原子磁力仪低功耗控制系统设计研究

王维东,杨国卿,梁尚清,徐云飞,王曰海,李绍良,赵万良

(1.浙江大学 信息与电子工程学院,浙江 杭州 310027; 2.杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018;3.浙江大学 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技术研究所,上海 201109)



原子磁力仪低功耗控制系统设计研究

王维东1,杨国卿2,梁尚清3,徐云飞3,王曰海1,李绍良4,赵万良4

(1.浙江大学 信息与电子工程学院,浙江 杭州 310027; 2.杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州 310018;3.浙江大学 物理系,浙江 杭州 310027; 4.上海航天控制技术研究所,上海 201109)

对原子光泵磁力仪控制系统的低功耗设计进行了研究。介绍了光泵原子磁力仪的物理原理，给出了研制的原子磁力仪控制电路系统的组成。针对铯光泵磁力仪中的低功耗光源，对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的温控和恒流驱动进行了研究。用低功耗直接数字合成器(DDS)产生精确的低噪声射频信号，并将Freescale公司的ARM Cortex-M0+微控制器作为主控单元，用数字算法替代锁定放大器硬件电路，实现了激光波长锁定和磁共振频率跟踪的数字化环路，有效降低了电路功耗。实际系统测试表明：控制部分的功耗小于185 mW，地磁场强度下原子磁力仪噪声小于10 pT/Hz0.5(1 Hz时)。

原子磁力仪； 低功耗； 控制系统； 直接数字合成器； 信号调制； 锁定放大器； 微控制器； 垂直腔面发射激光器

0 引言

高精度的光泵磁力仪是分析和测量磁场的有效工具，学科交叉研究的开展使相关的弱磁测量技术发展迅速，高精度磁测技术在地球物理勘探、地质灾害预报、海陆矿藏勘测、环境监测和生物医药等领域展现出巨大的潜力[1]。标量磁力仪能高精度测量磁场强度的大小，而磁通门矢量磁力仪能产生正比于磁场的大小和方向的三轴矢量输出，但绝对精度有限。在一些航空和科学任务中，需要矢量和标量磁力仪的组合应用。核磁共振陀螺仪是一种利用核自旋的进动过程对自身所在参考系的转动进行测量的仪表，本质上是用原子磁力仪测量质子磁力仪的信号，从而获得参考系角速度的相关信息。因此，原子磁力仪相关技术也是核磁共振陀螺仪的基础。

信号检测技术和控制系统是光泵磁力仪的关键[2]。激光照射铯原子使其激发到激发态，出现光抽运信号，若以射频信号激发，原子会从激发态跳回基态。铯原子在外界磁场中产生塞曼分裂，当射频信号频率与两个相邻磁能级间的频率相等时，光电二极管能检测得到原子光磁共振信号。用频率跟踪的检测方法，对光电检测信号进行闭环锁相检测，可自动锁定吸收最强时激励磁场的拉莫尔频率[1]。基于光泵磁共振原理研制的磁测仪器，在工程勘探和科技研究应用中有很高的灵敏度。加拿大Scintrex公司的CS-3铯光泵磁力仪，具有结构紧凑、灵敏度高、梯度容限高、测量盲区小等特点，工作时功耗15 W。Geometrics公司的G882等海洋铯光泵磁力仪也具有高灵敏度及高采样率的特点，功耗12 W。国内研制的有中船重工715所的GB-4A型氦光泵磁力仪，中国国土资源部航空物探遥感中心的HC-2000、HC95型氦光泵磁力仪等。美国的磁力仪研究水平和设备性能一直处于世界前列，而我国的原子磁力仪技术的研究水平较发达国家尚有一定差距。

虽然自激式原子磁力仪方案的电路相对简单，但其必须对磁场自激频率进行计数，高速高精度频率计的实现技术难度高，且功耗较大。目前市场上实用化的原子磁力仪，多采用碱金属原子泡射频激发产生特定谱线的光，这导致原子磁力仪的功耗无法降低。由于原子磁力仪对低噪声和高精度的要求，高性能的分布式反馈激光器(DFB)和分布式布拉格反射激光器(DBR)的自身耗电就达数百毫瓦，其驱动电路和控制系统也相对复杂，这严重限制了原子磁力仪在移动平台中的应用。VCSEL的阈值电流较小(1 mA)，激光输出效率更高，这为低功耗原子磁力仪的研制提供了基础[3]。原子磁力仪控制系统较大的复杂度和功耗成为瓶颈。ARM公司开发的32位Cortex-M0+处理器采用了90 nm低功耗工艺，耗电量仅 9 μA/MHz，极低功耗并拥有良好的计算性能，是全球最低功耗效率的微处理器。为此，本文将ARM Cortex-M0+微控制器作为主控单元，对数字化铯原子磁力仪低功耗控制系统的工程实现进行了研究。

1 光泵原子磁力仪物理原理

原子在未受到激发的正常状态下处于最低能级，这是最稳定的基态。当处于基态的粒子受到激光的激发时，若激光的频率能量恰好等于原子的能级差，则产生共振吸收，部分原子获得能量从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级。受到激发处于高能级的粒子会释放能量，自发跃迁回到最稳定的基态。

碱金属铯的化学符号是Cs，铯原子的基态为62S1/2，低激发态为62P1/2，62P3/2。从6P能级跃迁到6S能级会产生两条谱线，其中：从62P1/2能级到62S1/2能级跃迁的谱线为D1线，对应波长894.592 nm；另一条为D2谱线，对应波长852.347 nm。

原子中电子绕核运动会产生磁矩，电子和原子核的各自自旋也会产生磁矩，其大小与动量矩成正比[4]。在外磁场B0的作用下，同一轨道中不同自旋的电子能量不同导致了原子光谱的塞曼分裂。

在入射激光的持续作用下，光抽运会使塞曼能级上的电子发生偏极化，导致其非均匀居布。当在铯原子气室外加一射频磁场B1，射频磁场的频率为ν，若满足

(1)

即如hν等于塞曼子能级差，就发生磁共振现象，气室原子偏极化降低，铯原子对光的吸收能力增强了，到达探测器的光就会减弱。此处：gF为朗德因子；μB为玻尔磁子。

电子跃迁频率与外磁场强度成确定的比例关系，铯原子满足比例关系

(2)

通过对光强检测和处理，光强极小值对应的射频为共振频率，即拉莫尔进动频率。因此，光泵原子磁力仪通过测量该共振频率可准确推算出外磁场的大小。

2 磁场测量控制环路

研制的原子磁力仪控制电路系统如图1所示。系统组成主要包括低噪声恒流源、半导体致冷器(TEC)恒温控制单元、跨导预放大器、有源带通滤波器(BPF)、DDS、数模转换器(DAC)2个、温度补偿石英晶体振荡器(TCXO)和ARM Cortex-M0+微控制器1个。原子磁力仪的其它部分包括VCSEL、激光扩束透镜、四分之一波片、铯Cs填充的玻璃气室单元、无磁光电二极管等，而电源稳压和气室加热部分未列入。微控制器(MCU)通过串行接口(UART)将磁场数据传输到上位机完成采集和分析。

控制系统的主要作用有：

a)VCSEL支持电路，通过稳定的电流驱动和恒温控制，使输出的单模激光精确锁定在铯原子的D1线；

b)高分辨率射频信号产生电路，通过频率调制和同步检测，使之准确锁定于拉莫尔进动频率；

c)系统各部分协调和定时控制及通信。

控制回路的核心是一个Freescale公司的Kinetis系列微控制器MKL15Z64。它采用32位ARM Cortex-M0+高效处理器架构，能灵活地数字化实现系统控制和产生各种信号。微控制器软件实现多个功能模块，包括2个数字锁相放大器(LIA)、2个比例积分(PI)控制器，以及2个调制频率的产生等[5]。微控制器通过程序设计调整VCSEL温度和电流，产生DDS频率控制射频信号，激光器的波长扫描和磁场捕捉等系统功能也由微控制器实现。因多个功能模块的数字化、集成化实现，控制系统的功率消耗更少，电路所需空间和重量也显著降低。

2.1 直接数字合成器

DDS原理如图2所示。调谐字M可用于指定输出频率为时钟频率的分数比，它用于相位累加器的相位步长，累加器的输出作为周期信号的相位信息，通过查找表转换为正弦信号，该数字正弦信号通过DAC转换为模拟正弦信号。这样，通过更新DDS的M，就可改变其输出信号的频率[2]。

控制系统的设计中直接数字合成器选用Analog Devices公司的低功耗DDS芯片AD9838，该器件相位累加器位宽N=28，DAC位宽10 b，工作电压2.7～5.0 V，功耗小于20 mW。AD9838与MCU的接口为SPI模式。

DDS的主要优点是改善相位噪声，精确控制输出频率。其输出频率的最高分辨率定义为

(3)

式中：Δf为频率分辨率；Mmin为最小可能的二进制调谐字，且Mmin=1；fclock为DDS时钟频率；N为相位累加器实际宽度。

当时钟频率fclock=5 MHz，频率分辨率Δf=18.6 3 mHz时，对应磁场的分辨率为5.33 pT。DDS的输出驱动气室上的射频线圈，用于产生原子光磁共振，其最大输出频率可达相当于磁场0.7 mT以上。

MCU通过以一定周期规律地变动DDS的M，就可实现DDS输出信号的数字频率调制(FM)。数字调频正弦输出通过DAC转换到模拟域，并作为射频(RF)信号激励射频线圈。

2.2 光磁共振

气室的光磁谐振特性相当于鉴频器，将数字调频转换为透射激光强度的幅度调制。光磁共振的吸收和色散信号如图3所示[6]。色散信号的过零点对应于光磁共振频率，即拉莫尔进动频率。

透射光通过空间被光电二极管接收。光电二极管将光强的振幅调制转换为等效电流，跨阻前置放大器将电流转换成电压信号。该电压信号通过运放的带通滤波器进一步放大后，被馈送至微控制器ADC采样数字化，在微控制器内部实现数字化的锁相放大与相干解调。因DDS的调制频率和锁定放大器的解调参考基准均由MCU产生，故无需额外外部器件，且90°移相也由MCU内部实现[7]。

3 激光载波稳定电路

为使原子磁力仪有良好的噪声性能，VCSEL二极管的载波频率须满足铯D1线的光跃迁62P1/2到62S1/2谱线的最大值，其典型半高宽度(FWHM)为500 MHz，偏差需小于80 MHz。

VCSEL的激光频率与温度密切相关，典型的频移系数为0.06 nm/K，温度的稳定性影响原子磁力仪的性能。使用的VCSEL，由于内部已集成了热敏电阻和TEC(热电致冷器)，这样明显减小了激光器的体积。本文采用MAIXIM公司的MAX1978芯片作为TEC的驱动，其基于脉宽调制(PMW)开关方式高效驱动TEC，有效减小了能量消耗。电流以不同方向流过TEC，可实现加热或制冷。MAX1978芯片的控制精度可达0.001 K，能满足波长温度稳定的需求。通过TEC的温度扫描，可使激光器的输出波长对准在铯原子吸收谱线的D1线的极值点，如图4所示。

VCSEL的激光频率与驱动电流也密切相关，频移系数约0.6 nm/mA，需有非常稳定和极低噪声的恒流源[3，8]。但因基准电压器件的长期漂移和温度漂移，故不可避免将导致载波频率的漂移[9]。因此，需用反馈控制回路稳定激光二极管的载波频率。

激光器波长锁定电路主要是利用激光器驱动电流的反馈锁定到铯原子吸收光谱实现的。为避免额外的光路设计，减小探头体积，本文采用了铯原子吸收光谱对波长进行锁定的方式。

MCU通过定时器产生约1.6 kHz的方波抖动信号，交流电流叠加到VCSEL二极管的直流上，对激光波长进行频率调制。包含1.6 kHz信号的预放大输出，通过MCU内部的16位ADC同步采样后成为数字信息，90°相移的1.6 kHz定时对该数字信息进行锁定放大解调，这些在MCU内部数字化同步执行。数字域计算PI环路滤波，通过16位低噪声DAC将输出转换成模拟电流，使VCSEL激光波长始终锁定在色散S曲线的过零点[10]。因此，控制回路实现了反馈闭合锁定。

4 实验结果

为测试该原子磁力仪控制系统的性能，将气室传感器单元置于磁屏蔽桶内以减少外部的干扰，并通过精密恒流源在内部磁场线圈产生所需的稳定磁场。整个原子磁力仪控制系统可单电源工作，直流工作电压3.3 V，工作电流55.2 mA，控制部分的实际功耗小于185 mW，9 800 mA·h的锂离子电池可支持连续工作7 d，满足移动平台的使用条件。经测试，激光器的TEC温控部分占用近60%电流，故该部分功耗还可进一步降低。原子气室的最佳工作温度为45～50 ℃，此处未计入原子气室的加热功耗。

在磁场强度50 000 nT下原子磁力仪噪声测量及其噪声密度谱如图5所示。由图5可知：在0.01～1 Hz范围内无明显的1/f噪声的影响；在1 Hz附近噪声谱小于10 pT/Hz0.5，磁场响应带宽大于1 Hz。实际测试表明：激光稳频和系统控制电路在十几小时的长时间磁场测量中工作稳定，基本达到使用的实际要求。

5 结束语

本文研究了铯光泵磁力仪的低功耗控制系统的设计，创新地利用单片ARM Cortex-M0+微控制器同时实现VCSEL激光器的波长控制、谱线锁定和射频信号的拉莫尔进动频率数字锁定，有效降低了控制电路的功耗。由于设计原理和器件功耗限制，目前该磁力仪噪声指标还偏大、频响较低，降低整个系统的噪声和提高带宽性能是后续研究的重点。另外，控制系统的功耗还有望继续减小。由于DDS输出的RF频率由微控制器输出控制字决定，该原子磁力仪无需高精度频率计对拉莫尔进动频率进行计

数，其控制字通过内部软件换算，可直接由串口输出对应的磁场强度大小，这样将进一步减少系统的总功耗。本文为核磁共振陀螺仪的研究提供了基础。低功耗小型化的原子磁力仪将是未来移动平台高精度和长期稳定磁场检测的重要设备。

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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

国家高技术研究发展计划资助(2013AA063901)；上海航天科技创新基金资助(SAST2016075)

王维东(1967—)，男，博士，副教授，主要研究方向为原子磁力仪系统、嵌入式系统设计及图像视频处理等。

TH762

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.02.003