
49.激光器1：接收iq调制器8输入的频率为f0+f2的信号，经过高频调制，产生的激光信号经过起偏器2和1/4波片3转换成圆偏振光，进入原子气室4；
50.光电探测器5：接收透过原子气室4的圆偏振光，将圆偏振光转换为电信号后发送
给驱动电路6；
51.驱动电路6：将光电探测器5发送的电信号转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器7；
52.锁相环放大器7：将第二信号发生器11输出的频率2fm的信号作为参考信号，将驱动电路6输出的电压信号作为输入信号，进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号。
53.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于，包括：将第一信号发生器(12)产生频率为f2的信号和微波源(10)产生的频率为f0的微波信号注入iq调制器(8)中，实现单边带调制，iq调制器(8)输出频率为f0+f2的信号，发送给激光器(1)；第二信号发生器(11)产生频率为2f
m
的信号，经二分频器分频后，得到频率为f
m
的信号，注入第一信号发生器(12)，对第一信号发生器(12)产生频率为f1的信号进行调制，使第一信号发生器(12)输出频率为f2的信号；iq调制器(8)输出的微波信号注入激光器(1)中，实现对激光器(1)的高频调制，产生的激光经过起偏器(2)和1/4波片(3)转换成圆偏振光，进入原子气室(4)实现cpt效应，透过原子气室(4)的光被光电探测器(5)接收，经驱动电路(6)转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器(7)；将第二信号发生器(11)输出的频率2f
m
的信号作为参考信号，将驱动电路(6)输出的信号作为输入信号，采用锁相放大器(7)将两个信号进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号；设定锁定阈值，若锁相放大器(7)输出的eit信号峰幅度信号低于锁定阈值连续超过一段时间t，则判定为失锁状态，否则为锁定状态。2.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述输入第一信号发生器(12)的调频信号的频率为输入锁相放大器(7)的参考信号的频率的一半。3.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述f2的值为f1+a
m
cos(2πf
m
t)，其中a
m
为调频深度。4.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述第一信号发生器(12)和第二信号发生器(11)产生的信号为正弦信号或方波信号。5.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述微波源(10)产生的微波信号频率为f0＝3417.344
±
10mhz。6.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：f0+f2为3417.344mhz
±
nγb，其中γ为碱金属原子的旋磁比，b为待测环境磁场值，n为锁定的eit信号峰，n为0、
±
1、
±
2或
±
3。7.根据权利要求6所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述待测环境磁场值b为100～100000nt。8.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述时间t为1s以上。9.根据权利要求1所述的一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控方法，其特征在于：所述微波信号的频率为f0＝3417.344
±
10mhz。10.一种cpt原子磁力仪eit信号锁定状态监控系统，其特征在于，包括：微波源(10)：产生频率为f0的微波信号；第一信号发生器(12)：产生频率为f1的信号，接收二分频器(9)发送的频率为f
m
的信号后对频率为f1的信号进行调制，输出频率为f2的信号，发送给iq调制器(8)；iq调制器(8)：接收第一信号发生器(12)产生频率为f2的信号和微波源(10)产生的频率
为f0的微波信号，调制后输出频率为f0+f2的信号，并发送给激光器(1)；第二信号发生器(11)：产生频率为2f
m
的信号输出给锁相环放大器(7)，同时发送给二分频器(9)；二分频器(9)：接收第二信号发生器(11)发送的频率为2f
m
的信号，进行分频后，产生频率为f
m
的信号，发送给第一信号发生器(12)；激光器(1)：接收iq调制器(8)输入的频率为f0+f2的信号，经过高频调制，产生的激光信号经过起偏器(2)和1/4波片(3)转换成圆偏振光，进入原子气室(4)；光电探测器(5)：接收透过原子气室(4)的圆偏振光，将圆偏振光转换为电信号后发送给驱动电路(6)；驱动电路(6)：将光电探测器(5)发送的电信号转换为描述光功率变化的电压信号，输出给锁相环放大器(7)；锁相环放大器(7)：将第二信号发生器(11)输出的频率2f
m
的信号作为参考信号，将驱动电路(6)输出的电压信号作为输入信号，进行相敏检波，得到eit信号峰的幅度信号。

技术总结
本发明公开了一种CPT原子磁力仪EIT信号锁定状态监控方法及系统，该方法通过对注入激光器的微波信号的频率进行调制，并对探测器输出的光功率信号进行解调，获取其二次谐波信号，进而计算出EIT信号峰的幅度，通过判断幅度是否小于设定阈值，判断CPT原子磁力仪是否失锁，若失锁则重新搜索锁定EIT信号峰，恢复磁场测量功能。本发明现有无法判断CPT磁力仪EIT信号峰锁定状态的问题，设备可自动寻找EIT信号峰恢复锁定状态，提高设备的工程适用性。提高设备的工程适用性。提高设备的工程适用性。


技术研发人员：邓意成 王学锋 刘院省 卢向东 李明阳 徐强锋 和焕雪 赵琳琳 李建军
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：2022.08.25
技术公布日：2023/1/6