一种CPT磁力仪快速锁频方法技术

本发明专利技术公开了一种CPT磁力仪快速锁频方法，采用斜率推定搜索点，通过起始步长计算搜寻起始点附近的信号曲线斜率，然后根据曲线的幅值特性来推断搜索点对应的频率值，降低了运算量，缩短了搜索时间，由于实际的搜索步长可变，所以适用于信号峰值的精密搜索，可以提高搜索速度，提高系统的整体工作效率。该方法还适用于多种光学传感器信号搜索和锁定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种CPT磁力仪的快速锁频方法，尤其涉及磁力仪CPT峰信号峰值定位。
技术介绍
随着高分辨率激光光谱学和量子光学研究的发展，基于原子与激光相互作用的一系列非线性光学现象被用于制备窄线宽的原子共振信号，从而利用该信号实现对磁场的高精度测量。其中相干布居囚禁(coherent population trapping，CPT)磁力仪是该原理的一种典型应用。在原子磁力仪系统中，原子光学传感器在存在外磁场的情况下可以探测到碱金属原子介质的CPT信号曲线，控制系统通过设定的算法来对该信号进行处理，精确确定CPT信号曲线峰值处所对应的频率值，并通过计算侧峰与主峰之间的频率差值来计算磁场强度。由于寻峰算法的精准度和速度直接影响磁力仪探测磁场的分辨率和响应速度，因此CPT峰寻峰算法程序的设计和优化选择就显得非常重要。而且随着磁测系统对精度和响应度的要求不断提升，对控制系统的信号数据处理和频率点快速定位能力也提出了更高的要求。通常，CPT磁力仪的CPT信号频率搜寻是通过斜率法来实现的。斜率法寻峰是根据CPT峰模型曲线的斜率变化规律来寻找峰值位置的。图1显示的是CPT模型中选取频率偏差dw为-100～100时计算得到的一系列斜率值。可以看出，峰值附近的小范围频率差值所计算出的相对应的斜率值是逐渐增大的，当频率差值正好为零时，也就是到达峰值处时得到的斜率值等于0，且峰值左侧和右侧的频率值符号相反。可以根据斜率的这种变化规律来寻找峰值，斜率算法的迭代速度情况可以通过以下设置的典型实验来体现：(1)设定起始点和固定步长。典型情况下的起始点可设置为dw0＝-100，固定步长为d_w＝3。(2)确定寻找方向。比较前后两点的斜率值D(H0)和D(H1)大小，如果D(H0)<D(H1),则方向为正。(3)迭代计算。按固定步长连续计算频率差值并进行方向判断，如果当前计算的斜率值与初始斜率值同号，则继续正向寻找，否则反向寻找。该算法的寻峰迭代结果如图2所示：当运算迭代到第33步时，dw＝0，此时已经到达峰值处。由于该迭代算法始终保持按照固定步长更新数据，所以到达峰值处以后进入锁频过程，频率锁定的状态是在dw＝0附近保持微小幅度的振荡。振幅等于设置的步长值。斜率寻峰法的优势在于可以根据实际情况设置合适的步长并快速定位峰值。但是，在到达目标峰值之后如果继续保持扫描状态，则会出现在峰值处的固定值振荡。寻峰的速度越快则保持在目标值时的振荡越剧烈。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有算法的不足，提供一种CPT磁力仪快速锁频方法，可以根据起始搜索点来快速定位搜寻区间内的下一搜索点，对曲线峰值的寻找速度更快，对峰值点的搜索精度更高，而且锁定后的稳定度也更高。本专利技术的技术方案是：一种CPT磁力仪快速锁频方法，步骤如下：步骤101：建立碱金属原子CPT峰信号曲线数学模型其中，H为光功率，Δf为频率差值，Δf＝f-f0，其中f为实际测量的当前频率，f0为中心频率，H0为功率背景幅度，h为信号幅度，v为线宽；设取该数学模型的一阶近似模型：步骤102：设定观测量为H′，步骤103：给定初始值Δf0，以该点为第一搜索点，对应的观测量为步骤104：给定正增量δf0，此时有Δf1＝Δf0+δf0，该点为第二搜索点，对应的观测量为步骤105：判断方向；如果H′(Δf1)>H′(Δf0)，此时搜索方向与理想方向相反，为反向，需重新选取Δf1＝Δf0-δf0，并重新求取如果H′(Δf1)<H′(Δf0)，表明当前方向为正向，则无需进行额外操作；步骤106：构造直线，即由两搜索点(Δf0，H′(Δf0))和(Δf1，H′(Δf1))构造直线方程为步骤107：求取步骤106所构造直线上的下一个搜索点；当H0为已知量时，设在下一个频率点，在直线方程中有H′(Δf)＝0，则该点的表达式为：此点对应的观测量为当H0为未知量时，假设下一个频率点在直线方程中有H'(Δf)＝Hp＝h，则该点的表达式为此时判断Δfm和Δf1的符号，如果二者同号，则此点对应的观测量设定为否则，对Hp进行更新，使然后更新Δfm和H'(Δfm)；步骤108：数据更新；取Δf1＝Δfm，H′(Δf1)＝H′(Δfm)和Δf0＝Δf1,H′(Δf0)＝H′(Δf1)，重新执行步骤106至步骤108；当搜寻点到达峰值处以后，进入锁频状态。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术方法一方面可以根据起始搜索点来快速定位搜寻区间内的下一搜索点，对曲线峰值的寻找速度更快，对峰值点的搜索精度更高，而且锁定后的稳定度也更高。另一方面，该算法在初始步长较小的情况下仍能以较少的迭代计算次数锁定峰值。该算法是斜率法寻峰的变体，在峰值模型的背景数值大小已知的情况下使用尤为方便。附图说明图1为CPT峰模型中频率差值为-100～100Hz范围所对应的斜率值；图2为斜率法的寻峰迭代情况(误差值为100，步长为3)；图3为本专利技术的算法执行实验结果(误差值为100，步长为3)；图4为本专利技术的迭代情况实验结果(误差值为100，步长为3)。具体实施方式本专利技术是一种用于CPT磁力仪的快速锁频方法，步骤如下：步骤101：建立碱金属原子CPT峰信号曲线数学模型其中，H为光功率，Δf为频率差值，Δf＝f-f0。其中f为实际测量的当前频率，f0为中心频率，H0为功率背景幅度，h为信号幅度，v为线宽，可取常数500Hz，设取该数学模型的一阶近似模型：步骤102：设定观测量为H′，步骤103：给定初始值Δf0，以该点为第一搜索点，对应的观测量为步骤104：给定正增量δf0，此时有Δf1＝Δf0+δf0，该点为第二搜索点，对应的观测量为步骤105：判断方向。如果H′(Δf1)>H′(Δf0)，此时搜索方向与理想方向相反，为反向，需重新选取Δf1＝Δf0-δf0，并重新求取如果H′(Δf1)<H′(Δf0)，表明当前方向为正向；步骤106：构造直线，即由两搜索点(Δf0，H′(Δf0))和(Δf1，H′(Δf1))构成的直线方程为步骤107：求取步骤106所构造直线上的下一个搜索点。此步分为两种情况：(1)当H0为已知量时，设在下一个频率点，在直线方程中有H′(Δf)＝0，则该点的表达式为：此点对应的观测量为(2)当H0为未知量时，假设下一个频率点在直线方程中有H'(Δf)＝Hp＝h，则该点的表达式为此时判断Δfm和Δf1的符号，如果二者同号，则此点对应的观测量设定为否则，对Hp进行更新，使然后更新Δfm和H'(Δfm)。步骤108：数据更新；取Δf1＝Δfm，H′(Δf1)＝H′(Δfm)和Δf0＝Δf1,H′(Δf0)＝H′(Δf1)，重新执行步骤106至步骤108；当搜索点到达峰值处以后，迭代过程持续，进入锁频状态。在具体实施例中，假设在理想情况下，H0为已知量时：(1)CPT峰模型的一阶近似模型为：此时设置h＝50，v＝500；(2)则设定观测量为H′，(3)设定初始值Δf0＝-100，以该点为第一个搜索点；对应观测量为(4)给定正增量δf0＝3，此时有Δf1＝Δf0+δf0，即Δf1＝-97该点为第二个搜索点；对应的观测量为(5)由于H′(Δf1)<H′(Δf0)，表明当前方向为正向；(6)构造直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CPT磁力仪快速锁频方法，其特征在于步骤如下：步骤101：建立碱金属原子CPT峰信号曲线数学模型其中，H为光功率，Δf为频率差值，Δf＝f‑f0，其中f为实际测量的当前频率，f0为中心频率，H0为功率背景幅度，h为信号幅度，v为线宽；设取该数学模型的一阶近似模型：步骤102：设定观测量为H′，步骤103：给定初始值Δf0，以该点为第一搜索点，对应的观测量为步骤104：给定正增量δf0，此时有Δf1＝Δf0+δf0，该点为第二搜索点，对应的观测量为步骤105：判断方向；如果H′(Δf1)>H′(Δf0)，此时搜索方向与理想方向相反，为反向，需重新选取Δf1＝Δf0‑δf0，并重新求取如果H′(Δf1)<H′(Δf0)，表明当前方向为正向，则无需进行额外操作；步骤106：构造直线，即由两搜索点(Δf0，H′(Δf0))和(Δf1，H′(Δf1))构造直线方程为步骤107：求取步骤106所构造直线上的下一个搜索点；当H0为已知量时，设在下一个频率点，在直线方程中有H′(Δf)＝0，则该点的表达式为：此点对应的观测量为当H0为未知量时，假设下一个频率点在直线方程中有H'(Δf)＝Hp＝h，则该点的表达式为此时判断Δfm和Δf1的符号，如果二者同号，则此点对应的观测量设定为否则，对Hp进行更新，使然后更新Δfm和H'(Δfm)；步骤108：数据更新；取Δf1＝Δfm，H′(Δf1)＝H′(Δfm)和Δf0＝Δf1,H′(Δf0)＝H′(Δf1)，重新执行步骤106至步骤108；当搜寻点到达峰值处以后，进入锁频状态。...

【技术特征摘要】
1.一种CPT磁力仪快速锁频方法，其特征在于步骤如下：步骤101：建立碱金属原子CPT峰信号曲线数学模型其中，H为光功率，Δf为频率差值，Δf＝f-f0，其中f为实际测量的当前频率，f0为中心频率，H0为功率背景幅度，h为信号幅度，v为线宽；设取该数学模型的一阶近似模型：步骤102：设定观测量为H′，步骤103：给定初始值Δf0，以该点为第一搜索点，对应的观测量为步骤104：给定正增量δf0，此时有Δf1＝Δf0+δf0，该点为第二搜索点，对应的观测量为步骤105：判断方向；如果H′(Δf1)>H′(Δf0)，此时搜索方向与理想方向相反，为反向，需重新选取Δf1＝Δf0-δf0，并重新求取如果H′(Δf1)<H′(Δf0)，表明当前方向为正向，则无需进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张笑楠，魏宗康，孙晓洁，寇军，李洁，李凯，杨锋，赵博涛，朱志忠，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11