原子磁强计以其高灵敏度和成本低等优势受到了越来越多的关注，如今，进一步提高原子磁强计的芯片集成度已成为主要趋势，因为它有利于生物磁性测量与成像。但是，目前实现原子磁强计小型化的主要障碍是微加工原子气室的光学元件分立。鉴于此，笔者提出一种基于新兴超表面的超紧凑片上原子气室方案，该方案将超表面与各向异性腐蚀的单晶硅相结合，在保证高灵敏度的同时提高了原子气室的集成度。该方案能够对圆偏振入射光束进行光路操纵，效率可达到80%。超表面采用厚度为500 nm的硅设计而成，可以通过基本的微加工工艺直接在原子气室上制造。所设计的新型原子气室具有集成度高、可大批量制造的优点，为未来生物磁性传感系统的发展提供了参考。

要实现微型光学原子磁强计需要精确测定气室温度和实现高精度气室温控。提出了一种无温度传感器的气室温控方案。该方案首先探测激光输出功率，采用激光功率伺服控制激光器的注入电流以锁定光功率；然后探测原子吸收光谱，利用同步调制解调技术将其转变成激光频率鉴频信号，采用激光频率伺服控制激光器温度，将激光频率锁定在吸收谱线中心；最后利用原子吸收光谱中心信号幅度来测量气室温度，从而实现气室温控。采用本方案实现了气室温控，温控效果与采用热敏电阻测温所实现的气室温控效果相当，为实现微型光学原子磁强计气室温控提供了一种备选方案。

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角, 大大增强了原子磁强计的灵敏度。我们基于磁光旋转的铯原子磁强计, 在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系, 得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率。利用平凹驻波腔, 在特定的腔镜反射率, 原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%, 对应的腔逃逸效率为38%和41%, 腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1; 在保持光与原子相互作用强度的情况下, 随着原子气室对光场损耗的降低, 磁场灵敏度进一步增强, 腔增强效果更显著。

在无自旋交换弛豫原子磁强计中, 需要检测极小的旋光角度。基于光弹调制器的偏振调制技术由于其较低的噪声和长时间的稳定性在各种检测方法中是优选的。但光弹调制器的输出信号里包含有大量噪声和高次谐波, 严重影响了原子磁强计的性能。针对以上问题分析了基于光弹调制器的偏振调制技术的原理和待检测信号的特性, 并提出一种基于双通道数字锁相放大器的原子磁强计微弱信号检测方法。该方法简化锁相放大算法, 减小电路复杂度, 并能准确地同时检测一次谐波和二次谐波的幅值。理论分析和仿真结果表明, 该检测系统工作良好, 可以准确地检测微弱信号, 误差在0.1%以内。

提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的惯性导航系统(INS)/光流/磁强计/气压计组合导航方案。将INS、光流和气压计数据融合, 估计无人机(UAV)的速度和位置。当UAV静止或匀速运动时, 将陀螺仪与加速计、磁强计、光流的数据融合, 估计UAV的姿态。当UAV加速或减速时, 用陀螺仪估计UAV的姿态。实验结果表明, UAV的速度误差从最大20 m/s减小到了10 m/s, 角度误差从最大80°减小到了10°。该方案可以有效解决速度、位置和姿态估计的累积误差问题。

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度, 本文根据SERF原子磁强计的测量原理, 提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦, 实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈, 调节电流源输出给线圈的电流, 使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统, 实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比, 本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8 nT降低到0.040 4 nT, 同时将剩余磁场的均方差由0.348 1 nT降低到0.024 7 nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。