激光氦光泵磁梯度测量传感技术研究
发布时间：2021-01-07 23:53
激光光泵磁测的基础物理原理是原子的塞曼分裂和磁共振效应。原子在极化和退极化过程中会吸收激光光能,产生磁共振信号。通过对磁共振信号中共振点的检测,可以获得磁场值。激光光泵的工作物质主要包括碱金属（铷,铯,钾等）和氦两类。与碱金属相比,氦原子在磁测过程中不需要加热和保温,功耗相对更低。随着实际应用场景的不断丰富,各种环境因素,比如磁日变以及磁暴活动等,会让被测磁场信息湮没在磁场噪声中,难以被获取。在一些背景磁场很强的区域进行磁探测工作时,对异常的解释推断工作往往还会遭受背景场强与被测磁异常比值太大的困扰,仅仅依靠单一的磁场标量值无法准确获取所需信息。因此,磁梯度的测量工作尤为重要。为了高质量完成磁梯度测量工作,本论文针对激光氦光泵磁梯度测量传感技术进行了研究,主要工作内容如下:（1）激光氦光泵磁测原理研究及磁梯度系统方案设计。对激光氦光泵磁测原理进行了分析,推导了激光氦光泵磁测原理公式,确定了共振频率的检测是磁场准确测量的关键。研究了获取磁共振信号的射频扫描法,并根据光磁学布洛赫方程以及描述原子对光吸收的Beer-Lambert定律,建立了磁共振信号的模型,共振曲线形态符合洛伦兹线型特性。...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
奥地利空间研究中心的CPT磁力仪
(a)JESSY STAR磁测系统(b)Air Bird磁测系统
碱金属光泵磁力仪的研发开始于20世纪60年代,最早使用的工作物质是铷。在60年代末期,为了对地球磁场进行长期监测,美国先后发射了POGO-2、POGO-4和POGO6三颗磁测卫星,这些卫星全部搭载了当时最为先进的铷光泵磁力仪,磁测精度可以达到6nT[97,98]。之后,由于铯原子的塞曼频移比铷原子小,铯原子逐渐进入了研究人员的视野。到了1979年,为了进一步完善POGO系列卫星的测量结果,美国航天局和地质调查局又联合发射了新型磁测卫星MagSat,MagSat搭载的是铯光泵磁力仪,既用于总场测量,又用于校正三分量数据,磁力仪磁测精度优于6nT[99-100]。时至今日,铯光泵磁力仪已经成为了商用最为成功的磁测仪器之一,其中最具代表性的就是加拿大SCINTRE公司生产的CS-3铯光泵磁力仪。该仪器磁测范围达到15000nT---105000nT,特别适合于磁力大幅度变化的测量,测量绝对精度优于2.5nT,最高分辨率为0.6pT/ Hz1/2[101]。图 1.9（a）所示是CS-3铯光泵磁力仪。从80 年代中期开始,塞曼频移更小的钾原子开始进入光泵磁力仪大家庭。由于钾原子谱线间距比铷和铯都大,且无重叠现象,所以钾光泵磁力仪的理论精度比铷光泵磁力仪和铯光泵磁力仪都要高,理论上可以优于0.1nT[66]。加拿大GEM公司研制的GSMP-35系列钾光泵磁力仪磁测范围同样很大,可以达到20000nT---120000nT,其测量绝对精度达到±0.1nT,最高分辨率为3.5pT/ Hz1/2[102],目前已经广泛的应用于全球各地的地面和航空磁勘探,取得不错的效果。图 1.9（b）所示是GSMP-35钾光泵磁力仪。在国内,北京地质仪器厂与北京大学合作,与1976年研制了铯光泵磁力仪CSZ-1。浙江大学2007年开始研制铷光泵磁力仪,经过陆续的改进,2016年报道的激光铷光泵磁力仪灵敏度可达1pT/ Hz1/2[103]。浙江大学同时也进行铯光泵磁力仪的研究,2013年报道的激光铯光泵磁力仪测磁灵敏度为1.8pT/ Hz1/2[104]。北京大学2013年研制成功的激光铯光泵磁力仪,测磁灵敏度为2.5pT/ Hz1/2[105]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]地球电场与地球磁场对大气中带电粒子的作用及其对气候的影响[J]. 邹润莉. 地球物理学进展. 2019(03)
[2]地磁总场测量阵列对磁性目标定位的方法[J]. 张晓峻,康曦元,樊黎明,郑权,陈鑫,康崇. 地球物理学报. 2019(05)
[3]2035年中国能源与矿产资源需求展望[J]. 文博杰,陈毓川,王高尚,代涛. 中国工程科学. 2019(01)
[4]2018年中国矿产资源形势回顾与展望[J]. 郭娟,崔荣国,闫卫东,林博磊,刘增洁,周起忠. 中国矿业. 2019(01)
[5]自然资源部公布2017年中国主要矿产资源储量报告[J]. 中国地质. 2018(06)
[6]原子磁力仪的空间应用及发展趋势[J]. 寇军,康海霞,杨然,桑建芝,王学锋. 导航与控制. 2018(06)
[7]2017年吉林宁江M 4.9地震前电磁变化[J]. 刘长生,高峰,张思萌,马艳丽,王建丰,石伟,刘爱华,战玉明. 地震地磁观测与研究. 2018(05)
[8]无人直升机航磁测量系统的研发与应用[J]. 张富明,温建亮,赵兴辉,方万来. 地球物理学进展. 2019(04)
[9]一种Mx构型氦光泵磁力仪的磁共振理论分析与实验验证[J]. 卢远添,石永麒,张乐,朱万华,张晓娟. 导航与控制. 2018(05)
[10]QS-GTC60型钢轨探伤车探伤系统对中技术研究[J]. 秦辉,徐啸. 轨道交通装备与技术. 2018(05)
博士论文
[1]氦原子23S-23P跃迁精密光谱研究[D]. 郑昕.中国科学技术大学 2018
[2]高温超导全张量磁梯度测量技术研究[D]. 申茂冬.吉林大学 2017
[3]基于相干布居囚禁原理的磁场精密测量研究[D]. 梁尚清.浙江大学 2017
[4]时间差型磁通门传感器理论建模与实验研究[D]. 杨波.南京理工大学 2015
[5]氦光泵磁测技术研究[D]. 张振宇.吉林大学 2012
[6]高温超导磁梯度仪关键技术研究[D]. 赵静.吉林大学 2011
硕士论文
[1]地面高精度磁法在贾家堡子铁矿的探测应用研究[D]. 徐涛.吉林大学 2018
[2]磁谐振式无线电能传输系统阻抗匹配网络的设计与实现[D]. 申大得.广东工业大学 2018
[3]基于旋翼无人机的光泵水平磁梯度测量关键技术研究[D]. 窦子优.吉林大学 2018
[4]我国矿产资源储量估算方法初探[D]. 梁红姣.中国地质大学(北京) 2018
[5]航磁总场梯度测量仪器与校正方法研究[D]. 李林.吉林大学 2018
[6]航空磁梯度张量仪运动噪声仿真及其轻便型采集系统研究[D]. 康盼.吉林大学 2017
[7]可调谐激光器模块研制[D]. 刘森.江南大学 2016
[8]随机梯度下降和对偶坐标下降算法的研究与应用[D]. 邓卫钊.燕山大学 2016
[9]铷原子激光光泵磁力仪的研究[D]. 张豪敏.浙江大学 2016
[10]基于Co基非晶带和DSP信号处理的数字磁通门传感器研究[D]. 孙磊.江苏大学 2015
本文编号：2963489
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
奥地利空间研究中心的CPT磁力仪
(a)JESSY STAR磁测系统(b)Air Bird磁测系统
碱金属光泵磁力仪的研发开始于20世纪60年代,最早使用的工作物质是铷。在60年代末期,为了对地球磁场进行长期监测,美国先后发射了POGO-2、POGO-4和POGO6三颗磁测卫星,这些卫星全部搭载了当时最为先进的铷光泵磁力仪,磁测精度可以达到6nT[97,98]。之后,由于铯原子的塞曼频移比铷原子小,铯原子逐渐进入了研究人员的视野。到了1979年,为了进一步完善POGO系列卫星的测量结果,美国航天局和地质调查局又联合发射了新型磁测卫星MagSat,MagSat搭载的是铯光泵磁力仪,既用于总场测量,又用于校正三分量数据,磁力仪磁测精度优于6nT[99-100]。时至今日,铯光泵磁力仪已经成为了商用最为成功的磁测仪器之一,其中最具代表性的就是加拿大SCINTRE公司生产的CS-3铯光泵磁力仪。该仪器磁测范围达到15000nT---105000nT,特别适合于磁力大幅度变化的测量,测量绝对精度优于2.5nT,最高分辨率为0.6pT/ Hz1/2[101]。图 1.9（a）所示是CS-3铯光泵磁力仪。从80 年代中期开始,塞曼频移更小的钾原子开始进入光泵磁力仪大家庭。由于钾原子谱线间距比铷和铯都大,且无重叠现象,所以钾光泵磁力仪的理论精度比铷光泵磁力仪和铯光泵磁力仪都要高,理论上可以优于0.1nT[66]。加拿大GEM公司研制的GSMP-35系列钾光泵磁力仪磁测范围同样很大,可以达到20000nT---120000nT,其测量绝对精度达到±0.1nT,最高分辨率为3.5pT/ Hz1/2[102],目前已经广泛的应用于全球各地的地面和航空磁勘探,取得不错的效果。图 1.9（b）所示是GSMP-35钾光泵磁力仪。在国内,北京地质仪器厂与北京大学合作,与1976年研制了铯光泵磁力仪CSZ-1。浙江大学2007年开始研制铷光泵磁力仪,经过陆续的改进,2016年报道的激光铷光泵磁力仪灵敏度可达1pT/ Hz1/2[103]。浙江大学同时也进行铯光泵磁力仪的研究,2013年报道的激光铯光泵磁力仪测磁灵敏度为1.8pT/ Hz1/2[104]。北京大学2013年研制成功的激光铯光泵磁力仪,测磁灵敏度为2.5pT/ Hz1/2[105]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]地球电场与地球磁场对大气中带电粒子的作用及其对气候的影响[J]. 邹润莉. 地球物理学进展. 2019(03)
[2]地磁总场测量阵列对磁性目标定位的方法[J]. 张晓峻,康曦元,樊黎明,郑权,陈鑫,康崇. 地球物理学报. 2019(05)
[3]2035年中国能源与矿产资源需求展望[J]. 文博杰,陈毓川,王高尚,代涛. 中国工程科学. 2019(01)
[4]2018年中国矿产资源形势回顾与展望[J]. 郭娟,崔荣国,闫卫东,林博磊,刘增洁,周起忠. 中国矿业. 2019(01)
[5]自然资源部公布2017年中国主要矿产资源储量报告[J]. 中国地质. 2018(06)
[6]原子磁力仪的空间应用及发展趋势[J]. 寇军,康海霞,杨然,桑建芝,王学锋. 导航与控制. 2018(06)
[7]2017年吉林宁江M 4.9地震前电磁变化[J]. 刘长生,高峰,张思萌,马艳丽,王建丰,石伟,刘爱华,战玉明. 地震地磁观测与研究. 2018(05)
[8]无人直升机航磁测量系统的研发与应用[J]. 张富明,温建亮,赵兴辉,方万来. 地球物理学进展. 2019(04)
[9]一种Mx构型氦光泵磁力仪的磁共振理论分析与实验验证[J]. 卢远添,石永麒,张乐,朱万华,张晓娟. 导航与控制. 2018(05)
[10]QS-GTC60型钢轨探伤车探伤系统对中技术研究[J]. 秦辉,徐啸. 轨道交通装备与技术. 2018(05)
博士论文
[1]氦原子23S-23P跃迁精密光谱研究[D]. 郑昕.中国科学技术大学 2018
[2]高温超导全张量磁梯度测量技术研究[D]. 申茂冬.吉林大学 2017
[3]基于相干布居囚禁原理的磁场精密测量研究[D]. 梁尚清.浙江大学 2017
[4]时间差型磁通门传感器理论建模与实验研究[D]. 杨波.南京理工大学 2015
[5]氦光泵磁测技术研究[D]. 张振宇.吉林大学 2012
[6]高温超导磁梯度仪关键技术研究[D]. 赵静.吉林大学 2011
硕士论文
[1]地面高精度磁法在贾家堡子铁矿的探测应用研究[D]. 徐涛.吉林大学 2018
[2]磁谐振式无线电能传输系统阻抗匹配网络的设计与实现[D]. 申大得.广东工业大学 2018
[3]基于旋翼无人机的光泵水平磁梯度测量关键技术研究[D]. 窦子优.吉林大学 2018
[4]我国矿产资源储量估算方法初探[D]. 梁红姣.中国地质大学(北京) 2018
[5]航磁总场梯度测量仪器与校正方法研究[D]. 李林.吉林大学 2018
[6]航空磁梯度张量仪运动噪声仿真及其轻便型采集系统研究[D]. 康盼.吉林大学 2017
[7]可调谐激光器模块研制[D]. 刘森.江南大学 2016
[8]随机梯度下降和对偶坐标下降算法的研究与应用[D]. 邓卫钊.燕山大学 2016
[9]铷原子激光光泵磁力仪的研究[D]. 张豪敏.浙江大学 2016
[10]基于Co基非晶带和DSP信号处理的数字磁通门传感器研究[D]. 孙磊.江苏大学 2015
本文编号：2963489
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