原子磁力儀低功耗控制系統設計研究

王維東,楊國卿,梁尚清,徐云飛,王曰海,李紹良,趙萬良

(1.浙江大學 信息與電子工程學院,浙江 杭州 310027; 2.杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018;3.浙江大學 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技術研究所,上海 201109)

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原子磁力儀低功耗控制系統設計研究

王維東1,楊國卿2,梁尚清3,徐云飛3,王曰海1,李紹良4,趙萬良4

(1.浙江大學 信息與電子工程學院,浙江 杭州 310027; 2.杭州電子科技大學 電子信息學院,浙江 杭州 310018;3.浙江大學 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技術研究所,上海 201109)

對原子光泵磁力儀控制系統的低功耗設計進行了研究。介紹了光泵原子磁力儀的物理原理，給出了研制的原子磁力儀控制電路系統的組成。針對銫光泵磁力儀中的低功耗光源，對垂直腔面發射激光器(VCSEL)的溫控和恒流驅動進行了研究。用低功耗直接數字合成器(DDS)產生精確的低噪聲射頻信號，并將Freescale公司的ARM Cortex-M0+微控制器作為主控單元，用數字算法替代鎖定放大器硬件電路，實現了激光波長鎖定和磁共振頻率跟蹤的數字化環路，有效降低了電路功耗。實際系統測試表明：控制部分的功耗小于185 mW，地磁場強度下原子磁力儀噪聲小于10 pT/Hz0.5(1 Hz時)。

原子磁力儀； 低功耗； 控制系統； 直接數字合成器； 信號調制； 鎖定放大器； 微控制器； 垂直腔面發射激光器

0 引言

高精度的光泵磁力儀是分析和測量磁場的有效工具，學科交叉研究的開展使相關的弱磁測量技術發展迅速，高精度磁測技術在地球物理勘探、地質災害預報、海陸礦藏勘測、環境監測和生物醫藥等領域展現出巨大的潛力[1]。標量磁力儀能高精度測量磁場強度的大小，而磁通門矢量磁力儀能產生正比于磁場的大小和方向的三軸矢量輸出，但絕對精度有限。在一些航空和科學任務中，需要矢量和標量磁力儀的組合應用。核磁共振陀螺儀是一種利用核自旋的進動過程對自身所在參考系的轉動進行測量的儀表，本質上是用原子磁力儀測量質子磁力儀的信號，從而獲得參考系角速度的相關信息。因此，原子磁力儀相關技術也是核磁共振陀螺儀的基礎。

信號檢測技術和控制系統是光泵磁力儀的關鍵[2]。激光照射銫原子使其激發到激發態，出現光抽運信號，若以射頻信號激發，原子會從激發態跳回基態。銫原子在外界磁場中產生塞曼分裂，當射頻信號頻率與兩個相鄰磁能級間的頻率相等時，光電二極管能檢測得到原子光磁共振信號。用頻率跟蹤的檢測方法，對光電檢測信號進行閉環鎖相檢測，可自動鎖定吸收最強時激勵磁場的拉莫爾頻率[1]?；诠獗么殴舱裨硌兄频拇艤y儀器，在工程勘探和科技研究應用中有很高的靈敏度。加拿大Scintrex公司的CS-3銫光泵磁力儀，具有結構緊湊、靈敏度高、梯度容限高、測量盲區小等特點，工作時功耗15 W。Geometrics公司的G882等海洋銫光泵磁力儀也具有高靈敏度及高采樣率的特點，功耗12 W。國內研制的有中船重工715所的GB-4A型氦光泵磁力儀，中國國土資源部航空物探遙感中心的HC-2000、HC95型氦光泵磁力儀等。美國的磁力儀研究水平和設備性能一直處于世界前列，而我國的原子磁力儀技術的研究水平較發達國家尚有一定差距。

雖然自激式原子磁力儀方案的電路相對簡單，但其必須對磁場自激頻率進行計數，高速高精度頻率計的實現技術難度高，且功耗較大。目前市場上實用化的原子磁力儀，多采用堿金屬原子泡射頻激發產生特定譜線的光，這導致原子磁力儀的功耗無法降低。由于原子磁力儀對低噪聲和高精度的要求，高性能的分布式反饋激光器(DFB)和分布式布拉格反射激光器(DBR)的自身耗電就達數百毫瓦，其驅動電路和控制系統也相對復雜，這嚴重限制了原子磁力儀在移動平臺中的應用。VCSEL的閾值電流較小(1 mA)，激光輸出效率更高，這為低功耗原子磁力儀的研制提供了基礎[3]。原子磁力儀控制系統較大的復雜度和功耗成為瓶頸。ARM公司開發的32位Cortex-M0+處理器采用了90 nm低功耗工藝，耗電量僅 9 μA/MHz，極低功耗并擁有良好的計算性能，是全球最低功耗效率的微處理器。為此，本文將ARM Cortex-M0+微控制器作為主控單元，對數字化銫原子磁力儀低功耗控制系統的工程實現進行了研究。

1 光泵原子磁力儀物理原理

原子在未受到激發的正常狀態下處于最低能級，這是最穩定的基態。當處于基態的粒子受到激光的激發時，若激光的頻率能量恰好等于原子的能級差，則產生共振吸收，部分原子獲得能量從穩定的低能級躍遷到不穩定的高能級。受到激發處于高能級的粒子會釋放能量，自發躍遷回到最穩定的基態。

堿金屬銫的化學符號是Cs，銫原子的基態為62S1/2，低激發態為62P1/2，62P3/2。從6P能級躍遷到6S能級會產生兩條譜線，其中：從62P1/2能級到62S1/2能級躍遷的譜線為D1線，對應波長894.592 nm；另一條為D2譜線，對應波長852.347 nm。

原子中電子繞核運動會產生磁矩，電子和原子核的各自自旋也會產生磁矩，其大小與動量矩成正比[4]。在外磁場B0的作用下，同一軌道中不同自旋的電子能量不同導致了原子光譜的塞曼分裂。

在入射激光的持續作用下，光抽運會使塞曼能級上的電子發生偏極化，導致其非均勻居布。當在銫原子氣室外加一射頻磁場B1，射頻磁場的頻率為ν，若滿足

(1)

即如hν等于塞曼子能級差，就發生磁共振現象，氣室原子偏極化降低，銫原子對光的吸收能力增強了，到達探測器的光就會減弱。此處：gF為朗德因子；μB為玻爾磁子。

電子躍遷頻率與外磁場強度成確定的比例關系，銫原子滿足比例關系

(2)

通過對光強檢測和處理，光強極小值對應的射頻為共振頻率，即拉莫爾進動頻率。因此，光泵原子磁力儀通過測量該共振頻率可準確推算出外磁場的大小。

2 磁場測量控制環路

研制的原子磁力儀控制電路系統如圖1所示。系統組成主要包括低噪聲恒流源、半導體致冷器(TEC)恒溫控制單元、跨導預放大器、有源帶通濾波器(BPF)、DDS、數模轉換器(DAC)2個、溫度補償石英晶體振蕩器(TCXO)和ARM Cortex-M0+微控制器1個。原子磁力儀的其它部分包括VCSEL、激光擴束透鏡、四分之一波片、銫Cs填充的玻璃氣室單元、無磁光電二極管等，而電源穩壓和氣室加熱部分未列入。微控制器(MCU)通過串行接口(UART)將磁場數據傳輸到上位機完成采集和分析。

控制系統的主要作用有：

a)VCSEL支持電路，通過穩定的電流驅動和恒溫控制，使輸出的單模激光精確鎖定在銫原子的D1線；

b)高分辨率射頻信號產生電路，通過頻率調制和同步檢測，使之準確鎖定于拉莫爾進動頻率；

c)系統各部分協調和定時控制及通信。

控制回路的核心是一個Freescale公司的Kinetis系列微控制器MKL15Z64。它采用32位ARM Cortex-M0+高效處理器架構，能靈活地數字化實現系統控制和產生各種信號。微控制器軟件實現多個功能模塊，包括2個數字鎖相放大器(LIA)、2個比例積分(PI)控制器，以及2個調制頻率的產生等[5]。微控制器通過程序設計調整VCSEL溫度和電流，產生DDS頻率控制射頻信號，激光器的波長掃描和磁場捕捉等系統功能也由微控制器實現。因多個功能模塊的數字化、集成化實現，控制系統的功率消耗更少，電路所需空間和重量也顯著降低。

2.1 直接數字合成器

DDS原理如圖2所示。調諧字M可用于指定輸出頻率為時鐘頻率的分數比，它用于相位累加器的相位步長，累加器的輸出作為周期信號的相位信息，通過查找表轉換為正弦信號，該數字正弦信號通過DAC轉換為模擬正弦信號。這樣，通過更新DDS的M，就可改變其輸出信號的頻率[2]。

控制系統的設計中直接數字合成器選用Analog Devices公司的低功耗DDS芯片AD9838，該器件相位累加器位寬N=28，DAC位寬10 b，工作電壓2.7～5.0 V，功耗小于20 mW。AD9838與MCU的接口為SPI模式。

DDS的主要優點是改善相位噪聲，精確控制輸出頻率。其輸出頻率的最高分辨率定義為

(3)

式中：Δf為頻率分辨率；Mmin為最小可能的二進制調諧字，且Mmin=1；fclock為DDS時鐘頻率；N為相位累加器實際寬度。

當時鐘頻率fclock=5 MHz，頻率分辨率Δf=18.6 3 mHz時，對應磁場的分辨率為5.33 pT。DDS的輸出驅動氣室上的射頻線圈，用于產生原子光磁共振，其最大輸出頻率可達相當于磁場0.7 mT以上。

MCU通過以一定周期規律地變動DDS的M，就可實現DDS輸出信號的數字頻率調制(FM)。數字調頻正弦輸出通過DAC轉換到模擬域，并作為射頻(RF)信號激勵射頻線圈。

2.2 光磁共振

氣室的光磁諧振特性相當于鑒頻器，將數字調頻轉換為透射激光強度的幅度調制。光磁共振的吸收和色散信號如圖3所示[6]。色散信號的過零點對應于光磁共振頻率，即拉莫爾進動頻率。

透射光通過空間被光電二極管接收。光電二極管將光強的振幅調制轉換為等效電流，跨阻前置放大器將電流轉換成電壓信號。該電壓信號通過運放的帶通濾波器進一步放大后，被饋送至微控制器ADC采樣數字化，在微控制器內部實現數字化的鎖相放大與相干解調。因DDS的調制頻率和鎖定放大器的解調參考基準均由MCU產生，故無需額外外部器件，且90°移相也由MCU內部實現[7]。

3 激光載波穩定電路

為使原子磁力儀有良好的噪聲性能，VCSEL二極管的載波頻率須滿足銫D1線的光躍遷62P1/2到62S1/2譜線的最大值，其典型半高寬度(FWHM)為500 MHz，偏差需小于80 MHz。

VCSEL的激光頻率與溫度密切相關，典型的頻移系數為0.06 nm/K，溫度的穩定性影響原子磁力儀的性能。使用的VCSEL，由于內部已集成了熱敏電阻和TEC(熱電致冷器)，這樣明顯減小了激光器的體積。本文采用MAIXIM公司的MAX1978芯片作為TEC的驅動，其基于脈寬調制(PMW)開關方式高效驅動TEC，有效減小了能量消耗。電流以不同方向流過TEC，可實現加熱或制冷。MAX1978芯片的控制精度可達0.001 K，能滿足波長溫度穩定的需求。通過TEC的溫度掃描，可使激光器的輸出波長對準在銫原子吸收譜線的D1線的極值點，如圖4所示。

VCSEL的激光頻率與驅動電流也密切相關，頻移系數約0.6 nm/mA，需有非常穩定和極低噪聲的恒流源[3，8]。但因基準電壓器件的長期漂移和溫度漂移，故不可避免將導致載波頻率的漂移[9]。因此，需用反饋控制回路穩定激光二極管的載波頻率。

激光器波長鎖定電路主要是利用激光器驅動電流的反饋鎖定到銫原子吸收光譜實現的。為避免額外的光路設計，減小探頭體積，本文采用了銫原子吸收光譜對波長進行鎖定的方式。

MCU通過定時器產生約1.6 kHz的方波抖動信號，交流電流疊加到VCSEL二極管的直流上，對激光波長進行頻率調制。包含1.6 kHz信號的預放大輸出，通過MCU內部的16位ADC同步采樣后成為數字信息，90°相移的1.6 kHz定時對該數字信息進行鎖定放大解調，這些在MCU內部數字化同步執行。數字域計算PI環路濾波，通過16位低噪聲DAC將輸出轉換成模擬電流，使VCSEL激光波長始終鎖定在色散S曲線的過零點[10]。因此，控制回路實現了反饋閉合鎖定。

4 實驗結果

為測試該原子磁力儀控制系統的性能，將氣室傳感器單元置于磁屏蔽桶內以減少外部的干擾，并通過精密恒流源在內部磁場線圈產生所需的穩定磁場。整個原子磁力儀控制系統可單電源工作，直流工作電壓3.3 V，工作電流55.2 mA，控制部分的實際功耗小于185 mW，9 800 mA·h的鋰離子電池可支持連續工作7 d，滿足移動平臺的使用條件。經測試，激光器的TEC溫控部分占用近60%電流，故該部分功耗還可進一步降低。原子氣室的最佳工作溫度為45～50 ℃，此處未計入原子氣室的加熱功耗。

在磁場強度50 000 nT下原子磁力儀噪聲測量及其噪聲密度譜如圖5所示。由圖5可知：在0.01～1 Hz范圍內無明顯的1/f噪聲的影響；在1 Hz附近噪聲譜小于10 pT/Hz0.5，磁場響應帶寬大于1 Hz。實際測試表明：激光穩頻和系統控制電路在十幾小時的長時間磁場測量中工作穩定，基本達到使用的實際要求。

5 結束語

本文研究了銫光泵磁力儀的低功耗控制系統的設計，創新地利用單片ARM Cortex-M0+微控制器同時實現VCSEL激光器的波長控制、譜線鎖定和射頻信號的拉莫爾進動頻率數字鎖定，有效降低了控制電路的功耗。由于設計原理和器件功耗限制，目前該磁力儀噪聲指標還偏大、頻響較低，降低整個系統的噪聲和提高帶寬性能是后續研究的重點。另外，控制系統的功耗還有望繼續減小。由于DDS輸出的RF頻率由微控制器輸出控制字決定，該原子磁力儀無需高精度頻率計對拉莫爾進動頻率進行計

數，其控制字通過內部軟件換算，可直接由串口輸出對應的磁場強度大小，這樣將進一步減少系統的總功耗。本文為核磁共振陀螺儀的研究提供了基礎。低功耗小型化的原子磁力儀將是未來移動平臺高精度和長期穩定磁場檢測的重要設備。

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Study on Design of Low Power Control System for Atomic Magnetometer

WANG Wei-dong1, YANG Guo-qing2, LIANG Shang-qing3, XU Yun-fei3,WANG Yue-hai1, LI Shao-liang4, ZHAO Wan-liang4

(1. College of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,Zhejiang, China; 2. College of Electronic Information, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018,Zhejiang, China; 3. Department of Physics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;4. Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China)

The design of low power control system for atomic optical pumped magnetometer was studied in this paper. The physical principle of the atomic optical pumped magnetometer was introduced. The composition of the control circuit system for the atomic optical pumped magnetometer was presented. For the low power light source in cesium optical pumped magnetometer, the temperature control and constant current driving of vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) were designed. The low power direct digital synthesis (DDS) chip was used for low noise accurate RF signal generation. An ARM Cortex-M0+based microcontroller of Freescale Semiconductor Company was used as master control chip, replacing the hardware circuit of lock-in amplifier with digital algorithm. The locking of the laser wavelength and tracking the magnetic field dependent resonances frequency were implemented in digital closed loops. The circuit power consumption was effectively reduced. The results of the ground tests showed that power consumption of the control system was less than 185 mW, and the noise floor of atomic magnetometer was less than 10 pT/Hz0.5at 1 Hz under geomagnetic field.

atomic magnetometer； low power； control system； direct digital synthesis； modulation signal； lock-in amplifier； microcontroller； vertical cavity surface emitting laser

1006-1630(2017)02-0047-05

2017-01-24；

2017-04-01

國家高技術研究發展計劃資助(2013AA063901)；上海航天科技創新基金資助(SAST2016075)

王維東(1967—)，男，博士，副教授，主要研究方向為原子磁力儀系統、嵌入式系統設計及圖像視頻處理等。

TH762

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.02.003