一种用于三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿校正方法

1.本发明属于磁场测量、尤其是弱磁检测技术领域，涉及三轴矢量原子磁力仪，具体提供一种用于三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿校正方法，有助于提高三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿精度，提高补偿速度，适用于零磁环境下的弱磁场高精度测量。


背景技术：

2.磁场测量是研究与磁现象有关的物理过程的重要手段，弱磁学是磁场测量中一个重要的分支，而弱磁检测技术在医学、工业、军事等诸多领域都有广泛应用。原子磁力仪相比于其他磁场测量设备，具有超高灵敏度、体积小等特点，是目前最灵敏的磁场测量设备，也是当前弱磁探测的重点研究方向。
3.基于无自旋交换弛豫的原子磁力仪的必要工作条件就是保持原子气室所处的环境为近零场，通常利用多层结构的磁屏蔽装置进行消磁，当消磁后仍还存在部分剩磁，则需要通过三维线圈进行主动消磁，即构成三轴矢量原子磁力仪；然而，由于三维线圈在绕制以及安装过程中，实际的三维线圈本身的三个轴之间存在非正交度，同时三维线圈与磁力仪的三轴之间存在角度的偏差，两种非正交因素导致三轴矢量原子磁力仪产生磁场耦合，即产生耦合误差，使得。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对三轴矢量原子磁力仪中三维线圈剩磁补偿存在的磁场耦合问题，提供一种剩磁补偿耦合校正方法，有助于提高三轴矢量原子磁力仪剩磁补偿效率，对实现高灵敏三轴矢量磁场测量具有重要的意义。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种用于三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1.将三轴矢量原子磁力仪置于标定磁屏蔽环境中，保持三轴矢量原子磁力仪为工作模式，利用电流源单独对三维线圈中x轴施加补偿电流，将x轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴磁补偿电流初值i
x0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
，再向三维线圈中y轴施加补偿电流，将y轴的剩磁大小补偿为零，得到y轴磁补偿电流初值i
y0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
、y轴磁补偿电流为i
y0
，最后向三维线圈中z轴施加补偿电流，将z轴的剩磁大小补偿为零，得到z轴磁补偿电流初值i
z0
；
8.步骤2.设定x轴、y轴与z轴磁补偿电流递增值δi
x
、δiy与δiz；
9.保持y轴与z轴磁补偿电流为初值，以x轴磁补偿电流初值i
x0
为基础，按照磁补偿电流递增值δi
x
依次增大x轴磁补偿电流为i
xi
，在每一个状态下得到磁力仪的磁场测量结果b
xi
，记录数据组(i
xi
,b
xi
)；其中，i
xi
＝i
x0
+i
×
δi
x
，i＝1,2,...n，n为预设上限；
10.基于所有数据组拟合得到耦合系数k
xx
：
11.k
xx
×ix
×kx
＝b
x
12.其中，i
x
＝(i
x1
,i
x2
,...,i
xn
)，b
x
＝(b
x1
,b
x2
,...,b
xn
)，k
x
为单位电流在x轴上产生的
磁场大小；
13.当保持x轴与z轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
yy
；当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
zz
；
14.步骤3.保持x轴与z轴磁补偿电流为初值，以y轴磁补偿电流初值i
y0
为基础，按照磁补偿电流递增值δiy依次增大y轴磁补偿电流为i
yi
；
15.在每一个状态下将x轴的剩磁大小再次补偿为零，得到x轴磁补偿电流值i
x
′i，记录数据组(i
×
δiy,i
x
′i)；基于所有数据组拟合得到耦合系数k
yx
：
16.k
xx
×i′
x
×kx
＝k
yx
×
δiy×ky
17.其中，i
′
x
＝(i
x
′1,i
x
′2,...,i
x
′n)，δiy＝(δiy,2δiy,...,nδiy)，ky为单位电流在y轴上产生的磁场大小；
18.在每一个状态下将z轴的剩磁大小再次补偿为零，得到z轴磁补偿电流值iz′i，记录数据组(i
×
δiy,iz′i)；对所有数据组拟合得到耦合系数k
yz
；
19.当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
zx
与k
zy
；
20.当保持y轴与z轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
xy
与k
xz
；
21.由此得到耦合系数矩阵r：
22.步骤4.将三轴矢量原子磁力仪置于待测磁屏蔽环境中，分别对三维线圈中x轴、y轴、z轴单独施加补偿电流，将对应轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴、y轴、z轴上的单轴剩磁补偿电流值
23.根据耦合系数矩阵计算得到三维线圈中三轴磁补偿理想电流值i为：
24.i＝r-1
i025.其中，
26.由电流源向三维线圈的x轴、y轴与z轴对应施加理想电流值，完成剩磁补偿校正。
27.基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
28.本发明提供一种用于三轴矢量原子磁力仪中剩磁补偿校正方法，能够在三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿中校正各轴之间的耦合泄露，保证磁力仪工作零磁环境，提高剩磁补偿速度；其与现有技术相比的优点在于：本发明能够将生产时造成的三维线圈自身非正交、以及安装时造成的三维线圈与三轴矢量原子磁力仪之间的非正交同时进行校正，并且，对耦合系数的测量在三维线圈与三轴矢量原子磁力仪安装固定后不再改变，后续剩磁补偿速度较快。
附图说明
29.图1为本发明中用于三轴矢量原子磁力仪中剩磁补偿校正方法的流程示意图。
30.图2为本发明实施例中三轴矢量原子磁力仪的结构示意图；其中，1为五层结构的磁屏蔽装置，2为激光器，3为起偏器，4为1/4波片，5为碱金属原子气室，6为光电探测器，7为三维线圈，8为精密电流源。
31.图3中本发明实施例中剩磁补偿校正前后的色散曲线图，其中，(a)为校正前色散
曲线图，(b)为(a)中局部放大图；(c)为校正后色散曲线图，(d)为(c)中局部放大图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
33.本实施例提供一种用于三轴矢量原子磁力仪中剩磁补偿校正方法，其流程如图1所示；所涉及三轴矢量原子磁力仪如图2所示，三轴矢量原子磁力仪置于五层结构磁屏蔽装置1中(通常中心处剩磁小于10nt)，具体包括：两个泵浦激光器2、两个起偏器3、两个1/4波片4、碱金属原子气室5、两个光电探测器6、三维线圈7、精密电流源8；其中，磁屏蔽装置1用来消除外界磁场大部分影响，为三轴矢量原子磁力仪提供近零场的工作环境；泵浦激光器2用来产生泵浦激光，两个泵浦激光分别通过起偏器3和1/4波片4变成圆偏振光，再经过碱金属原子气室5，两个光电探测器6分别检测通过碱金属原子气室5后的两个泵浦激光的光强，光强信息携带有碱金属原子气室极化信息，传输到计算机进行处理得到数据结果；三维线圈7用于进一步补偿磁屏蔽装置内剩余的微弱磁场，三维线圈7产生的磁场大小由精密电流源8控制。
34.在如图2所示的三轴矢量原子磁力仪中，两个泵浦激光器2、两个起偏器3、两个1/4波片4、碱金属原子气室5构成传感头，三维线圈由三个单轴线圈一体化打印而成，受生产工艺与安装工艺的影响，三维线圈在x、y、z方向存在非正交角度，同时三维线圈与传感头之间也存在非正交角度，使得三维线圈在进行剩磁补偿的时候存在耦合误差(即串扰)，进而三轴矢量原子磁力仪工作区域处于非零场环境，导致测量灵敏度降低；针对该问题，本实施例提出一种剩磁补偿校正方法，利用三轴矢量原子磁力仪自身响应特点对三维线圈与传感头的非正交状态进行分析，得到耦合系数矩阵，实现剩磁补偿校正。
35.所述用于三轴矢量原子磁力仪中剩磁补偿校正方法具体包括以下步骤：
36.步骤1.将三轴矢量原子磁力仪置于标定磁屏蔽环境中，保持三轴矢量原子磁力仪为工作模式，利用电流源单独对三维线圈中x轴施加补偿电流，将x轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴磁补偿电流初值i
x0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
，再向三维线圈中y轴施加补偿电流，将y轴的剩磁大小补偿为零，得到y轴磁补偿电流初值i
y0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
、y轴磁补偿电流为i
y0
，最后向三维线圈中z轴施加补偿电流，将z轴的剩磁大小补偿为零，得到z轴磁补偿电流初值i
z0
；需要说明的是：此过程中，各轴补偿电流手动调节，当色散曲线过零点时即为x轴的剩磁大小补偿为零，得到磁补偿电流值；
37.步骤2.设定x轴、y轴与z轴磁补偿电流递增值δi
x
、δiy与δiz；
38.保持y轴与z轴磁补偿电流为初值，以x轴磁补偿电流初值i
x0
为基础，按照磁补偿电流递增值δi
x
依次增大x轴磁补偿电流为i
xi
，在每一个状态下得到磁力仪的磁场测量结果b
xi
，记录数据组(i
xi
,b
xi
)；其中，i
xi
＝i
x0
+i
×
δi
x
，i＝1,2,...n，n为预设上限；
39.将所有数据组根据下式拟合(最小二乘法)得到耦合系数k
xx
：
40.k
xx
×ix
×kx
＝b
x
41.其中，i
x
＝(i
x1
,i
x2
,...,i
xn
)，b
x
＝(b
x1
,b
x2
,...,b
xn
)，k
x
为单位电流在x轴上产生的磁场大小(由线圈尺寸可知的线圈常数)；
42.同理，当保持x轴与z轴磁补偿电流为初值时，对应执行上述过程得到耦合系数k
yy
；
当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，对应执行上述过程得到耦合系数k
zz
；
43.步骤3.保持x轴与z轴磁补偿电流为初值，以y轴磁补偿电流初值i
y0
为基础，按照磁补偿电流递增值δiy依次增大y轴磁补偿电流为i
yi
，在每一个状态下将x轴的剩磁大小再次补偿为零，得到x轴磁补偿电流值i
x
′i，记录数据组(i
×
δiy,i
x
′i)；
44.将所有数据组根据下式拟合(最小二乘法)得到耦合系数k
yx
：
45.k
xx
×i′
x
×kx
＝k
yx
×
δiy×ky
46.其中，i
′
x
＝(i
x
′1,i
x
′2,...,i
x
′n)，δiy＝(δiy,2δiy,...,nδiy)，ky为单位电流在y轴上产生的磁场大小(由线圈尺寸可知的线圈常数)；
47.同理，保持x轴与z轴磁补偿电流为初值，以y轴磁补偿电流初值i
y0
为基础，按照磁补偿电流递增值δiy依次增大y轴磁补偿电流为i
yi
，在每一个状态下将z轴的剩磁大小再次补偿为零，得到z轴磁补偿电流值iz′i，记录数据组(i
×
δiy,iz′i)；将所有数据组拟合得到耦合系数k
yz
；
48.当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，执行上述过程得到耦合系数k
zx
与k
zy
；
49.当保持y轴与z轴磁补偿电流为初值时，执行上述过程得到耦合系数k
xy
与k
xz
；
50.由此得到耦合系数矩阵r：
51.步骤4.三轴矢量原子磁力仪三轴各自的磁场分量可以表示为：
52.b
x
＝i
xkxkxx
+i
ykykyx
+i
zkzkzx
53.by＝i
xkxkxy
+i
ykykyy
+i
zkzkzy
54.bz＝i
xkxxkxz
+i
ykykyz
+i
zkzkzz
55.将三轴矢量原子磁力仪置于待测磁屏蔽环境中，保持三轴矢量原子磁力仪为工作模式，利用电流源分别单独对三维线圈中x轴、y轴、z轴施加补偿电流(其余两轴磁补偿电流置零)，将对应轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴、y轴、z轴上单轴剩磁补偿电流值i
x0
、i
y0
、i
z0
；
56.考虑各轴对自己的影响为1，则三轴实际补偿磁场大小为：
57.b0＝i0ks58.其中，ks为线圈常数矩阵：k
x
、ky、kz为单位电流在各轴上产生的磁场大小(由线圈尺寸大小可知线圈常数)；
59.利用耦合系数矩阵，计算得到三维线圈三轴施加电流值为：
[0060][0061]
其中，i为三轴矢量原子磁力仪所需要施加的理想电流值；
[0062]
计算机将校正结果传输至电流源，由电流源向三维线圈的x轴、y轴与z轴对应施加理想电流值，即可将剩磁补偿时产生的耦合消磁，至此，完成剩磁补偿校正。
[0063]
采用本实施例对三轴矢量原子磁力仪进行剩磁补偿校正前后的色散曲线如图3所示，其中，(a)为校正前色散曲线图，(b)为(a)中局部放大图；(c)为校正后色散曲线图，(d)
为(c)中局部放大图；由图可见，当系统剩磁不为0时，色散曲线不过零点；当系统剩磁完全补偿为0时，色散曲线过零点。
[0064]
综上所述，本发明提供的剩磁补偿校正方法能够解决三轴矢量原子磁力仪中三维线圈剩磁补偿存在的磁场耦合问题，有效提高三轴矢量原子磁力仪剩磁补偿效率，对实现高灵敏三轴矢量磁场测量具有重要的意义。
[0065]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

技术特征：
1.一种用于三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将三轴矢量原子磁力仪置于标定磁屏蔽环境中，保持三轴矢量原子磁力仪为工作模式，利用电流源单独对三维线圈中x轴施加补偿电流，将x轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴磁补偿电流初值i
x0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
，再向三维线圈中y轴施加补偿电流，将y轴的剩磁大小补偿为零，得到y轴磁补偿电流初值i
y0
；保持x轴磁补偿电流为i
x0
、y轴磁补偿电流为i
y0
，最后向三维线圈中z轴施加补偿电流，将z轴的剩磁大小补偿为零，得到z轴磁补偿电流初值i
z0
；步骤2.设定x轴、y轴与z轴磁补偿电流递增值δi
x
、δi
y
与δi
z
；保持y轴与z轴磁补偿电流为初值，以x轴磁补偿电流初值i
x0
为基础，按照磁补偿电流递增值δi
x
依次增大x轴磁补偿电流为i
xi
，在每一个状态下得到磁力仪的磁场测量结果b
xi
，记录数据组(i
xi
,b
xi
)；其中，i
xi
＝i
x0
+i
×
δi
x
，i＝1,2,...n，n为预设上限；基于所有数据组拟合得到耦合系数k
xx
：k
xx
×
i
x
×
k
x
＝b
x
其中，i
x
＝(i
x1
,i
x2
,...,i
xn
)，b
x
＝(b
x1
,b
x2
,...,b
xn
)，k
x
为单位电流在x轴上产生的磁场大小；当保持x轴与z轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
yy
；当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
zz
；步骤3.保持x轴与z轴磁补偿电流为初值，以y轴磁补偿电流初值i
y0
为基础，按照磁补偿电流递增值δi
y
依次增大y轴磁补偿电流为i
yi
；在每一个状态下将x轴的剩磁大小再次补偿为零，得到x轴磁补偿电流值i
x
′
i
，记录数据组(i
×
δi
y
,i
x
′
i
)；基于所有数据组拟合得到耦合系数k
yx
：k
xx
×
i
′
x
×
k
x
＝k
yx
×
δi
y
×
k
y
其中，i
′
x
＝(i
x
′1,i
x
′2,...,i
x
′
n
)，δi
y
＝(δi
y
,2δi
y
,...,nδi
y
)，k
y
为单位电流在y轴上产生的磁场大小；在每一个状态下将z轴的剩磁大小再次补偿为零，得到z轴磁补偿电流值i
z
′
i
，记录数据组(i
×
δi
y
,i
z
′
i
)；对所有数据组拟合得到耦合系数k
yz
；当保持x轴与y轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
zx
与k
zy
；当保持y轴与z轴磁补偿电流为初值时，匹配执行上述过程得到耦合系数k
xy
与k
xz
；由此得到耦合系数矩阵r：步骤4.将三轴矢量原子磁力仪置于待测磁屏蔽环境中，分别对三维线圈中x轴、y轴、z轴单独施加补偿电流，将对应轴的剩磁大小补偿为零，得到x轴、y轴、z轴上的单轴剩磁补偿电流值根据耦合系数矩阵计算得到三维线圈中三轴磁补偿理想电流值i为：i＝r-1
i0其中，
由电流源向三维线圈的x轴、y轴与z轴对应施加理想电流值，完成剩磁补偿校正。

技术总结
本发明属于磁场测量、尤其是弱磁检测技术领域，涉及三轴矢量原子磁力仪，具体提供一种用于三轴矢量原子磁力仪的剩磁补偿校正方法，用以解决三轴矢量原子磁力仪中三维线圈剩磁补偿存在的磁场耦合问题。本发明利用三轴矢量原子磁力仪自身响应特点对三维线圈与传感头的非正交状态进行分析，得到耦合系数矩阵R，根据耦合系数矩阵实现剩磁补偿校正，能够将生产时造成的三维线圈自身非正交、以及安装时造成的三维线圈与三轴矢量原子磁力仪之间的非正交同时进行校正，并且，耦合系数矩阵R无需重复计算，后续剩磁补偿速度较快。综上，本发明能够有效提高三轴矢量原子磁力仪剩磁补偿效率，对实现高灵敏三轴矢量磁场测量具有重要的意义。实现高灵敏三轴矢量磁场测量具有重要的意义。实现高灵敏三轴矢量磁场测量具有重要的意义。


技术研发人员：岳慧敏 张佳龙 王子隆 陈天鹏 欧中华 刘永
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/7