НЕОРИЕНТИРУЕМЫЙ КВАНТОВЫЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к геофизическому приборостроению, и в частности, к квантовым радиооптическим магнитометрам - приборам для обнаружения сверхслабых локальных магнитных аномалий (ЛМА), основанным на принципе двойного радиооптического резонанса (ДРР).
Применение предлагаемой полезной модели позволит построить всеширотный, автоматический, неориентируемый, высокочувствительный, высокостабильный, помехоустойчивый и не создающий электромагнитных помех другому оборудованию квантовый радиооптический магнитометр.
Предлагаемая полезная модель является необслуживаемым прибором с дистанционным управлением, который может размещаться на борту воздушного или морского судна и может управляться дистанционно с использованием унифицированных автоматизированных рабочих мест и бортовой информационно-телекоммуникационной сети объекта, в составе которого он используется. Такой прибор может обеспечивать электромагнитную совместимость с другим бортовым радиоэлектронным оборудованием восприимчивым к высокочастотным электромагнитным помехам, и в то же время создающим такие помехи.
С помощью предлагаемой полезной модели неориентируемого квантового радиооптического магнитометра можно осуществлять измерение слабых магнитных полей с напряженностью значительно меньшей напряженности магнитного поля Земли (МПЗ) с борта морского или воздушного судна, в автоматическом режиме, на любой широте (при любой напряженности МПЗ) и осуществлять поиск сверхслабых ЛМА, что очень важно при поиске месторождений полезных ископаемых, подземных и подводных объектов, имеющих слабый магнитный момент.
В качестве прототипа выбран магнитометр с оптическим управлением, описанный в книге: Н.М. Померанцев, В.М. Рыжков, Г.В. Скроцкий. Физические основы квантовой магнитометрии / Наука, Главная редакция физико-математической литературы - М. 1972, 448 с., Ил., на стр. 385-386, (см. рис. 80 в указанной книге). Данное устройство представляет собой квантовый радиооптический магнитометр с оптическим управлением и предназначено для регистрации слабых магнитных полей. Оно использует модуляцию интенсивности света. Величина сигнала для магнитометра этого типа изменяется в зависимости от ориентации по закону
max
4
S(ϑ)/S = sinϑ,
где: S(ϑ) - уровень сигнала на выходе фотодетектора;
max
S - максимальный уровень сигнала на выходе фотодетектора;
ϑ - угол ориентации датчика.
К недостаткам устройства - прототипа относится следующее:
- наличие мертвых зон ориентации, т.е. наличие диапазона углов ориентации - углов между направлением оптической оси датчика прибора и направлением силовой линии исследуемого магнитного поля ϑ, при которых сигнал на выходе усилителя 9 (см. рис. 80 указанной выше книги) становится слабее уровня шумов;
- размещение спектральной лампы, а значит и последовательного высокочастотного и высоковольтного резонансного контура ее накачки, в непосредственной близости от поглощающей ячейки и фотодетектора, что создает мощные, высокочастотные электромагнитные помехи, наводимые на чувствительные цепи фотодетектора и на другое чувствительное оборудование, восприимчивое к помехам, размещенное близко к датчику магнитометра и ограничивает условия экранирования и электромагнитной совместимости комплекса оборудования;
- отсутствие технических средств обеспечения помехоустойчивости линии, соединяющей усилитель и фазовый детектор, что ограничивает длину этой линии, а значит и возможность удаления фазового детектора и другого энергоемкого оборудования от датчика, а это снижает чувствительность описанного в указанной книге прибора и ограничивает возможности его дистанционного управления;
- отсутствие автоматического оборудования поиска, захвата и удержания частоты ларморовской прецессии необходимого для автоматической всеширотной работы квантового магнитометра, что подразумевает ручной поиск этой частоты путем ручной настройки радиочастотного генератора 12 (см. рис. 80 указанной книги), при визуальном наблюдении за показаниями приборов, контролирующих амплитуду сигнала на выходе усилителя 9, напряжение сигнала ошибки на выходе фазового детектора 10, частоты радиочастотного генератора 12, а это создает существенные ограничения возможности применения описанного в указанной книге прибора в составе целевых радиоэлектронных комплексов размещаемых на борту морских и воздушных судов;
- отсутствие вычислительного оборудования для обработки потока значений частоты ларморовской прецессии, являющейся основным показателем измеряемой индукции магнитного поля и ее градиента, что не позволяет производить усреднение показаний, снижение влияния шумов, компенсацию местных магнитных полей и помех, производить оценку градиента с применением совершенных алгоритмов обработки потока значений и обнаружения ЛМА, снижает чувствительность и ограничивает функциональность прибора, а это существенно ограничивает возможности прибора при поиске сверхслабых ЛМА;
- отсутствие технических средств обеспечения стабильности температуры спектральной лампы, что снижает стабильность положения спектральной линии источника излучения, создает дестабилизирующие факторы при работе прибора в течение длительного времени в широком диапазоне рабочих температур.
Целью предлагаемой полезной модели является создание такого неориентируемого квантового радиооптического магнитометра, в котором, как и в прототипе, радиочастотный генератор используется для модуляции интенсивности света, осуществляющего накачку рабочего тела, но который не имеет мертвых зон и не требует специальной системы ориентации оптической оси датчика по отношению к направлению силовой линии измеряемого поля, который имеет технические средства, существенно снижающие влияние электромагнитных помех и наводок от высокочастотного генератора и высоковольтного резонансного контура возбуждения спектральной лампы на фотодетектор 8, усилитель 9, (см рис. 80 указанной книги) а также на другое чувствительное радиоэлектронное оборудование магнитометра и других радиоэлектронных систем, имеющий технические средства обеспечивающие помехоустойчивость линии соединяющей усилитель и фазовый детектор, по которой в режиме захвата передаются очень слабые сигналы и которая в наибольшей степени подвержена восприимчивости к помехам, создание магнитометра имеющего автоматическое оборудование поиска, захвата и удержания частоты ларморовской прецессии и обеспечивающего всеширотную работу в автоматическом режиме с дистанционным управлением, который можно будет использовать в составе целевых радиоэлектронных комплексов, размещаемых на борту морских и воздушных судов, создание магнитометра имеющего вычислительное оборудование для обработки потока значений частоты ларморовской прецессии и ее градиента, что позволит производить усреднение показаний, снижение влияния шумов, компенсацию местных магнитных полей и помех, производить оценку градиента с применением совершенных алгоритмов обработки потока значений и повышение вероятности обнаружения ЛМА, повысит чувствительность и существенно расширит функциональность прибора, а также позволит эффективно использовать создаваемый прибор при поиске сверхслабых ЛМА, кроме этого, создание прибора имеющего технические средства обеспечения стабильности температуры спектральной лампы, что повысит стабильность положения спектральной линии источника излучения, создаст условия стабильной работы прибора в течение длительного времени в широком диапазоне рабочих температур, что особенно важно при размещении его на борту воздушных и морских судов.
Предлагаемый неориентируемый квантовый радиооптический магнитометр найдет широкое применение в геологоразведке при прогнозировании и поиске месторождений многих полезных ископаемых, в археологии, морском и военном деле при поиске затонувших судов, подводных кладов, взрывоопасных, потаенных и других подземных и подводных объектов.
Для достижения поставленной цели предлагается использовать квантовый радиооптический магнитометр с оптическим управлением, дополненный задатчиком скорости перестройки, аналоговым коммутатором, селектором, решающей схемой, вычислителем, датчиками компенсатора, устройством согласующим, световодом, световодом-коллектором, устройством светоделительно-поляризационным, вторым поляроидом, второй линзой, второй ячейкой поглощения, второй катушкой модуляции, терморегулятором.
Ожидаемым техническим результатом полезной модели является создание неориентируемого магнитометра, то есть такого прибора, который не имеет мертвых зон ориентации и специальной системы ориентации оптической оси датчика по отношению к направлению силовой линии магнитного поля.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в магнитометр с оптическим управлением, включающий радиочастотный генератор, модулятор, фазовый детектор, звуковой генератор, генератор возбуждения спектральной лампы, модуль спектральной лампы, первую катушку модуляции, первую линзу, первую ячейку поглощения, светофильтр, первый поляроид, усилитель, фотодетектор, дополнительно введены: задатчик скорости перестройки, аналоговый коммутатор, решающая схема, селектор, вычислитель, терморегулятор, устройство светоделительное поляризующее, световод, световод-коллектор, вторая ячейка поглощения, второй поляроид, вторая катушка модуляции, устройство согласующее, причем, задатчик скорости перестройки связан с первым входом аналогового коммутатора, выход которого связан со входом радиочастотного генератора, второй выход радиочастотного генератора связан с первым входом вычислителя, второй вход аналогового коммутатора связан с выходом фазового детектора, а третий - управляющий вход аналогового коммутатора связан с выходом решающей схемы, а первый выход селектора связан с первым входом фазового детектора, второй выход селектора связан со входом решающей схемы, второй вход вычислителя связан с выходом датчиков компенсатора, вычислитель имеет двунаправленный интерфейс в сторону информационно-вычислительной сети, выход усилителя связан со входом согласующего устройства, а выход согласующего устройства связан со входом селектора, электрический выход модуля спектральной лампы связан со входом терморегулятора, выход терморегулятора связан со вторым входом генератора возбуждения спектральной лампы, а оптический выход модуля спектральной лампы присоединен к первому концу световода, второй конец которого связан с одной стороной светофильтра, вторая сторона которого оптически связана с устройством светоделительным поляризующим, которое также имеет оптическую связь с первым и вторым поляроидами, второй поляроид связан со второй ячейкой поглощения, которая имеет оптическую связь со второй линзой, сопряженной с одним из входов световода-коллектора, второй вход которого сопряжен с первой линзой, собирающей свет с первой ячейки поглощения, а выход световода-коллектора связан со входом фотодетектора, вторая катушка модуляции соединена последовательно с первой катушкой модуляции.
Достижение цели и технический результат осуществляются за счет обеспечения отсутствия мертвых зон ориентации и специальной системы ориентации оптической оси датчика по отношению к направлению силовой линии измеряемого поля путем ввода в состав магнитометра:
а) устройства светоделительного поляризующего;
б) второго поляроида;
в) второй ячейки поглощения;
г) второй катушки модуляции;
д) световода-коллектора.
При этом устройство светоделительное поляризующее имеет оптическую связь со светофильтром и с первым и вторым поляроидами, второй поляроид связан со второй ячейкой поглощения, которая имеет оптическую связь с линзой, сопряженной с одним из входов световода-коллектора, второй вход которого сопряжен со второй линзой, собирающей свет с первой ячейки поглощения, а выход световода-коллектора связан со входом фотодетектора, а вторая катушка модуляции соединена последовательно с первой катушкой модуляции.
Кроме этого, достижение технического результата осуществляется за счет введения совокупности следующих усовершенствований:
- существенное снижение влияния электромагнитных помех, наводок от высокочастотного генератора и высоковольтного резонансного контура возбуждения спектральной лампы на фотодетектор, усилитель, а также на другое чувствительное радиоэлектронное оборудование магнитометра и других радиоэлектронных систем, за счет того, что в состав магнитометра введены световод и световод-коллектор, оптический выход модуля спектральной лампы присоединен к первому концу световода, второй конец которого
связан со светофильтром датчика, один из входов световода-коллектора сопряжен с линзой собирающей свет со второй ячейки поглощения, второй его вход сопряжен со второй линзой, собирающей свет с первой ячейки поглощения, а выход световода-коллектора связан со входом фотодетектора, что позволяет удалить модуль спектральной лампы на значительное расстояние от чувствительных цепей фотодетектора и усилителя и удалить магниточувствительный датчик от энергоемкого радиоэлектронного оборудования магнитометра, тем самым снизить влияние мощных высокочастотных устройств на чувствительные цепи, а также снять ограничения связанные с экранированием спектральной лампы, имеющиеся, например, в прототипе, и создать условия для качественного электромагнитного экранирования модуля спектральной лампы, удаленного от датчика, а это обеспечивает существенное снижение электромагнитных помех;
- обеспечение помехоустойчивости линии, соединяющей усилитель и фазовый детектор, по которой в режиме захвата передаются очень слабые сигналы и которая в наибольшей степени подвержена восприимчивости к помехам, за счет того, что в состав магнитометра введено устройство согласующее, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход связан с длинной линией, присоединенной ко входу селектора;
- введение автоматического оборудования поиска, захвата и удержания частоты ларморовской прецессии и обеспечение всеширотной работы в автоматическом режиме с дистанционным управлением, который можно будет использовать в составе целевых радиоэлектронных комплексов, размещаемых на борту морских и воздушных судов, за счет того, что в состав магнитометра введены задатчик скорости перестройки, аналоговый коммутатор, селектор, решающая схема, выход задатчика скорости перестройки соединен с первым входом аналогового коммутатора, второй вход аналогового коммутатора соединен с выходом фазового детектора, третий вход аналогового коммутатора соединен с выходом решающей схемы, выход аналогового коммутатора соединен с входом радиочастотного генератора, а вход решающей схемы связан со вторым выходом селектора;
- введение вычислительного оборудования для обработки потока значений частоты ларморовской прецессии и ее градиента, что позволит производить усреднение показаний, снижение влияния шумов, компенсацию местных магнитных полей и помех, производить оценку градиента с применением совершенных алгоритмов обработки потока значений и повышение вероятности обнаружения ЛМА, повысит чувствительность и существенно расширит функциональность прибора, а также позволит эффективно использовать создаваемый прибор при поиске сверхслабых ЛМА, за счет того, что в состав магнитометра введены вычислитель и датчики компенсатора, вычислитель имеет двунаправленный интерфейс в сторону информационно - вычислительной сети, выход датчиков компенсатора
связан с со вторым входом вычислителя, а второй выход радиочастотного генератора связан с первым входом вычислителя;
- введение технических средств обеспечения стабильности температуры спектральной лампы, что позволяет повысить стабильность положения спектральной линии источника излучения, а также создаст условия стабильной работы прибора в течение длительного времени в широком диапазоне рабочих температур, что особенно важно при размещении его на борту воздушных и морских судов, за счет того, что в состав магнитометра введен терморегулятор, и электрический выход модуля спектральной лампы соединен со входом терморегулятора, а выход терморегулятора соединен со вторым входом генератора возбуждения спектральной лампы.
Обеспечение качественной работоспособности неориентируемого магнитометра, а значит, и промышленной применимости данной полезной модели достигается в результате совокупности всех изложенных выше усовершенствований, находящихся в причинно-следственной связи с получением технического результата - обеспечения отсутствия мертвых зон ориентации и специальной системы ориентации оптической оси датчика по отношению к направлению силовой линии измеряемого поля (неориентируемости магнитометра):
- снижение помех от высокочастотного генератора приводит к повышению помехоустойчивости и предотвращению создания мертвых зон в угловых зонах снижения уровня сигнала из-за снижения отношения сигнал/помеха;
- обеспечение помехоустойчивости линии создает эффект аналогичный приведенному выше и также способствует достижению заявленного технического результата;
- наличие автоматического оборудования поиска, захвата и удержания частоты способствует восстановлению работоспособности неориентируемого магнитометра при потере частоты в условиях появления угловых зон снижения сигнала, что также направлено на достижение технического результата - неориентируемости прибора;
- наличие вычислительного оборудования и датчиков ориентации обеспечивает усреднение отсчетов, что также повышает помехоустойчивость и обеспечивает работоспособность прибора при работе в угловых зонах снижения сигнала, а значит также направлено на достижение технического результата - неориентируемости;
- обеспечение стабильности температуры спектральной лампы направлено на обеспечение работы двухкамерного датчика, требующего повышенной мощности спектральной линии, а нормальное функционирование такого датчика и обеспечивает достижение технического результата - неориентируемости.
На Фиг. 1 приведена структура реализации неориентируемого квантового радиооптического магнитометра, где:
Назначение этих компонентов следующее:
- задатчик скорости перестройки 1 предназначен для задания скорости перестройки радиочастотного генератора в режиме автоматического поиска частоты лармаровской прецессии что необходимо для повышения вероятности истинного захвата частоты системой и снижения вероятностей не захвата и ложного захвата при оптимальной длительности цикла поиска;
- аналоговый коммутатор 2 необходим для переключения сигнала управления частотой радиочастотного генератора при переходе из режима поиска в режим захвата частоты под управлением решающей схемы 8;
- радиочастотный генератор 3 предназначен для генерации радиочастотного сигнала используемого для модуляции интенсивности света спектральной лампы;
- модулятор 4 предназначен для модуляции сигнала возбуждения спектральной лампы и интенсивности спектрального излучения лампы;
- фазовый детектор 5 предназначен для сравнения фазы сигнала звукового генератора, подаваемого на катушки модуляции ячеек поглощения и фазы первой гармоники усиленного сигнала с фотодетектора, что необходимо для осуществления автоподстройки частоты радиочастотного генератора в режиме автоматического слежения за этой частотой во всем диапазоне перестройки радиочастотного генератора;
- селектор 6 предназначен для селекции первой и второй гармоник усиленного сигнала с фотоприемника;
- звуковой генератор 7 предназначен для формирования опорного низкочастотного сигнала подаваемого на катушки модуляции обеих ячеек и на первый вход фазового детектора;
- решающая схема 8 предназначена для принятия решения о возрастании уровня второй гармоники, что является признаком приближения к частоте радиооптического резонанса, а также для формирования управляющего сигнала, по которому осуществляется переход из режима поиска (сканирования) в режим захвата и слежения за резонансной частотой;
- вычислитель 9 предназначен для обработки потока значений частоты ларморовской прецессии и ее градиента, усреднения показаний, снижения влияния шумов, компенсации местных магнитных полей и помех, оценки градиента с применением совершенных алгоритмов обработки потока значений и повышения вероятности истинного обнаружения ЛМА, повышения чувствительности и расширения функциональности прибора, осуществления дистанционного управления посредством использования информационно-вычислительной сети;
- терморегулятор 10 предназначен для обеспечения стабильности температуры спектральной лампы, повышения стабильность положения спектральной линии источника излучения, обеспечения стабильной работы прибора в течение длительного времени в широком диапазоне рабочих температур;
- генератор возбуждения спектральной лампы 11 предназначен для генерации мощного высокочастотного электрического сигнала бесконтактного (с помощью высоковольтного резонансного контура) возбуждения тлеющего разряда в газе спектральной лампы и создания таким образом спектрального излучения - светового потока на со спектральной линией изотопа, используемого в ячейках поглощения (для излучения света, поглощаемого в этих ячейках в процессе возбуждения атомов изотопа);
- модуль спектральной лампы предназначен для бесконтактного возбуждения спектральной лампы, ввода оптической мощности спектрального излучения в оптоволоконный световод, экранирования высоковольтного резонансного контура спектральной лампы;
- световод 13 предназначен для передачи оптической мощности спектрального излучения от модуля спектральной лампы к ячейкам поглощения, что позволяет удалить спектральную лампу на значительное расстояние от магниточувствительного элемента и организовать тщательное электромагнитное экранирование модуля спектральной лампы;
- катушки модуляции 14, 27 предназначены для создания низкочастотного магнитного поля внутри ячеек поглощения, что и обеспечивает возбуждение ларморовской прецессии («закручивание» возбужденных спектральным излучением атомов изотопа) и организацию ДРР;
- линзы 15.1 и 15.2 предназначены для формирования светового пучка внутри ячеек поглощения, а также для фокусировки света на торцах световода-коллектора 16;
- световод-коллектор 16 предназначен для объединения оптических сигналов от обеих ячеек поглощения, что необходимо для обеспечения отсутствия мертвых зон датчика;
- первая ячейка поглощения 17 предназначена для преобразования индукции магнитного поля в сопряженном с ее расположением направлении силовой линии измеряемого магнитного поля в модулированный оптический сигнал;
- светофильтр 18 предназначен для выделения полосы длин волн спектрального излучения и снижения тока засветки фотодетектора побочными волновыми составляющими;
- поляроиды 19, 26 предназначены для создания круговой поляризации спектрального излучения необходимой для возбуждения ДРР;
- устройство светоделительное поляризующее 20 предназначено для плоской поляризации светового пучка и его разделения на два направления, что необходимо для возбуждения ДРР в обеих ячейках поглощения;
- вторая ячейка поглощения 21 предназначена для преобразования индукции магнитного поля в модулированный оптический сигнал при направлении силовых линий, ортогональном по отношению к направлению силовых линий поля, преобразуемого в первой ячейке поглощения, что исключает образование мертвых зон;
- устройство согласующее 22 предназначено для согласования выхода усилителя 23 с симметричной экранированной линией что необходимо для обеспечения помехоустойчивости при передаче слабых сигналов по этой линии за счет ослабления влияния синфазных помех;
- усилитель 23 предназначен для усиления слабого электрического сигнала поступающего с выхода фотодетектора;
- фотодетектор 24 предназначен для преобразования модулированного оптического сигнала с выходов ячеек поглощения в электрический сигнал;
- датчики компенсатора 25 предназначены для анализа магнитных помех объекта, на котором установлен магнитометр для их последующей компенсации посредством вычитания, с использованием специализированных алгоритмов реализованных в вычислителе.
Элементы структурной схемы, приведенной на чертеже Фиг. 1 связаны между собой следующим образом:
- задатчик скорости перестройки 1 связан с первым входом аналогового коммутатора 2,
- выход аналогового коммутатора 2 связан со входом радиочастотного генератора 3,
- второй выход радиочастотного генератора 3 связан с первым входом вычислителя 9,
- второй вход аналогового коммутатора 2 связан с выходом фазового детектора 5,
- третий - управляющий вход аналогового коммутатора 2 связан с выходом решающей схемы 8,
- первый выход селектора 6 связан с первым входом фазового детектора 5,
- второй выход селектора 6 связан со входом решающей схемы 8,
- второй вход вычислителя 9 связан с выходом датчиков компенсатора 25,
- вычислитель 9 имеет двунаправленный интерфейс в сторону информационно-вычислительной сети,
- выход усилителя 23 связан со входом согласующего устройства 22,
- выход согласующего устройства 22 связан со входом селектора 6,
- электрический выход модуля спектральной лампы 12 связан со входом терморегулятора 10,
- выход терморегулятора 10 связан со вторым входом генератора возбуждения спектральной лампы 11,
- выход генератора возбуждения спектральной лампы 11 связан со входом модуля спектральной лампы 12,
- первый выход радиочастотного генератора 3 подан на вход модулятора 4,
- выход модулятора 4 соединен с первым входом генератора возбуждения спектральной лампы 11,
- оптический выход модуля спектральной лампы 12 присоединен к первому концу световода 13,
- второй конец световода 13 связан с одной стороной светофильтра 18,
- вторая сторона световода 13 оптически связана с устройством светоделительным поляризующим 20,
- устройство светоделительное поляризующее 20 имеет оптическую связь с первым и вторым поляроидами 19, 26,
- первый поляроид 19 связан с первой ячейкой поглощения 17,
- второй поляроид сопряжен 26 со второй ячейкой поглощения 21,
- вторая ячейка поглощения 21 имеет оптическую связь со второй линзой 15.2,
- вторая линза 15.2 сопряжена с первым входом световода-коллектора 16,
- второй вход световода-коллектора 16 сопряжен с первой линзой 15.1, собирающей свет с первой ячейки поглощения 17,
- выход световода-коллектора 16 связан со входом фотодетектора 24,
- выход фото детектора 24 присоединен ко входу усилителя 23,
- выход звукового генератора 7 подан на второй вход фазового детектора 5,
- выход звукового генератора 7 присоединен к первой и второй катушкам модуляции 14, 27, соединенным последовательно.
Предлагаемое техническое решение функционирует следующим образом.
Предлагаемый квантовый радиооптический магнитометр имеет два режима.
1 Режим поиска частоты ларморовской прецессии (режим поиска).
2 Режим захвата частоты ларморовской прецессии с последующим слежением за ее значением (режим захвата).
87
В режиме поиска осуществляется сканирование всего диапазона частот ларморовской прецессии, т.е. последовательный перебор всех значений этой частоты, которые она может принимать для используемого в магнитометре рабочего тела на всех широтах от Южного до Северного магнитных полюсов Земли, во всем диапазоне изменения индукции МПЗ. Например, при использовании в качестве рабочего тела изотопа RB эта частота изменяется в диапазоне от 70 кГц до 500 кГц. Такое сканирование осуществляется за счет применения специального радиочастотного генератора 3. Частота радиочастотного генератора 3 перестраивается во всем указанном диапазоне. Перестройка частоты происходит под управлением специального сигнала, подаваемого с выхода аналогового коммутатора 2 на вход управления радиочастотного генератора 3. Радиочастотный генератор 3 построен таким образом, что при подаче на вход постоянного управляющего напряжения, частота сигнала на выходе радиочастотного генератора 3 периодически сканирует весь диапазон (изменяется по пилообразному закону от начала до конца диапазона). При этом направление сканирования (с низу вверх или сверху вниз) зависит от знака управляющего напряжения (положительного либо отрицательного), скорость сканирования определяется абсолютной величиной этого напряжения, а при нулевом управляющем напряжении радиочастотный генератор 3 запоминает текущее значение частоты. Такая функциональность управления частотой позволяет вести автоматический поиск и автоподстройку частоты ДРР с помощью радиочастотного генератора 3. На выход 2 радиочастотного генератора 3 выдается 26-разрядный цифровой код, соответствующий текущему значению его частоты. Этот код соответствует значению частоты радиочастотного генератора 3 с точностью приблизительно до 0,01 Гц. Значения этого кода периодически захватываются вычислителем 9 для последующей обработки.
В рассматриваемом режиме поиска на вход управления радиочастотного генератора 3 через аналоговый коммутатор 2 подается сигнал с выхода задатчика скорости перестройки 1 - постоянное напряжение, задаваемое специальным потенциометром, входящим в состав задатчика скорости перестройки 1, на который подано опорное напряжение. Положение движка этого потенциометра и задает скорость сканирования частоты в режиме поиска. Регулирование скорости сканирования необходимо для того, чтобы не пропустить при сканировании значение частоты, соответствующее ДРР.
Сигнал со сканируемой таким образом частотой подается с выхода 1 радиочастотного генератора 3 на вход модулятора 4, а с выхода модулятора на вход модуляции (первый вход) генератора возбуждения спектральной лампы 11. Генератор возбуждения спектральной лампы 11 выдает на выходе мощный, около 10 Вт, высокочастотный сигнал с амплитудной модуляцией, подаваемый на модуль спектральной лампы 12, содержащий высокочастотный (около 100 МГц) последовательный (с усилением напряжения) высоковольтный (около 120 В) резонансный контур, создающий внутри этого модуля мощное электромагнитное поле, поддерживающее тлеющий разряд в баллоне бесконтактной газоразрядной спектральной лампы. В объеме лампы находится буферный газ и изотоп рабочего тела магнитометра. При возбуждении тлеющего разряда, лампа создает помимо видимого света спектральное излучение на длине волны излучения (поглощения) используемого изотопа. Благодаря тому, что сигнал возбуждения имеет амплитудную модуляцию, интенсивность спектрального излучения тоже модулируется частотой сигнала, подаваемого с выхода радиочастотного генератора 3. При этом баллон лампы может разогреваться до высоких температур, и длина волны спектрального излучения может быть нестабильной. Для стабилизации температуры баллона лампы, на стекло баллона наклеивается миниатюрный терморезистор, который измеряет температуру и включен в систему терморегулирования, осуществляемого за счет управления высокочастотной мощностью генератора возбуждения 11. Управление осуществляется посредством терморегулятора 10, ко входу которого подключен указанный терморезистор, а с выхода терморегулятора 10 управляющее напряжение поступает на вход управления 2 генератора возбуждения спектральной лампы 11. В состав терморегулятора 10 входит задатчик температуры лампы (на схеме не выделен) - потенциометр, посредством которого задается оптимальная температура, соответствующая максимальной спектральной мощности и линейной модуляционной характеристике лампы. Модулированный оптический сигнал вводится в световод 13, с выхода которого он попадает на светофильтр 18. Светофильтр 18 вырезает необходимый спектр и заграждает видимый свет во избежание чрезмерного увеличения тока засветки фотодетектора. Последнее является нежелательным, так как сопровождается снижением чувствительности из-за насыщения фотодетектора и увеличения уровня шумов. С выхода светофильтра 18 луч спектрального излучения попадает на первую грань устройства светоделительного поляризующего 20, где происходит его деление на два луча, направляемых в первую 17 и вторую 21 ячейки поглощения. В светоделительном поляризующем устройстве происходит плоская поляризация обоих лучей, а круговая их поляризация необходимая для возбуждения атомов рабочего тела происходит в поляроидах 19, 26. Таким образом, два луча модулированного радиочастотой оптического спектрального излучения с круговой поляризацией направляются в обе ячейки поглощения, где в процессе возбуждения атомов рабочего тела, находящегося в ячейках в газообразном состоянии, происходит поглощение этого излучения (ячейки мутнеют и перестают пропускать поступающие в них оптические лучи). Посредством воздействия на ячейки слабого переменного магнитного поля, создаваемого катушками модуляции 14, 27, запитанными от звукового генератора 7, в них происходит закручивание возбужденных атомов и возбуждается ДРР на магнитозависимой частоте ларморовской прецессии. При возникновении ДРР в ячейках поглощения 17, 21 образуется модулируемая частотой звукового генератора 7 прозрачность, что приводит к появлению на выходе этих ячеек поглощения модулированного звуковой частотой оптического сигнала, который собирается линзами 15.1 и 15.2 и вводится в торцы световода - коллектора 16. На противоположной стороне световода 16 включен фотодетектор 24, на котором производится суммирование сигналов с выходов обеих ячеек поглощения и преобразование суммарного оптического сигнала в электрический сигнал, усиливаемый усилителем 23. При этом, если носитель совершает траекторные эволюции, то на выходах ячеек поглощения при определенных углах ϑ пропадает оптический сигнал из-за ориентационной зависимости ячеек поглощения. Если суммировать одновременно сигнал с двух ортогональных ячеек поглощения, то можно значительно ослабить снижение уровня сигнала. Это достигается за счет того, что при наступлении критических углов в первой ячейке поглощения 17, в ортогонально расположенной по отношению к ней второй ячейке поглощения 21 сигнал не снижается, а наоборот, возрастает. Таким образом, суммируя сигналы с выхода двух ортогональных ячеек поглощения можно существенно снизить проявление мертвых зон, что и сделано в данной полезной модели и что выгодно отличает ее от прототипа, где всего одна ячейка поглощения.
z
С выхода усилителя 23 электрический сигнал звуковой частоты поступает на вход согласующего устройства 22, которое производит симметрирование интерфейса в сторону длинной линии, соединяющей согласующее устройство 22 с симметричным входом селектора 6. Из электротехники известно, что симметричные линии в наименьшей степени подвержены синфазным помехам, которые часто наводятся на участки проводки воздушных и морских судов из-за насыщенности этих объектов различным энергоемким оборудованием переменного тока. Таким образом, выполнив в предлагаемой полезной модели мероприятия по симметрированию этой линии, по которой в режиме ДРР передаются очень слабые сигналы, в значительной степени определяющие уровень шумов магнитометра, удалось значительно снизить уровень шумов и повысить чувствительность магнитометра. Селектор 6 производит раздельное выделение первой и второй гармоник обрабатываемого низкочастотного сигнала. Сигнал первой гармоники используется для слежения за частотой ларморовской прецессии. Сигнал второй гармоники применяется для управления остановкой сканирования и переводом прибора из первого режима во второй режим захвата и слежения. Решение о повышении уровня второй гармоники принимается с помощью решающей схемы 8. Из физики ДРР известно, что при возникновении ДРР сигнал на выходе ячеек поглощения в так называемых M - магнитометрах, использующих системы поиска и слежения, имеет характерную двугорбую резонансную зависимость. При этом значение фазы этого сигнала при переходе через резонанс меняется на противоположное. На частоте резонанса (между двумя максимумами амплитуды первой гармоники) уровень сигнала резко падает, и возникают характерные нелинейные искажения, приводящие к возрастанию уровня сигнала второй гармоники. Это свойство используется для управления поиском и для осуществления автоподстройки частоты радиочастотного генератора 3 под частоту ларморовской прецессии рабочего тела квантового магнитометра которая зависит от индукции измеряемого магнитного поля. Сигнал первой гармоники с первого выхода селектора 6 подается на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается сигнал с выхода звукового генератора 7, одновременно подаваемый на катушки модуляции 14 и 27. При отыскании в процессе сканирования искомой частоты ларморовской прецессии сигнал второй гармоники на выходе 2 селектора 6 резко возрастает, решающая схема 8 принимает решение о прекращении сканирования и о переводе прибора в режим 2 захвата частоты ларморовской прецессии с последующим слежением за ее значением (режим захвата). В этом режиме под действием управляющего сигнала поступающего с выхода решающей схемы 8 на вход управления 3 аналогового коммутатора 2 происходит переключение аналогового коммутатора 2. На управляющий вход радиочастотного генератора 3 теперь подается сигнал ошибки с выхода фазового детектора 5, под воздействием которого производится точная подстройка частоты радиочастотного генератора 3 под частоту ларморовской прецессии рабочего тела магнитометра, соответствующей текущему значению индукции измеряемого магнитного поля. С выхода 2 радиочастотного генератора 3 это значение подается в виде многоразрядного цифрового кода на вход 1 вычислителя 9, где производится периодический отбор этих значений и образуется поток значений индукции измеряемого поля, который периодически обрабатывается посредством вычислителя 9. В процессе программной обработки, реализующей алгоритмы усреднения значений, удается компенсировать влияние шума и повысить точность выявления аномалий. Совместная обработка значений индукции поступающих от квантового магнитометра на вход 1 вычислителя 9 и значений местных полей, поступающих на вход 2 от датчиков компенсатора 25, включающих измерители сильных бортовых токов, а также измерители проекции вектора напряженности магнитного поля (феррозондовые датчики), удается зарегистрировать сверхслабые ЛМА на фоне МПЗ осуществляя вычитание и другие операции с использованием потока значений от квантового магнитометра и потока значений компенсационных параметров. Обнаруженные признаки ЛМА передаются через интерфейс вычислителя 9 в направлении удаленных ресурсов бортовой информационно-вычислительной сети, где осуществляется их привязка к текущим координатам объекта и к меткам времени, а также отображение в наглядной форме на мониторах рабочих мест летного или морского персонала, откуда может осуществляться дистанционное управление предлагаемой полезной моделью.
Описанный принцип обнаружения сверхслабых ЛМА позволяет строить на базе предлагаемой полезной модели автоматические, высокочувствительные, высокостабильные, всеширотные, бортовые, помехоустойчивые, неориентируемые, радиооптические магнитометры для прогнозирования и поиска месторождений полезных ископаемых, а также для решения широкого круга других задач, связанных с регистрацией ЛМА.
Предлагаемый квантовый радиооптический магнитометр может быть реализован на основе следующих отечественных компонентов.
- задатчик скорости перестройки 1 - на основе многооборотного потенциометра СП5-1 ВБ 1 кОм;
- аналоговый коммутатор 2 - на микросхеме мультиплексора 564 КП1;
- радиочастотный генератор 3 - на цифровых микросхемах серии 1533, ЦАП 1108ПА1, операционных усилителях серии 140 и других;
- модулятор 4 - на транзисторе 2Т368Б;
- фазовый детектор 5 - на микросхеме 564КП1, операционном усилителе 544УД2А;
- селектор 6 - на операционных усилителях 544УД2А, 140УД20А (7 шт. );
- звуковой генератор 7 - на цифровых микросхемах серии 1554;
- решающая схема 8 - на микросхеме 140УД20;
- вычислитель 9 - на базе отечественного процессора «Эльбрус»;
- терморегулятор 10 - на основе операционного усилителя 140УД20А;
- генератор возбуждения спектральной лампы 11 - на транзисторах 2Т913В, 2Т922Б и других, задающий генератор ГК261ПС15БМ85М5;
87
- модуль спектральной лампы - на основе спектральной лампы производства ОАО «ЦНПО «Ленинец» с изотопом RB и буферным газом криптоном, с терморезистором миниатюрным TP-1.
- световод 13 - отечественный пучковый световод диаметром 12 мм;
- катушки модуляции 14, 27 намотаны проводом марки ПЭВ-1 диаметром 0,12 мм;
- линзы 15.1 и 15.2 из оптического стекла, отечественного производства;
- световод-коллектор 16 - отечественный пучковый световод-коллектор на два разветвления диаметром 12 мм;
87
- первая ячейка поглощения 17 производства ОАО «ЦНПО «Ленинец» с изотопом RB и буферным газом гелием;
- светофильтр 18 отечественный, пропускание 800 нм 80%;
- поляроиды 19 кварцевые пластинки отечественного производства толщиной 0,9 мм;
- устройство светоделительное поляризующее 20 отечественного производства из оптического стекла с высотой грани 15 мм;
87
- вторая ячейка поглощения 21 производства ОАО «ЦНПО «Ленинец» с изотопом RB и буферным газом гелием;
- устройство согласующее 22 - мостовой усилитель симметрирующий на операционных усилителях 140УД20 и на транзисторах 2Т630А, 2Т632А;
- усилитель 23 на операционном усилителе 544УД2А;
- фотодетектор 24 на фотодиоде ФД7К;
- датчики компенсатора 25 на основе шунтовых резисторов, феррозондовых модулей и специализированного электронного блока производства ОАО «ЦНПО «Ленинец».
Описанный квантовый радиооптический магнитометр был осуществлен и испытан в ОАО «ЦНПО «Ленинец» в виде натурной модели, о чем имеются соответствующие протоколы лабораторных исследовательских испытаний.