一種應用于低頻電磁波通信的快響應原子磁強計

蔣雙輝, 祝孝杰, 田 原, 顧思洪, 張 奕, 陳杰華,3

(1. 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院波譜與原子分子物理國家重點實驗室, 武漢 430071;2.中國科學院大學, 北京 100049;3.武漢量子技術研究院, 武漢 430206)

0 引言

利用極低頻電磁波信號實施通信是一種有效的對水下或地下通信手段[1-4]。早在20世紀五六十年代,美國海軍就開始進行低頻通信網的實驗部署,通過線圈作為接收天線實現與水下潛艇的通信[5-6]。然而,采用的線圈的尺寸常常需要達到幾十米到上百米,才能保證通信質量,因此應用范圍十分受限[7-8]。采用超導量子干涉磁強計(superconducting quantum interference device, SQUID)作為接收天線也可以進行低頻電磁波通信[9],但維持其穩定工作所需的低溫冷卻系統昂貴龐大。

原子磁強計靈敏度與SQUID磁強計相當,已達亞fT/Hz1/2水平,是目前靈敏度最高的磁場測量儀器,并在磁通信[10]、地球物理與導航[11-13]、軍事反潛[14]、生物醫學[15-17]和基礎物理研究[18-20]等領域獲得廣泛應用。并且,相比線圈和SQUID磁強計等傳統電磁波信號接收天線,原子磁強計具有成本低和尺寸小的優勢,用作極低頻接收天線具有很強競爭力。2020年,英國斯特拉恩克萊德大學研究團隊利用靈敏度30 pT/Hz1/2@100 Hz便攜式原子磁強計作為天線接收超低頻和甚低頻電磁波信號,實現載波200 Hz到200 kHz頻率范圍內的通信信號接收[21]。中國科學院大學研究團隊利用原子磁強計作為天線來研制貫穿地球(through-the-Earth, TTE)的通信系統,實現原子磁強計探頭體積Ф40 mm×350 mm,響應帶寬200 Hz的低頻電磁波地下通信接收裝置[22]。不同的應用對原子磁強計的技術指標要求不同,在對潛通信應用中,為提高水下裝備通信隱蔽性,實施通信電磁波信號頻率可低至幾Hz,以增加傳輸深度,因此原子磁強計幾Hz頻率處的靈敏度尤其重要,需要靈敏度達到百fT/Hz1/2量級。但通信信道容量隨電磁波頻率提高而增大,因此對于廣泛應用,作為接收天線的原子磁強計響應速率越快越好。

本文展示了所研制的原子磁強計及其作為低頻電磁波通信接收天線的應用實驗研究。通過系統設計和參數優化實驗,實現了一種高靈敏度、快響應的Mx型原子磁強計,并應用該原子磁強計作為低頻電磁波通信信號接收天線完成了接收通信信號的實驗。

1 原子磁強計

1.1 原理

實驗采用單光束Mx型原子磁強計方案,調節圓偏振激光束與待測磁場方向呈一定夾角,其中與磁場平行的光分量作為泵浦光來極化原子,與磁場垂直的光分量作為探測光來獲取信號。采用和磁場方向垂直的射頻磁場與原子塞曼子能態共振,實現原子的相干進動,并利用光電探測器探測透射光,從所獲的光電信號中提取出原子的進動信息,從而實現磁場強度測量。設待測磁場B0沿z軸方向,激光處于xz平面,射頻磁場沿y方向,為By=Brfcosωt,求解Bloch方程[23],從而得出對應原子x方向極化的光電信號可表示為Sx=Sbg+Px′cosωt+Py′sinωt,其中Sbg為信號本底。

(1)

式(1)中Δω=ω0-ω為射頻場的失諧頻率,ω0=γB0為拉莫爾進動頻率,γ為旋磁比,B0為待測磁場,Ω=γBrf為拉比頻率,T2為橫向弛豫時間,Γ為共振信號線寬,S0為正值常數。所以Sx中角頻率為ω的交流成分還可表示為

(2)

式中π+φ為光電信號相比射頻磁場的相移,φ=arctan(Δω·T2)。

分別通過開環和閉環兩種模式對Mx磁強計開展了實驗研究。開環模式下,鎖相放大器以頻率為ω的正弦信號作為參考對Sx進行相敏解調,所獲解調信號與Py′成正比,是以Δω為參量的微分形式譜線。實驗中,通過評估該譜線線寬、幅度和噪聲來優化原子磁強計參數。閉環模式下,由光電信號中提取出Sx信號經過放大后隔直,再經移相器進行π的相移,然后加載到產生射頻磁場的線圈上。由于光電信號相比射頻磁場相移π+φ,而閉環回路僅當Δω=0,即ω=ω0時總相移為2π,這樣閉環回路就滿足了自激振蕩相位條件。當閉環回路增益大于1時,閉環回路就能建立自激振蕩[24],產生頻率為ω0的信號,實驗中通過測量自激振蕩信號頻率來獲取待測磁場強度。

1.2 實驗裝置

圖1 Mx型原子磁強計實驗裝置Fig.1 Experimental setup of Mx-scheme atomic magnetometer

實驗中,原子磁強計的工作模式切換由開關S控制。S連接A端口時,原子磁強計工作在開環模式,鎖相放大器(lock-in)產生的交流信號加載到射頻線圈(RF coil)上產生y軸方向射頻場(Brf)來激發原子相干進動,并作為參考信號用于對輸入鎖相放大器的信號進行相敏解調,所獲解調結果被數據采集系統(data acquisition, DAQ)采集。S連接B端口時,原子磁強計工作在閉環模式,AMP輸出信號通過移相器(phase shifter)產生π的相位移動后作為振蕩頻率源信號加載到射頻線圈,從而形成自激振蕩,在自激射頻場中所獲光電信號經AMP輸出。計數器(counter)測量放大器輸出信號頻率,測量結果被DAQ采集。

實驗中采用的原子氣室為直徑Φ=30 mm球形玻璃泡,泡內充有87Rb元素,泡壁上鍍有石蠟涂層。原子氣室安裝在陶瓷容器內,通過雙絞纏繞的加熱絲對陶瓷加熱,無磁溫度傳感器探測陶瓷溫度而實現對原子氣室控溫。待測磁場B0由z向亥姆霍茲線圈(圖中未畫出)產生,整個光-原子作用系統放置在五層坡莫合金材料制成的圓柱形磁屏蔽桶(magnetic shield)中,以消除外界雜散磁場對實驗影響。

在實現高靈敏度、快響應自激Mx磁強計后,利用該實驗系統開展了通過探測低頻電磁波磁場分量而接收通信信號的應用研究。通信應用實驗中將磁屏蔽系統最外面四層蓋子取下,僅保留最內層蓋子,且內層蓋子中心處為直徑2 cm的圓孔。通過圖1中紅色虛線框(發送端)中的發射裝置產生交變電磁場,利用該磁強計(接收端)作為磁傳感器探測從端面(圓孔處)入射電磁波的磁場分量強度變化實現通信信號的接收。

2 結果與討論

為獲得高性能的Mx磁強計,本文先在開環工作模式下開展性能優化實驗,再由所獲的最優參數實現快響應的自激式Mx磁強計。對于Mx磁強計,磁場測量靈敏度δB可由(3)式評估[25]

(3)

式中,γ=7 Hz/nT為87Rb原子旋磁比,Δv為共振信號線寬,S為共振信號幅度,N為共振譜線噪聲,實驗中將射頻頻率設置在共振處,記錄80 s鎖相放大器解調所獲信號,進行快速傅里葉變換而獲得的功率譜密度的平方根作為本實驗所獲N。

2.1 參數優化

為獲得更佳的磁強計靈敏度,分別對射頻場幅度、原子氣室溫度和光功率進行參數優化(圖2所示)。通過噪聲分析可知,實驗中噪聲N主要為入射到光電二極管上的光引起的噪聲,因此主要與入射原子氣室的光功率和原子氣室溫度有關,對射頻功率變化不敏感,所以在進行原子氣室溫度和光功率優化之前,先根據S/Δν來優化射頻場幅度,如圖2(a)所示。從圖中信號幅度與線寬的比值S/Δν隨射頻場幅度變化的關系可知,當射頻場幅度為2.9 nT時S/Δν達到極大值,接下來以該射頻場幅度來優化光功率和氣室溫度參數。

(a) S/Δν隨射頻場幅度變化函數

(b) 開環原子磁強計在1～5 Hz平均靈敏度圖2 參數優化結果Fig.2 Results of parameter optimization

確定射頻場幅度后,在共振頻率附近掃描鎖相放大器輸出射頻信號頻率,利用DAQ獲得磁共振譜線信號(線寬、幅度),并將射頻頻率設置在共振處獲得共振譜線噪聲,根據(3)式計算出開環模式下的靈敏度。實驗研究了開環磁強計靈敏度隨入射光功率和原子氣室溫度的變化關系,并采用1～5 Hz頻率內的平均噪聲來表征靈敏度,如圖2(b)所示。圖2參數優化結果表明,最佳靈敏度對應的參數分別為原子氣室溫度55 ℃,光功率11.5 μW,射頻場幅度2.9 nT。并在該實驗參數條件下,將開關S切換到B端口,原子磁強計切換至閉環模式并獲得圖3所示的自激振蕩信號。然后將DAQ記錄的自激信號的頻率除以原子旋磁比γ,得到待測磁場測量結果。

圖3 自激振蕩信號Fig.3 Self-oscillating signal

分別采用10 Hz和2 kHz計數器采樣率采樣,利用快速傅里葉變換計算磁場噪聲的噪聲功率譜密度平方根,獲得的閉環模式下磁強計噪聲功率譜密度如圖4所示,圖中橫縱坐標用對數坐標值來表示。從圖4(a)可見,采樣率為10 Hz時,1～5 Hz靈敏度平均為500 fT/Hz1/2,而通過對提供待測磁場的電流源噪聲評估發現低頻噪聲與圖4中的變化曲線一致,因此低于1 Hz時噪聲增加主要源于待測磁場低頻噪聲。從圖4(b)可見,當采樣率為2 kHz時,1～10 Hz靈敏度平坦,大于10 Hz時靈敏度隨著頻率增加而惡化,這是由于自激模式下反饋環路的增益使幅頻響應曲線保持平坦,但隨著頻率增加噪聲相應增加,導致原子譜線信噪比降低[26]。并且比較不同采樣率的靈敏度發現,由于計數器采樣率增加導致測量噪聲增加使得圖4(b)中1～5 Hz磁場測量噪聲比圖4(a)中1～5 Hz磁場測量噪聲略差。

(a)計數器采樣率10 Hz

(b) 計數器采樣率2 kHz圖4 自激式Mx型原子磁強計噪聲功率譜密度Fig.4 Noise power spectral density of the self-oscillating Mx-scheme atomic magnetometer

對于接收低頻通信信號應用,原子磁強計的最大響應帶寬決定了可接收通信載波信號的最高頻率。為了評估所實現的閉環原子磁強計的響應帶寬,實驗中,在驅動z向亥姆霍茲線圈的電流上疊加不同頻率正弦交流電流,從而在所測磁場B0上疊加幅度約10 nT交流磁場,測量得到的原子磁強計響應隨著交流磁場頻率變化如圖5所示。從圖中可知,原子磁強計3 dB響應帶寬約為3.5 kHz,快響應速率也為電磁波通信應用打下基礎。

圖5 自激式Mx原子磁強計的頻率響應Fig.5 Frequency response of the self-oscillating Mx atomic magnetometer

2.2 低頻電磁波通信應用

基于上述所實現的自激式Mx型原子磁強計,本文驗證了該磁強計作為磁傳感器接收低頻電磁波通信信號的可行性。通信系統如圖1所示,主要包括兩部分:虛線框內為發送端部分;閉環磁強計系統為接收端部分。

在發送端,電腦1(PC1)產生隨機二進制數據,經過ASCII編碼和調制后產生的數字信號經過數據采集卡轉變成模擬電壓信號,經電壓-電流轉換器(VI converter)轉換成電流信號并加載在發射線圈(emitting coil)上,產生沿z軸向的交變磁場(BAC)。為抑制環境磁場和磁屏蔽內部磁場浮動噪聲,采用相位連續、占用帶寬最小、包絡恒定的最小頻移鍵控(minimum shift keying, MSK)調制方案來傳輸二進制數據。經MSK調制后信號頻率在f1和f0之間跳變,分別表示比特1和比特0,信號載波頻率fc=(f1+f0)/2,碼率fs=fc/(n+m/4)=4|f1-fc|,其中n為正整數,m為非負整數。

在接收端,磁屏蔽桶僅保留最內層端面蓋,電磁波沿屏蔽桶的軸向入射(圖1中紅色虛線箭頭),以實現的閉環磁強計作為磁傳感器來接收該電磁波的磁分量信號,并利用解調和解碼技術恢復原始數據,具體過程如下。

尋找接收端調制信號的初始位置是MSK解調過程中的關鍵,圖6展示了數據信號初始位置尋找判別過程。電腦2(PC2)接收計數器測量結果并轉換為圖6(a)中的數字信號,數字信號通過MSK解調為二進制數據并完成數據展示。在ASCII編碼過程中,由于插入的起始符信號頻率、相位和周期已知,所以通過在接收端產生相同的信號(圖6(a)紅色點線)實時地與所接收到的調制信號(圖6(a)黑色點線)相乘并在時間上進行積分,積分結果如圖6(b)所示。根據積分結果的最大值可以判斷接收到的調制信號中起始符信號的位置,從而得到原始數據信號的初始位置。確定該位置后,對接收到的調制信號進行解調,已知MSK調制信號的第k個碼元可以表示為

(4)

(a)

(b)圖6 確定數據初始位置Fig.6 Determine the initial position

式中,φk為第k個碼元的初始相位。選取與載波信號頻率相同且初始相位為零的參考信號s1(t)=sin(2πfct)和s2(t)=cos(2πfct),并用調制信號sk(t)分別乘以參考信號s1(t),s2(t),利用濾波器濾除二倍頻信號再進行積分,讓兩積分結果相乘再乘以與第k個碼元有關的正負因子,得到式(5)解調結果

(5)

實際解調過程中,圖7(a)中接收信號與參考信號相乘后的積分結果如圖7(b)所示,當圖中積分結果大于零時輸出二進制1,積分結果小于零時則輸出二進制0。再將解調后的二進制數據進行ASCII解碼,從而在PC2端顯示原始輸入數據。

(a) 接收的信號

(b) MSK解調積分結果圖7 接收端信號Fig.7 Signals at the receiving end

實驗系統中MSK調制解調載波頻率fc和碼率fs可由PC1中的Labview程序控制,通信實驗時將載波頻率和碼率分別設為fc=200 Hz,fs=200/s。通過調節施加到原子氣室區域的交流磁場幅度,研究了實現20 min持續無誤碼地實現數據傳輸所需要的最小磁場幅度,實驗結果表明當耦合到原子氣室區域交流磁場幅度大于10 nT時,所實現的實驗系統能夠連續無誤碼地接收通信信號。

此外,從圖4(b)中可知,當頻率大于10 Hz時,原子磁強計的靈敏度隨著頻率增加而惡化,1～5 Hz靈敏度比200 Hz處靈敏度高約1個量級。所以將載波頻率fc設置為1～5 Hz,實現持續通信所需要的最小交流磁場幅度應可以大幅度減小。

3 結論

為實現微小型原子磁強計的研制和利用該磁強計作為傳感器接收低頻電磁波磁分量的通信應用,實現了一種高靈敏度、快響應的自激式Mx型原子磁強計,并利用該磁強計實現了低頻電磁波通信信號的接收。獲得的實驗結果如下:

1)在磁強計的開環和閉環兩種工作模式下,通過評估譜線線寬、幅度和噪聲來優化原子磁強計的實驗參數,最終在原子氣室溫度55 ℃,光功率11.5 μW,射頻場幅度2.9 nT的最佳實驗參數條件下實現一臺靈敏度為500 fT/Hz1/2@1～5 Hz的原子磁強計。

2)在驅動z向亥姆霍茲線圈的電流上疊加不同頻率正弦交流電流來評估閉環原子磁強計的響應帶寬,從而在所測磁場B0上疊加幅度約10 nT交流磁場,測量得到的原子磁強計3 dB響應帶寬約為3.5 kHz。

3)利用所實現的原子磁強計作為低頻電磁波通信接收天線,接收頻率200 Hz,磁場分量10 nT的電磁波分量,實現碼率200 /s的電磁波通信信號持續無誤碼的接收,從而驗證了原子磁強計作為低頻電磁波通信信號的接收能力。

總之,相比于采用傳統接收線圈的低頻電磁波通信接收器,原子磁強計作為磁傳感接收機具有體積更小和低頻信號探測靈敏度更高的優勢,有利于水下極低頻電磁波通信的應用和微小型通信接收機的研制。本研究為接收低頻電磁波通信信號提供了一種可行選項。