面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器

摘要

本发明公开了一种面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器。所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器，包括探测器。所述探测器包括抽运光生成模块、第一光学模块、磁共振模块、光电检测模块、信号处理模块、终端控制模块、至少两个数据储存模块、至少一个冗余储存模块。所述终端控制模块分别与所述抽运光生成模块、所述磁共振模块、所述光电检测模块、所述信号处理模块、所述冗余储存模块、所述数据储存模块连接。所述冗余储存模块和所述数据储存模块保证了磁场信息储存的连续性和安全性，提高了所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及探测领域，特别是涉及一种面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器。

背景技术

二战期间，日本在我国领土上遗弃了大量的化学武器(以下简称“日遗化武”)，历史资料表明，日本曾经在我国19个省市自治区使用过化武，随着生产活动的增加，日遗化武发现点的数量也会相应增加。目前在中国的黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、山西、河北、北京、天津、安徽、江苏、浙江、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西等17个省市100多个地点已经发现日遗化武。日遗化武不仅分布广泛、数量众多，而且埋藏点情况各异，居民区、林区、田地、隧道、江河里都发现了日遗化武。日遗化武又具有体积小、质量少的特点。所以日遗化武探测情况复杂，困难。为彻底销毁日遗化武，净化国土，保护环境，维护我国公民人身安全，提供安全、准确、可靠、高效的日遗化武探测技术非常必要。

日遗化武具有铁质金属外壳，是铁磁性物体，在地磁场的作用下被磁化，局部区域内产生磁异常，用磁力仪进行观测，就能发现磁异常的范围和强度情况，通过对观测数据的反演解释，即可推测得到日遗化武的埋藏位置、大小等参数。然而，经过多年的掩埋，日遗化武往往锈蚀严重，其外壳不再以铁为主要物质，取而代之的是氧化铁和四氧化三铁。而且水下环境相比陆地环境更为复杂，水下能见度、电磁衰减、水流、压差四个要素决定了水下工作难度大。而且水域日遗化武检测监测工程作业要求数据存储设备在线持续存储，数据存储设备一直处于工作状态，冗余设备必须实现在线转录。而且水域日遗化物分布广、数量多，水下环境更加复杂，因此数据储存设备容易损坏，并且储存容量有限，这都影响了探测效率。

发明内容

基于此，有必要针对传统的探测装置储存容量有限，容易损坏而影响工作效率的问题提供一种面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器。

一种面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器，包括探测器，所述探测器包括：

抽运光生成模块，用于输出近红外光；

第一光学模块，用于将所述近红外光转换为圆偏振光；

磁共振模块，用于产生射频磁场，包括铯单质，所述磁共振模块用于在被测磁场、所述射频磁场和所述圆偏振光的共同作用下，使所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号；

光电检测模块，用以接收所述调制近红外信号，并将所述调制近红外信号转换成电信号；

信号处理模块，与所述光电检测模块电连接，用以通过所述电信号计算所述被测磁场的强度；

终端控制模块，分别与所述抽运光生成模块所述磁共振模块、所述光电检测模块、所述信号处理模块连接；

至少两个数据储存模块，与所述终端控制模块连接，用以储存相同的所述被测磁场的强度数据；

至少一个冗余储存模块，与所述终端控制模块连接。

在其中一个实施例中，还包括冗余电源模块，所述冗余电源模块与所述终端控制模块连接。

在其中一个实施例中，还包括密封壳体，所述密封壳体包括内层壳体和外层壳体，所述内层壳体设置于所述外层壳体内，所述内层壳体和所述外层壳体之间设置有隔热层，所述探测器设置于所述内层壳体内。

在其中一个实施例中，所述磁共振模块，包括：

射频线圈，用于产生所述射频磁场；

铯吸收室，用于容纳所述铯单质。

在其中一个实施例中，还包括温度控制模块，与所述磁共振模块电连接，用于控制所述铯吸收室内的温度。

在其中一个实施例中，所述温度控制模块还包括模糊PID控制器。

在其中一个实施例中，还包括第二光学模块，所述第二光学模块设置于所述铯吸收室和所述光电检测模块之间，用以将所述调制近红外信号聚焦于所述光电检测模块。

在其中一个实施例中，还包括姿态补偿模块，所述姿态补偿模块相对于所述磁共振模块固定设置，用于监测从所述第一光学模块输出的所述圆偏振光与所述被测磁场磁力线的夹角。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块还包括依次连接的放大滤波单元、自激振荡单元、磁共振频率测量单元、计算单元。

在其中一个实施例中，所述光电检测模块包括依次连接的光电二极管和光电转换电路。

本发明提供的所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器包括至少两个数据储存模块和至少一个冗余储存模块。当某个所述数据储存模块被损坏时，所述终端控制模块控制所述冗余储存模块继续储存磁场信息。同时未被损坏的数据储存模块将已经储存的磁场信息拷贝至所述冗余储存模块。保证了磁场信息储存的连续性和安全性，提高了所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器的工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的探测器的结构图；

图2为本发明实施例提供的面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器的示意图；

图3为本发明实施例提供的模糊PID控制器示意图。

主要元件符号说明

面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器 10

探测器 20

抽运光生成模块 110

第一光学模块 120

第一透镜 121

第一滤光片 122

线偏振片 123

1/4玻片 124

磁共振模块 130

射频线圈 131

铯吸收室 132

加热装置 133

光电检测模块 140

光电二极管 141

光电转换电路 142

信号处理模块 150

放大滤波单元 151

计算单元 152

自激振荡单元 153

温度控制模块 160

模糊PID控制器 161

第二光学模块 170

第二透镜 171

第二滤光片 172

姿态补偿模块 180

终端控制模块 190

密封壳体 230

内层壳体 210

外侧壳体 220

隔热层 240

数据储存模块 300

冗余储存模块 310

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明实施例提供一种所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10。所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10包括抽运光生成模块110、第一光学模块120、磁共振模块130、光电检测模块140、信号处理模块150、终端控制模块190、至少两个数据储存模块300、至少一个冗余储存模块310。所述抽运光生成模块110用于输出近红外光。所述第一光学模块120用于将所述近红外光转换为圆偏振光。所述磁共振模块130用于产生射频磁场，包括铯单质。所述磁共振模块130用于在被测磁场、射频磁场和所述圆偏振光的共同作用下，使所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号。所述光电检测模块140用以接收所述调制近红外信号，并将所述调制近红外信号转换成电信号。所述信号处理模块150与所述光电检测模块140电连接，用以通过所述电信号计算所述被测磁场的强度。所述终端控制模块190分别与所述抽运光生成模块110、所述磁共振模块130、所述光电检测模块140、所述信号处理模块150、数据储存模块300、冗余储存模块310连接。

所述终端控制模块190可以为STM32芯片。所述终端控制模块190可以控制所述抽运光生成模块110发出近红外光。所述终端控制模块190还可以控制光电检测模块140、信号处理模块150工作，并将最终的被测磁场的强度通过显示装置显示。所述数据储存模块300与所述终端控制模块190连接。所述至少两个数据储存模块300用以储存相同的所述被测磁场的强度数据。所述至少一个冗余储存模块310与所述终端控制模块190连接。在所述探测器20工作时，所述终端控制模块190在线持续获取磁场信息，并将相同的磁场信息分别存入所述至少两个数据储存模块300。即每个所述数据储存模块300中储存储存相同的磁场信息。当某个所述数据储存模块300被损坏时，所述终端控制模块190立即关闭被损坏的数据储存模块300，并同时开启所述冗余储存模块310继续储存磁场信息。同时未被损坏的数据储存模块300将已经储存的相同的磁场信息拷贝至所述冗余储存模块310。所述数据储存模块300可以设置有指示灯，以显示所述数据储存模块300是否损坏以及工作状态。

本发明实施例提供的所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10包括至少两个数据储存模块300和至少一个冗余储存模块310。当某个所述数据储存模块300被损坏时，所述终端控制模块190控制所述冗余储存模块310继续储存磁场信息。同时未被损坏的数据储存模块300将已经储存的磁场信息拷贝至所述冗余储存模块310。保证了磁场信息储存的连续性和安全性，提高了所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10的工作效率。

请参见图2，在其中一个实施例中，所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10还包括冗余电源模块320。所述冗余电源模块320与所述端口控制模块连接。所述冗余电源模块320可以在所述探测器20的常规电源电能耗尽后继续为所述探测器20供电。所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10还包括密封壳体230。所述密封壳体230包括内层壳体210和外层壳体220。所述内层壳体210设置于所述外层壳体220内。所述内层壳体210和所述外层壳体220之间设置有隔热层240。所述探测器20和所述冗余电源模块320可以设置于所述内层壳体210内。所述内层壳体210和所述外层壳体220之间可以通过O型密封圈密封。所述隔热层240可以为隔热毡或者真空隔热板。隔热毡或者真空隔热板具有保温、隔音、减振的作用。所述隔热层240可以提高加热装置的加热效率，减少加热时间，隔热层隔音、减振作用降低了水域外部环境水流水速的干扰。所述外层壳体220外可以涂有防腐蚀涂料。

所述抽运光生成模块110可以包括半导体激光器。所述半导体激光器可以产生波长为894nm的近红外光。所述第一光学模块120可以包括依次设置的第一透镜121、第一滤光片122、线偏振片123、1/4玻片124。从所述抽运光生成模块110产生的所述近红外光可以通过所述第一透镜121依次穿过所述第一滤光片122、线偏振片123、1/4玻片124。其中，所述第一滤光片122可以滤掉杂散光。所述第一透镜121可以将所述近红外光扩束生成平行光。所述平行光通过所述线偏振片123生成线偏振光。所述线偏振光在通过所述1/4玻片124后生成圆偏振光。然后所述圆偏振光射入所述铯吸收室132内。

在其中一个实施例中，所述磁共振模块130包括射频线圈131、铯吸收室132。所述射频线圈131用于产生所述射频磁场。所述铯吸收室132用于容纳所述铯单质。使用所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10时，将所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10置于待测磁场的环境中。当所述圆偏振光射入所述铯吸收室132后，调节所述射频线圈131的射频磁场的频率，使得铯原子在被测磁场B和特定频率的射频磁场的共同作用下发生光磁共振现象，从所述铯吸收室132能够输出光磁共振后的调制近红外信号。

在所述铯吸收室132中，通过所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号，并输入所述光电检测模块140。所述调制近红外信号在所述光电检测模块140中转换为电信号后输入所述信号处理模块150。当铯原子发生光磁共振时，所述射频磁场的频率等于铯原子处于低能级壳层的电子跃迁到某一高能级壳层的跃迁频率f。所述跃迁频率与磁场强度B成正比，B＝(2π/γ)f。其中，γ是铯原子旋磁比，为一常数。在所述信号处理模块150中，对所述电信号进行处理，通过所述公式B＝(2π/γ)f可以得到所述被测磁场的强度B。

在其中一个实施例中，所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10还包括温度控制模块160。所述温度控制模块160与所述磁共振模块130电连接，用于控制所述铯吸收室132内的温度。为了能够在铯吸收室132内形成光泵效应，需要使铯吸收室132内的铯单质处于蒸汽状态(铯元素在43℃左右可以变成蒸汽)，铯气室温度恒定在50℃最优。通过所述温度控制模块160控制所述磁共振模块130中所述铯吸收室132内的温度在一定范围，从而保证测量的精度。

在其中一个实施例中，所述磁共振模块中还可以包括加热装置133。所述温度控制模块160可以通过控制所述加热装置133的加热温度控制所述铯吸收室132中的铯原子的温度。所述加热装置133可以为加热线圈。

请参见图3，在其中一个实施例中，所述温度控制模块160还包括模糊PID控制器161。所述温度控制模块160可以包括加热装置133控制电路与Ptl000温度检测电路。由于日遗化武勘测过程中无时无刻不存在干扰，为了排除干扰，可以通过模糊算法控制非线性、时变、滞后等物件。所述模糊PID控制器161可以通过模糊控制实现对所述模糊PID控制器161的三个参数：比例系数Kp、积分时间常数Ki和微分时间常数Kd的线上校正。使用所述温度控制模块160时，将所述Ptl000温度检测电路检测到的铯气室实际温度和设定温度的温度偏差e和偏差变化率ec，作为所述模糊PID控制器161输入变数，进行模糊化处理。然后，在模糊化处理过程中，对模糊化的偏差e和偏差变化率ec进行模糊逻辑决策，应用模糊推理算法和解模糊化方法，进行信息处理，最后输出所述模糊PID控制器161的三个输入变数ΔKp、ΔKi和ΔKd，并进行线上控制。通过线上调整，以满足在不同时刻e和ec时对所述模糊PID控制器参数的自整定要求。

所述模糊PID控制器161模糊化过程可以包括：将输入变数(温度偏差e和温度偏差变化率ec)的精确值进行模糊化处理，使之成为模糊语言变数值。对温度偏差e和温度偏差变化率ec采用13个等级量化：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，选用语言变数为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。将输出变数ΔKp、ΔKi,和ΔKd量化为13等级{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，选用语言变数为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。由于隶属函数的形状对模糊控制的控制效果影响较小，输入变数和输出变数都采用三角集合的模糊隶属函数。

模糊推理过程可以包括：根据模糊控制规则对模糊化处理后的输入变数E和EC进行模糊推理，获取输出变数的模糊值。根据操作经验可知，在调节过程的初期和中期Kp适当的增大一些，以提高回应速度。在调节过程的后期，则把Kp适当的减小一些，以提高系统的稳定性。为了避免产生积分饱和，在控制初期Ki应小一些，在调节过程中期，为避免影响系统的稳定性，积分作用应适中。而在调节过程后期，应增强积分作用，以减少静态偏差。Kd值的选取对调节动态特性的影响很大。在调节过程初期，加大微分作用，可减小甚至避免超调。在调节中期，过程对Kd敏感，Kd应置小一些。调节过程后期，为了抑制扰动，Kd也应减小。依据以上原则，制定PID各参数的模糊控制规则表，请参见表1。

表1

解模化过程可以包括利用加权平均法对控制器的模糊输出解模糊化处理，可以得到ΔKp、ΔKi和ΔKd的精确值。

在其中一个实施例中，所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器还包括第二光学模块170。所述第二光学模块170设置于所述铯吸收室132和所述光电检测模块140之间。所述第二光学模块170用以将所述调制近红外信号聚焦于所述光电检测模块140。所述第二光学模块170可以包括第二透镜171和第二滤光片172。所述调制近红外信号通过所述第二透镜171聚焦到所述光电检测模块140。通过所述第二滤光片172可以对所述调制近红外信号进行降噪处理。所述第二滤光片172可以采用窄带通滤光片。

在其中一个实施例中，所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10还包括姿态补偿模块180。所述姿态补偿模块180相对于所述磁共振模块130固定设置。所述姿态补偿模块180用于监测从所述第一光学模块120输出的所述圆偏振光与所述被测磁场的夹角。所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10工作时，要求从所述第一光学模块120输出的所述圆偏振光所在的光路与所述被测磁场磁力线的夹角超过±6°，否则所述面向水域日遗化武的专用铯光泵探测器10会进入死区，无法工作。所述姿态补偿模块180可以包括陀螺仪、三轴加速度计和数字罗盘。所述陀螺仪和所述三轴加速度计可以测量所述圆偏振光的方向变化。所述数字罗盘可以测量所述被测磁场磁力线方向。所述陀螺仪、所述三轴加速度计和所述数字罗盘还可以与终端控制模块190连接。通过所述终端控制模块190可以控制所述第一光学模块120输出光路的方向，从而控制所述圆偏振光与所述被测磁场磁力线的夹角在合适的范围。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块150还包括依次连接的放大滤波单元151、自激振荡单元153、磁共振频率测量单元154、所述放大滤波单元151用以放大所述电信号。所述计算单元152通过计算可以得到所述被测磁场的强度。

所述自激振荡单元153还与所述射频线圈131电连接。所述自激振荡单元153可以将所述放大滤波单元151放大的所述电信号输入所述磁共振频率测量单元154得到光磁共振频率。通过端口控制模块计算可以得到被测磁场的频率。

在其中一个实施例中，所述光电检测模块140包括依次连接的光电二极管141和光电转换电路142。所述光电二极管接收到光信号后可以通过所述光电转换电路142将光信号转换为电信号。

在其中一个实施例中，所述铯吸收室132内层有石蜡涂层。所述石蜡涂层可以降低驰豫作用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。