【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高精度矢量磁场测量领域，特别是一种三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统和方法。
技术介绍
1、serf原子磁力仪是一种新型矢量原子磁力仪，具有超高精度、小体积、三轴矢量磁场测量等特点，有望应用于空间测磁、海洋测磁、航空测磁和心脑磁测量等领域。
2、在高气压、高密度、弱磁场条件下，碱金属原子之间的碰撞会很频繁，当碰撞频率远高于碱金属原子的拉莫尔进动频率时，碰撞导致的自旋弛豫效应消失，此时原子处于无自旋交换弛豫(spin-exchange-relaxation-free，serf)状态，此时原子自旋极化寿命提高并消除了原子磁共振线宽中自旋交换增宽的部分，可实现高灵敏度的磁场测量。
3、为使原子进入无自旋交换弛豫状态，需要保证原子气室处的总磁场接近零。采用磁屏蔽筒可以将外磁场衰减到10nt以内以实现量子态效应，但磁屏蔽筒的增加会降低矢量磁力仪的测量量程，并且磁屏蔽筒衰减系数无法精确控制，会影响磁场测量精度。
4、传统serf矢量原子磁力仪为开环模式，测量范围与serf态信号磁共振线宽有关，只有10nt，只能在磁屏蔽室或磁屏蔽筒中工作，限制了其在地磁场环境下的应用，并且，开环调制模式存在三轴交叉耦合问题，即一个轴向磁场发生变化时，会影响另外两个轴向的测量结果，测量准确度和测量精度无法保证。
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统和方法，解决现有调制解调
2、本专利技术的技术解决方案是：一种三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，包括：信号发生模块、da模块、电压电流转换模块、ad模块、积分滤波模块和控制模块；
3、信号发生模块，生成三路调制信号，分别为正弦信号ⅰ、正弦信号ⅱ和余弦信号；其中，正弦信号ⅰ和余弦信号频率相同，均为fm，相位差为90°，正弦信号ⅱ频率为2nfm，初始相位与正弦信号ⅰ相位相同；
4、da模块，接收正弦信号ⅰ、余弦信号和正弦信号ⅱ与控制模块输出的x、y和z路补偿磁场信号分别相加后的信号，进行数模转换，得到三路电压信号；
5、电压电流转换模块，将da模块输出的三路电压信号转换为电流信号，分别驱动三轴serf原子磁力仪的x、y和z轴磁场线圈；从而在x轴磁场线圈上产生频率为fm正弦调制的磁场信号、y轴磁场线圈上产生频率为fm余弦调制的磁场信号、z轴磁场线圈上产生频率为2nfm的正弦调制的磁场信号，令透过三轴serf原子磁力仪原子气室的激光信号发生改变，使激光信号携带三轴磁场测量数据；
6、ad模块，采集所述激光信号，进行模数转换后，分成x、y和z三路；
7、积分滤波模块，接收ad模块输出的三路信号分别与信号发生模块生成的正弦信号ⅰ、余弦信号和正弦信号ⅱ相乘后的信号，进行积分滤波，得到x、y和z轴开环磁场信号；
8、控制模块，接收x、y和z轴开环磁场信号，生成x、y和z路补偿磁场信号，使x、y和z轴磁场线圈产生的补偿磁场始终与外界待测磁场大小相等，方向相反，抵消外界待测磁场，使原子气室处的磁场为零；将控制模块生成的x、y和z路补偿磁场信号输出，即得到三轴serf原子磁力仪测量的x、y和z轴磁场强度。
9、进一步，fm取值范围为10hz～1khz，n取值范围1～100。
10、进一步，信号发生模块采用一个dds信号发生器生成三路调制信号；da模块、电压电流转换模块、积分滤波模块和控制模块，均分别采用三个独立器件实现各自功能，其中控制模块采用三个pid控制器生成x、y和z路补偿磁场信号。
11、进一步，积分滤波模块的积分时间为1/fm。
12、进一步，使积分滤波模块的积分时间为1/fm的实现方式为：将ad模块的采样频率设为fs，将积分滤波模块的积分点数设置为fs/fm的商取整。
13、本专利技术还提供一种三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调方法，包括如下步骤：
14、生成三路调制信号，分别为正弦信号ⅰ、正弦信号ⅱ和余弦信号；其中，正弦信号ⅰ和余弦信号频率相同，均为fm，相位差为90°，正弦信号ⅱ频率为2nfm，初始相位与正弦信号ⅰ相位相同；
15、将正弦信号ⅰ、余弦信号和正弦信号ⅱ与x、y和z路补偿磁场信号分别相加后，进行数模转换，得到三路电压信号；
16、将三路电压信号转换为电流信号，分别驱动三轴serf原子磁力仪的x、y和z轴磁场线圈，进行正交二倍频调制，在x轴磁场线圈上产生频率为fm正弦调制的磁场信号、y轴磁场线圈上产生频率为fm余弦调制的磁场信号、z轴磁场线圈上产生频率为2nfm的正弦调制的磁场信号，令透过三轴serf原子磁力仪原子气室的激光信号发生改变，使得激光信号携带三轴磁场测量数据；
17、采集所述激光信号，进行模数转换后分成x、y和z三路；再分别与正弦信号ⅰ、余弦信号和正弦信号ⅱ相乘，将相乘后的结果分别进行积分滤波，得到x、y和z轴开环磁场信号；
18、利用x、y和z轴开环磁场信号，生成x、y和z路补偿磁场信号，使x、y和z轴磁场线圈产生的补偿磁场始终与外界待测磁场大小相等，方向相反，抵消外界待测磁场，使原子气室处的磁场为零；
19、将x、y和z路补偿磁场信号输出，即得到三轴serf原子磁力仪测量的x、y和z轴磁场强度。
20、进一步，fm取值范围为10hz～1khz，n取值范围1～100。
21、进一步，积分滤波的积分时间为1/fm。
22、进一步，使积分时间为1/fm的实现方式为：ad采样频率设为fs，将积分滤波模块的积分点数设置为fs/fm的商取整。
23、本专利技术与现有技术相比的优点在于：
24、(1)本专利技术实现了serf原子磁力仪正交二倍频三轴数字闭环控制，可以直接从一束激光信号中提取出三轴磁场解算信号，并消除三轴磁场解算时的交叉耦合效应，提高serf原子磁力仪的测量范围和正交度，具有极高的工程应用价值。
25、(2)本专利技术对于x轴和y轴磁场线圈采用了相互正交的同频正弦和余弦调制信号，在信号解调时，正弦和余弦信号由于存在正交性不会相互影响，进而消除了x轴和y轴磁场测量结果之间存在的交叉耦合效应，可以提高x轴和y轴之间的正交度；对于z轴磁场线圈采用了和x轴y轴磁场线圈频率不同的调制信号，为了在积分环节提高系统带宽，信号频率为x轴和y轴调制信号频率的2n倍，这样在采用乘法器进行相敏检波时，会产生n倍频率的高次谐波信号，只需采用相同的整周期积分滤波器，即可滤出高次谐波信号，进而提取出进而提取有有用的z轴磁场信号，实现z磁场强度的测量，并提高z轴和x、y轴之间的正交度。
26、(3)本专利技术通过pid控制器驱动d/a和压控恒流源，补偿环境磁场使原子气室处的磁场为零，此时三轴磁场线圈产本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于，包括：信号发生模块、DA模块、电压电流转换模块、AD模块、积分滤波模块和控制模块；
2.根据权利要求1所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：fm取值范围为10Hz～1kHz，n取值范围1～100。
3.根据权利要求1所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：信号发生模块采用一个DDS信号发生器生成三路调制信号；DA模块、电压电流转换模块、积分滤波模块和控制模块，均分别采用三个独立器件实现各自功能，其中控制模块采用三个PID控制器生成X、Y和Z路补偿磁场信号。
4.根据权利要求1所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：积分滤波模块的积分时间为1/fm。
5.根据权利要求4所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：使积分滤波模块的积分时间为1/fm的实现方式为：将AD模块的采样频率设为fs，将积分滤波模块的积分点数设置为fs/fm的商取整。
6.一种三轴SERF原子磁
7.根据权利要求6所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调方法，其特征在于：fm取值范围为10Hz～1kHz，n取值范围1～100。
8.根据权利要求6所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调方法，其特征在于：积分滤波的积分时间为1/fm。
9.根据权利要求8所述的三轴SERF原子磁力仪正交二倍频调制解调方法，其特征在于：使积分时间为1/fm的实现方式为：AD采样频率设为fs，将积分滤波模块的积分点数设置为fs/fm的商取整。
...【技术特征摘要】
1.一种三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于，包括：信号发生模块、da模块、电压电流转换模块、ad模块、积分滤波模块和控制模块；
2.根据权利要求1所述的三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：fm取值范围为10hz～1khz，n取值范围1～100。
3.根据权利要求1所述的三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：信号发生模块采用一个dds信号发生器生成三路调制信号；da模块、电压电流转换模块、积分滤波模块和控制模块，均分别采用三个独立器件实现各自功能，其中控制模块采用三个pid控制器生成x、y和z路补偿磁场信号。
4.根据权利要求1所述的三轴serf原子磁力仪正交二倍频调制解调系统，其特征在于：积分滤波模块的积分时间为1/fm。
5.根据权利要求4所...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓意成，和焕雪，王学锋，李建军，崔梦缘，卢向东，
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：
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