卡爾曼濾波在原子磁力儀中的應(yīng)用研究.pdf

1、原子磁力儀的基本原理是依據(jù)Cs原子拉莫爾進(jìn)動（Lamor Procession）頻率正比于外界磁場強(qiáng)度的物理特性，通過檢測極化原子進(jìn)動的頻率，從而實現(xiàn)外界磁場的精確測量。2008年，在《MIT Technology Review》（技術(shù)評論）中原子磁力儀被麻省理工大學(xué)評為未來最有可能改變?nèi)祟惿畹氖笮屡d技術(shù)之一。
　　高靈敏度的磁力儀已經(jīng)有大量的應(yīng)用，在地磁考古和生物醫(yī)學(xué)成像方面，搜索中子中的永久電偶極子以及自然基礎(chǔ)對稱性的測試

2、；在生活中，可以指引方向和地震來臨前測量磁場異常；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過對心腦弱磁檢測觀察磁場異常分布可以快速準(zhǔn)確找到病灶位，核磁共振更可以準(zhǔn)確診斷全身健康情況；在工業(yè)上，汽車生產(chǎn)的流水線上可以通過磁測量手段來觀察金屬表面的磁場分布，從而指導(dǎo)工件表面是否平滑，實現(xiàn)對其無損探傷的目的；地質(zhì)勘探領(lǐng)域中，油井和礦產(chǎn)資源所處的位置可以由磁力儀快速并且準(zhǔn)確的判斷；軍事領(lǐng)域中，人造衛(wèi)星上進(jìn)行空間探測、深水潛艇定位、磁引信、地磁導(dǎo)航等技術(shù)磁力儀均可發(fā)揮重要

3、的作用。
　　按照其研究時間的先后磁力儀可以分為磁通門磁力儀、質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、超導(dǎo)磁力儀和原子磁力儀。由于磁通門磁力儀靈敏度低不適合一些嚴(yán)格的測量，但是對于靈敏度要求不高的場所測量中，仍然被很多人使用。超導(dǎo)磁力儀有很高的靈敏度，適合極其微弱磁場的測量，由于其靈敏度很高可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來檢測量人腦和心臟磁場的分布，無損探傷和考古領(lǐng)域，但是超導(dǎo)磁力儀中的超導(dǎo)材料對于溫度的要求極其嚴(yán)格。光學(xué)原子磁力儀是近十幾年來發(fā)展起來的一種

4、具有超高靈敏度的磁力儀，也是目前世界上微弱磁場測量領(lǐng)域最前沿的研究方向。相比超導(dǎo)磁力儀而言，原子磁力儀具有更高的靈敏度，更低的成本和更小的體積，這就決定了光學(xué)原子磁力儀具有更為廣泛的應(yīng)用范圍和前景。
　　本文的目的是以全光銫原子磁力儀的實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入卡爾曼濾波的方法，在軟件算法方面尋求突破，提高全光銫原子磁力儀的靈敏度。為改善原子磁力儀的靈敏度提供新的思路和借鑒。本文通過以下五個部分對課題展開研究。
　　第一部分首先對

5、磁力儀的背景進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，然后介紹了原子磁力儀國內(nèi)外發(fā)展水平以及原子磁力儀在今后的發(fā)展趨勢，最后提出本課題研究的內(nèi)容、目的、意義和結(jié)構(gòu)安排。
　　第二部分針對磁力儀的工作原理展開敘述，基于本課題研究 Cs原子在外界磁場條件下與光的相互作用，簡單敘述了 Cs原子的特性，塞曼效應(yīng)中拉莫進(jìn)動及其堿金屬原子的拉莫進(jìn)動，銫原子能級結(jié)構(gòu)中的塞曼效應(yīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)。最后，介紹了自旋弛豫技術(shù)，磁力儀系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述和全光銫原子磁力儀系統(tǒng)

6、的實現(xiàn)。
　　第三部分介紹了銫原子磁力儀閉環(huán)系統(tǒng)的原理，詳細(xì)介紹了正弦調(diào)制鎖頻、半高寬鎖頻、色散零點鎖頻三種鎖頻方法，了解了數(shù)字頻率跟蹤系統(tǒng)方案以及系統(tǒng)工作的流程。介紹了閉環(huán)系統(tǒng)的性能測試，分別進(jìn)行了磁場跟蹤測試，閉環(huán)靈敏度測試以及響應(yīng)速度測試。
　　第四部分對卡爾曼濾波原理進(jìn)行了介紹，并且了解了卡爾曼濾波的空間模型，公式的推導(dǎo)以及卡爾曼濾波的流程圖。對卡爾曼濾波進(jìn)行測試，分別對一次曲線、二次曲線以及周期性曲線進(jìn)行測試，并且