李明陽， 王學鋒， 盧向東， 鄧意成， 李新坤， 王風嬌

(1.中國航天科技集團有限公司量子工程研究中心，北京 100094；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854)

0 引 言

無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)航磁測量作為傳統(tǒng)有人機航磁測量的補充，以其成本低、人為干預少、無人員安全隱患等優(yōu)勢在地質(zhì)調(diào)查、資源勘探和水下磁性目標探測等領(lǐng)域得到了應用[1～3]。

磁力儀是無人機航磁測量系統(tǒng)中的核心傳感器，對測量結(jié)果至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外磁力儀種類主要包括磁通門磁力儀、光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀、超導磁力儀和原子磁力儀[4～7]。其中，相干布居俘獲(coherent population trapping,CPT)原子磁力儀利用原子能級的塞曼分裂測量磁場，具有長期穩(wěn)定性好、準確度高、無方向盲區(qū)、探頭無線圈且體積小等優(yōu)點[8,9]，較其他磁力儀更適合小型無人機航磁測量應用。

目前，國內(nèi)外高精度CPT原子磁力儀大多采用了全光探頭方案。奧地利空間研究中心和格拉茨技術(shù)大學合作研制了基于CPT原理的雙暗態(tài)磁力儀[10～12]，全光結(jié)構(gòu)探頭體積約為300 cm3，遠小于光泵磁力儀和Overhauser磁力儀，但是該探頭為對射同軸式圓柱體，光纖跳線從探頭兩端伸出，彎曲后再連回電子箱，光纜彎曲布置極大地增加了探頭的外輪廓尺寸，并且彎曲部分的光纜處于懸空狀態(tài)，使用時需要對其進行額外保護，不利于小型無人機搭載應用。在小型化磁力儀研制方面，美國國家技術(shù)標準研究院基于MEMS技術(shù)研制了表頭體積12 mm3的芯片級CPT原子磁力儀探頭，由于氣室附近存在金屬元器件及激光器驅(qū)動電流，導致探頭噪聲較大，約為100 pT/Hz1/2@1 Hz[13]，無法滿足高精度磁異常探測需求。得益于電路集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有CPT磁力儀電子箱的體積、重量和性能能夠滿足小型無人機搭載使用要求，探頭體積和性能成為了制約CPT磁力儀機載應用的關(guān)鍵因素。

綜上可知，CPT原子磁力儀雖然具有高精度、低功耗和全向性等特點，在小型無人機平臺磁異測量應用中占有較大優(yōu)勢，但現(xiàn)有的CPT原子磁力儀因體積和性能等原因尚不能滿足小型無人機搭載的使用需求。為了滿足這一需求，必須進行小型化設(shè)計。

1 CPT原子磁力儀測量原理

CPT原子磁力儀通過CPT現(xiàn)象測量87Rb原子在磁場下的塞曼能級分裂頻率間隔來實現(xiàn)磁場測量。CPT現(xiàn)象和塞曼效應是CPT原子磁力儀能夠進行磁場測量的兩個最基本物理原理。

塞曼效應指原子在磁場中能級發(fā)生劈裂的現(xiàn)象[14]，以87Rb原子D1線為例，其塞曼子能級如圖1所示。

圖1 87Rb原子D1線塞曼子能級

圖1中，Λ1、Λ2、Λ3為原子Λ型三能級系統(tǒng)，52P1/2為激發(fā)態(tài)，52S1/2為基態(tài)，F(xiàn)e和Fg為超精細結(jié)構(gòu)，m為塞曼分裂?；谌至训拇艌鲇嬎闳缡?1)和式(2)所示

Δv=v1-v2=Δv0+2mFγB

(1)

(2)

式中v1，v2為相干光束頻率，Hz；mF(0,±1…)為兩基態(tài)能級的磁量子數(shù)，基態(tài)能級確定時為常數(shù)；Δv0為mF=0時基態(tài)Fg=2與Fg=1的頻率差，Δv0≈6.834 682 6 GHz；γ為銣原子旋磁比，γ≈6.998 123 Hz/nT；B為待測磁場強度，nT。由式(2)可知，求得兩束相干光的頻率差即可得到待測磁場值。

在原子Λ型三能級系統(tǒng)中，如圖1所示，能級Fg=1，2，mF=1為基態(tài)能級;Fe=2，mF=2為激發(fā)態(tài)能級，兩束頻率為v1和v2的相干光束作用于原子，v1和v2分別對應能級Fg=1，2,mF=1與能級Fe=2，mF=2間的躍遷頻率。當兩束光的頻差Δv滿足式(1)時，會出現(xiàn)兩基態(tài)能級相干疊加，原子被陷俘在疊加態(tài)上無法躍遷的現(xiàn)象，此現(xiàn)象即為CPT現(xiàn)象。此時原子不再吸收光，產(chǎn)生透射增強電磁感應透明(electromagnetically induced transparency,EIT)信號。

采用微波對激光器進行調(diào)制，當微波調(diào)制頻率滿足式(1)時，即可實現(xiàn)CPT效應。當磁量子數(shù)mF取0，+1，-1時，依次形成0級EIT信號、+2級EIT信號和-2級EIT信號，如圖2所示。

圖2 EIT信號

將mF=-1，0，+1依次代入式(1)求得頻率差分別為

ΔvmF-1=Δv0/2-γB

(3)

ΔvmF0=Δv0/2

(4)

ΔvmF+1=Δv0/2+γB

(5)

由式(4)減式(3)，式(5)減式(4)得

γB=ΔvmF0-ΔvmF-1

(6)

γB=ΔvmF+1-ΔvmF0

(7)

由式(6)和式(7)可知，通過求得相鄰EIT峰間的頻差即可求出待測磁場值。

綜上可知，CPT原子磁力儀利用原子能級的塞曼分裂測量磁場，不受其他外界因素干擾，因此具有長期穩(wěn)定性好、準確度高和無方向盲區(qū)等優(yōu)點。

2 微小型CPT原子磁力儀

2.1 反射光路式微小型CPT原子磁力儀探頭

微小型CPT原子磁力儀由電子箱和微小型CPT原子磁力儀探頭組成，如圖3(a)所示，探頭與電子箱通過單模保偏光纖跳線、多模光纖跳線和高頻加熱線連接。微小型CPT原子磁力儀探頭采用反射光路方案，如圖3(b)所示，由準直透鏡、PBS、1/4波片、微小型原子氣室和直角棱鏡構(gòu)成反射光路。

圖3 微小型CPT原子磁力儀

入射激光首先經(jīng)光纖準直器轉(zhuǎn)換為平行光，再經(jīng)PBS偏轉(zhuǎn)90°，由S軸輸出線偏振光，線偏振光經(jīng)1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光與原子氣室內(nèi)銣原子作用，隨后經(jīng)直角棱鏡反射通過光纖準直器耦合進入多模光纖。多模光纖將帶有磁場信息的激光傳輸回電子箱進行信號解調(diào)，解算出磁場信息。項目團隊采用反射光路方案成功研制出了體積15.6 cm3的微小型CPT原子磁力儀探頭，如圖3(c)所示。

2.2 微小型原子氣室

CPT原子磁力儀使用的原子氣室是一個密閉的玻璃腔室，原子氣室內(nèi)壁進行反弛豫鍍膜，原子氣室內(nèi)部密封堿金屬87Rb原子以及特定配比的緩沖氣體。反弛豫鍍膜和緩沖氣體可有效提高原子弛豫時間，實現(xiàn)更高精度的磁場測量。

原子氣室是CPT原子磁力儀的核心器件，其體積和弛豫特性直接影響微小型CPT原子磁力儀體積和精度，微小型原子氣室制造技術(shù)是現(xiàn)階段微小型CPT原子磁力儀研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文通過攻克微型氣室玻殼精密加工、堿金屬精確填充和耐高溫抗弛豫鍍膜等關(guān)鍵技術(shù)成功研制了直徑和長度均為1 cm的微小型原子氣室，如圖4所示，滿足了微小型CPT原子磁力儀研制需要。

圖4 微小型原子氣室

3 性能測試

3.1 準確度與非線性度測試

通過與Overhauser質(zhì)子磁力儀比對的方式，對微小型CPT原子磁力儀準確度和非線性度進行測試，測試條件如圖5所示。

圖5 磁力儀性能測試

圖6 準確度與非線性度測試結(jié)果

由圖6線性擬合和擬合殘差可知，微小型CPT原子磁力儀測量準確度優(yōu)于0.24 nT。由非線性度計算式(8)可知，微小型CPT原子磁力儀非線性度優(yōu)于0.000 24 %

l=0.24/100 000=2.4×10-6

(8)

3.2 噪聲測試

在地磁場條件下采集微小型CPT原子磁力儀磁場輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)傅里葉變換得到當前磁場條件下的噪聲功率譜密度曲線。微小型CPT原子磁力儀噪聲測試原始數(shù)據(jù)如圖7(a)所示，噪聲功率譜密度曲線如圖7(b)所示。

圖7 噪聲測試結(jié)果

由圖7測試結(jié)果可知，微小型CPT原子磁力儀噪聲優(yōu)于15.34 pT/Hz1/2@1～15 Hz。

3.3 磁場跟蹤能力測試

使用信號發(fā)生器輸出方波信號直接激勵線圈，在頻率0.2 Hz、峰峰值50 mV、占空比50 %、微小型CPT原子磁力儀采樣頻率f為30 Hz、磁場峰峰值Pm為50 nT的測試條件下，微小型CPT原子磁力儀磁場跟蹤曲線如圖8所示。由測試結(jié)果可知，微小型磁力儀磁場跟蹤曲線上升或下降沿最大采樣點數(shù)n=4，即微小型磁力儀能夠在4/30 s內(nèi)完成50 nT磁場階躍跟蹤(每個“*”代表一個采樣點)。

圖8 磁場跟蹤測試結(jié)果

微小型CPT原子磁力儀磁場跟蹤能力Dt計算式如下

Dt=(Pm×f)/n

(9)

式中Pm為磁場峰峰值，nT；f為微小型CPT原子磁力儀采樣頻率，Hz；n為上升或下降沿最大采樣點數(shù)。

由計算結(jié)果可知，微小型CPT原子磁力儀磁場跟蹤能力優(yōu)于375 nT/s。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有磁力儀綜合性能不足以滿足小型無人機磁異探測工程應用的問題，設(shè)計了一種光纖準直器在探頭結(jié)構(gòu)同側(cè)的微小型CPT原子磁力儀，線纜布置和安裝更加便捷，探頭體積小于16 cm3，滿足了小型無人機搭載使用需求。經(jīng)測試，微小型CPT原子磁力儀準確度優(yōu)于0.24 nT，非線性度優(yōu)于0.000 24 %，磁場跟蹤能力優(yōu)于375 nT/s，噪聲優(yōu)于15.34 pT/Hz1/2@1～15Hz。