0 引言

光泵磁力仪早在20世纪50年代就已研制成功并应用于地球物理勘探(管志宁等，2005).它是以原子能级的塞曼效应为基础，利用光泵作用和磁共振作用实现磁场测量的一种高精度、高灵敏度磁测设备(李曙光，2009；吴文福和袁皓，2016).光泵磁力仪的种类有很多，按工作物质的原子分为：氦(He)光泵磁力仪、气态碱金属元素(Rb、Rb、Cs、K)光泵磁力仪、汞蒸汽(Hg)光泵磁力仪以及双工作元素磁力仪如铯钾(Cs-K)光泵磁力仪等(David and Joe 1991；Bohler and Marton, 1994；Partridge and Series, 1996；Groeger et al., 2005；Budker, Romalis, 2007；Budker, Kimball, 2013).有别于其他光泵磁力仪器，氦光泵磁力仪受环境温度影响小，从而成为国外航空反潜用磁异常探测的主要装备.磁力仪小型化、数字化是光泵磁力仪研究趋势.20世纪70年代，美国TI公司研制出应用于航空氦光泵磁力仪，其氦光泵磁力仪静态噪声为16pT，经数字化后静态噪声为8pT.我国的氦光泵磁力仪研制起始于20世纪60年代.自90年代中期开始，中国国土资源航空物探遥感中心、中船重工集团第七一五研究所等单位相继研制出多型光泵磁力仪，在航空磁测、地面磁测和海洋磁测方面皆有所应用.其中用于航空磁测的仪器主要有GB-10、HC-90K、HC-2000氦光泵磁力仪，用于地面磁测的仪器主要有GB-4A、HC-90D和HC-95(A型、B型)氦光泵磁力仪，用于海洋磁法测量的仪器主要有GB-6(A型、B型)氦光泵海洋磁力仪.此外中船重工集团公司第七一五研究所在国家高技术研究发展计划重大项目“深部矿产资源勘探技术”中，还开展了对铯光泵磁力仪关键技术研究，完成铯光泵磁力仪原理样机研制，静态噪声已达8 pT.研制的数字式氦光泵磁力仪静态噪声达到1.25 pT(姜智鹏等，2008；晋芳等. 2011；潘启军等，2005；肖胜红等，2006；姚远，2002；张昌达和董浩斌，2004；邹润莉，2008).21世纪初美国Polatomic公司研制出应用于航空激光氦光泵磁力仪(Di et al., 2006).由于氦光泵磁力仪技术主要为军事用途，因此国外对地质勘探用光泵磁力仪小型化研究主要方向为铯光泵磁力仪.在美国国防部先进项目研究局(DARPA)的支持下，美国Geometrics公司基于MEMS技术研发成功体积15 cc、功率2 W、灵敏度1 pT/Hz的微型激光铯光泵原子磁力仪.该磁力仪可用于地球物理勘探、搜索未爆弹药、港口监测等方面.我国沈阳仪器仪表研究所也曾着手研制便携式半导体氦光泵磁力仪，由于条件限制，当时的研究产品未能推广使用(吴天彪，2007).

光泵磁力仪小型化是光泵磁力仪发展的必然趋势，然而泵灯、原子气室体积减小必然影响磁力仪的磁测灵敏度.本文对氦光泵磁力仪的传感器关键部件氦灯、氦室进行小型化技术研究，并综合运用多种技术研制新型的数字化磁检测电路，增强抗电磁干扰能力，并扩展磁力仪的量程，进一步提高磁力仪测量精度和应用效果，研制出小型化、数字化、高精度大量程的地面数字氦光泵磁力仪.

1 高灵敏度跟踪式氦光泵磁力仪原理

氦光泵磁力仪是一种以惰性气体He⁴气体作为共振元素的高精度量子磁测仪器.光泵探头中，在高性能泵源氦灯的泵浦下，氦原子气室内氦原子发生磁共振作用以实现磁探测(Slichter，1963；Robert, 1972).氦气是一种稳定的惰性气体，外壳为两个电子.正常情况下，氦原子没有核矩，两个电子自旋磁矩和轨道磁矩相互抵消，因而原子无磁性.为使氦原子产生磁矩，对氦进行高频弱激发，令氦原子外层电子壳层中的电子被激发到另一个状态亚稳态(2³s₁)，使得氦原子存在磁矩.在外磁场中，由于原子磁矩和外磁场之间相互作用，处于亚稳态的氦原子产生塞曼分裂.分裂的能级间的能量差与外磁场成正比.为测定外磁场，需要改变核子或电子在分裂能级上的分布.粒子在分裂能级间发生跃迁而发射或吸收电磁波的频率与磁次能级间的能量差成正比.该频率即为待测磁场.图 1中2³s₁表示亚稳态，m_j为塞曼次能级.粒子在各能级的分布，遵守玻耳兹曼分布定律，高能级上，粒子数要少.采用光泵的方式可以形成非玻耳兹曼分布(黄成功等，2009).

本文所研究氦光泵磁力仪的磁测工作原理如图 2所示.在高频激发器的作用下，氦灯发出泵浦光，首先经透镜变为平行光，再经圆偏振片和λ/4片后变成圆偏振光，然后作用于吸收室中的氦气上.在外磁场作用下，亚稳态正氦产生塞曼分裂.在光泵作用下，氦原子磁矩取向一致，最终共振线圈所产生射频能量打乱原子磁矩取向，产生磁共振作用.射频场是磁共振频率附近扫描的调频信号.光线经过吸收室后由透镜聚集于光敏元件，其产生信号相对应于射频场，该信号经放大器放大后进入相敏检波器，并产生一个直流误差信号，该直流信号经积分器积分后控制压控振荡器的输出基频，如此构成跟踪环路，测频器测出共振频率f，由共振频率f即可计算出待测外磁场值B.氦光泵磁力仪的磁测表达式：f=其中γ为氦(He⁴)的旋磁比，则频率与磁场的关系为f(Hz)=28.02356B(nT).

2 氦光泵磁传感器探头优化设计 2.1 光泵磁力仪灵敏度分析

根据光泵磁力仪原子物理理论分析，光泵磁力仪的灵敏度δB为

(1)

其中Δν为磁共振线宽，S/N为信噪比.从上式可知磁力仪的灵敏度δB和线宽Δν成正比，与信噪比S/N成反比.磁力仪的信噪比S/N是取决于磁力仪的磁共振信号S和噪声N的比值.磁力仪中共振信号S与光泵作用下氦原子气室中的极化原子数和能级间的跃迁几率成正比.极化原子数和跃迁几率增加，会导致磁共振信号较强.磁力仪噪声N主要包含为灯室的量子噪声、光敏二极管的暗噪声、系统的电噪声等.为实现光泵磁力仪的灵敏度要求目前主要从信噪比S/N及线宽Δν两方面着手，通过提高信噪比S/N，降低磁力仪线宽Δν而实现高性能.

小氦灯室设计不合理会造成光泵效率下降，氦原子气室中极化原子数下降，引起磁力仪磁共振信号下降，使磁力仪的灵敏度降低.因此，高灵敏度光泵磁力仪的主要设计因素包括三个方面：1)提高光泵浦效率，增加氦原子气室内的氦原子极化数；2)改进氦原子气室的制作工艺，降低氦原子气室的线宽和提高磁共振信号；3)降低光泵探头噪声，提高磁力仪信噪比.

2.2 泵源分析和设计

氦灯是氦光泵磁力仪中光泵效应的泵源(高频气体放电光源)，氦灯内充有一定气压的高纯度氦气，在高频电场的激励下，实现气体放电灯持续放电发光，发射1083.025 nm的D₁线波段光谱泵浦磁力仪中原子气室内的氦原子.

氦灯的发光强度取决于电场作用下的运动电子和气体原子的碰撞次数，也就是取决于气体原子的自由行程.根据原子理论公式：

(2)

其中，原子的自由行程l取决于气压P、温度T.同样温度T条件下，气压P增加缩短原子自由行程l.

理想气体状态方程PV=nRT，V为氦灯的充气体积，n表示气体原子的粒子数，而T表示理想气体的热力学温度，R为理想气体常数.从式中可知，当温度T、气压P一定时，氦灯尺寸V减小，将会导致氦灯内部原子数量减小.从而氦灯内气体原子碰撞次数下降，增加气体原子的自由行程.氦灯的发光强度变弱，使原子泵浦效率下降，磁力仪的灵敏度降低.因此采用高气压P氦灯缩短气体原子自由行程，在具有合理的气体原子数条件下，增加了碰撞次数，保证氦灯发光强度.但是气压过高导致碰撞增加，将致使氦灯散射加大、使氦灯发光中的谱线复杂.如下图 3所示，气压过高也带来了光噪声及光频移的增加.经优化和测试，如表 1所示，尺寸为∅15×30小型氦灯性能与原大型氦灯∅19 mm×50 mm性能接近.

为使光源集中为类似点光源，氦灯优化设计为哑铃状结构，中间收缩为一细管，令光源集中.制作的氦灯如图 4所示.

2.3 氦原子气室分析和设计

在外磁场H为[2H₁cosω₁t, 0, H₀]和泵浦光作用下，氦原子气室内产生的地磁场方向光学信号：

(3)

其中，H₁为共振线圈产生的去取向磁场；ω₁为去取向频率；H₀为地磁场；τ_p为光泵时间；Δω=ω₁-γH₀表示去取向射频频率ω₁和磁共振频率之差；γ为旋磁比；T₁为驰豫时间；τ_p为光泵时间；θ为光轴与地磁场夹角；对氦气通常有.分析上式可知，当光去取向频率和磁共振频率有差异时，穿透吸收室光强S_Z将发生变化.为了便于检测S_Z随Δω变化，使去取向的调制场为ω₁=ω₁₀+AcosΩt，其中ω₁₀为去取向场中心频率，A为调频的最大频偏，Ω为调制角频率.

当时(B为共振线宽)，S_Z的Ω基波分量S_Ω为

(4)

其中α²=(γH₁)²S₁S₂，B为共振线宽.因此，研究使用S_Z信号是按跟踪式方案设计氦光泵磁力仪的重要依据.引入表征磁力仪基本性能的最重要的一条指标——磁、光、电转换灵敏度R_H=，其中S_Ω为光学磁共振信号，可以直接从放大器输出检测；N₀为系统开环噪声，包括来自探头的光噪声和仪器各种干扰引起的噪声的总和；ΔB/2为半共振线宽.显然，减低系统噪声和减小光学取向的信号共振线宽，提高光学取向信号，可以改善磁、光、电转换灵敏度；这是提高磁力仪灵敏度的关键(William and Arnold, 1961).

氦原子气室是磁共振发生的主要元器件，其设计性能受诸多因素影响，如真空度、氦室尺寸、充气压力、高频激励源等.研究表明，氦原子气室内充气压力低时，具有磁矩的正氦驰豫时间主要取决于向原子气室壁扩散的速度，并且驰豫时间与气体压力成正比；而在压力高时，正氦驰豫时间主要取决于正氦原子与两个仲氦原子的碰撞，并且驰豫时间与压力平方成反比，这样在吸收室尺寸一定时，获得最长驰豫时间有一个最佳压力值.共振线宽与驰豫时间有关，总的线宽为

(5)

其中称为驰豫线宽，为光学线宽.

由光泵磁力仪的灵敏度δB可知，共振线宽小能提高磁力仪的灵敏度，即应设法减小原子气室的线宽.原子气室的光学线宽取决于泵浦时间(或称光学驰豫时间)它反比于入射光的强度.因此，从改善线宽角度出发，希望入射光强小些.从取向作用看，即增大信号又需要入射光强大些，因此，充气压力有一个最佳设计值.

本文对氦吸收室进行全新设计.根据理想气体状态方程，吸收室体积减小，氦原子内部的氦原子数量减少，光泵效应下氦原子极化数下降，磁共振信号下降导致磁测灵敏度降低.因此，为保证极化原子数，在小型化的氦室中充高气压.气压高一些，由于被泵浦的原子数增加，磁共振信号增加，但如果气压高到一定程度，使得氦原子的热弛豫时间变短，原子间的碰撞加剧，将会对被泵浦后的极化原子产生消极的去取向作用，从而使磁力仪磁共振信号下降、共振线宽加宽，降低磁力仪的测量精度.因此，根据磁传感器理论研究，应尽量在不影响磁传感器性能前提下减小氦室，经过设计及制作工艺改进，小型的氦吸收室尺寸确定为∅25×50 mm.小型氦原子气室如图 5所示，氦气室性能比较如表 2.

经小型化设计，研制的小型探头如图 6所示.光泵探头尺寸：∅50×160 mm.

3 氦光泵磁力仪数字化环路设计

鉴于传统磁力仪模拟跟踪环路在噪声抑制能力和磁场测量范围方面的不足，本文开展了数字化环路设计研究，采用数字直接频率合成DDS技术替代压控振荡器VCO，采用PID算法替代原模拟跟踪电路，以达到提高仪器量程和抗干扰能力的目的.本文设计的数字化跟踪环路结构如图 7所示，由光泵探头、功率源、前放与选频放大器、相敏检波器、低通滤波、精密ADC、高速DAC、恒温晶振、DSP和FPGA等组成.

其中，DDS在FPGA内部实现，配合高速DAC产生磁共振所需的拉莫尔频率信号，数字PID控制器在DSP内部实现，通过精密ADC采集得到共振信号幅值后实时调节DDS中心频率，完成对外磁场的实时跟踪.

数字跟踪环路相比模拟跟踪环路，具有如下优势：

(1) 仪器量程得到拓展，DDS可以输出工作频率内的任何频率范围；

(2) 无变容二极管、电感等电磁场敏感元件，仪器抗干扰能力强；

(3) 频率值直接有DDS输出，不存在计数器的正负1个脉冲误差，适合于高精度磁力仪；

(4) 数字化后，仪器稳定性提高，方便调试.

综上，数字跟踪环路的核心在于采用直接数字频率合成器替代压控振荡器，最终达到提高仪器量程和抗干扰能力的不足.

数字化氦光泵磁力仪以DSP+FPGA为核心，由前放与选频放大器，相敏检波器，低通滤波器，精密ADC，数字PID控制器，直接数字频率合成器，高速DAC和恒温晶振等组成.其中，直接频率数字合成器DDS替代原压控振荡器，数字PID控制器通过相敏检波器与精密ADC获取共振信号的大小，实时调节DDS的中心频率，完整对外界磁场的跟踪测量.其包含两项关键技术，基于FPGA的低杂散拉莫尔正弦调频DDS信号源、基于DSP的闭环跟踪算法.

基于FPGA的低杂散拉莫尔正弦调频DDS信号源的基本结构框如图 8所示，其主要采用数字直接频率合成DDS来产生所需的正弦调频信号源.

磁力仪量程上限为100000 nT，对应拉莫尔频率约为2.8 MHz.在保证拉莫尔信号每个周期保证30个以上采样点的情况下，高速DAC的实际工作主频应大于30×2.8 MHz，选定为90 MHz，应选择频率高于150 MHz的高速DAC.若要求DDS的分辨率达0.1 pT，则所需的累加器位数为

(6)

留有足够裕量，FPGA资源也足够，DDS核选用64位控制字，即N=64.图 8中，温补晶振输出频率为10 MHz，经FPGA锁相环倍频至系统主频90 MHz.ROMA存储由频偏控制字得到的离散化正弦频偏64位控制字，辅助累加器ACCA根据调频频率控制字产生ROMA的寻址地址，ROMA的输出和中心频率控制字一起接到高速并行的64位加法器，共同产生单频DDS累加器ACCB所需的控制字.此外，为了降低DDS输出杂散(主要由相位截断导致)，还需采用随机小步长相位控制技术等方法来降低最终输出的杂散.

基于DSP的闭环跟踪算法也是数字化环路设计关键技术之一，DSP完成系统控制、系统自检、点火控制、共振区扫描、跟踪状态检测和对外磁场的闭环跟踪，信号流图如图 9所示.DSP从FPGA读取共振信号作为闭环跟踪的误差信号，最终采用增量式PID控制调频DDS的中心频率，完成对外磁场的闭环跟踪测量.

DSP在系统自检后需要形成多达30余项的自检报告，包括DSP与FPGA通信接口、全局同步时钟、采样时钟、相敏检波器、数字电位器、选放中心频率测量、相敏检波器自检，探头共振区、探头共振信号幅值、共振线宽、共振曲线质量、电路噪声自评估、电路零偏自校准、探头共振区多处噪声评估等项目自检.其中，探头共振区相关参数自检、相敏检波器自检尤为重要.

(1) 探头共振区相关参数自检；

(2) 探头信号检测分为两大阶段，初扫描，细扫描；

(3) 初扫描主要确定探头有无信号、大致共振区、点火重试等；

(4) 细扫描主要确定探头的线宽、共振信号幅值、增益调整、共振曲线质量等.

当探头线宽为300 nT左右时，扫描速度10 nT/10 ms时，扫描出共振曲线一次、二次信号(图 10).

在细扫描后，首先完成共振信号的判断，判断要点如下：

(1) 存在两个峰值点与过零点；

(2) 线宽满足特定范围；

(3) 正负两峰的相关系数必须大于0.5(通常在0.8~1之间)，否则报出警告，某次正常的相关系数结果如图 11所示；

二次共振曲线满足一主峰、二副峰的特征，若一次共振曲线正常仅二次曲线不正常，则说明二次共振信号处理通路有故障，不能作为正常跟踪的指示.

为了检测相敏检波器工作是否正常，需要设计特定的算法.检波器输出为A_s=Kpcos(θ_0p)，其中Kp为比例系数、θ_0p为两输入信号的相位差.自检的过程包括相敏检波器参数估计、工作正常判据和自检信息输出.相敏检波器参数估计步骤如下：

由DSP调节参考相位为0°时，采集输出电压A_s0；

由DSP调节参考相位为90°时，采集输出电压A_s1；则检波器参数计算如下：

(7)

另外，若θ_0p接近90°还需另行处理.

工作正常判据如下：

依次调节参考相位θ_i，采集检波器输出测量值A_si；

根据估计得到的参数计算理论输出A_spi=Kpcos(θ_0p+θ_i)；

最后得到一系列的(θ_i, A_si, A_spi)，根据测量值与理论值的一阶矩评估检波器部分的工作状态.

自检信息输出包含：Kp、θ_0p、max(A_si)、A_si与A_spi的一阶矩.

以DSP+FPGA作为硬件基础，采用低杂散拉莫尔正弦调频DDS技术、全数字化磁共振检测闭环跟踪算法，研制的数字化磁检测电路如图 12所示.

4 数字氦光泵磁力仪参数测试

基于磁传感器探头优化设计和环路数字化两项关键技术，本文研制了数字式高精度氦光泵磁力仪样机，并在有资质的第三方机构进行了技术指标测试，具体包括：由中国计量科学研究院测试磁力仪的总磁场测量范围(量程)、采样率、分辨率、静态噪声、一致性等指标.由中船重工集团公司第710所国防科技工业弱磁一级计量站(宜昌测试技术研究所磁学检测校准实验室)对样机的总磁场测量范围、梯度容限等指标进行测试.由中船重工集团公司第715所校准/检测实验室(中国船舶工业水声产品性能检测中心)对样机的工作环境温度、振动进行测试.按DZT 0142-2010 -《航空磁测技术规范》第8.3.2.1条的规定计算磁力仪地面静态四阶差分噪声，实测静态噪声 < 0.00125 nT，磁场测量范围为5500~128000 nT，一致性 < 0.287 nT，梯度容限10000 nT/m，分辨率0.001 nT.连续工作时间≥24 h，工作环境温度-20 ℃~+55 ℃.静态噪声测试原始结果如图 13所示，上图为在47105 nT测试总磁场下的样机测试数据，下图是依据《航空磁测技术规范》对规定量数据进行连续解析的静态噪声指标曲线.以上测试结果，本文研制的数字式高精度氦光泵磁力仪静态噪声、测量范围等相关指标不低于国外G858、G859等同类先进产品指标.

5 结论

针对磁力勘探对高精度氦光泵磁力仪的应用需求，本文开展了氦光泵磁传感器关键技术研究，主要包括磁探头优化设计和新型数字化环路设计两方面.研发的高精度氦光泵数字磁力仪，经第三方机构检测表明，静态噪声 < 0.00125 nT，磁场测量范围为5500~128000 nT，一致性 < 0.287 nT，梯度容限10000 nT/m，分辨率达到0.001 nT.整体综合性能与国外同类先进产品性能相当.本文的研究表明通过光泵磁力仪灵敏度分析、泵源分析和设计、氦原子气室分析和设计，可以使研制的磁传感器探头具有高灵敏度、高精度、小型轻便等优点.同时，通过基于FPGA的低杂散拉莫尔正弦调频DDS信号源和基于DSP的闭环跟踪算法实现磁力仪环路数字化，可以提高仪器抗干扰能力、降低噪声水平并扩大仪器测量范围.