一种里德堡原子的低频电场测量光谱动态追踪装置及方法与流程

本发明涉及电场测量的，尤其是涉及一种里德堡原子的低频电场测量光谱动态追踪装置及方法。

背景技术：

1、传统电场测量技术虽已发展成熟，但面对高精度、宽频带的测量需求，其技术缺陷日益凸显：灵敏度受限于热噪声本底与天线尺寸的物理极限，难以兼顾微型化与高分辨探测；带宽受限于谐振结构特性，难以实现宽频段内的一致性响应，往往需要多探头组合覆盖，显著增加系统复杂性与标定成本；溯源性需依赖周期性外部校准，溯源路径长且易引入累积偏差。上述固有限制使得传统技术难以胜任精密计量场景。相比之下，基于里德堡原子的电场测量技术从物理机制上绕开了上述障碍，为新一代电场计量提供了更具潜力的技术路径。

2、现有技术如专利公告号为 cn120214431a公开了一种基于里德堡原子低频交流电场测量的参数反演方法，包括以下步骤：采集光谱信号，识别光谱信号的振荡频率，根据所识别的振荡频率反演出待测电场的频率；采集多组光谱信号，基于光谱信号的振荡频率对采集的光谱信号进行平均，得到平均光谱信号；测量平均光谱信号的幅度峰值和幅度谷值，根据测量结果反演出待测电场的幅值；获取平均光谱信号中首次波谷出现的时刻与周期，根据首次波谷出现的时刻与周期的比例反演出待测电场的相位。

3、重庆大学提出了一种基于里德堡原子eit（电磁诱导透明）光谱的低频交流电场全参数（幅值、频率、相位）反演方法：通过识别eit光谱信号的振荡频率来反演待测电场频率，利用多个周期平均后的光谱信号的峰值与谷值反演电场幅值（基于预先拟合的 ip-e 标定曲线），并通过首次波谷出现时刻与周期的比例计算电场相位。该方法可实线“幅值+频率+相位”的测量，并通过多周期信号平均来抑制功率波动对测量精度的影响。

4、现有专利技术方案的缺陷：（1）仅提取光谱的峰值与谷值（两个离散点）来反演幅值，并未利用光谱信号中蕴含的完整时域演化信息（如上升沿/下降沿斜率、局部畸变等）。一旦噪声导致峰谷值出现微小偏差，幅值反演结果就会产生显著误差，且无法通过后续算法加以校正。（2）为抑制功率波动带来的误差，要求采集多组光谱信号进行平均（最高达64次平均）。这显著延长了单次测量的时间，使其难以胜任对动态电场（如局部放电、暂态过电压）的实时跟踪与快速响应。（3）依靠“识别光谱信号的振荡频率”来反演待测电场频率。在低频电场幅值较弱、光谱信号信噪比较低的情况下，频谱中的噪声分量有可能会掩盖真实振荡频率，导致频率识别错误。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本发明的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、因此，本发明目的是提供一种里德堡原子的低频电场测量光谱动态追踪装置及方法，基于里德堡原子对外部电场扰动极其敏感的特性，通过实时采集eit光谱的频移量，并依据数学关系反演得到每个采样点对应时刻的电压值，即可重构工频电场的时域波形，进而实现对工频电场强度与频率的测量。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种里德堡原子的低频电场测量光谱动态追踪装置，采用如下的技术方案：包括原子气室、eit光谱产生单元、高压源、光电探测器、数据采集卡和数据处理系统，所述原子气室内置极板，所述原子气室内充斥碱金属原子；所述eit光谱产生单元包括探测光发生器和耦合光发生器，所述耦合光发生器输出的耦合光经二向色镜折射进入原子气室，与探测光发生器输出的探测光实现反向共线，在适当的功率下，将碱金属原子由基态激发至里德堡态；所述eit光谱产生单元还包括锁频控制器，用于探测光频率实时锁定在原子参考谱线的中心频率处；所述高压源负责输出电压信号，并通过金属导线施加于极板，在原子气室的内置极板间生成待测电场；所述光电探测器接收透过二向色镜的探测光并将透射探测光的光强变化转换为模拟电压信号后传输至数据采集卡；所述数据采集卡用于将光电探测器输出的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号传输至数据处理系统，所述数据处理系统从采集的数字电压信号中解析出eit光谱频移量，进而依据频移量与电场强度e关系逐点反演并重构出低频电场的完整时域波形图，根据完整时域波形图实现低频电场包括强度与频率参数的测量。

4、可选的，所述探测光发生器采用中心波长为852nm，功率为10mw的激光器，里德堡态碱金属原子对应能级跃迁为6s1/2 →6p3/2；所述耦合光发生器采用中心波长为512nm，功率为120mw的激光器，里德堡态碱金属原子对应能级跃迁为6p3/2 →30d5/2。

5、可选的，所述原子气室内部充制有133cs原子蒸气，其内部真空度优于5×10-4pa，漏气率小于10-11pa·m3/s，原子气室的长度为5cm，直径为2cm，所述极板间距为1cm。

6、可选的，所述锁频控制器锁定精度小于±150 khz@24 h，并采用1.5mhz的正弦波作为调制信号；所述数据采集卡的采样率为2ms/s，采样范围为±10v。

7、可选的，所述原子气室的内壁镀有抗弛豫膜。

8、一种利用上述的里德堡原子的低频电场测量光谱动态追踪装置进行低频电场测量方法，该测量方法包括如下步骤：

9、步骤一：调整光路，使探测光发生器发出波长为852nm的探测光与耦合光发生器发出的波长为512nm的耦合光在原子气室中反向共线，并设定至目标功率，制备能级为30d5/2的里德堡态铯原子；利用锁频控制器将探测光锁定于原子参考谱线的中心频率处，同时扫描耦合光，即可获得eit光谱；

10、步骤二：向极板施加不同直流电场，由于斯塔克效应导致能级简并解除，测量多组不同直流电场下的频移量，拟合得到的频移量与电场强度e的二次关系曲线；

11、步骤三：向极板施加低频电场，eit光谱随瞬时电场强度发生周期性变化，表现为频移量的周期性调制；通过实时采集eit光谱的频移量，并依据频移量与电场强度e关系反演得到每个采样点对应时刻的电场值，即可重构低频电场的时域波形，以实现对低频电场强度与频率的测量。

12、可选的，在步骤一中，扫描耦合光信号，由信号发生器施加，扫描信号为频率50hz的三角波信号。

13、可选的，在步骤二中，频移量与电场强度e的二次关系曲线表达式为：

14、；

15、其中，为原子极化率，为eit光谱频移量，e为电场强度。

16、可选的，所述低频电场频率为完整时域波形图的时域波形频率以2。

17、可选的，还包括根据完整时域波形图实现所述低频电场幅值测量，所述低频电场幅值为完整时域波形图的时域波形峰值。

18、综上所述，本发明包括以下至少一种有益效果：

19、1、本发明通过基于eit光谱的频移量作为测量基础，而非光强幅值，这种方法不受激光功率漂移及光纤传输损耗等因素的影响，从而保障了测量结果的精度与可靠性；

20、2、本发明通过实时提取每个采样点的eit频移量，逐点反演瞬时电场值，从而重构出待测低频电场的完整时域波形图，可获取电场幅值、频率等丰富的电场信息。