Патент на изобретение №2158932

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИГНАЛОВ ОТ МАГНИТОМЕТРОВ С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И ОПТИЧЕСКИ НАКАЧИВАЕМЫЙ МАГНИТОМЕТР

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу и устройству для получения сигналов с использованием принципа магнитометров с оптической накачкой. Техническим результатом является задача создать способ и соответственно устройство для получения сигналов при компактной компоновке магнитометров, не создающей паразитного магнитного поля и с меньшими затратами электронных средств. Это достигается тем, что широкополосный самовозбуждающийся магнитометр применяют в качестве генератора управляемого напряжения (ГУН). В одном варианте выполнения широкополосная самовозбуждающая часть тандем-магнитометра преобразована так, что она работает как генератор, управляемый напряжением (ГУН). При этом применяется управляемый напряжением сдвиг по фазе для постройки частоты самовозбуждающегося магнитометра в определенном диапазоне. В другом варианте вместо обычного ГУН применяется широкополосный самовозбуждающийся магнитометр, работающий как ГУН. Изобретение позволяет создать компактный надежный в эксплуатации сенсорный датчик. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой и к оптически накачиваемому магнитометру.

Магнитометры с оптической накачкой известны с начала 60-х годов и применяются во все возрастающем объеме в качестве устройств для измерения магнитных полей. С помощью этих магнитометров с чрезвычайно высокой точностью может быть определено, например, магнитное поле Земли. Теоретические основы и принцип работы магнитометров с оптической накачкой известны. Основной принцип всегда сводится к тому, что луч света определенной поляризации и направления пересекает некоторую среду, обычно цезий, однако также возможно применение калия, гелия или рубидия, а генерируемая при этом выходная частота соответствует параметрам локального магнитного поля.

Как следует из уровня техники, за прошедшие десятилетия были разработаны различные виды магнитометров с оптической накачкой. Простейшим вариантом такого магнитометра является самовозбуждающийся цезиевый магнитометр, в котором настроенный на резонансную линию цезия луч света пересекает заполненную цезием поглощающую ячейку и падает на фотоэлемент. Выходной сигнал фотоэлемента усиливается, сдвигается по фазе на 90^o и подается на катушку, расположенную вокруг поглощающей ячейки. В установившемся режиме такой самовозбуждающийся магнитометр генерирует пропорциональную окружающему магнитному полю H частоту f

Однако этот тип магнитометра имеет систематическую погрешность и сравнительно широкую резонансную линию, вследствие чего генерируемая частота не точно соответствует действительному значению поля. По этой причине были разработаны так называемые тандем-магнитометры (см. фиг. 1), у которых самовозбуждающийся магнитометр связан с другим, узкополосным оптическим магнитометром. Такой тандем-магнитометр, например, известен из публикации J.H.Allen и др. в журнале J.Geomagn. Geoelectr. 24, стр. 105-125 (1972). Однако указанный тандем-магнитометр создает паразитное магнитное поле, и поэтому оба сенсорных датчика должны быть расположены на определенном удалении один от другого, что является большим недостатком. Если же, напротив, применять систему с обычным генератором, управляемым напряжением (ГУН), как описано, например, в публикации Е.Б.Александрова и др. (E.B.Alexandrov et al.) в журнале Optical Engineering, апрель 1992, т. 31, N 4, то это приводит к ограниченной динамической характеристике и к проблемам при быстрых изменениях магнитного поля.

Поэтому, исходя из указанного уровня техники, в основу настоящего изобретения была положена задача создать способ получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой и компактный оптически накачиваемый магнитометр, при осуществлении которого не создается паразитного магнитного поля и не требуется больших объемов электронных средств.

Эта задача решается с помощью предложенного способа получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой с самовозбуждающимся оптическим магнитометром, выходная частота которого подается на высокочастотную катушку работающей на узкой резонансной линии опорной поглощающей ячейки, причем самовозбуждающийся магнитометр работает как генератор, управляемый напряжением. Согласно изобретению отклонение резонансной частоты от узкой резонансной линии опорной поглощающей ячейки преобразуется в сигнал напряжения, который подается на самовозбуждающийся магнитометр таким образом, что в нем в результате частотной модуляции резонансной частоты индуцируется сдвиг по фазе.

В соответствии со способом по изобретению в опорной поглощающей ячейке сравнения производится развертка линий таким образом, что измеряемое магнитное поле модулируется низкой частотой модуляции, и выходной сигнал опорной поглощающей ячейки подается на первый вход, а частота модуляции – на второй вход фазочувствительного выпрямителя, и выходной сигнал выпрямителя подается на самовозбуждающийся магнитометр.

Задача решается также с помощью способа получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой, в котором на высокочастотную катушку поглощающей ячейки подается сигнал от генератора, управляемого напряжением, выходной сигнал соединенного с фотодиодом поглощающей ячейки усилителя подается на первый вход, а выходной сигнал генератора – на второй вход фазочувствительного выпрямителя, и выходной сигнал выпрямителя подается на генератор. Согласно изобретению генератор является самовозбуждающимся магнитометром, и сигнал напряжения подается на самовозбуждающийся магнитометр таким образом, что в нем индуцируется сдвиг по фазе.

При этом в каждом из способов по изобретению выходной сигнал выпрямителя подается на фазокомпенсатор, а частотный сдвиг обусловлен сдвигом по фазе в самовозбуждающемся магнитометре.

Предлагаемый для реализации способов оптически накачиваемый магнитометр имеет работающую на узкой резонансной линии опорную поглощающую ячейку с высокочастотной катушкой и самовозбуждающийся оптический магнитометр, связанный с высокочастотной катушкой указанной поглощающей ячейки. Согласно изобретению в нем предусмотрена электрическая схема для генерирования сигнала напряжения, характеризующего отклонение опорной поглощающей ячейки от узкой резонансной линии, и эта электрическая схема соединена с самовозбуждающимся магнитометром.

В предпочтительной форме выполнения оптически накачиваемого магнитометра его электрическая схема содержит усилитель, вход которого соединен с фотоэлементом опорной поглощающей ячейки, а выход – с первым входом фазочувствительного выпрямителя и генератор частоты, соединенный со вторым входом и с выходом фазочувствительного выпрямителя, при этом фазокомпенсатор самовозбуждающегося магнитометра соединен с выходом выпрямителя.

Как это видно, основная идея изобретения заключается в том, что широкополосный самовозбуждающийся магнитометр применяют в качестве генератора, управляемого напряжением (ГУН). В одном из вариантов выполнения изобретения широкополосная самовозбуждающаяся часть тандем-магнитометра преобразована таким образом, что она работает как генератор, управляемый напряжением (ГУН). При этом применяется управляемый напряжением сдвиг по фазе для настройки частоты самовозбуждающегося магнитометра в определенном диапазоне. В другом варианте изобретения вместо обычного генератора, управляемого напряжением (ГУН), применяется широкополосный самовозбуждающийся магнитометр, работающий как ГУН. В результате с помощью изобретения создан компактный, надежный в эксплуатации сенсорный датчик.

Далее изобретение подробно поясняется описанием вариантов его выполнения и чертежами, на которых
на фиг. 1 показан известный тандем-магнитометр в соответствии с уровнем техники;
на фиг. 2 – вариант выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 3 – другой вариант выполнения настоящего изобретения.

На фиг. 1 изображен известный тандем-магнитометр в соответствии с уровнем техники, у которого самовозбуждающийся Cs-магнитометр 10 связан с узкополосной поглощающей K-ячейкой 20 другого магнитометра. Все устройство должно измерять напряженность H окружающего магнитного поля. В принципе, выходная частота самовозбуждающегося магнитометра соответственно гиромагнитному отношению применяемого резонанса (для Rb K=2, а для He K = 8) умножается и подается на высокочастотную катушку узкополосной поглощающей K-ячейки 20 магнитометра. В поглощающей ячейке 20 с помощью низкочастотной модуляции узкая резонансная линия развертывается таким образом, что создается фазовый сигнал, интенсивность которого является мерой отклонения от резонанса. Этот способ описан в уже упоминавшейся публикации Allen и др. Измеряемое магнитное поле при этом подвергают низкочастотной модуляции (в данном случае с частотой 5 Гц) путем подачи на катушки 12 Гельмгольца, оси которых точно установлены параллельно направлению магнитного поля, питания от низкочастотного генератора 21. Резонансную частоту с помощью установленных перпендикулярно к магнитному полю катушек подают к поглощающей ячейке. В зависимости от того, лежит ли подведенная резонансная частота несколько выше или ниже действительной резонансной частоты f₀, за усилителем 22 появляется 5-герцевый сигнал либо в фазе с частотой модуляции, либо в противофазе (см. фиг. 4 в работах Allen и Bender).

С помощью фазочувствительного выпрямителя 23 путем сравнения фаз создается электрическая величина, используемая для поддержания рассеянной частоты на значении резонансной частоты f₀. В устройстве по фиг. 1 через катушки 12 Гельмгольца протекает ток, величина которого такова, что двойная Cs-частота соответствует, например, резонансу K-частоты (= f₀). Этими катушками 12 наводится паразитное магнитное поле. Вблизи этих катушек проводить точное измерение уже нельзя.

В частности, сенсорный датчик 11 самовозбуждающегося магнитометра 10 расположен таким образом, что направление его оси образует угол в 45^o с направлением внешнего поля. Датчик находится посередине пары катушек 12 Гельмгольца, с помощью которых можно варьировать магнитное поле и тем самым выходную частоту самовозбуждающегося магнитометра 10. Выходной сигнал фотоэлемента сенсорного датчика 11 усиливается обычным образом усилителем 13, сдвигается по фазе на 90^o и подается на высокочастотную катушку сенсорного датчика 11.

Выходная частота самовозбуждающегося магнитометра 10 дополнительно удваивается умножителем 14 и подается на высокочастотную катушку поглощающей K-ячейки 20 другого магнитометра. Во второй паре катушек, параллельной направлению измеряемого поля, с помощью низкочастотного генератора 21 осуществляется модуляция и тем самым развертывается узкополосный сигнал. Выходной сигнал низкочастотного генератора 21 и усиленный усилителем 22 выходной сигнал фотоэлемента поглощающей K-ячейки 20 подаются на фазочувствительный выпрямитель 23.

В зависимости от отклонения выходной частоты самовозбуждающегося магнитометра 10 от узкой резонансной линии фазочувствительный выпрямитель 23 создает положительный или отрицательный сигнал, усиливая или ослабляя тем самым ток, подведенный к паре катушек 12 Гельмгольца. Между фазочувствительным выпрямителем 23 и парой катушек 12 Гельмгольца может быть включен дополнительно фильтр нижних частот, интегратор или корректирующее звено 24. В результате изменения общего магнитного поля по месту расположения сенсорного датчика 11 выходная частота самовозбуждающегося магнитометра 10 снова настраивается на узкую резонансную линию.

Поскольку катушки 12 Гельмгольца наводят паразитное магнитное поле, оба сенсорных датчика должны быть расположены на определенном удалении друг от друга.

На фиг. 2 представлен первый вариант выполнения магнитометрического устройства для осуществления способа по изобретению. Это устройство позволяет совместить сенсорные датчики 31 и 32 Cs- и K-магнитометров в одной компактной измерительной головке 30. Поглощающая ячейка датчика 32 K-магнитометра предпочтительно имеет очень узкую резонансную линию (например, < 10 nT). Выходной сигнал фотоэлемента датчика 32 K-магнитометра усиливается усилителем 33 и подается на первый вход фазочувствительного выпрямителя 34, на второй вход которого подается сигнал генератора 35 модулирующей частоты.

Генератор 35 модулирующей частоты выполняет ту же функцию, что и генератор 21 на фиг. 1, с тем лишь отличием, что на фиг. 2 исключена дополнительная модуляционная катушка для изменения магнитного поля, а вместо нее резонансная частота модулируется по частоте (например, низкочастотная модуляция с частотой около 5 Гц). Это может быть реализовано либо с помощью фазокомпенсатора 39, либо предпочтительно с помощью частотного умножителя 38 (выполненного по системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)).

В самовозбуждающейся части выходной сигнал фотоэлемента датчика 31 Cs-магнитометра подается на усилитель 37, выход которого соединен с высокочастотной катушкой датчика 31. Выходной сигнал усилителя 37 удваивается в частотном умножителе 38 и подается на высокочастотную катушку узкополосного датчика 32 поглощающей ячейки. Перед этим, однако, в частотно-корректирующем фазокомпенсаторе 39 производится коррекция частоты выходного сигнала усилителя 37 с помощью регулирующего сигнала, поступающего от фазочувствительного выпрямителя 34 через интегратор/корректирующее звено 36.

Таким образом, самовозбуждающийся оптический магнитометр включает в себя датчик 31, усилитель 37 и фазокомпенсатор 39. Указанные усилитель 33, фазочувствительный выпрямитель 34 и генератор 35 модулирующей частоты образуют электрическую схему оптически накачиваемого магнитометра для генерирования сигнала напряжения, характеризующего отклонение опорной поглощающей ячейки датчика 32 от узкой резонансной линии, и эта электрическая схема соединена с образующими самовозбуждающийся магнитометр датчиком 31, усилителем 37 и фазокомпенсатором 39.

Идея изобретения состоит, следовательно, в том, чтобы выполнить самовозбуждающуюся часть магнитометра таким образом, чтобы она работала как генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Условие возбуждения колебаний самовозбуждающегося магнитометра, у которого сигнал фотоэлемента усиливается и возвращается на высокочастотную катушку, состоит в том, чтобы этот контур был без потерь (усиление: 1) и чтобы сумма всех фазовых сдвигов внутри контура обращалась в нуль. В том случае, если, например, оптическая ось датчика и ось высокочастотной катушки ориентированы параллельно, то оптический сдвиг по фазе составляет -90^o, в результате чего сумма электрических сдвигов по фазе должна составлять +90^oC. При существенном нарушении этого условия сигнал затухает. Путем целенаправленного отклонения от = +90^o реализуется частотный сдвиг. Незначительные фазовые погрешности влияют на частотный сдвиг следующим образом.

Если через _K обозначить сдвиг по фазе в датчике 31 (пассивная часть), а через _V обозначить сдвиг по фазе в усилителе 37, то для колебательных условий справедливо следующее выражение:
= _K+_V = 0 (1).

Если предположить, что возмущение в активной части (усилитель 37) вызывает возмущение _V, то тогда в определяющей частоту части принудительно должно образовываться изменение _K так, что справедливо следующее выражение:
= 0 = _V+_K. (2)
Это достигается путем изменения частоты

При объединении с уравнением (2) получают следующее отношение:

Сдвиг по фазе с усилителем 37 вызывает, следовательно, пропорциональный частотный сдвиг, который определяется только коэффициентом df/d_K. Величина df/d_K является мерой для ширины линии резонанса. Целенаправленно изменяя все параметры, очень просто получить широкую линию и тем самым эффективный частотный сдвиг с помощью управляемого напряжением сдвига по фазе. Тем самым отпадает необходимость в катушках 12 Гельмгольца, показанных на фиг. 1.

Преимущества такого устройства состоят в следующем:
1. Можно изготовить компактный датчик, не создающий паразитного магнитного поля.

2. Значительно уменьшаются объемы электронных средств.

3. Обеспечиваются безынерционное отслеживание резонансной частоты вследствие изменений магнитного поля, а также большой динамический диапазон от 15000 до 120000 nT. Достигаемое время реакции составляет менее 1 мс.

4. Достигается высокая продолжительность стабильности (ниже 0,05 nT).

5. Можно работать с абсолютной точностью менее 0,05 nT.

6. Не создается никаких магнитных помех, благодаря чему способ согласно изобретению позволяет работать в непосредственной близости от других магнитометров.

Согласно изобретению, например, ячейки могут быть скомбинированы при определенных условиях при согласовании гиромагнитных условий следующим образом:
Cs(ш) – Cs/He(у), Cs(ш) – K(у), K(ш) – K(у), Cs(ш) – Rb(у), Rb(ш) – Rb(у), где буквы “ш” и “у” соответственно обозначают “широкополосный” и “узкополосный”. Среди этих комбинаций особое преимущество ячеек Cs-Cs/He заключается в том, что обе ячейки могут работать с общим источником света.

Еще одно устройство согласно изобретению представлено на фиг. 3. Изображенное на фиг. 3 устройство в принципе известно из публикации E.B.Alexandrov и др. в журнале Optical Engineering, апрель 1992, т. 31, N 4, и было разработано первоначально для применения калия в качестве рабочей среды. Показанный на этой схеме магнитометр соответствует самовозбуждающемуся устройству, т.е. оптическая ось поглощающей ячейки 40 и направление магнитного поля находятся под углом 45^o друг к другу. Однако из-за структуры резонансных линий калия сконструировать самовозбуждающийся магнитометр очень сложно.

Поэтому поступают следующим образом. Калий обладает четырьмя резонансными линиями, причем линия наибольшей интенсивности в зависимости от вида светового излучения (право-/лево-циркулярно поляризован) соответствует наименьшей или наибольшей резонансной частоте. С помощью генератора 43, управляемого напряжением, к резонансу наиболее интенсивной линии приближаются снизу или сверху. По достижении резонанса фотодиод поглощающей ячейки усилителя 41 выдает в точности резонансную частоту. Путем производимого фазочувствительным выпрямителем 42 сравнения фазы выходного сигнала усилителя с частотой ГУН получают напряжение для управления ГУН. Согласно изобретению вместо обычного ГУН применяют самовозбуждающийся широкополосный магнитометр таким образом, что он работает как генератор, управляемый напряжением. Как и в варианте, показанном на фиг. 2, в этом случае на фазочувствительный выпрямитель 42 самовозбуждающегося магнитометра также подают корректирующий сигнал. В примере согласно фиг. 3 фазочувствительный выпрямитель 42 генерирует корректирующий сигнал и подает его на фазокомпенсатор самовозбуждающегося магнитометра. Измерение выходной частоты самовозбуждающегося магнитометра может производиться счетчиком-частотомером. При этом могут применяться иные рабочие среды, отличные от калия.

Это устройство позволяет получить лучшую динамическую характеристику в сравнении с устройством, описанным у Alexandrov и др.

Формула изобретения

1. Способ получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой с самовозбуждающимся оптическим магнитометром (31,37,39), выходная частота которого подается на высокочастотную катушку работающей на узкой резонансной линии опорной поглощающей ячейки (32), причем самовозбуждающийся магнитометр работает как генератор, управляемый напряжением, отличающийся тем, что отклонение резонансной частоты от узкой резонансной линии опорной поглощающей ячейки (32) преобразуется в сигнал напряжения, который подается на самовозбуждающийся магнитометр так, что в нем в результате частотной модуляции резонансной частоты индуцируется сдвиг по фазе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в опорной поглощающей ячейке сравнения производится развертка линий так, что измеряемое магнитное поле модулируется низкой частотой модуляции и что выходной сигнал опорной поглощающей ячейки подается на первый вход, а частота модуляции – на второй вход фазочувствительного выпрямителя (34), и что выходной сигнал выпрямителя подается на самовозбуждающийся магнитометр.

3. Способ получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой, в котором на высокочастотную катушку поглощающей ячейки (40) подается сигнал от генератора (43), управляемого напряжением, выходной сигнал соединенного с фотодиодом поглощающей ячейки усилителя (41) подается на первый вход, а выходной сигнал генератора – на второй вход фазочувствительного выпрямителя (42), и выходной сигнал выпрямителя подается на генератор, отличающийся тем, что генератор является самовозбуждающимся магнитометром и что сигнал напряжения подается на самовозбуждающийся магнитометр так, что в нем индуцируется сдвиг по фазе.

4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что выходной сигнал выпрямителя подается на фазокомпенсатор (39), а частотный сдвиг обусловлен сдвигом по фазе в самовозбуждающемся магнитометре.

5. Оптически накачиваемый магнитометр, имеющий работающую на узкой резонансной линии опорную поглощающую ячейку (32) с высокочастотной катушкой и самовозбуждающийся оптический магнитометр, связанный с высокочастотной катушкой поглощающей ячейки (32), отличающийся тем, что в нем предусмотрена электрическая схема (33, 34, 35) для генерирования сигнала напряжения, характеризующего отклонение опорной поглощающей ячейки (32) от узкой резонансной линии, и эта электрическая схема (33, 34, 35) соединена с самовозбуждающимся магнитометром (31, 37, 39).

6. Оптически накачиваемый магнитометр по п.5, отличающийся тем, что электрическая схема (33, 34, 35) содержит усилитель (33), вход которого соединен с фотоэлементом опорной поглощающей ячейки (32), а выход – с первым входом фазочувствительного выпрямителя (34), и генератор (35) частоты, соединенный с вторым входом и с выходом фазочувствительного выпрямителя, и что фазокомпенсатор (39) самовозбуждающегося магнитометра соединен с выходом выпрямителя (34).

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 26.04.2003

Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004