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关键词： 离轴腔增强吸收光谱技术   火灾特征气体   一氧化碳   二氧化碳   气体探测  

摘要： 火灾是人类生产和生活中最常见的,也是对人们生命和财产安全威胁最大的灾害之一。火灾发生时气体的产生早于烟雾和火焰的出现,因此研制火灾特征气体传感器对于早期火灾预警具有重要意义。一氧化碳(Carbon Monoxide,CO)和二氧化碳(Carbon Dioxide,CO)是最常见的火灾气体产物,但仅探测一种气体,容易被蜡烛燃烧、檀香燃烧等一些非火灾情况产生的气体所干扰,同时探测CO和CO气体能够减少误报的概率。离轴腔增强吸收光谱技术是一种红外吸收光谱气体检测技术,具有探测灵敏度高、选择性好、鲁棒性强、检测速度快、能够原位检测的优点。因此,本文研制了一种基于离轴腔增强吸收光谱技术的双组分气体传感器,采用一个中心波长为1.573μm的近红外分布反馈式激光器(Distributed Feedback Laser,DFBL)、一个光学腔和一个光电探测器实现了CO和CO两种气体的同时探测。本文首先根据高分辨率传输分子光谱(High-Resolution Transmission Molecular Spectroscopy,HITRAN)数据库确定了CO和CO的吸收线,然后给出了系统的整体结构,并从光学部分、气路部分和电学部分对系统的硬件进行了详细的设计。在光学部分,首先根据选择的CO和CO吸收线确定了激光器的工作温度和工作电流;设计了一个包含光学腔的紧凑型机械结构,提高了系统的响应速度,增强了光路的稳定性;设计了一个高增益、小型化的光电探测器模块,使系统的结构更加紧凑。在气路部分,为了减小环境湿度和颗粒物对系统稳定性的影响,增加了防尘除湿模块。在电学部分,为了使激光器的输出波长能够同时覆盖CO和CO的吸收峰,基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP),研制了一种能够产生激光器所需驱动信号的主控电路,该电路还具有采集光电探测器输出信号、提取CO和CO吸收信号幅值、采集激光器工作温度和电流、控制激光器工作状态的功能;为了减小环境温度以及压强波动对系统检测精度的影响,研制了一种基于STM32的温控压控电路,用于控制气室内温度和压强。其次,在软件方面,编写了主控电路的整体软件程序、直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)配置程序、数据采集程序、基线拟合程序以及吸收信号幅值提取程序;给出了温控压控电路的整体软件流程、比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation,PID)动态调控算法;最后,设计了基于Lab VIEW的火灾特征气体监测平台,该平台接收来自主控电路和温控压控电路的数据,并进行处理、存储和显示,通过监测数据变化实时判断系统的工作状态,观测环境中CO和CO浓度的变化。最后,对系统进行了集成和测试。首先通过温控压控电路对气室内的温度和压力进行了控制,当气室进气口处和气室内的目标温度均设置为30℃,气室内目标压强设置为300 Torr时,经过30分钟的监测得到气室进气口处的温度波动范围为29.941℃至30.077℃,气室内温度的波动范围为29.977℃至30.045℃,压强的波动范围为299.112 Torr至300.862 Torr,从而保证了气室内温度和压强的稳定。然后,开展了CO和CO气体标定实验,分别获得了CO和CO气体浓度与吸收信号幅值之间的关系。接着,对系统的稳定性和响应时间进行了测试,实验结果表明:当平均时间为1 s时CO的检测下限为23.67 ppmv(Parts Per Million in Volume),CO的检测下限为20.82 ppmv,系统的响应时间为7-8秒。最后,利用该系统检测了硬纸板阴燃过程产生的CO和CO浓度,在加热台开始对硬纸板加热后的2 min内检测到环境中CO和CO浓度上升以及二者浓度比值的增大,从而验证了本文所研制的火灾特征气体探测系统应用于早期火灾预警的可行性。本论文的创新点:采用一个近红外DFB激光器实现了CO和CO的同时检测。研制了一种温控、压控一体化电路,实现了气室内温度和压力的精确控制,减小了环境因素对系统检测精度的影响。

关键词： 爱伦·坡   生命裂变   认识自我   人性的本真   生命的和谐  

摘要： 19世纪浪漫主义作家爱伦·坡在其艺术世界中竭尽全力地构建他的生命诗学：生命有千万种形态，命运有万千种可能。《威廉·威尔逊》和《厄舍府的倒塌》就包含了坡有关生命裂变的悲剧性设想，也体现了坡对僵化的二元对立思想的颠覆。人类的个体生命是矛盾而又变化的复合体，善与恶集于一身，男与女双性同体。无论是两个威尔逊，还是罗德里克和玛德琳，强行的割裂只能铸成惨剧。爱伦·坡小说中生命裂变的悲剧敦促世人不断地发现自我、认识自我，还原人性的本真，实现生命的和谐。

关键词： 有机污染物   三维荧光   检测分析   BP神经网络   平行因子   卷积神经网络  

摘要： 环境污染问题一直与我们的生活密切相关。在众多的污染因素中,有机污染物种类多,污染范围广,已成为全球性的一大问题,寻求一种能够快速有效检测有机污染物的方法具有重要的社会意义和应用价值。三维荧光光谱凭借其选择性好、灵敏度高、图像直观等优点,在环境污染物检测领域越来越受到关注和重视。因此针对上述问题,本文提出了主要基于三维荧光光谱检测分析有机污染物的方法。论文的主要研究内容如下:(1)对于单一组分的有机污染物春雷霉素、多杀菌素、宁南霉素,提出利用三维荧光光谱结合函数拟合、BP神经网络回归以及CNN回归的方法,三种模型的决定系数均超过0.99,平均回收率均接近于100%,从整体情况来看BP神经网络回归更具优势。同时针对蔬菜中春雷霉素、多杀菌素和阿维菌素的有机农药残留,提出恒波长同步荧光法结合支持向量回归(SVR)的模型,同样效果良好。(2)对于混合有机污染物的成分分析,提出利用三维荧光光谱结合平行因子分析法,分解出的单一组分与真实样本光谱重合度较高,分解出单一组分浓度预测结果的决定系数超过0.99,平均回收率接近100%,结果表明三维荧光结合平行因子可以有效应用于混合体系的定性定量分析。(3)针对混合有机污染物的快速分类问题,提出利用三维荧光光谱结合深度学习中的卷积神经网络,经过调优,CNN分类模型正确率最终可以达到100%。本文的研究结果对有机污染物的检测分析,维护水质安全和食品安全具有一定的参考价值。

关键词： 碱矿渣浆体   阻锈剂   氯离子吸附   电阻率   水灰比  

摘要： 碱激发矿渣（alkali-activatedslag，简称AAS）是一种环境友好型材料，其力学性能以及耐久性等方面都优于传统硅酸盐水泥（ordinaryPortlandcement，简称OPC），是OPC的一种可靠替代品。现有研究表明，AAS在物质传输抗力方面明显优于OPC，进而提高钢筋混凝土结构的耐久性。电阻率是评估胶凝材料物质传输性能的关键耐久性指标，特别是在部分饱和状态下。一些研究表明，在AAS中加入阻锈剂是提升阻锈剂对在混凝土中的钢筋的保护作用的一种有前景的方法，但阻锈剂对于AAS宏观及微观性能的影响尚不清晰。因此，本研究采用碱激发矿渣胶凝材料，复掺NaNO2、Na2MoO4，同时分析AAS在不同相对湿度范围内的电阻率。讨论水灰比、碱激发剂、阻锈剂及相对湿度对混合浆体材料基本性能、微观结构以及抗氯盐侵蚀能力、电阻率的影响。本文内容如下：　　（1）AAS及OPC浆体基本性能研究：研究掺入NaNO2、Na2MoO4以及不同碱激发剂对AAS净浆以及不同碱激发剂及水灰比对AAS砂浆抗压强度发展、流动度及凝结时间的影响。研究水灰比及碳酸钠、氢氧化钠、水玻璃对AAS净浆抗压强度发展、流动度及凝结时间的影响，并设置OPC对照组。测试AAS浆体到达1~90d龄期时的抗压强度。从试验结果可以看出，阻锈剂的加入对AAS净浆凝结时间、流动度及抗压强度无明显影响;前驱体及激发剂相同的情况下，水灰比的增加会使AAS砂浆流动度、凝结时间增加，抗压强度降低;AAS浆体的凝结时间与碱激发剂pH值呈正相关关系;氢氧化钠激发的AAS浆体由于过快的凝结速度，会导致前驱体水化不完全，造成抗压强度相对较低。　　（2）AAS及OPC净浆的微观结构：研究阻锈剂、水灰比、碱激发剂种类对AAS以及OPC水化过程及水化产物的影响;尤其关注水滑石、碳酸盐、亚硝酸盐AFm相、钼酸盐AFm相、C-A-S-H凝胶的生成。利用X射线衍射物相分析(XRD)测试对7d、90d龄期时的水化产物衍射峰表征，进行AAS及OPC净浆水化产物种类的分析;对7d、90d龄期时的反应产物进行了热重分析(TGA)，根据质量损失峰对应的特征温度，进一步对XRD测试结果进行验证。从试验结果可以看出：AAS净浆的水化产物会伴随着碱激发剂的不同产生变化，氧氧化钠和硅酸钠激发的AAS，其水化产物主要为：C-S-H，水滑石及碳酸盐相，碳酸钠激发的AAS，其水化产物相较于其他两种碱激发剂增加了斜钠钙石;OPC的水化产物主要为氢氧化钙以及C-S-H;阻锈剂的掺入没有使AAS的水化产物种类产生变化，但是微观测试中峰的偏移可以证明阻锈剂与水滑石的螯合;在水玻璃激发的AAS净浆中，水灰比与失重量并没有成完全的正相关关系。　　（3）讨论阻锈剂、水灰比及激发剂种类对AAS及OPC浆体抗氯盐渗透能力的影响：将养护至28d龄期的试块放入氯化钠溶液浸泡至64天，随后将部分试块磨粉进行氯离子浓度测试，并对接近表面的粉末进行XRD以及TGA测试，从而分析NaNO2、Na2MoO4，0.3~0.5的水灰比，以及碳酸钠、氢氧化钠、水玻璃（模数为0.5）对AAS浆体氯盐浸泡条件下氯离子传输的影响机制。从试验结果中我们发现：AAS中的水滑石与氯盐结合生成弗里德尔盐;碳酸钠激发的AAS经过氯盐环境浸泡后斜钠钙石消失;碳酸盐激发的AAS的氯离子含量高于相同情况下氢氧化钠激发的AAS。　　（4）探讨相对湿度（relativehumidity，简称RH）对AAS及OPC浆体电阻率的影响，并与OPC材料进行比较：制作小型试块使试块可在较短时间内与环境中水蒸气达到吸附平衡，将试块在密封环境下养护28天后放入不同相对湿度的环境箱中，吸附60天后进行含水率及电阻率测试，以此研究不同水灰比、碱激发剂种类、相对湿度（RH）对AAS砂浆电阻率的影响。从试验结果中我们可以看出：OPC及AAS砂浆试块含水率与环境饱和度呈正相关;水灰比为0.5时，碳酸钠激发的AAS砂浆的含水量较高，但是当水灰比降低至0.3时，三种碱激发剂激发的AAS砂浆的含水量趋于一致;多数所有组别AAS及OPC砂浆试块的电阻率与水灰比、环境饱和度基本呈负相关，但是水玻璃激发的AAS砂浆在水灰比为0.4时呈现出最高的电阻率。

关键词： Automated robotic experiments   Computational mechanics   Computer graphics   Robotic manipulation   Sim2Real manipulation  

摘要： Slender structures, widely found from natural environments (e.g., tendrils) to engineering applications (e.g., flexible electronics), frequently experience geometrically nonlinear deformations and substantial topological changes when exposed to simple boundary conditions or modest external stimuli. On one hand, the nonlinear dynamics of slender structures present considerable challenges for the automated manipulation of these structures by robots. On the other hand, the automated interactions between robots and such structures also open up opportunities to enhance our understanding of the mechanics governing slender structures. This dissertation focuses on the synergy between computational mechanics and robotics for the manipulation and study of slender structures. Specifically, it delves into discrete differential geometry (DDG)-based simulations, an emerging field in computational mechanics, to develop a comprehensive sim2Real manipulation framework for generating task-oriented deformable manipulation strategies. Moreover, we conduct automated experiments to gain valuable insights into the behavior of slender structures. Our contributions can be categorized into three main areas: First, we develop a penalty-energy-based method and combine it with Kirchoff rod’s theory to simulate rod assemblies with frictional contact responses. Our simulation method is validated, demonstrating its robustness, accuracy, and efficiency across diverse scenarios. These scenarios include modeling flagella bundling, a significant biological phenomenon for bacterial navigation, as well as tying knots. These numerical validations underscore the potential of our approach as a significant step toward the ultimate goal of a computational framework for sim2real manipulation tasks. We then combine our numerical framework with desktop experiments to investigate the mechanics of various types of knots. Second, we combine DDG-based simulations, scaling analysis, and machine learning to develop a

关键词： 阵列天线   雷达散射截面   稀疏布局   副瓣电平抑制   超宽带自适应波束形成  

摘要： 在现代化电磁信息对抗中，天线是通信系统中的关键换能器件，雷达散射截面积大，容易使通信中枢位置暴露在敌方雷达探测下，导致通信中枢受到敌方威胁;此外，电磁对抗环境下电磁波干扰严重，常规阵列天线系统虽然能有效提升辐射性能，但是系统复杂度高且副瓣电平也难以得到有效抑制，导致其应用受到限制。因此，一方面，为了提升天线系统的电磁隐身能力，提升通信系统的安全性，需要对天线雷达散射截面缩减技术展开研究;另一方面，需要对阵列天线进行稀疏优化技术开展研究，降低系统复杂度并抑制副瓣电平，并研究稀疏阵列的超宽带自适应波束形成技术，以提升通信质量。　　论文的主要研究内容包括三个部分：　　为了实现天线的雷达散射截面缩减，设计了 C波段二阶带通频率选择表面，其由两个不同结构的一阶频率选择表面级联而成，下层频率选择表面提供高低频的阻带性能，上层频率选择表面提供过渡带滚降性能。仿真结果表明，频率选择表面通带为3.75~4.72Ghz，损耗小于1dB，覆盖了预期的4~4.5GHz，左侧和右侧阻带频率范围为 0~3.03GHz 和 5.77~10GHz，两过渡带宽度分别为 0.72GHz 和1.05GHz。此外，开展了频率选择表面与天线一体化仿真分析，结果表明，加载频率选择表面后，天线的匹配性能提升，最大方向的增益下降了 0.89dB，小于指标要求的 1dB，阻带范围内阵列天线的雷达散射截面不大于-15dBsm，实现了阵列天线的雷达散射截面缩减。　　为了实现阵列天线稀疏布局以及副瓣电平抑制，设计了基于入侵杂草优化原理的阵列天线稀疏布局算法。入侵杂草优化算法是一种模拟杂草生长并向空间不断扩散的仿生优化算法，具有强大的搜索性能。在相同阵列口径下，使用该方法优化的阵列相对于均匀满阵阵元数量减少 56%，最大副瓣电平在俯仰向降低了6.90dB，在方位向降低了 7.51dB，相较于遗传算法优化的阵列，阵元数量相同，而最大副瓣电平在俯仰向降低了3.38dB，在方位向降低了3.24dB。仿真实验的结果说明入侵杂草算法优化的阵列相较于均匀满阵和遗传算法优化的阵列在副瓣电平抑制方面具有更好的性能。　　为了稀疏阵列的超宽带自适应波束形成，在均匀平面阵列信号模型的基础上推导了稀疏平面阵列的信号模型。使用频域方法实现超宽带信号恒定束宽波束形成，利用二次规划改进了子带的权值计算的方法，使不同频率在主瓣内具有相同的空域响应。在超宽带恒定束宽波束形成的基础上引入干扰抑制，构造积分矩阵的主特征矢量子空间在指定方向施加零陷，并通过主特征值的个数控制零陷深度。最后通过仿真实验验证了在 4~4.5GHz内，XZ平面和 YZ平面内的波束宽度始终保持在期望的18°。在进行干扰抑制后，方向图在干扰方向上进行了陷波，但也造成了方向图的畸变，程度在可接受范围内。可以认为在实现定向干扰抑制的同时保证了超宽带波束宽度恒定，实现了自适应的波束形成。　　通过上述研究，课题研制了频率选择表面加载的稀疏布局天线阵列，有效缩减了 0~3.03GHz和 5.77~10GHz范围内的雷达散射截面，实现了超宽带恒定束宽波束形成以及干扰抑制。在保障通信中枢安全性的前提下，为提升通信质量提供了技术支撑。

关键词： DC/DC变换器   电磁干扰   辐射远场   分布特征   故障源检测  

摘要： DC/DC（Direct Current To Direct Current）变换器是燃料电池系统中电子控制单元电磁兼容（Electromagnetic Compatibility,EMC）行为分析的主要研究对象之一，DC/DC变换器工作时产生的电磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI）可能会干扰其他电子控制单元，从而影响整个燃料电池汽车的电磁兼容性。虽然抑制EMI一直备受关注，但产生EMI问题的故障源排查仍然困难，实际应用中存在挑战。　　本研究聚焦于DC/DC变换器的EMI问题，针对其内部核心电路板的辐射远场分布特征，结合深度学习技术，开展故障源检测方法研究。具体内容包括：　　（1）针对DC/DC变换器核心电路板的EMI问题展开研究，探究了其远场分布特征与故障源的关联性。通过应用网孔分析法，推导出了电感电流变化率和电容电压变化率与MOSFET开关管工作频率之间的关系，获得了电路EMI问题与电感、电容的关联特性。在此基础上，建立了EMI远场方向图与故障源之间的联系。　　（2）针对DC/DC变换器核心电路板辐射特点，搭建了EMC平面近场扫描系统，并结合近场转换远场（Near-Field To Far-Field,NF2FF）算法，构建了EMI远场预测系统。首先，针对DC/DC变换器核心电路板中故障源无法直接激励、相位提取困难的问题，本文提出在EMC近场扫描系统中引入参考天线探头结合软件无线电的方法，快速准确得到近场相对幅度和相对相位特征，完成近场数据的采样;然后，将获得的近场EMI数据经过探头补偿的NF2FF算法远推至远场区域，并绘制出远场方向图;最后，实验结果表明，构建的EMI远场预测系统实现了远场方向图预测，符合DC/DC变换器核心电路板对外辐射的远场分布特征。　　（3）针对DC/DC变换器核心电路板故障源检测问题，本文在搭建的EMI远场预测系统基础上，设计了卷积神经网络来拟合DC/DC变换器核心电路板EMI远场分布特征与故障源之间的映射关系，从而实现故障源快速检测。首先，模拟实际电路板中故障源EMI产生的场景，利用EMI远场预测系统进行数据采集;然后，利用VGG16网络对采集的数据进行学习，并初步对故障源进行检测;最后，为了进一步提升故障源检测的精度，设计了深度残差注意力机制网络（Deep Residual Attention NetWork,D-RAN）模型，以增大故障源远场分布特征的类间差异，实验结果表明所提网络在故障源检测准确率能够达到85.12%。

关键词： 二硫化钼和二硫化钨   高压调控   拉曼光谱   荧光光谱   相变  

摘要： 层状过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenide,TMDs）是一类化学通式为MX的二维材料,其中M为过渡金属元素,X为硫族元素。由于原子排列和层间堆叠方式的不同,TMDs有多种结构相,其中稳定的2H相是当前研究的热潮,并且TMDs材料具有类似石墨烯的层状结构,层间耦合依靠范德瓦尔斯相互作用,这使得其物理性质随层数可调,这些优异的特点使其成为新一代光电和光子器件的“明星”候选材料。金刚石对顶砧装置（Diamond Anvil Cell,DAC）加压,是一个探索和发现新奇物理现象的重要调控手段。本论文以2H相层状的Mo S和WS作为研究对象,利用机械剥离制备层状Mo S和WS,并利用DAC分别对单层、双层、体材料Mo S以及单层、体材料WS的晶格结构和激子特性进行调控,研究压力作用下TMDs材料结构和激子发光特性的变化,为其在光电器件和新型场效应晶体管等方面的应用提供理论支持。通过本论文的实验研究,主要获得以下四个方面重要的研究结果:（1）压力从0 GPa增加到30 GPa的过程中,单层Mo S的带隙一直在变宽,与双分子层Mo S相比,单层Mo S的面内压缩对外界压力的响应更大,而面外压缩则相反。（2）在6 GPa左右,双层Mo SPL光谱中荧光峰A的红移率和强度变化趋势发生改变,同时伴随着拉曼光谱中的E和B模式的激发,表征双层Mo S发生电子结构相变,对应直接带隙到间接带隙的转变。在16 GPa左右,双层Mo S拉曼光谱中E模式发生跳变,A模式保持不变,同时伴随荧光峰A的位置和强度异常,表征双层Mo S发生层间滑移,对应2Hc到2Ha的转变,双层Mo S并没有发生金属化,且具有类似2Hc的电子结构。（3）在2.6 GPa左右,单层WS的PL光谱中荧光峰A先出现蓝移,后出现红移,表征单层WS发生电子结构相变,导带谷由原来的K点变为Λ点,对应直接带隙到间接带隙的电子结构相变。（4）在18.0 GPa左右,多层WS的E和A拉曼振动模式出现劈裂,表征多层WS发生层间滑移导致堆垛方式改变,对应2Hc到2Ha的结构相变。

关键词： 汽车铸件   缺陷样本生成   缺陷检测   生成对抗网络   目标检测网络  

摘要： 随着现代化社会的发展,汽车的需求量日益增长,已经成为人们出行的主要交通方式之一。而汽车铸件如果存在制造过程中未被检测出来的缺陷,安全隐患极大。目前汽车铸件缺陷的自动检测技术尚未完善,这大大影响着汽车工业制造的效率。对于汽车铸件缺陷的自动检测任务,深度学习技术是当前的热门研究方向。但目前存在两大难点:一是缺少足够规模的公开数据集,且含有铸件缺陷的X射线图像难以获取,现有的铸件缺陷图像扩充方法大都基于计算机仿真技术,比较复杂,且需要根据缺陷特征手动设计并叠加。二是现有的铸件缺陷检测模型无法兼顾检测精度和检测速度,而且复杂的模型难以在实际的工业质检中应用。针对这两大难点,本文进行了以下研究:(1)本文提出了一种基于pix2pix生成对抗网络框架的缺陷样本生成算法(DSGAN)来解决铸件缺陷数据集过少的问题。首先提出基于pix2pix的缺陷样本生成算法的基本结构,设计了组合图像的输入方式来提升模型对缺陷的学习能力;其次,生成器采用了优化后的Unet网络,并在解码器中融合空间自适应归一化来引导生成器根据掩膜标注生成特定位置的缺陷,在判别器的设计中融合了谱归一化来稳定模型的训练。然后在模型的损失函数的设计中引入梯度惩罚和背景差异损失项来进行提升模型生成图像的真实度。最后通过定性评估和定量评估实验验证了DSGAN模型生成缺陷样本的真实性。(2)本文提出了一种基于YOLOF的轻量化缺陷检测算法(CE＿YOLOF)来解决铸件图像缺陷自动检测问题。首先通过设计融合了坐标注意力机制的Efficient Net网络作为主干网络,增强主干网络对于图像中缺陷特征的提取能力。其次在CE＿YOLOF的解码器的分类分支和回归分支中,采用深度可分离卷积模块来降低模型的参数量,且不影响模型的精度。最后对于回归损失函数,通过考虑预测框和真实框的角度向量来重新设计惩罚指标进行改进,进而提升模型的收敛能力和精度。(3)本文提出了一种只使用生成缺陷样本进行训练,且只使用真实缺陷数据集进行检测的训练策略,以此验证提出的DSGAN和CE＿YOLOF的有效性。首先使用DSGAN对GDXray数据集进行缺陷样本的生成扩充,只将生成的缺陷数据集输入CE＿YOLOF中进行训练。然后在检测阶段只对真实数据集进行检测,通过一系列的对比实验和消融实验,验证了本文提出的DSGAN模型的实用性和CE＿YOLOF检测器的高效性。

关键词： 碱金属原子磁力仪   Simulink   FPGA   数字锁相放大器   PID控制  

摘要： 碱金属原子磁力仪是近些年来引起广泛重视的精密弱磁测量仪器,在生物医学、地质探测、无损检测、军事国防等众多领域的磁场测量中都有着巨大的应用潜力。碱金属原子磁力仪控制方法则指的是,从磁、光共同作用下的碱金属原子气室对磁场的响应信号中提取待测磁场信息的方法和手段。不同的控制方法往往对碱金属原子磁力仪的灵敏度、带宽、响应速度、动态范围等指标有很大影响。此外,碱金属原子磁力仪还面临着体积较大、稳定性和可靠性较差等亟待解决的问题。基于此,本文完成了以下工作:结合塞曼效应、光泵效应、碱金属原子磁矩光电检测技术系统地介绍了碱金属原子磁力仪的基本理论。借助以上基本理论讨论了开环和闭环两种不同的碱金属原子磁力仪控制方法的原理,并分别建立了两种控制方法下的碱金属原子磁力仪Simulink模型和传递函数模型。在上述模型的基础上得出结论:闭环碱金属原子磁力仪在动态范围、响应速度以及带宽上均一定程度优于开环碱金属原子磁力仪。为实现闭环碱金属原子磁力仪的小型化以及提升其可靠性与稳定性,在闭环碱金属原子磁力仪工作原理的指导下,本文对闭环碱金属原子磁力仪中三个必不可少的模块实现了基于FPGA技术的设计和验证。此三个模块分别为数控振荡器模块、数字锁相放大器模块、数字PID控制器模块。此外,为提升系统在工作中的人机交互能力,本文设计了配套的串口通信模块和上位机软件。为快速验证前述模块组成的控制系统能否完成碱金属原子磁力仪的闭环控制进而提取待测磁场信息以及精确定位模块设计中存在的问题,本文设计了基于FPGA的碱金属原子气室磁响应信号生成模块,并将之与上一段中提到的若干模块集成为一个完整的测试系统。利用该测试系统测量得到,数控振荡器模块可在70k Hz到350k Hz的频率区间内生成相对误差不超过0.0048%的激励信号;数字锁相放大器模块解调得到的相位误差不超过0.06度;测试系统能在数字PID控制器模块的调整下实现对突变磁场的跟踪。