SERF原子磁力仪关键技术及应用

无自旋交换弛豫磁力仪利用碱金属原子自旋交换弛豫消除效应实现弱磁场信息测量,具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点,已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一.介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪的工作原理和国内外研究现状,重点讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等关键技术,并对无自旋交换弛豫原子磁力仪的发展趋势和应用前景进行了展望.     

一种Mx构型氦光泵磁力仪的磁共振理论分析与实验验证

从亚稳态氦原子的Liouville方程和Bloch方程出发,研究了基于Mx构型的亚稳态氦原子的光磁双共振过程,建立了光探测磁共振线型的理论模型,并通过实验对幅值信号与相位信号的磁共振线型仿真结果进行验证,实测曲线与理论预测匹配较好。对共振线宽进行了估算,讨论了影响磁力仪工作灵敏度的磁力仪设计参数,这对Mx构型氦光泵磁力仪的研制有重要的指导意义。     

一种用于CPT磁力仪的VCSEL 激光管参数自动调节方法

为了解决手动调节VCSEL激光管运行参数困难的问题,提出了一种用于CPT磁力仪的VCSEL激光管参数自动调节方法.首先,在稳定原子气室温度的基础上,通过步进增加激光管的驱动电流并探测光强,确定扫描电流的范围;其次,在初始工作温度基础上增加激光管温度步进,重复扫描三角波驱动电流,并全范围搜寻吸收峰;当首次读取到吸收峰后,利用调节电流精确锁定在当前工作温度条件下吸收峰对应的电流值,同时微调温度,调整吸收峰到最佳位置;最后,记录当前的激光管工作参数,完成整个VCSEL激光管参数自动调节过程.采用上述方法能够快速实现VCSEL激光管的测试及工作参数的设置,提高了工作效率和整机性能.     

碱金属原子气室研究进展

碱金属原子气室是原子陀螺、原子磁力仪和原子钟等量子仪表的核心部件,高性能微小型原子气室是制约上述量子仪表性能的重要因素之一。从理论基础、制造工艺和材料等方面回顾了原子气室的研究进展,对微型气室玻壳精密加工技术、原子气室精确充制技术、耐高温抗弛豫镀膜技术、原子气室后烘处理工艺等相应关键技术进行了分析和讨论,并针对量子仪表微小型、高精度、集成化的发展需求,分析了碱金属原子气室的发展趋势。     

原子磁力仪的空间应用及发展趋势

在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。     

三轴矢量原子磁力仪综述

原子磁力仪可分为标量磁力仪和矢量磁力仪两大类。标量磁力仪的测量结果与传感器的姿态无关,对平台的机动不敏感。矢量磁力仪能够获得更多的磁场信息,可以实现更精确的磁源定位。目前,共有7种三轴矢量原子磁力仪,测量方法分别为磁场扫描法、磁场旋转调制法、磁场轮流抵消法、磁场投影法、磁场交叉调制法、磁场分立调制法和自旋进动调制法。重点对上述7种三轴矢量原子磁力仪的测量方法进行了整理和分析。     

核磁共振陀螺仪中三维磁场的初步锁定

核磁共振陀螺仪内部空间的三维磁场锁定作为关键技术之一,对于核磁共振陀螺仪的角度随机游走及零偏稳定性具有较大的优化作用。实验装置选用充有CS、~(129)Xe、~(131)Xe以及N_2的方形原子气室,选择895nm圆偏振光作为泵浦光,852nm线偏振光作为探测光,通过对纵向磁场进行调制,实现了三维原子磁力计。通过提升气室温度对纵向磁场的锁定效果进行优化后,在3个方向的磁场起伏范围均稳定至7nT(5000 s)以下,锁定后磁场的千秒稳定性比锁定前提升至少1个量级。     

气室无磁加热结构研究进展与展望

碱金属气室是原子陀螺、原子磁强计和原子钟等原子测量仪器的核心部件.原子密度主要受加热温度的影响,高均匀性、高稳定性的气室加热结构是保证碱金属原子密度稳定的关键技术,对提升原子测量仪器输出信号的灵敏度至关重要.回顾了目前常用的碱金属气室加热方法,针对加热层、传热层、保温层等组件,梳理和总结了碱金属气室加热结构的发展方向和发展历程,并在此基础上展望了未来碱金属气室加热结构的发展趋势.     

SERF陀螺气室温度对碱金属谱线漂移的影响

SERF陀螺具有高精度、小体积和双轴输出等特点，是新型陀螺技术中重要的发展方向之一。SERF陀螺中，碱金属气室的吸收峰谱线变化对SERF陀螺性能具有重要影响。重点研究了SERF陀螺原子气室温度对87Rb吸收谱D1线和D2线谱线移动的影响，随着温度变化，D1线和D2线有着相反的移动方向，频率移动系数分别为30.4MHz/K和-45.4MHz/K。碱金属吸收谱线移动会引起泵浦激光极化原子效率降低，进而导致SERF陀螺零偏稳定性变差。     

基于磁共振线宽的Xe核自旋横向弛豫时间测量方法

随着核磁共振陀螺技术的发展,高精度核磁共振陀螺对原子气室性能提出了更高要求.原子气室内Xe核自旋的横向弛豫时间(T2)是衡量原子气室性能的重要参数之一,T2的常用测量方法为自由感应衰减法(Free Induction Decay,FID).当T2较短时,由于自旋进动信号易受外界干扰,FID方法难以对T2进行精确测量.根据磁共振线宽理论以及自旋进动信号检测技术,针对T2较短的原子气室,提出了基于磁共振线宽的Xe核自旋横向弛豫时间测量方法,构建了测试装置,对Xe核自旋进行了测试.测试结果表明,该测量方法能够有效获得Xe核自旋的横向弛豫时间,克服了FID方法对T2较短的原子气室难以测量的局限性,为检验核磁共振陀螺中原子气室的性能提供了有效测试手段.     

3He原子磁强计技术

~3He原子磁强计利用~3He核自旋的拉莫尔进动测量磁场,具有高精度、小体积等特点,可以满足未来网络化磁异常探测对高性能磁强计的需求。围绕~3He原子磁强计的技术特点,重点介绍了该磁强计的基本工作原理及其硬件组成,分析了其理论灵敏度,给出了该磁强计的国内外研究情况,最后对该磁强计技术的未来发展进行了展望。     

The Cassini Magnetic Field Investigation

The dual technique magnetometer system onboard the Cassini orbiter is described. This instrument consists of vector helium and fluxgate magnetometers with the capability to operate the helium device in a scalar mode. This special mode is used near the planet in order to determine with very high accuracy the interior field of the planet. The orbital mission will lead to a detailed understanding of the Saturn/Titan system including measurements of the planetary magnetosphere, and the interactions of Saturn with the solar wind, of Titan with its environments, and of the icy satellites within the magnetosphere.This revised version was published online in July 2005 with a corrected cover date.     

The FedSat Microsatellite Mission

An Australian research microsatellite, FedSat with a complement of four payloads was launched from Tanegashima, Japan on 14 December 2002 into a near-circular sun synchronous 10:30 LT polar orbit at an inclination of 98.7° and altitude 800 km. Scientific experiments include a triaxial fluxgate magnetometer with a frequency response up to 100 Hz and a GPS receiver to monitor total electron content (TEC) and provide a precise orbit determination. Communications experiments include a Ka-band transponder and a UHF packet data service. A high performance computer payload will test reconfigurable computing technology. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

一型国产无人机直升机铯光泵航磁系统补偿方法研究和试验

随着无人机平台的逐渐成熟,近年来无人机广泛应用于航空物探领域。文章设计了一型无人机航磁系统,采用国产铯光泵磁力仪,载机平台为100 kg级汽油动力无人直升机,基于直升机的操作特性研究了不同于固定翼飞机的定点悬停补偿方法。依据《航空磁测技术规范》进行了地面静态噪声测试、磁补偿飞行、动态噪声测试及切割线飞行。结果表明,采用定点悬停的磁补偿方法,系统的磁补偿精度、动态噪声水平及航磁总精度同样能够达到《航空磁测技术规范》要求的一类设备水平,且更易于操作,从而该航磁系统也可应用于大比例尺低飞航磁项目中。     

三轴磁通门传感器误差校正方法

三轴磁通门传感器在军事和民用领域应用广泛，但由于其存在三轴非正交、零偏和标度系数不一致的问题，导致其存在转向差，影响了其磁测精度。首先，分析了转向差的产生机理，建立了误差模型，通过最小二乘法估算出了误差参数，进而对磁测数据进行了转向差校正。仿真计算表明，该算法对误差参数估算准确，对磁场分量和总场模值均有较好的校正效果，证明了算法的有效性。在磁场测量实验中，利用该算法估算出了传感器的误差参数，并对实测磁场数据进行了校正。校正后，数据的转向差得到了明显抑制，提高了三轴磁通门传感器的测量精度。     

基于同步双口SRAM的原子磁强计磁共振相位提取系统设计

针对原子磁强计磁共振激励信号相位提取过程中,数据量大、实时性强、同步要求高等特点,设计了一种基于同步双口SRAM的磁共振相位信息提取系统。首先利用FPGA控制高速同步采样AD进行数据转换;然后经同步双口SRAM实现数据的高速缓存和同步读写;最后由DSP经外部中断触发定时读取缓存的数据,并进行数字锁相处理,提取相位信息。实验结果表明:该系统对频率为35~350kHz之间的正弦信号相位提取稳定度达到0.006°,满足原子磁强计静态噪声小于20pT的应用要求。     

三维捷联磁传感器误差分析及补偿

磁传感器在导航系统中的应用日益广泛。在车载导航系统工作环境中,外界干扰磁场复杂,严重影响了磁航向测量的精度。因此对磁航向进行适当的罗差补偿是提高磁航向测量精度的有效途径。文中介绍了用磁传感器进行磁航向测量的原理,分析了由于磁场矢量叠加产生的罗差,提出了基于傅立叶级数的罗差模型和补偿方法。工程实践表明,上述方法的使用收到了较好的效果。     

微小卫星剩磁在轨标定技术研究

 基于微小卫星姿态确定系统常采用无陀螺配置方案，克服环境干扰力矩的影响并提高微小卫星姿态确定的精度是此类姿态确定系统的关键。分析了星上稳定剩余磁场对无陀螺微小卫星姿态确定的干扰机理，建立了卫星剩余磁矩与磁强计偏置标定模型。以磁强计、太阳敏感器作为姿态敏感器件，并采用扩展卡尔曼滤波器实现标定算法，为无陀螺磁测微小卫星消除剩磁干扰，获得高精度姿态估计提供了一种新方法。仿真结果表明：该方法能准确估计卫星剩余磁矩与磁强计偏置，磁强计偏置的标定精度在1 nT左右，剩余磁矩的标定精度为0.000 1 A·m²量级，有效消除了剩磁对无陀螺卫星姿态确定的影响，显著提高了姿态确定精度，滤波器能在500 s内收敛。     

基于磁强计测量的微小卫星轨道姿态 耦合确定方法

针对基于磁强计测量的微小卫星, 提出了基于串并联混合策略的轨道姿态 耦合确定方法。滤波初期,考虑到估计误差较大,采用先地磁场大小测量的轨道确定、 后地磁场矢量测量的姿态确定的串联策略;稳定后,采用基于矢量测量的轨道、姿态同 步确定的并联策略。为降低轨道、姿态确定的相互影响,设计了基于信息的鲁棒Kalman 滤波,通过自动调节增益矩阵处理两个滤波系统间的影响。仿真表明,该方法在提高鲁 棒性的同时,还能适当提高状态估计的精度。     

一种基于GPS/磁强计/加速度计的组合导航/定姿方法

针对当前常用的导航、定姿方法存在的不足,提出了一种采用单天线GPS、磁强计和加速度计的组合导航、定姿方法.以常见的匀加速模型作为系统方程,以GPS输出的位置和速度作为观测量,设计了卡尔曼滤波器,获得更精确的载体速度、位置和加速度信息.在获得加速度估值之后,根据地磁场和载体比力在载体坐标系和导航坐标系的投影关系构造姿态矩...