陳恩 宗發(fā)保 余愷

（第七一五研究所，杭州，310023）

氦光泵磁力儀基于氦原子在外磁場(chǎng)中發(fā)生塞曼分裂為基礎(chǔ)，同時(shí)利用光泵作用和磁共振現(xiàn)象研制而成，將對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)頻率的測(cè)量，其已被廣泛地用于磁法勘探、航空反潛等領(lǐng)域[1]。氦光泵磁力儀為跟蹤式磁力儀，原理框圖見(jiàn)圖 1。通過(guò)檢測(cè)光泵探頭的磁共振信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前磁場(chǎng)值的測(cè)量，氦光泵磁力儀的磁共振信號(hào)幅度與光軸和磁場(chǎng)方向的夾角大小有關(guān)，所以單光系的氦光泵磁力儀會(huì)存在“盲區(qū)”，即當(dāng)光軸與磁場(chǎng)方向的夾角大于一定值時(shí)，磁力儀會(huì)由于信號(hào)幅度過(guò)小導(dǎo)致失鎖。尤其是在中低緯度地區(qū)的航磁測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)飛行器轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于飛行器的傾斜導(dǎo)致光軸和磁場(chǎng)方向的夾角變化，氦光泵磁力儀失鎖，導(dǎo)致無(wú)法完成測(cè)量。本文提出采用 AGC電路，以適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的磁共振信號(hào)變化[2]。

圖1 氦光泵磁力儀原理框圖

1 問(wèn)題成因分析

氦吸收室在高頻激勵(lì)的作用下，被激發(fā)而發(fā)出一定波長(zhǎng)的弱光，這時(shí)一部分原來(lái)沒(méi)有磁性的氦原子就變成帶磁性的亞穩(wěn)態(tài)原子。亞穩(wěn)態(tài)的氦原子吸收來(lái)自氦燈發(fā)出的波長(zhǎng)為1.08 μm的D線后，沿外磁場(chǎng)方向排列，叫做“光泵作用”[3]。氦光泵磁力儀磁共振信號(hào)幅度為[4]：

由式（2）可知，光泵磁共振信號(hào)幅度與4cosθ成正比。當(dāng)θ為 0°時(shí)（即光軸與磁場(chǎng)方向平行），信號(hào)幅度最大。當(dāng)單光系磁力儀垂直放置時(shí)，其夾角θ見(jiàn)圖2。

圖2 磁力儀共振信號(hào)與緯度的關(guān)系

第二因子可寫(xiě)為：

式中，x為相對(duì)失調(diào)量，a為飽和系數(shù)。表示共振曲線的形狀[2]。

2 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的氦光泵磁力儀原理框圖見(jiàn)圖 3，在選頻放大前加入一級(jí)AGC，減小單光系氦光泵磁力儀的盲區(qū)。本文采用運(yùn)放和場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的 AGC電路，通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的RDS的大小來(lái)控制運(yùn)放的放大倍數(shù)[5]。其仿真電路圖見(jiàn)圖 4。輸入輸出關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果見(jiàn)表 1，假設(shè)光泵探頭光軸與磁場(chǎng)方向平行時(shí)的共振信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后最大值為1 V。表1中無(wú)自動(dòng)增益的共振信號(hào)值為理論計(jì)算值，有自動(dòng)增益的共振信號(hào)值為仿真值。由表1數(shù)據(jù)可知，加了AGC后，光軸與磁場(chǎng)方向的夾角在0°～70°的范圍內(nèi)，共振信號(hào)大于 0.398 V，且共振信號(hào)幅度基本穩(wěn)定在0.9 V左右。在未加增益控制時(shí)，共振信號(hào)隨夾角增大逐漸減小，70°時(shí)，只有0.014 V，且變化較大。

圖3 本文氦光泵磁力儀原理框圖

圖4 AGC電路仿真原理圖

圖5 AGC電路輸入與輸出曲線圖

表1 有無(wú)自動(dòng)增益的共振信號(hào)幅度對(duì)比

以中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一五研究所研制的RS-GB10航空磁力儀為例，共振信號(hào)經(jīng)過(guò)放大到5 V，送至相敏檢波器控制壓控振蕩器輸出，當(dāng)信號(hào)小至1 V時(shí)，磁力儀失鎖，處于不跟蹤狀態(tài)。即當(dāng)夾角為48°時(shí)，磁力儀處于失鎖狀態(tài)。當(dāng)加入AGC電路后，通過(guò)仿真可知，當(dāng)夾角為 73°時(shí)，磁力儀處于失鎖狀態(tài)。因此，增加AGC電路后，RS-GB10航空磁力儀的“盲區(qū)”減小了約30°。

4 電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)仿真電路設(shè)計(jì)了一個(gè) AGC電路，并將其串聯(lián)在 RS-GB10航空磁力儀的光泵探頭和選頻放大電路之間。經(jīng)過(guò)調(diào)試后，選頻放大輸出的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，增加AGC電路后的實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果一致。

表2 有無(wú)自動(dòng)增益的共振信號(hào)幅度對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)單光系氦光泵磁力儀存在“盲區(qū)”的問(wèn)題，提出 AGC控制電路用以適應(yīng)大動(dòng)態(tài)范圍的磁共振信號(hào)變化即保持放大器輸出信號(hào)幅度的穩(wěn)定，可將RS-GB10航空磁力儀“盲區(qū)”減小約30°，避免了因飛行器姿態(tài)大幅變化導(dǎo)致磁力儀不工作的情況，對(duì)中低緯度地區(qū)航空磁法測(cè)量具有重要的意義。