一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于分布式调制的原子磁梯度测量装置及测量方法，该测量装置包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室、温度控制模块和信号分析控制模块，对经过两个原子气室中的两路泵浦光分别进行光功率调制，对经过两个原子气室中的同一路探测光进行空间分离的偏振态调制，在不增加激光光源和探测器的前提下实现了双通道的原子磁梯度测量，有效提高磁场测量的抗干扰能力和磁异常测量灵敏度；本发明专利技术利用功率调制的泵浦光实现两个原子磁场通道中原子自旋的激励，通过控制泵浦光束的光束直径和行进路径，有效避免两个磁场测量通道之间的耦合，实现原子自旋共振激励的完全隔绝，避免双通道磁测量信号之间的串扰，获得更加准确的磁梯度测量结果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法
本专利技术涉及量子精密测量
，特别地，涉及一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置及测量方法。
技术介绍
在工程领域，各类地下管线、人防工程、旧建筑基础等障碍物是影响高层建筑、市政、公路、铁路、水利等各类工程建设项目设计和施工的重要因素。因此，在工程设计和施工前需要查明这些物体的分布、性质和地下埋藏情况。针对大埋深非开挖金属管线探测、深埋人防工程、桩靴等铁磁性障碍物探测应用，传统探测手段受到探测原理、探测精度或探测距离等因素制约，难以解决上述难题。非开挖金属管线探测、深埋人防工程、桩靴以及灌注桩钢筋笼等目标均属于强铁磁性物质，受地球磁场的磁化作用，在其周围区域均分布有较强的磁异常。利用高灵敏度的磁梯度测量装置能够实现地下磁异常目标的精确定位。原子磁探测技术利用碱金属原子在磁场中的自旋共振效应实现磁场测量，是目前世界上最灵敏的磁场测量手段，具有高灵敏、低功耗、可连续测量的优点。单通道工作的原子磁测量装置只装配一个传感单元，灵敏度稍低，且仅能测量磁场的总场强度，受外部磁场均匀度、磁场日变以及周围环境温度变化等的影响很大。原子磁梯度测量装置使用两个磁传感单元进行磁场梯度测量，能够有效提升抗干扰能力和磁异常测量灵敏度，不仅能够在工程建设领域中获得较好应用效果，在军事领域可以用于探测水下潜艇、未爆炸物、磁性障碍物等，在医疗研究领域可用于无线胶囊跟踪、靶向癌细胞的检测、舌头跟踪等，在地球物理领域可用于矿产勘探、洞穴测绘、地磁场演变等。原子磁梯度测量装置需要两个传感单元中工作原子实现同步共振激励和同步进动检测，目前普遍采用的射频磁场激励方案和多探测器检测方案同步性差，且容易在两个传感单元之间造成串扰，使测量结果耦合，难以实现较好抗干扰效果。综上所述，急需一种全新原子磁梯度测量方案以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，具体方案如下：一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，包括泵浦光路模块、探测光路模块、原子气室、温度控制模块和信号分析控制模块；所述原子气室包括第一原子气室和第二原子气室；所述泵浦光路模块用于产生泵浦激光极化第一原子气室和第二原子气室中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器、泵浦激光器、第一分光片、第一二分之一波片、偏振分光镜、第一激光功率调制元件、第一扩束镜、第一起偏器、第一四分之一波片、第一反射镜、第二激光功率调制元件、第二扩束镜、第二起偏器以及第二四分之一波片；所述泵浦激光器用于发射泵浦激光；所述第一分光片用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束和泵浦光主光束；所述泵浦激光控制器设置在泵浦光参考光束光路上并用于实现对泵浦激光器的泵浦激光频率的选择及锁定；所述偏振分光镜用于将泵浦光主光束分为泵浦光第一光束和泵浦光第二光束，所述第一二分之一波片位于第一分光片和偏振分光镜之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；所述第一激光功率调制元件、第一扩束镜、第一起偏器和第一四分之一波片顺次设置在泵浦光第一光束的光路上，第一激光功率调制元件用于实现对泵浦光第一光束的光功率进行调制，第一扩束镜用于扩大泵浦光第一光束的光斑尺寸，第一起偏器和第一四分之一波片用于调整进入第一原子气室的泵浦光第一光束的偏振状态；所述第一反射镜、第二激光功率调制元件、第二扩束镜、第二起偏器以及第二四分之一波片顺次设置在泵浦光第二光束的光路上，第一反射镜用于实现对泵浦光第二光束激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件用于实现对泵浦光第二光束光功率的调制，第二扩束镜用于扩大泵浦光第二光束的光斑尺寸，第二起偏器和第二四分之一波片用于调整进入第二原子气室的泵浦光第二光束的偏振状态；所述探测光路模块用于产生探测激光，探测激光经过第一原子气室和第二原子气室中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述探测光路模块包括探测激光控制器、探测激光器、第二分光片、第二反射镜、第三扩束镜、第三起偏器、激光偏振调制元件、聚焦透镜、第三反射镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器；所述探测激光器发射探测激光；第二分光片用于将探测激光分为探测光参考光束和探测光主光束；所述探测激光控制器设置在探测光参考光束的光路上并用于实现对探测激光器的探测激光频率的选择及锁定；所述第二反射镜、第三扩束镜和第三起偏器顺次设置在探测光主光束的光路上，第二反射镜用于实现对探测光主光束激光行进路线的调整，第三扩束镜用于扩大探测光主光束的光斑尺寸，第三起偏器用于调整进入第一原子气室的探测光主光束的偏振状态；所述激光偏振调制元件位于第一原子气室和第二原子气室之间，用于调制穿过第一原子气室后进入第二原子气室的探测光主光束的偏振状态；所述聚焦透镜、第三反射镜、第二二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器顺次设置在穿过第二原子气室的探测光主光束的光路上，聚焦透镜用于汇聚经过第二原子气室的探测光主光束，探测光主光束经过第二二分之一波片和沃拉斯顿棱镜后被平衡探测器接收，所述第三二分之一波片、沃拉斯顿棱镜和平衡探测器用于检测探测光主光束经过第一原子气室和第二原子气室偏振方向的变化；温度控制模块用于控制第一原子气室和第二原子气室的温度；所述信号分析控制模块分别连接第一激光功率调制元件、第二激光功率调制元件、激光偏振调制元件以及平衡探测器。优选的，所述平衡探测器的输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。优选的，温度控制模块包括第一无磁温度传感器、第一电加热片、第一温度控制器、第二无磁温度传感器、第二电加热片和第二温度控制器；所述第一无磁温度传感器用于监测第一原子气室的温度，第一电加热片用于加热第一原子气室，第一无磁温度传感器和第一电加热片均与第一温度控制器连接；所述第二无磁温度传感器用于监测第二原子气室的温度，第二电加热片用于加热第二原子气室，第二无磁温度传感器和第二电加热片均与第二温度控制器连接。优选的，信号分析控制模块包括激光偏振调制控制器、锁相放大器、第一激光功率调制控制器、第二激光功率调制控制器、转换电路和数据处理服务器；激光偏振调制控制器驱动信号输出端与激光偏振调制元件和锁相放大器的参考信号输入端相连，用于产生激光偏振调制元件驱动信号；所述锁相放大器的信号输入端与平衡探测器的输出端相连，用于解调探测光主光束经过第二原子气室后偏振方向的变化信号；所述第一激光功率调制控制器的输出端与第一激光功率调制元件相连，用于产生第一激光功率调制元件的驱动信号；所述第二激光功率调制控制器的输出端与第二激光功率调制元件相连，用于产生第二激光功率调制元件驱动信号；所述转换电路的模数转换输入端分别于与平衡探测器的差分输出端、锁相放大器的输出端相连；所述转换电路的数模转换输出端分别与第一激光功率调制控制器的输入端和第二激光功率调制控制器的输入端连接；所述数据处理服务器与转换电路连接。优选的，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜分别能进行单独调节。本专利技术还公开一种基于分布式光调制的原子磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，包括泵浦光路模块(1)、探测光路模块(2)、原子气室(3)、温度控制模块(4)和信号分析控制模块(5)；/n所述原子气室(3)包括第一原子气室(301)和第二原子气室(302)；/n所述泵浦光路模块(1)用于产生泵浦激光极化第一原子气室(301)和第二原子气室(302)中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器(101)、泵浦激光器(102)、第一分光片(103)、第一二分之一波片(104)、偏振分光镜(105)、第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)、第一四分之一波片(109)、第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)；所述泵浦激光器(102)用于发射泵浦激光；所述第一分光片(103)用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束(1A)和泵浦光主光束(1B)；所述泵浦激光控制器(101)设置在泵浦光参考光束(1A)光路上并用于实现对泵浦激光器(102)的泵浦激光频率的选择及锁定；所述偏振分光镜(105)用于将泵浦光主光束(1B)分为泵浦光第一光束(1C)和泵浦光第二光束(1D)，所述第一二分之一波片(104)位于第一分光片(103)和偏振分光镜(105)之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；所述第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)和第一四分之一波片(109)顺次设置在泵浦光第一光束(1C)的光路上，第一激光功率调制元件(106)用于实现对泵浦光第一光束(1C)的光功率进行调制，第一扩束镜(107)用于扩大泵浦光第一光束(1C)的光斑尺寸，第一起偏器108和第一四分之一波片109用于调整进入第一原子气室(301)的泵浦光第一光束(1C)的偏振状态；所述第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)顺次设置在泵浦光第二光束(1D)的光路上，第一反射镜(110)用于实现对泵浦光第二光束(1D)激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件(111)用于实现对泵浦光第二光束(1D)光功率的调制，第二扩束镜(112)用于扩大泵浦光第二光束(1D)的光斑尺寸，第二起偏器(113)和第二四分之一波片(114)用于调整进入第二原子气室(302)的泵浦光第二光束(1D)的偏振状态；/n所述探测光路模块(2)用于产生探测激光，探测激光经过第一原子气室301和第二原子气室302中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述探测光路模块(2)包括探测激光控制器(201)、探测激光器(202)、第二分光片(203)、第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)、第三起偏器(206)、激光偏振调制元件(207)、聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)；所述探测激光器(202)发射探测激光；第二分光片(203)用于将探测激光分为探测光参考光束(2A)和探测光主光束(2B)；所述探测激光控制器(201)设置在探测光参考光束(2A)的光路上并用于实现对探测激光器(202)的探测激光频率的选择及锁定；所述第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)和第三起偏器(206)顺次设置在探测光主光束(2B)的光路上，第二反射镜(204)用于实现对探测光主光束(2B)激光行进路线的调整，第三扩束镜(205)用于扩大探测光主光束(2B)的光斑尺寸，第三起偏器(206)用于调整进入第一原子气室(301)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述激光偏振调制元件(207)位于第一原子气室(301)和第二原子气室(302)之间，用于调制穿过第一原子气室(301)后进入第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)顺次设置在穿过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的光路上，聚焦透镜(208)用于汇聚经过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)，探测光主光束(2B)经过第二二分之一波片(210)和沃拉斯顿棱镜(211)后被平衡探测器(212)接收，所述第三二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)用于检测探测光主光束(2B)经过第一原子气室(301)和第二原子气室(302)偏振方向的变化；/n温度控制模块(4)用于控制第一原子气室(301)和第二原子气室(302)的温度；/n所述信号分析控制模块(5)分别连接第一激光功率调制元件(106)、第二激光功率调制元件(111)...

【技术特征摘要】
1.一种基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，包括泵浦光路模块(1)、探测光路模块(2)、原子气室(3)、温度控制模块(4)和信号分析控制模块(5)；
所述原子气室(3)包括第一原子气室(301)和第二原子气室(302)；
所述泵浦光路模块(1)用于产生泵浦激光极化第一原子气室(301)和第二原子气室(302)中的碱金属原子介质，其包括泵浦激光控制器(101)、泵浦激光器(102)、第一分光片(103)、第一二分之一波片(104)、偏振分光镜(105)、第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)、第一四分之一波片(109)、第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)；所述泵浦激光器(102)用于发射泵浦激光；所述第一分光片(103)用于将泵浦激光分为泵浦光参考光束(1A)和泵浦光主光束(1B)；所述泵浦激光控制器(101)设置在泵浦光参考光束(1A)光路上并用于实现对泵浦激光器(102)的泵浦激光频率的选择及锁定；所述偏振分光镜(105)用于将泵浦光主光束(1B)分为泵浦光第一光束(1C)和泵浦光第二光束(1D)，所述第一二分之一波片(104)位于第一分光片(103)和偏振分光镜(105)之间，用于调整泵浦光第一光束和泵浦光第二光束的光功率；所述第一激光功率调制元件(106)、第一扩束镜(107)、第一起偏器(108)和第一四分之一波片(109)顺次设置在泵浦光第一光束(1C)的光路上，第一激光功率调制元件(106)用于实现对泵浦光第一光束(1C)的光功率进行调制，第一扩束镜(107)用于扩大泵浦光第一光束(1C)的光斑尺寸，第一起偏器108和第一四分之一波片109用于调整进入第一原子气室(301)的泵浦光第一光束(1C)的偏振状态；所述第一反射镜(110)、第二激光功率调制元件(111)、第二扩束镜(112)、第二起偏器(113)以及第二四分之一波片(114)顺次设置在泵浦光第二光束(1D)的光路上，第一反射镜(110)用于实现对泵浦光第二光束(1D)激光行进路线的调整，第二激光功率调制元件(111)用于实现对泵浦光第二光束(1D)光功率的调制，第二扩束镜(112)用于扩大泵浦光第二光束(1D)的光斑尺寸，第二起偏器(113)和第二四分之一波片(114)用于调整进入第二原子气室(302)的泵浦光第二光束(1D)的偏振状态；
所述探测光路模块(2)用于产生探测激光，探测激光经过第一原子气室301和第二原子气室302中的碱金属原子介质实现磁场信号探测；所述探测光路模块(2)包括探测激光控制器(201)、探测激光器(202)、第二分光片(203)、第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)、第三起偏器(206)、激光偏振调制元件(207)、聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)；所述探测激光器(202)发射探测激光；第二分光片(203)用于将探测激光分为探测光参考光束(2A)和探测光主光束(2B)；所述探测激光控制器(201)设置在探测光参考光束(2A)的光路上并用于实现对探测激光器(202)的探测激光频率的选择及锁定；所述第二反射镜(204)、第三扩束镜(205)和第三起偏器(206)顺次设置在探测光主光束(2B)的光路上，第二反射镜(204)用于实现对探测光主光束(2B)激光行进路线的调整，第三扩束镜(205)用于扩大探测光主光束(2B)的光斑尺寸，第三起偏器(206)用于调整进入第一原子气室(301)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述激光偏振调制元件(207)位于第一原子气室(301)和第二原子气室(302)之间，用于调制穿过第一原子气室(301)后进入第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的偏振状态；所述聚焦透镜(208)、第三反射镜(209)、第二二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)顺次设置在穿过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)的光路上，聚焦透镜(208)用于汇聚经过第二原子气室(302)的探测光主光束(2B)，探测光主光束(2B)经过第二二分之一波片(210)和沃拉斯顿棱镜(211)后被平衡探测器(212)接收，所述第三二分之一波片(210)、沃拉斯顿棱镜(211)和平衡探测器(212)用于检测探测光主光束(2B)经过第一原子气室(301)和第二原子气室(302)偏振方向的变化；
温度控制模块(4)用于控制第一原子气室(301)和第二原子气室(302)的温度；
所述信号分析控制模块(5)分别连接第一激光功率调制元件(106)、第二激光功率调制元件(111)、激光偏振调制元件(207)以及平衡探测器(212)。


2.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，所述平衡探测器(212)的输出信号为两光电探头探测信号的差分结果。


3.根据权利要求1所述的基于分布式光调制的原子磁梯度测量装置，其特征在于，温度控制模块(4)包括第一无磁温度传感器(401)、第一电加热片(402)、第一温度控制器(403)、第二无磁温度传感器(404)、第二电加热片(405)和第二温度控制器(406)；
所述第一无磁温度传感器(401)用于监测第一原子气室(301)的温度，第一电加热片(402)用于加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐馥芳，李莹颖，马明祥，谢玉波，万伏彬，汪杰，罗玉昆，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11