一种基于数字补偿技术的光强噪声抑制方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及精密测量设备技术领域以及信号检测技术领域，尤其涉及了一种利用数字补偿技术对原子自旋磁场或惯性传感器中的检测光光强噪声抑制方法。背景技术：2.原子自旋磁场或惯性传感器中的碱金属原子气室内的原子自旋进动频率由与磁场相关的拉莫尔进动频率和载体转动角速率共同贡献，此自旋自动频率则可通过穿过气室的线偏振检测光的偏转角信息解出，从而得到磁场或惯性信息。特别地，对于超高灵敏度的测量，需要降低影响较大的低频噪声，一般可通过光弹调制器将检测光偏振态进行高频调制再配合锁相放大器进行解调实现，其解调信息可分为调制频率的一次谐波v1＝ηmai0θδ、二次谐波v2＝ηmai0δ2/8，其中η为光电探测器的光电转换效率，ma为电流电压跨阻放大系数，i0为进入光电探测器的检测光功率，θ则为包含目标磁场或者惯性信息的光旋角，δ为光弹调制器调制深度。可见一次谐波和二次谐波信号均与检测光功率线性相关。3.检测光光强噪声严重限制了传感器灵敏度和稳定度，为了解决此问题，人们采用了多种稳光强方案，如把检测光路一分为二，其中一路用光电探测器实时监测光功率，反馈到另一路或者主路的额外引入的声光调制器、电光调制器、液晶波片或者噪声衰减器等硬件进行功率闭环控制，然而所需的检测光分支并不在反馈回路当中，两条光路的差别会限制光强稳定效果。另外，也有利用二次谐波反馈到检测光路中的额外引入的液晶波片等方法，但依然离不开额外的硬件。额外的硬件引入增加了成本和系统复杂度，噪声抑制效果甚至系统稳定度也会受到这些额外硬件的性能的限制，存在着残余噪声。技术实现要素：4.本发明针对现有的原子自旋磁场或惯性传感器中的检测光光强稳定技术中的不足，提供了一种基于数字补偿技术的光强噪声抑制方法。本发明通过对检测光进行幅度调制，同时采集检测系统中的一次谐波和二次谐波信号并分别作拟合，拟合的幅度比作为补偿系数代入相应公式，利用数字补偿方法消除一次谐波即目标信号中的光强噪声。本发明提供的方法能够在已有的旁路稳光强基础上实现对所需的检测光分支的二次稳光强或者直接对所需检测光分支进行稳光强，同时避免了不同光路差别所带来的影响。还可以在传感器测量的同时进行实时或定期的光强幅度调制、检测信号拟合，从而在实时或定期校准补偿系数的情况下进行数字补偿，避免了系统状态改变或不稳定性带来的影响。或者根据应用需求，在得到补偿系数后把用于幅度调制的硬件移除，仅利用数字补偿技术即可实现无任何额外硬件的光强噪声抑制效果。5.本发明的硬件构造主要基于原子自旋磁场或惯性传感器中的检测系统，包括检测光源、光强调制模块、起偏器、碱金属气室、1/4波片、光弹调制器、检偏器、光电探测器、锁相放大器、计算机等器件。其中光强调制模块用作对检测光进行幅度调制，一般为由液晶波片、测量功率的光电探测器和反馈控制电路所组成的噪声衰减器，可以让检测光产生一个旁路并对此旁路进行光强稳定，并且可外接一个提供调制信号的信号源。本发明的目的是通过以下步骤实现的：6.(1)利用光强调制模块，以一定的函数对检测光进行幅度调制，调制函数可以是三角波、方波、正弦波等。7.(2)利用计算机同时采集检测系统中的光弹调制器调制频率的一次谐波和二次谐波电压信号，分别记为v1(t)和v2(t)，并根据步骤(1)中的幅度调制函数对他们进行拟合，对应的幅度拟合值分别记为a1和a2，而幅度比记为也可称为补偿系数。8.(3)由于一次谐波和二次谐波电压信号均与检测光功率线性相关，则可根据公式v1c(t)＝v1(t)-η[v2(t)-v2(0)]，利用二次谐波对一次谐波进行数字补偿，其中v2(0)为初始时刻的二次谐波电压信号，v1c(t)则为扣除了光强残余噪声的一次谐波电压信号。[0009]基于上述步骤，原子自旋磁场或惯性传感器可工作在以下三种光强噪声抑制模式：[0010]一、保留光强调制模块中的噪声衰减器和信号源，在传感器测量全程以一定频率保持光强幅度调制，并同时进行幅度拟合，从而实时校准了补偿系数；或者在传感器测量过程定期进行光强幅度调制并进行幅度拟合，从而定期校准了补偿系数。此模式不仅可以在噪声衰减器对检测光旁路稳光强的基础上实现了对所需检测光支路的二次稳光强，还可避免系统状态改变或不稳定性带来的影响，适合动态测量或者复杂环境下的测量应用。[0011]二、得到初始的补偿系数后，保留光强调制模块中的噪声衰减器而移除信号源，在传感器的后续测量中，噪声衰减器工作在由内部参考信号提供的直流模式，并使用初始补偿系数进行数字补偿。此模式同样可以实现二次稳光强，消除残余光强噪声，适合静态测量应用。[0012]三、得到初始的补偿系数后，移除光强调制模块中的噪声衰减器和信号源，在传感器的后续测量中，使用初始补偿系数进行数字补偿。此模式在没有任何额外硬件的前提下实现了对所需检测光支路的光强稳定，适合传感器小型化应用。[0013]除此之外，所述光强调制模块可以简化为一个旋转式连续可变衰减片，在步骤(1)中可以线性改变检测光光强，步骤(2)中对一次谐波和二次谐波进行线性拟合，两者拟合的斜率比则作为补偿系数，并在步骤(3)中进行光强噪声数字补偿。[0014]本发明的有益效果是：与原子自旋磁场或惯性测量传感器现有的检测光强噪声抑制方案相比，本发明提供的方法能够在已有的旁路稳光强基础上实现对所需的检测光分支的二次稳光强或者直接对所需检测光分支进行稳光强，避免了不同光路差别所带来的影响，数字补偿技术的应用也消除了光强残余噪声。还可以在传感器测量的同时进行实时或定期的光强幅度调制、检测信号拟合，从而在实时或定期校准补偿系数的情况下进行数字补偿，避免了系统状态改变或不稳定性带来的影响。或者根据应用需求，在得到补偿系数后把用于幅度调制的硬件移除，仅利用数字补偿技术即可实现无任何额外硬件的光强噪声抑制效果。附图说明[0015]图1为本发明实施例的一种基于数字补偿技术的光强噪声抑制方法所涉及的系统设计示意图。图1中的标记说明：1-检测光源、2-噪声衰减器、3-信号源、4-起偏器、5-碱金属气室、6-1/4波片、7-光弹调制器、8-检偏器、9-光电探测器、10-锁相放大器、11-计算机，其中噪声衰减器2和信号源3组成了光强幅度调制器。[0016]图2为本发明具体实施例中的数字补偿光强噪声效果时域图，其中v1和v1fit分别为一次谐波信号及其拟合曲线，v2和v2fit分别为二次谐波信号及其拟合曲线，v1c为补偿之后的一次谐波信号。具体实施方式[0017]下面将结合实施例和实施例中的附图对本发明进行说明。[0018]如图1所示，本发明实施例所涉及的硬件构造主要基于原子自旋磁场或惯性传感器中的检测系统，包括检测光源1、噪声衰减器2、信号源3、起偏器4、碱金属气室5、1/4波片6、光弹调制器7、检偏器8、光电探测器9、锁相放大器10、计算机11等器件。其中噪声衰减器2一般由液晶波片、测量功率的光电探测器和反馈控制电路组成，可以让检测光产生一个旁路并对此旁路进行光强稳定，并且控制电路还可以进行外部调制。噪声衰减器2配合信号源3组成了光强调制模块，可以对检测光进行幅度调制。[0019]如图1所示，本发明实施例具体步骤如下：[0020](1)利用光强调制模块，以一定的函数对检测光进行幅度调制，调制函数可以是三角波、方波、正弦波等。在本实施例中，给信号源3设置了一个偏置为300mv、幅度为20mv、频率为2hz的正弦波。其中，偏置电压的选择对应于原子自旋磁场或惯性传感器正常工作时的所需的检测光功率。[0021](2)利用计算机同时采集检测系统中的光弹调制器调制频率的一次谐波和二次谐波电压信号，分别记为v1(t)和v2(t)，并根据步骤(1)中的幅度调制函数对他们进行拟合，对应的幅度拟合值分别记为a1和a2，而幅度比记为也可称为补偿系数。在本实施例中，如图2所示，v1和v1fit分别为一次谐波信号及其拟合曲线，v2和v2fit分别为二次谐波信号及其拟合曲线，补偿系数η＝0.4621。[0022](3)从背景技术中可知，一次谐波和二次谐波电压信号均与检测光功率线性相关，则可根据公式v1c(t)＝v1(t)-η[v2(t)-v2(0)]，利用二次谐波对一次谐波进行数字补偿，其中v2(0)为初始时刻的二次谐波电压信号，v1c(t)则为扣除了光强残余噪声的一次谐波电压信号，对应图2中的v1c。分别对图2中的v1和v1c作傅里叶变换，可以得到相应的噪声功率谱密度，其中25hz以下的低频噪声被有效压制，如在3hz处，补偿后噪声减小了12.9db，并且在2hz的调制频率处，也几乎被补偿干净。[0023]基于上述步骤，原子自旋磁场或惯性传感器可工作在以下三种光强噪声抑制模式：[0024]一、保留光强调制模块中的噪声衰减器和信号源，在传感器测量全程以一定频率保持光强幅度调制，并同时进行幅度拟合，从而实时校准了补偿系数；或者在传感器测量过程定期进行光强幅度调制并进行幅度拟合，从而定期校准了补偿系数。此模式不仅可以在噪声衰减器对检测光旁路稳光强的基础上实现了对所需检测光支路的二次稳光强，还可避免系统状态改变或不稳定性带来的影响，适合动态测量或者复杂环境下的测量应用。[0025]二、得到初始的补偿系数后，保留光强调制模块中的噪声衰减器而移除信号源，在传感器的后续测量中，噪声衰减器工作在由内部参考信号提供的直流模式，并使用初始补偿系数进行数字补偿。此模式同样可以实现二次稳光强，消除残余光强噪声，适合静态测量应用。[0026]三、得到初始的补偿系数后，移除光强调制模块中的噪声衰减器和信号源，在传感器的后续测量中，使用初始补偿系数进行数字补偿。此模式在没有任何额外硬件的前提下实现了对所需检测光支路的光强稳定，适合传感器小型化应用。[0027]特别地，在本发明实施例中，噪声衰减器2本身对检测光有稳光强作用，加上本发明实施例所用的原子自旋传感器的主要噪声来源不是检测光强噪声，所以在此基础上进行的数字补偿所得到的二次稳光强效果对比不够显著。为了验证当检测光强噪声较大时本发明提供的方法的效果，可以利用信号源3对噪声衰减器2施加一个大幅度噪声调制信号，然后利用数字补偿技术进行光强稳定。在一个施加额外噪声调制的实施例中，可得一次谐波信号补偿前后，时域上的相对标准差由0.14％降为0.02％，补偿效果明显。[0028]除此之外，所述光强调制模块可以简化为一个旋转式连续可变衰减片，在步骤(1)中可以线性改变检测光光强，步骤(2)中对一次谐波和二次谐波进行线性拟合，两者拟合的斜率比则作为补偿系数，并在步骤(3)中进行光强噪声数字补偿。[0029]最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之中。









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