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CN110927634B - 基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法 - Google Patents

基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法 Download PDF

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CN110927634B CN201911238808.2A CN201911238808A CN110927634B CN 110927634 B CN110927634 B CN 110927634B CN 201911238808 A CN201911238808 A CN 201911238808A CN 110927634 B CN110927634 B CN 110927634B
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Abstract

本发明涉及一种基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法，包括以下步骤：（1）使标量磁力仪的光束方向与三个坐标轴的夹角相同，因此，三个坐标轴方向上的磁场和灵敏度相同；（2）分别在每个坐标轴方向上施加背景磁场，总磁场B为背景磁场
Figure 367481DEST_PATH_IMAGE001
与心脏磁场
Figure 61768DEST_PATH_IMAGE002
的叠加等。本发明的优点是：使得标量磁力仪能够测得弱磁场的矢量信息。这种方案不同于现有的特征，不需要旋转探头位置，保证了测量位置的准确。不需要增加探头数量，节约了成本。能够做到在三个测量方向上灵敏度水平相同，保证了测量矢量的准确性。因此在实用性上，有很强的优势。

Description

基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法
技术领域
本发明属于磁场精密测量领域，特别涉及一种基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法。
背景技术
磁场的精密测量，在军事侦察，矿产勘测，生物磁场探测等领域均有着重要的应用。生物磁场测量在医学及生命科学的研究中，越发重要。以原子磁力仪为例，通常可以划分为矢量磁力仪和标量磁力仪。矢量磁力仪可以测量某一方向的磁场，而标量磁力仪可以测量总磁场的大小。矢量磁力仪和标量磁力仪通常都有敏感轴，敏感轴的取向和其结构及原理有光。因此以矢量生物磁场测量为例，有三种方案。
1.若使用矢量磁力仪，因为其只能测量单一方向的磁场，所以通常需要旋转探测器，用以探测不同方向的磁场值。但是旋转的方式无法保证探测位置完全相同，并且会增加结构的复杂性。
2.增加探测器的数量，用以分别测量不同方向的磁场。增加探头数量的方式，会增加成本，并且因为探测位置不同，无法精确还原某一点的磁场矢量。
3.也有一些用调制的方式同时测量两个方向或三个方向磁场的原子磁力仪方案，但调制的方式会增加系统复杂度，并且无法保证三个方向上的探测灵敏度相同，通常有一个方向的探测灵敏度较弱。
综上，矢量磁力仪在矢量生物磁场的测量中，有相应的困难。标量磁力仪无法用于矢量磁场的测量。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法，本发明的技术方案是：
基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法，包括以下步骤：
(1)使标量磁力仪的光束方向与三个坐标轴的夹角相同，因此，三个坐标轴方向上的磁场和灵敏度相同，所述的标量磁力仪为Mx原子磁力仪；
(2)分别在每个坐标轴方向上施加背景磁场，总磁场B为背景磁场
Figure GDA0002324201980000021
与心脏磁场
Figure GDA0002324201980000022
的叠加，表达式可写为：
Figure GDA0002324201980000023
即标量磁力仪所测得的总磁场B为背景磁场
Figure GDA0002324201980000024
与待测弱磁场，在背景磁场
Figure GDA0002324201980000025
方向上的投影分量的总和；BⅡ为待测磁场沿着背景磁场方向的分量，B⊥为待测磁场垂直背景磁场方向的分量；
(3)切换背景磁场的方向分别与三个坐标轴方向相同；分别测量出待测弱磁场在三个坐标轴方向上的磁场投影，将三个坐标轴方向上待测弱磁场投影的大小合成出待测磁场大小和方向的矢量信息。
所述背景磁场的大小远大于待测的弱磁场时，则磁力仪的测量值为待测磁场在背景磁场方向上的分量；在心磁测量中，背景磁场比待测磁场大一万倍以上，因此测量误差为待测磁场大小的万分之一。
所述的步骤(3)中的切换背景磁场方向的具体步骤为：构建三个坐标轴方向的磁场线圈，每一坐标轴方向对应一磁场线圈，通过控制每个坐标轴方向对应的磁场线圈的开关，实现磁场线圈中电流的接通或断开。
本发明的优点是：使得标量磁力仪能够测得弱磁场的矢量信息。这种方案不同于现有的特征，不需要旋转探头位置，保证了测量位置的准确。不需要增加探头数量，节约了成本。能够做到在三个测量方向上灵敏度水平相同，保证了测量矢量的准确性。因此在实用性上，有很强的优势。
附图说明
图1是本发明的磁力仪摆放方向示意图。
图2是本发明的背景磁场与待测弱磁场的关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
参见图1和图2，本发明涉及一种基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法，包括以下步骤：
(1)使标量磁力仪的光束方向与三个坐标轴的夹角相同，因此，三个坐标轴方向上的磁场和灵敏度相同，所述的标量磁力仪为Mx原子磁力仪；
(2)分别在每个坐标轴方向上施加背景磁场，总磁场B为背景磁场
Figure GDA0002324201980000041
与心脏磁场
Figure GDA0002324201980000042
的叠加，表达式可写为：
Figure GDA0002324201980000043
公式(1)即标量磁力仪所测得的总磁场B为背景磁场
Figure GDA0002324201980000044
与待测弱磁场在背景磁场
Figure GDA0002324201980000045
方向上的投影分量的总和；所谓弱磁场即待测磁场相对背景磁场的强弱，公式
Figure GDA0002324201980000046
为所描述的误差大小，例如待测磁场大小为背景磁场大小的万分之一，则测量误差小于待测磁场的万分之一，误差完全可以忽略。
(3)切换背景磁场的方向分别与三个坐标轴方向相同，分别测量出待测弱磁场在三个坐标轴方向上的磁场投影，将三个坐标轴方向上待测弱磁场投影的大小合成出待测磁场大小和方向的矢量信息，即测得了待测磁场的弱磁矢量信息。
所述背景磁场的大小远大于待测的弱磁场时，则磁力仪的测量值为待测磁场在背景磁场方向上的分量。
所述的步骤(3)中的切换背景磁场方向的具体步骤为：构建三个坐标轴方向的磁场线圈，每一坐标轴方向对应一磁场线圈，通过控制每个坐标轴方向对应的磁场线圈的开关，实现磁场线圈中电流的接通或断开。
下面结合具体的实施例予以细述：
1、Mx原子磁力仪的光速方向如图1所示方式摆放，此时磁力仪与三个坐标轴的夹角相同，以此对于三个坐标轴方向上的磁场和灵敏度均相同。
2、在X轴方向上施加背景磁场，施加1000nT大小的背景磁场，当待测磁场远小于背景磁场时，结合图2所示，则磁力仪测得的值为背景磁场与在背景磁场方向上，待测磁场投影的和。背景磁场大小已知，则可测得待测磁场在X方向上的投影。假设待测磁场小于100pT，则待测磁场为背景磁场的万分之一。通过公式(1)进行计算，此时测量误差为待测磁场的万分之一，即10fT，完全可以忽略。
3、切换背景磁场至Y轴方向，大小不变，测得待测磁场在Y轴方向上的投影大小。
4、切换背景磁场到Z轴方向上，大小不变，测得待测磁场在Z轴方向上的投影大小。
5、根据X轴、Y轴、Z轴三个方向上待测磁场投影的大小，合成出待测磁场的完整信息，即测得了弱磁矢量信息。
其中，Mx原子磁力仪采用磁共振技术，通过射频场，对原子极化强度进行调制。调制频率为外磁场所对应的拉莫尔进动频率。Mx原子磁力仪激光器出射光经过整形扩束，扩束的目的是使得更多的原子参与光与原子的相互作用，以提高磁力的信号幅度，提升信噪比。扩束后的光经过线偏振片(LP)偏振纯化后，再通过四分之一波片，将线偏振光变为圆偏振光，入射到原子气室中。圆偏振光能够将气室内的原子极化。通过对透射光光强的探测，即能够反应在探测光方向上，原子极化程度的变化。气室置于磁屏蔽桶内，用以隔绝外界的磁场噪声，磁屏蔽桶内布置有能够产生匀强磁场的线圈。
在Mx原子磁力仪中，磁场B的变化，将会改变输入信号的大小及相位，因此锁相放大器的输出就对应了磁场B的变化。
在本实施例中的三轴矢量测量中，为了保证在不同的主磁场方向上，有相同的表现，使得其光轴方向，沿着图1的坐标系中，(-1,1,-1)的方向指向。这使得光轴与三个坐标轴夹角均相同。因此，通过改变主磁场方向分别到三个坐标轴上，就能实现完整的心磁矢量的测量。光轴沿(-1,1,-1)指向时，光与磁场的夹角不再是45°，而是54.7°。此时信号强度的衰减非常小，为45°指向时的0.97倍，衰减几乎可以忽略。用这种改变背景磁场方向的方法，实现了矢量心磁的测量。

Claims (1)

1.基于标量磁力仪的弱磁矢量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使标量磁力仪的光束方向与三个坐标轴的夹角相同，因此，三个坐标轴方向上的磁场和灵敏度相同，所述的标量磁力仪为Mx原子磁力仪；
(2)分别在每个坐标轴方向上施加背景磁场，总磁场B为背景磁场
Figure FDA0003549332790000011
与心脏磁场
Figure FDA0003549332790000012
的叠加，表达式可写为：
Figure FDA0003549332790000013
即标量磁力仪所测得的总磁场B为背景磁场
Figure FDA0003549332790000014
与待测弱磁场，在背景磁场
Figure FDA0003549332790000015
方向上的投影分量的总和；BⅡ为待测磁场沿着背景磁场方向的分量，B⊥为待测磁场垂直背景磁场方向的分量；
(3)切换背景磁场的方向分别与三个坐标轴方向相同；分别测量出待测弱磁场在三个坐标轴方向上的磁场投影，将三个坐标轴方向上待测弱磁场投影的大小合成出待测磁场大小和方向的矢量信息；
所述背景磁场的大小远大于待测的弱磁场时，则磁力仪的测量值为待测磁场在背景磁场方向上的分量；在心磁测量中，背景磁场比待测磁场大一万倍以上，因此测量误差为待测磁场大小的万分之一；
步骤(3)中的切换背景磁场方向的具体步骤为：构建三个坐标轴方向的磁场线圈，每一坐标轴方向对应一磁场线圈，通过控制每个坐标轴方向对应的磁场线圈的开关，实现磁场线圈中电流的接通或断开；
为了保证在不同的主磁场方向上，有相同的表现，使得其光轴方向，沿着坐标系中(-1,1,-1)的方向指向；这使得光轴与三个坐标轴夹角均相同；通过改变主磁场方向分别到三个坐标轴上，就能实现完整的心磁矢量的测量；光轴沿(-1,1,-1)指向时，光与磁场的夹角不再是45°，而是54.7°，此时信号强度的衰减小，为45°指向时的0.97倍。
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