CN103257329A - 氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁力勘探技术领域，具体公开了一种氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法，该氦光泵梯度探测仪包括光源和氦光泵探头，所述光源采用氦激光源，氦光泵探头至少为三个，该氦光泵探头后端还依次电性连接有综合处理电路、相位频率自动跟踪电路、整形放大电路及输出匹配电路；所述光源和氦光泵探头一端电性连接有电源和高频振荡电路，相位频率自动跟踪电路一端还与氦光泵探头电性连接，所述整形放大电路还与一频率计相连接。本发明采用梯度测量及频率自动跟踪方式，无论在灵敏度、精确度及探地深度上都得到较大幅度的提升。

Description

氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法

技术领域

本发明涉及磁力勘探技术领域，尤其涉及一种氦光泵探测装置及实现高灵敏度梯度探测的方法。

背景技术

氦光泵磁力探测仪，是建立在物质原子“核磁共振”的理论基础上并且逐步改进，不断发展演变而成的新的探测技术。氦光泵核磁共振，顾名思义是利用光泵作用和磁共振技术，以氦原子能级在磁场中的塞曼效应为基础，利用光泵作用实现氦原子的光学取向，通过光学检测磁共振的方法实现对被测磁场的测量。由于氦光泵磁力探测仪采用光的探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不是像一般的核磁共振直接探测原子对射频量子的吸收，因而大大提高了探测灵敏度，提高的倍数为光频与射频之比，约为6×10⁴。它能够以较高的灵敏度测量0.05～100nT的弱磁场和在运动条件下做快速连续测量等特点，自20世纪60年代以来，在地球物理、空间物理、军事工程及生物磁学等领域得到广泛应用。

现有技术中的氦光泵探测是“磁总场”探测方法，该方法测量深度浅，灵敏度和精度都差。再者，以往的氦光泵磁力探测仪，其整个系统磁测范围不广，当磁场变化较大时，跟踪测量系统容易失锁，造成失掉跟踪，需要重新调整等问题。随着现代军事技术、矿藏探测等领域对磁场测量的精度、稳定性和速度等指标的要求，现有的磁勘探系统已不能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法，其采用梯度测量及频率自动跟踪方式，无论在灵敏度、精确度及探地深度上都得到较大幅度的提升。

为实现上述目的，本发明提供了一种氦光泵梯度探测仪，其包括：光源和氦光泵探头，所述光源采用氦激光源，氦光泵探头至少为三个，该氦光泵探头后端还依次电性连接有综合处理电路、相位频率自动跟踪电路、整形放大电路及输出匹配电路；所述光源和氦光泵探头一端电性连接有电源和高频振荡电路，相位频率自动跟踪电路一端还与氦光泵探头电性连接，所述整形放大电路还与一频率计相连接。

其中，所述氦光泵探头包括有光学系统和磁场吸收室，该光学系统内包括有与光源相对设置的透镜、偏振片、1/4波长片和光敏元件，该磁场吸收室中间绕有射频线圈，相位频率自动跟踪电路一端与该射频线圈电性连接。

具体的，所述综合处理电路内包括电性连接的光敏放大器和带通放大器，该光敏放大器一端与光敏元件电性连接，带通放大器一端与相位频率自动跟踪电路电性连接。

本发明中，所述带通放大器的中心频率为1MHz；相位频率自动跟踪电路内包括有由1MHz为中心的信号发生器，该信号发生器一端与综合处理电路内的带通放大器电性连接，信号发生器另一端还与氦光泵探头内的射频线圈电性连接。

再者，所述输出匹配电路连接有外部处理设备，该外部处理设备内预存有频率图形处理软件；所述外部处理设备包括计算机，输出匹配电路通过电缆与该计算机电性连接。

进一步地，本发明还提供了一种实现高灵敏梯度探测的方法，其包括如下步骤：

步骤a，提供氦激光源，并在待测目标的至少三个不同位置放置氦光泵探头；

步骤b，氦激光通过氦光泵探头处理后，输出一个光转换成的光电信号，进入综合处理电路；

步骤c，综合处理电路对输入的光电信号进行线性放大，并对超过2MHz的信号进行过滤，过滤后的小于2MHz的信号进入相位频率自动跟踪电路；

步骤d，相位频率自动跟踪电路在0.75MHz-1.5MHz扫频，扫频信号还将反馈到氦光泵探头处，从而产生核磁共振，实现频率自动跟踪；

步骤e，通过相位频率自动跟踪电路的交变频率信号经过整形放大电路连接到一频率计上，用于通过频率分析磁场变化的情况；或者，该交变频率信号依次经过整形放大电路及一输出匹配电路后，连接到外部处理设备，通过预存于外部处理设备内的频率图形处理软件显示磁场强度或磁场分布。

其中，所述氦光泵探头处加有由高频振荡电路发出的射频电压，其频率为16MHz，峰值达20V以上。

本发明中，所述综合处理电路内包括电性连接的光敏放大器和带通放大器，输入的光电信号经光敏放大器线性放大后进入带通放大器，该带通放大器的中心频率为1MHz，超过2MHz的信号被阻止。

此外，所述相位频率自动跟踪电路内包括有由1MHz为中心的信号发生器，该信号发生器对通过带通放大器的信号在0.75MHz-1.5MHz扫频。

本发明中，所述交变频率信号经过整形放大电路得到适适合的脉冲信号，该脉冲信号经过输出匹配电路，通过一电缆连接到一计算机处，通过预存于计算机内的频率图形处理软件，显示磁场强度或待测目标处的磁场分布。

本发明的氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法，其引入氦激光技术，使氦光照射的强度大大提高，强度比原来提高10倍；再者，其在电路中加入频率自动跟踪技术，使信号发生器的频率信号高低变化与外来磁场信号强弱变化相对应，可以进行自动跟踪，使一秒采样灵敏度达到0.005nT，比原来的最高灵敏度提高了一倍，同时避免了失掉跟踪，重新调整等问题；此外，其引入磁梯度测量方法，在灵敏度和精确度以及探地深度上都得到大幅度提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中氦光泵梯度探测仪一种具体实施例的原理框图；

图2为本发明中综合处理电路一种具体实施例的原理框图；

图3为本发明中实现高灵敏梯度探测的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种氦光泵梯度探测仪，其包括：光源和氦光泵探头10，所述光源采用氦激光源，氦光泵探头至少为三个，该氦光泵探头后端还依次电性连接有综合处理电路20、相位频率自动跟踪电路30、整形放大电路40及输出匹配电路50；所述光源和氦光泵探头10一端电性连接有电源和高频振荡电路12，相位频率自动跟踪电路30一端还与氦光泵探头电性连接，所述整形放大电路40还与一频率计42相连接。本发明在氦光泵探头上增加了氦灯的照射强度，引入氦激光技术，使氦光照射的强度大大提高，强度比原来提高10倍；同时，其电路中加入频率自动跟踪技术，使相位频率自动跟踪电路30产生的频率信号高低变化与外来磁场信号强弱变化相对应，可以进行自动跟踪。本发明中的氦光泵梯度探测仪一秒采样灵敏度达到0.005nT，比原来的最高灵敏度提高了一倍，同时避免了失掉跟踪，重新调整等问题。

本发明中，所述氦光泵探头包括有光学系统和磁场吸收室，该光学系统内包括有与光源相对设置的透镜、偏振片、1/4波长片和光敏元件，该磁场吸收室中间绕有射频线圈（未图示），相位频率自动跟踪电路30一端与该射频线圈电性连接。氦激光照射光学系统，形成一个圆偏振光，通过由氦气组成的磁场吸收室，产生光泵作用，光泵作用的光通过透镜，集中到一个光敏元件上。所述射频线圈反馈有相位频率自动跟踪电路30，跟踪着随地磁场变化的射频电压。所述电源和高频振荡电路12为氦激光源供电并为氦光泵探头提供射频电压。在本发明具体实施例中，为氦激光源供电的是近千伏的高压电源，否则不能产生激光，本发明中优选氦激光源的电源功率为5W，电压为700V到1000V；为氦光泵探头提供的射频电压频率约为16MHz，用于激励磁场吸收室点亮。

本发明中，所述氦激光通过氦光泵探头的光学系统处理后，在光敏元件上输出一个光转换成的光电信号，将该光电信号送入综合处理电路20。如图2所示，该综合处理电路20内包括电性连接的集成式光敏放大器22和集成式带通放大器24，该光敏放大器22一端与光敏元件电性连接，带通放大器24一端与相位频率自动跟踪电路30电性连接。该光敏放大器22用于对光电信号进行线性放大，放大后的光电信号进入带通放大器24。要求该带通放大器24的中心频率为1MHz，超过2MHz的信号被阻止。

通过带通放大器24的信号进入相位频率自动跟踪电路30。该相位频率自动跟踪电路30内包括有由1MHz为中心的信号发生器（未图示），该信号发生器一端与综合处理电路20内的带通放大器24电性连接，信号发生器另一端还与氦光泵探头内的射频线圈电性连接。该信号发生器可以在0.75MHz-1.5MHz扫频。扫频信号还将反馈到氦光泵探头的射频线圈上，目的是产生核磁共振。共振时扫频频率信号对应磁场强度信号，频率高时，对应磁场强度强，频率低时对应磁场的强度弱，当磁场强度变化时，频率跟随着一起变化，由此完成了自动跟踪。

本发明中，通过相位频率自动跟踪电路30的交变频率信号经过整形放大电路40后，可以连接到频率计42上，用于通过频率分析磁场变化的情况。或者，作为本发明的另一种选择性实施例，所述输出匹配电路50可以连接任何外部处理设备60。所述通过相位频率自动跟踪电路30的交变频率信号经过整形放大电路40得到适合的脉冲信号，经输出匹配电路50连接到任何外部处理设备60而信号都不被衰减。作为本发明的具体实施例，该外部处理设备60内预存有频率图形处理软件，该外部处理设备60可以包括但不仅限于计算机。输出匹配电路50通过电缆与该计算机（未图示）电性连接，通过频率图形处理软件显示磁场强度，或某地点的磁场分布。

进一步地，如图3所示，本发明还提供了一种实现高灵敏梯度探测的方法，其包括如下步骤：

步骤a，提供氦激光源，并在待测目标的至少三个不同位置放置氦光泵探头。本发明中，采用氦激光源代替了原来探测仪的氦灯，大大提高了氦光的照射强度，强度比原来提高10倍。本发明中为氦激光源供电的是近千伏的高压电源，否则不能产生激光。作为本发明的一种具体实施例，氦激光源的电源功率为5W，电压为700V到1000V。现有技术中的氦光泵探测是“磁总场”探测方法，其测量深度、灵敏度和精度都较差。而本发明中引入了磁梯度测量方法，即至少在三个不同的适合位置放置三个探头，是空间而不是平面的概念，这样在灵敏度和精确度以及探地深度上都优于原来的测量方法。

步骤b，氦激光通过氦光泵探头处理后，输出一个光转换成的光电信号，进入综合处理电路20。作为本发明的一种具体实施例，所述氦光泵探头由光学系统和磁场吸收室组成，光学系统由透镜、偏振片和1/4波长片和光敏元件组成，氦激光照射光学系统，形成一个圆偏振光，通过由氦气组成的磁场吸收室，产生光泵作用，光泵作用的光通过透镜，集中到一个光敏元件上。所述磁场吸收室中间绕有射频线圈，反馈有来自相位频率自动跟踪电路30的变化的射频信号，跟踪着随地磁场变化的射频电压。所述氦光泵探头处还加有由高频振荡电路发出的射频电压，其频率约为16MHz，峰值达20V以上，用于激励磁场吸收室点亮。

步骤c，综合处理电路20对输入的光电信号进行线性放大，并对超过2MHz的信号进行过滤，过滤后的小于2MHz的信号进入相位频率自动跟踪电路30。氦激光通过氦光泵探头的光学系统处理后，在光敏元件上输出一个光转换成的光电信号，进入综合处理电路20。本发明中的综合处理电路20内包括电性连接的集成式光敏放大器22和集成式带通放大器24，输入的光电信号经光敏放大器22线性放大后进入带通放大器24，该带通放大器24的中心频率为1MHz，超过2MHz的信号被阻止，通过带通放大器24的信号，进入相位频率自动跟踪电路30。本发明为使光敏放大器22线性地放大光电信号，要求该光敏放大器22对于光敏元件处于零偏置状态。

步骤d，相位频率自动跟踪电路30在0.75MHz-1.5MHz扫频，扫频信号还将反馈到氦光泵探头处，从而产生核磁共振，实现频率自动跟踪。本发明中的相位频率自动跟踪电路30内包括有由1MHz为中心的信号发生器，该信号发生器可以对通过带通放大器的信号在0.75MHz-1.5MHz扫频。该扫频信号还将反馈到氦光泵探头的射频线圈上，目的是产生核磁共振。共振时扫频频率信号对应磁场强度信号，频率高时，对应磁场强度强，频率低时对应磁场的强度弱，当磁场强度变化时，频率跟随着一起变化，由此完成了自动跟踪。

步骤e，通过相位频率自动跟踪电路30的交变频率信号经过整形放大电路40连接到一频率计42上，用于通过频率分析磁场变化的情况；或者，该交变频率信号依次经过整形放大电路及一输出匹配电路后，连接到外部处理设备60，通过预存于外部处理设备60内的频率图形处理软件显示磁场强度或磁场分布。在本发明中，通过相位频率自动跟踪电路30的交变频率信号经过整形放大电路40得到适合的脉冲信号，该脉冲信号以连接到频率计42上，用于通过频率数字分析磁场变化的情况。或者，作为本发明的另一种选择性实施例，通过相位频率自动跟踪电路30的交变频率信号经过整形放大电路40得到适合的脉冲信号，也可以经输出匹配电路50，该输出匹配电路50目的是连接到任何外部处理设备60而信号都不被衰减。作为本发明的一种具体实施例，该脉冲信号经过输入匹配电路50后，可以通过一电缆连接到一计算机处，通过预存于计算机内的频率图形处理软件，显示磁场强度或待测目标处的磁场分布。

综上所述，本发明的氦光泵梯度探测仪及实现高灵敏梯度探测的方法，其通过将氦光泵探头上氦灯的照射光转变为氦激光照射，并在电路中加入自动频率跟踪技术，对信号的相位锁相，对最终稳定的将信号变为适合的频率脉冲，使得本发明一秒采样灵敏度达到0.005nT，比原来的最高灵敏度增加了一倍，同时避免了失掉跟踪，重新调整的问题。本发明的氦光泵梯度探测仪可以与一些成熟的设备如三轴磁通门磁力仪、GPS导航定位仪、高度计、同步航拍仪器、飞机干扰补偿系统等一起，输入到计算机，通过专门的图形的处理软件，扫描出地球不同位置的磁场分布，即可分析地下或水下存在的各种物质，如古文物、武器、潜艇或矿藏等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氦光泵梯度探测仪，包括光源和氦光泵探头，其特征在于，所述光源采用氦激光源，氦光泵探头至少为三个，该氦光泵探头后端还依次电性连接有综合处理电路、相位频率自动跟踪电路、整形放大电路及输出匹配电路；所述光源和氦光泵探头一端电性连接有电源和高频振荡电路，相位频率自动跟踪电路一端还与氦光泵探头电性连接，所述整形放大电路还与一频率计相连接。

2.如权利要求1所述的氦光泵梯度探测仪，其特征在于，所述氦光泵探头包括有光学系统和磁场吸收室，该光学系统内包括有与光源相对设置的透镜、偏振片、1/4波长片和光敏元件，该磁场吸收室中间绕有射频线圈，相位频率自动跟踪电路一端与该射频线圈电性连接。

3.如权利要求2所述的氦光泵梯度探测仪，其特征在于，所述综合处理电路内包括电性连接的光敏放大器和带通放大器，该光敏放大器一端与光敏元件电性连接，带通放大器一端与相位频率自动跟踪电路电性连接。

4.如权利要求3所述的氦光泵梯度探测仪，其特征在于，所述带通放大器的中心频率为1MHz；相位频率自动跟踪电路内包括有由1MHz为中心的信号发生器，该信号发生器一端与综合处理电路内的带通放大器电性连接，信号发生器另一端还与氦光泵探头内的射频线圈电性连接。

5.如权利要求4所述的氦光泵梯度探测仪，其特征在于，所述输出匹配电路连接有外部处理设备，该外部处理设备内预存有频率图形处理软件；所述外部处理设备包括计算机，输出匹配电路通过电缆与该计算机电性连接。

6.一种利用如权利要求1-5中任一项所述的氦光泵梯度探测仪实现高灵敏梯度探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a，提供氦激光源，并在待测目标的至少三个不同位置放置氦光泵探头；

步骤b，氦激光通过氦光泵探头处理后，输出一个光转换成的光电信号，进入综合处理电路；

步骤c，综合处理电路对输入的光电信号进行线性放大，并对超过2MHz的信号进行过滤，过滤后的小于2MHz的信号进入相位频率自动跟踪电路；

步骤d，相位频率自动跟踪电路在0.75MHz-1.5MHz扫频，扫频信号还将反馈到氦光泵探头处，从而产生核磁共振，实现频率自动跟踪；

步骤e，通过相位频率自动跟踪电路的交变频率信号经过整形放大电路连接到一频率计上，用于通过频率分析磁场变化的情况；或者，该交变频率信号依次经过整形放大电路及一输出匹配电路后，连接到外部处理设备，通过预存于外部处理设备内的频率图形处理软件显示磁场强度或磁场分布。

7.如权利要求6所述的实现高灵敏梯度探测的方法，其特征在于，所述氦光泵探头处加有由高频振荡电路发出的射频电压，其频率为16MHz，峰值达20V以上。

8.如权利要求6所述的实现高灵敏梯度探测的方法，其特征在于，所述综合处理电路内包括电性连接的光敏放大器和带通放大器，输入的光电信号经光敏放大器线性放大后进入带通放大器，该带通放大器的中心频率为1MHz，超过2MHz的信号被阻止。

9.如权利要求8所述的实现高灵敏梯度探测的方法，其特征在于，所述相位频率自动跟踪电路内包括有由1MHz为中心的信号发生器，该信号发生器对通过带通放大器的信号在0.75MHz-1.5MHz扫频。

10.如权利要求6所述的实现高灵敏梯度探测的方法，其特征在于，所述交变频率信号经过整形放大电路得到适适合的脉冲信号，该脉冲信号经过输出匹配电路，通过一电缆连接到一计算机处，通过预存于计算机内的频率图形处理软件，显示磁场强度或待测目标处的磁场分布。

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