一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法和電路技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，包括以下步驟：(1)將銫光泵磁敏傳感器輸出的銫光泵磁共振信號經(jīng)過調(diào)理和整形轉(zhuǎn)換為待測信號；(2)把時基信號以及步驟(1)的待測信號分別送入FPGA數(shù)字測頻模塊中，所述FPGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理；(3)由控制器讀取FPGA數(shù)字測頻模塊的處理結(jié)果，對步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計算，得到銫光泵磁共振信號的頻率。本發(fā)明專利技術(shù)還包括一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的電路。本發(fā)明專利技術(shù)利用定閘門測頻的原理，采取“無間歇測頻”和“剔除頻率交界點”的方式，極大程度上提高了磁力儀的測頻精度和速度，保證了測量精度的穩(wěn)定性。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法和電路
本專利技術(shù)涉及地球弱磁場測量
，特別是涉及一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法和電路。
技術(shù)介紹
光泵磁力儀因分辨率高、無零點漂移、不須嚴(yán)格定向、能在運動條件下進(jìn)行高精度快速連續(xù)測量等優(yōu)點，成為了航空磁測和水下磁測最重要的測量手段，主要應(yīng)用在地球物理勘探、軍事磁探潛、礦藏探測等方面。銫光泵磁力儀是以銫原子在弱磁場中的塞曼分裂為理論基礎(chǔ)，通過光抽運效應(yīng)和光磁共振技術(shù)研制而成的弱磁場測量儀器。銫原子在外磁場的作用下產(chǎn)生塞曼能級分裂，分裂后的原子量相鄰子能級間的能量差可用塞曼躍遷頻率來表示，即磁共振頻率。磁共振頻率fx和被測地磁場強度成正比例關(guān)系，其比例常數(shù)稱為銫的旋磁比，等于3.49828Hz/nT。通過測量磁共振頻率fx可以得到被測磁場強度H＝fx/3.49828nT。因此其測頻精度直接決定了地磁場的測量精度。在10000nT～100000nT的地磁場量程范圍，磁共振頻率為35KHz～350KHz。由于光泵磁力儀的軍事價值高，發(fā)達(dá)國家對高采樣率、高精度的光泵磁力儀是限制出口的，因此研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高靈敏度的光泵磁力儀具有重要的意義。如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測頻精度和速度是現(xiàn)有光泵磁力儀亟需解決的關(guān)鍵問題。目前，通常采用直接測頻法(M法)和直接測周法(T法)結(jié)合起來對銫光泵磁共振頻率進(jìn)行測量，或基于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的等精度測頻法提高銫光泵磁力儀磁共振信號測頻精度，或利用鎖相測頻法進(jìn)行銫光泵磁共振信號的測量。但，第一種方法存在±1的計數(shù)誤差，同時其輔助電路的噪聲尖峰也可能會導(dǎo)致技術(shù)錯誤；第二種方法由于測量的閘門時間是不連續(xù)的，會存在頻率測量的盲區(qū)，而且它在動態(tài)測量及強噪聲背景下的穩(wěn)定性較差；第三種方法存在噪聲較大、采樣率不夠高等問題，影響測頻精度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)的實施例提供了一種提高銫光泵磁敏傳感器磁共振信號測頻精度和速度的方法和電路。本專利技術(shù)的實施例提供一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，包括以下步驟：(1)將銫光泵磁敏傳感器輸出的銫光泵磁共振信號經(jīng)過調(diào)理和整形轉(zhuǎn)換為待測信號；(2)把時基信號以及步驟(1)的待測信號分別送入FPGA數(shù)字測頻模塊中，所述FPGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理；(3)由控制器讀取FPGA數(shù)字測頻模塊的處理結(jié)果，對步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計算，得到銫光泵磁共振信號的頻率。進(jìn)一步，所述步驟(1)中，銫光泵磁敏傳感器通過高頻激勵電路的激勵使銫原子產(chǎn)生能級躍遷，并使得銫單質(zhì)產(chǎn)生光泵效應(yīng)，所述銫光泵磁敏傳感器中的光強不變時，所述銫光泵磁敏傳感器中的射頻線圈在垂直于高頻激勵電路產(chǎn)生的磁場方向加一個射頻磁場，所述射頻磁場的頻率等于銫原子能級躍遷的頻率時，所述銫光泵磁敏傳感器輸出銫光泵磁共振信號。進(jìn)一步，所述高頻激勵電路激勵銫光泵磁敏傳感器中的銫燈發(fā)光，并使其釋放出光子，所述光子經(jīng)過銫光泵磁敏傳感器中的凸透鏡、濾光片和偏振片之后變成左旋圓偏振光，所述左旋圓偏振光激勵銫原子產(chǎn)生能級躍遷，并使得銫單質(zhì)產(chǎn)生光泵效應(yīng)。進(jìn)一步，所述步驟(1)中，銫光泵磁共振信號輸入信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路對銫光泵磁共振信號進(jìn)行放大和濾波調(diào)理，并將調(diào)理后的銫光泵磁共振信號輸入滯回比較器，所述信號調(diào)理電路輸出的調(diào)理后的銫光泵磁共振信號經(jīng)過移相電路移相后使銫光泵磁敏傳感器輸出連續(xù)的銫光泵磁共振信號，所述滯回比較器對銫光泵磁共振信號進(jìn)行整形得到待測信號。進(jìn)一步，所述步驟(2)中，F(xiàn)PGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理包括以下步驟：(2.1)將時基信號經(jīng)FPGA數(shù)字測頻模塊的可編程倍頻器倍頻后得到標(biāo)準(zhǔn)信號，將時基信號通過可編程分頻器分頻后得到定閘門信號，所述定閘門信號通過第一D觸發(fā)器同步待測信號得到實際閘門信號；(2.2)將實際閘門信號取反后與定閘門信號相與得到正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號，將定閘門信號取反后與實際閘門信號相與得到負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號，將實際閘門信號和定閘門信號分別取反后相與得到控制器讀取標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)值的標(biāo)志，其低電平為控制器可讀取正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)的標(biāo)志，其高電平為控制器可讀取負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)的標(biāo)志；(2.3)將待測信號、實際閘門信號和清零信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第一計數(shù)器中，第一計數(shù)器的清零信號由控制器發(fā)出，由實際閘門信號脈沖上升沿之后的待測信號的第一個脈沖啟動第一計數(shù)器，實際閘門信號脈沖下降沿后的待測信號的第一個脈沖關(guān)閉第一計數(shù)器，得到正閘門待測信號的脈沖個數(shù)；由實際閘門信號脈沖下降沿之后的待測信號的第一個脈沖啟動第一計數(shù)器，實際閘門信號脈沖上升沿后的待測信號的第一個脈沖關(guān)閉第一計數(shù)器，得到負(fù)閘門待測信號的脈沖個數(shù)；(2.4)將標(biāo)準(zhǔn)信號、正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號和定閘門信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第二計數(shù)器中，定閘門信號為第二計數(shù)器的清零信號，由正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖上升沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖啟動第二計數(shù)器，正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖下降沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖關(guān)閉第二計數(shù)器，得到正閘門時定閘門信號與待測信號不同步時段的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)；將標(biāo)準(zhǔn)信號、負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號和定閘門信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第三計數(shù)器中，定閘門信號為第三計數(shù)器清零信號，由負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖上升沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖啟動第三計數(shù)器，負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖下降沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖關(guān)閉第三計數(shù)器，得到負(fù)閘門時定閘門信號與待測信號不同步時段的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)；(2.5)實際閘門信號的邊沿與待測信號的邊沿不同步的部分采用步驟(2.4)中標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)，實際閘門信號的邊沿與待測信號的邊沿同步的部分采用步驟(2.3)中待測信號的脈沖個數(shù)。進(jìn)一步，所述步驟(3)中，控制器對步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計算時，為了消除頻率交界點，控制器將一個頻率更新周期分割成n個分頻閘門，若所述頻率交界點出現(xiàn)在第A個分頻閘門中，下一個頻率交界點出現(xiàn)在第A+n個分頻閘門中，從而可以找到每一個頻率交界點所在分頻閘門。進(jìn)一步，所述步驟(3)中，銫光泵磁共振信號的頻率計算公式為：式中：fx為待測信號的頻率，f0為標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率，nxi為第i次實際閘門信號的邊沿與待測信號的邊沿不同步的部分標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)，nxi+1為第i+1次實際閘門信號的邊沿與待測信號的邊沿不同步的部分標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)，Nxi為實際閘門信號中的待測信號脈沖個數(shù)，N0i為實際閘門信號中的標(biāo)準(zhǔn)信號脈沖個數(shù)，n為分頻閘門個數(shù)，實際閘門信號由定閘門信號與待測信號同步產(chǎn)生，定閘門信號和標(biāo)準(zhǔn)信號由同一時基信號產(chǎn)生。一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的電路，包括高頻激勵電路、銫光泵磁敏傳感器、信號調(diào)理電路、滯回比較器、移相電路、晶振電路、FPGA數(shù)字測頻模塊、控制器和存儲單元，所述銫光泵磁敏傳感器的輸入端連接高頻激勵電路，所述高頻激勵電路激勵銫光泵磁敏傳感器輸出銫光泵磁共振信號，所述銫光泵磁敏傳感器的輸出端連接信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路連接移相電路和滯回比較器，所述信本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將銫光泵磁敏傳感器輸出的銫光泵磁共振信號經(jīng)過調(diào)理和整形轉(zhuǎn)換為待測信號；(2)把時基信號以及步驟(1)的待測信號分別送入FPGA數(shù)字測頻模塊中，所述FPGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理；(3)由控制器讀取FPGA數(shù)字測頻模塊的處理結(jié)果，對步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計算，得到銫光泵磁共振信號的頻率。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將銫光泵磁敏傳感器輸出的銫光泵磁共振信號經(jīng)過調(diào)理和整形轉(zhuǎn)換為待測信號；(2)把時基信號以及步驟(1)的待測信號分別送入FPGA數(shù)字測頻模塊中，所述FPGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理；(3)由控制器讀取FPGA數(shù)字測頻模塊的處理結(jié)果，對步驟(2)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率計算，得到銫光泵磁共振信號的頻率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，銫光泵磁敏傳感器通過高頻激勵電路的激勵使銫原子產(chǎn)生能級躍遷，并使得銫單質(zhì)產(chǎn)生光泵效應(yīng)，所述銫光泵磁敏傳感器中的光強不變時，所述銫光泵磁敏傳感器中的射頻線圈在垂直于高頻激勵電路產(chǎn)生的磁場方向加一個射頻磁場，所述射頻磁場的頻率等于銫原子能級躍遷的頻率時，所述銫光泵磁敏傳感器輸出銫光泵磁共振信號。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，所述高頻激勵電路激勵銫光泵磁敏傳感器中的銫燈發(fā)光，并使其釋放出光子，所述光子經(jīng)過銫光泵磁敏傳感器中的凸透鏡、濾光片和偏振片之后變成左旋圓偏振光，所述左旋圓偏振光激勵銫原子產(chǎn)生能級躍遷，并使得銫單質(zhì)產(chǎn)生光泵效應(yīng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，所述步驟(1)中，銫光泵磁共振信號輸入信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路對銫光泵磁共振信號進(jìn)行放大和濾波調(diào)理，并將調(diào)理后的銫光泵磁共振信號輸入滯回比較器，所述信號調(diào)理電路輸出的調(diào)理后的銫光泵磁共振信號經(jīng)過移相電路移相后使銫光泵磁敏傳感器輸出連續(xù)的銫光泵磁共振信號，所述滯回比較器對銫光泵磁共振信號進(jìn)行整形得到待測信號。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高銫光泵磁共振信號測頻精度和速度的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，F(xiàn)PGA數(shù)字測頻模塊通過定閘門無間歇測頻對時基信號和待測信號進(jìn)行處理包括以下步驟：(2.1)將時基信號經(jīng)FPGA數(shù)字測頻模塊的可編程倍頻器倍頻后得到標(biāo)準(zhǔn)信號，將時基信號通過可編程分頻器分頻后得到定閘門信號，所述定閘門信號通過第一D觸發(fā)器同步待測信號得到實際閘門信號；(2.2)將實際閘門信號取反后與定閘門信號相與得到正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號，將定閘門信號取反后與實際閘門信號相與得到負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號，將實際閘門信號和定閘門信號分別取反后相與得到控制器讀取標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)值的標(biāo)志，其低電平為控制器可讀取正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)的標(biāo)志，其高電平為控制器可讀取負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)的標(biāo)志；(2.3)將待測信號、實際閘門信號和清零信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第一計數(shù)器中，第一計數(shù)器的清零信號由控制器發(fā)出，由實際閘門信號脈沖上升沿之后的待測信號的第一個脈沖啟動第一計數(shù)器，實際閘門信號脈沖下降沿后的待測信號的第一個脈沖關(guān)閉第一計數(shù)器，得到正閘門待測信號的脈沖個數(shù)；由實際閘門信號脈沖下降沿之后的待測信號的第一個脈沖啟動第一計數(shù)器，實際閘門信號脈沖上升沿后的待測信號的第一個脈沖關(guān)閉第一計數(shù)器，得到負(fù)閘門待測信號的脈沖個數(shù)；(2.4)將標(biāo)準(zhǔn)信號、正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號和定閘門信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第二計數(shù)器中，定閘門信號為第二計數(shù)器的清零信號，由正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖上升沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖啟動第二計數(shù)器，正閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號脈沖下降沿之后的標(biāo)準(zhǔn)信號的第一個脈沖關(guān)閉第二計數(shù)器，得到正閘門時定閘門信號與待測信號不同步時段的標(biāo)準(zhǔn)信號的脈沖個數(shù)；將標(biāo)準(zhǔn)信號、負(fù)閘門標(biāo)準(zhǔn)信號計數(shù)器計數(shù)信號和定閘門信號送入FPGA數(shù)字測頻模塊的第三計數(shù)器中，定閘門信號為第三計數(shù)器...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董浩斌，胡舒婷，葛健，羅望，黃躍飛，郭培培，邱香域，李瑞鵬，
申請(專利權(quán))人：中國地質(zhì)大學(xué)武漢，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北,42