CN104316969B - 一种智能型数字化氦光泵磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能型数字化氦光泵磁力仪，氦光泵探头分别与受控功率源、射频信号调理单元、灯室亮度检测单元、共振信号调理单元相连接，受控功率源、射频信号调理单元、灯室亮度检测单元、共振信号调理单元均与FPGA模块连接，FPGA模块与DSP模块连接，通信接口与DSP模块连接。本发明有益的效果：本发明的智能型数字化氦光泵磁力仪数字化、智能化程度高，具备量程宽、稳定度高、灯室亮度自检测、共振信号质量自检测、功能性能自检测、故障定位、频率响应自调节等优点。此外，本发明还集成了RS422接口和无线1553B总线，可以接收飞机上其它设备的数据处理后并上传。

Description

一种智能型数字化氦光泵磁力仪

技术领域

本发明涉及磁法勘探和航空反潜领域，更确切地说，是一种智能型数字化氦光泵磁力仪。

背景技术

氦光泵磁力仪基于氦原子在外磁场中发生塞曼分裂为基础，同时利用光泵作用和磁共振现象研制而成，其已被广泛地用于磁法勘探、航空反潜等领域。

中国专利CN1034059A-“跟踪式氦(He4)光泵磁力仪”提出了一种模拟跟踪式磁力仪，其包含压控振荡器、移相器、积分器等模拟电路，具有量程窄、线性度低、抗干扰能力差和存在计数器误差等缺点。随着直接数字频率合成DDS技术的发展，国内外学者均提出了采用DDS替代压控振荡器，采用数字的方法来实现闭环跟踪环路，如浙江大学硕士毕业论文《数字化氦光泵磁力仪的设计与实现》、2006年在《Technical Physics》发表的《Digitalmeasurement of the Mx resonance frequency in a rapidly varying field》等，但其均未说明具体的技术实施方案。

近年来，中国专利CN202929184U-“氦光泵磁共振信号全数字化检测装置”、CN102854537A-“一种数字式快速跟踪磁力仪”和CN203259640U-“新型全数字化氦光泵磁力仪”均提出了结构相近的数字化氦光泵磁力仪，采用PLD或FPGA完成了数字化，但均无智能化的特征，也无法直接用于航空磁法勘探尤其是航空反潜领域。这些专利数字化程度不够高，不具备智能化特征的具体表现为：灯室点亮仍采用低可靠性的高压火花枪、无设备功能性能自主检测、无灯室亮暗自主检测、无探头共振信号质量自主评价方法；不具备1553B总线接口，无法与飞机上的其它设备互连，无法直接用于航空磁法勘探和航空反潜。此外，CN202929184U虽然提出了数字化相敏检波器，但受高速ADC位数的限制，其仅采用了的ADC仅18位，能达到的分辨率比本发明中采用的模拟相敏检波器和高精密ADC组合要低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种智能型数字化氦光泵磁力仪，其数字化智能化程度高，仪器自主性高，具备量程宽、稳定度高，灯室亮度自检测、探头共振信号质量自评估、功能性能自主检测、故障自主定位、频率响应自主调节等优点。此外，本发明还集成了RS422接口、无线通信接口和1553B总线，可以接收飞机上其它设备的数据进行处理后上传。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种智能型数字化氦光泵磁力仪，主要包括氦光泵探头、受控功率源、射频信号调理单元、灯室亮度检测单元、共振信号调理单元、FPGA模块、DSP模块和通信接口，氦光泵探头分别与受控功率源、射频信号调理单元、灯室亮度检测单元、共振信号调理单元相连接，受控功率源、射频信号调理单元、灯室亮度检测单元、共振信号调理单元均与FPGA模块连接，FPGA模块与DSP模块连接，通信接口与DSP模块连接；氦光泵探头中含有第一无磁光敏元件、第二无磁光敏元件和第三无磁光敏元件，第一无磁光敏元件与信号选择器和光强检测电路连接、第二无磁光敏元件和第三无磁光敏元件与光强检测电路连接；亥姆赫兹线圈与射频驱动电路连接；光系组件与受控功率源连接；受控功率源的时钟和控制输入均与FPGA模块连接；射频信号调理单元内部的高速DAC和低速DAC均与FPGA模块连接，高速DAC和低速DAC输出经过信号加法器后与射频驱动电路连接,低速DAC产生的低频信号和拉莫尔调频信号相加后作用于亥姆赫兹线圈，完成磁力仪整机频率响应自测试；光强检测电路输出和多路低速ADC连接，最终连接到FPGA模块；信号选择器在FPGA模块的控制下，第一无磁光敏元件输出的共振信号和FPGA模块产生测试信号；程控增益选频放大器、相敏检波器和第一精密ADC共同完成信号选择器输出信号的一次信号调理，选频放大器、包络检波器和第二精密ADC共同完成信号选择器输出的二次信号调理，第一精密ADC和第二精密ADC均与FPGA模块连接；恒温晶振为FPGA模块提供时钟基准，FPGA模块与DSP模块通过双向高速并行接口连接，FPGA模块还向DSP模块提供控制时钟；SRAM芯片和Flash芯片均与DSP模块连接；RS422通信接口、1553B总线和无线通信接口均与DSP模块7连接。软件分别在FPGA模块和DSP模块中运行。

所述的氦光泵探头内装有第一无磁光敏元件、第二无磁光敏元件和第三无磁光敏元件，其中第一无磁光敏元件用于共振信号拾取，第二无磁光敏元件设置在氦室用于氦吸收室亮度检测，第三无磁光敏元件设置在氦灯附近，用于氦灯亮度检测。

所述的高速DAC和FPGA模块采用直接数字频率合成DDS技术产生磁共振所需的拉莫尔正弦调频信号，低速DAC303产生整机频率响应测试磁场信号，高速DAC和低速DAC的输出在信号加法器完成求和后经射频驱动电路作用于亥姆赫兹线圈。

在FPGA模块主要包含正弦调频DDS模块、PLL倍频、全局同步信号采集、低通滤波、移相器和双向高速并行接口，PLL倍频将10MHz倍频至90MHz并作为系统主时钟，正弦调频DDS模块根据DSP模块输出的中心频率控制字Δc产生正弦调频信号数据，经高速DAC302变为模拟信号施加到亥姆赫兹线圈，使得氦吸收室内产生磁共振现象；正弦调频DDS模块还输出调频同步信号，经过移相器后作为相敏检波器的参考信号；通过DSP模块读取共振信号一次谐波幅值v1，经过低通滤波和抽样后作为误差信号，PID控制器通过中心频率控制字Δc实时调节正弦调频信号的中心频率，最终使得误差信号为零，完成对外磁场的数字化闭环跟踪；飞机的飞行高度由通信接口获得，带宽估计完成特定飞行高度下目标信号的带宽，并调节PID控制器参数使得磁力仪带宽与之匹配；在地面需要测量磁力仪整机频率响应时，低速DAC输出低频信号，经亥姆赫兹线圈产生低频磁场，DSP模块依次调节输出信号的频率并记录下磁场值输出，最终完成磁力仪频率响应的测量。

受控功率源的时钟信号、功率控制信号均由FPGA模块提供。功率源时钟频率可调节。灯室点亮通过提升功率源的输出来实现，无需高压火花枪。本发明能从通信接口获取载体的飞行高度，并针对特定探测目标进行带宽估计后自主调整PID控制器参数，以达到最佳探测效能。FPGA模块能产生测试信号，通过信号选择器选择后完成对共振信号调理单元的功能性能自检测。DSP模块会对探头共振区进行分阶段扫描，包含粗扫描和细扫描。粗扫描主要完成探头信号的有无检测。细扫描主要完成探头性能的检测，包含线宽WB计算、信号幅值Am计算、正负峰相关系数R计算和峰值点信噪比测量。

本发明的有益效果为：磁力仪整机数字化、智能化程度高；整机能自动完成功能性能自检、探头共振信号质量评估；探头内增加的两路无磁光敏元件可用于灯室亮度检测；受控功率源开机时采用大功率激发灯室点亮，无需传统的高压火花枪；配备通信接口能与飞机上的其它设备通信，能用于航空磁法勘探和航空反潜。

附图说明

图1为智能型数字化氦光泵磁力仪结构框图；

图2为数字化闭环跟踪环路结构框图；

图3为探头共振信号一次谐波、二次谐波曲线；

图4为氦光泵探头共振曲线自检流程图；

图5为细扫描(N＝80)后用于计算相关系数R的正负峰数据。

附图中：1表示氦光泵探头，100表示光系组件，101表示第一无磁光敏元件，102表示第二无磁光敏元件，103表示第三无磁光敏元件，104表示亥姆赫兹线圈，2表示受控功率源，3表示射频信号调理单元，301表示射频驱动电路，302表示高速DAC，303表示低速DAC，304表示信号加法器，4表示灯室亮度检测单元，401表示灯室亮度检测电路，402为多路低速ADC，5表示共振信号调理单元，501表示增益可调选频放大器，502表示相敏检波器，503表示第一精密ADC，504表示选频放大器，505表示包络检波器，506表示第二精密ADC，507表示信号选择器，6表示FPGA模块，601表示恒温晶振，7表示DSP模块，701表示SRAM芯片，702表示Flash芯片，8表示通信接口，801表示RS422通信接口，802表示1553B总线，803表示无线通信接口，600和700分别表示在FPGA和DSP中运行的软件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

如图所示，这种智能型数字化氦光泵磁力仪，主要包括氦光泵探头1、受控功率源2、射频信号调理单元3、灯室亮度检测单元4、共振信号调理单元5、FPGA模块6、DSP模块7和通信接口8，氦光泵探头1分别与受控功率源2、射频信号调理单元3、灯室亮度检测单元4、共振信号调理单元5相连接，受控功率源2、射频信号调理单元3、灯室亮度检测单元4、共振信号调理单元5均与FPGA模块6连接，FPGA模块6与DSP模块7连接，通信接口8与DSP模块7连接；氦光泵探头1中含有第一无磁光敏元件101、第二无磁光敏元件102和第三无磁光敏元件103，第一无磁光敏元件101与信号选择器507和光强检测电路401连接、第二无磁光敏元件102和第三无磁光敏元件103与光强检测电路401连接；亥姆赫兹线圈104与射频驱动电路301连接；光系组件100与受控功率源2连接；受控功率源2的时钟和控制输入均与FPGA模块6连接；射频信号调理单元3内部的高速DAC302和低速DAC303均与FPGA模块6连接，高速DAC302和低速DAC303输出经过加法器304后与射频驱动电路301连接,低速DAC303产生的低频信号和拉莫尔调频信号相加后作用于亥姆赫兹线圈104，完成磁力仪整机频率响应自测试；光强检测电路401输出和多路低速ADC402连接，最终连接到FPGA模块6；信号选择器507在FPGA模块6的控制下，第一无磁光敏元件101输出的共振信号和FPGA模块6产生测试信号；程控增益选频放大器501、相敏检波器502和第一精密ADC503共同完成信号选择器507输出信号的一次信号调理，选频放大器504、包络检波器505和第二精密ADC506共同完成信号选择器507输出的二次信号调理，第一精密ADC503和第二精密ADC506均与FPGA模块6连接；恒温晶振601为F FPGA模块6提供时钟基准，FPGA模块6与DSP模块7通过双向高速并行接口连接，FPGA模块6还向DSP模块7提供控制时钟；SRAM芯片701和Flash芯片702均与DSP模块7连接；RS422通信接口801、1553B总线802和无线通信接口803均与DSP模块7连接。

受控功率源2完成FPGA模块6输出20～50MHz射频信号的功率放大，输出功率大小也由FPGA模块6控制。在开机时，受控功率源2先以大功率激励光系组件100，替代传统高压火花枪点亮氦灯、氦吸收室，确认灯室被点亮后保持较低恒定功率输出。

所述的氦光泵探头1内装有第一无磁光敏元件101、第二无磁光敏元件102和第三无磁光敏元件103，其中第一无磁光敏元件101用于共振信号拾取，第二无磁光敏元件102设置在氦室用于氦吸收室亮度检测，第三无磁光敏元件103设置在氦灯附近，用于氦灯亮度检测。

灯室亮度检测电路401将三个无磁光敏元件输出电流的直流成分变为电压，经多路低速ADC402采集后送入FPGA模块6供DSP模块7读取。

多路选择器507由FPGA系统6控制完成对101输出共振信号、FPGA产生测试信号的选通。可控增益选频放大器501完成输出信号的选频放大，相敏检波器502将选频放大器501的输出信号与FPGA模块6提供的参考信号进行相敏检波，精密ADC503完成信号一次谐波的数字化采集。选频放大器504、二极管检波器505和精密ADC506完成信号二次谐波的数字化采集。

高速DAC302和FPGA模块6采用直接数字频率合成DDS技术产生磁共振所需的拉莫尔正弦调频信号，低速DAC303产生整机频率响应测试磁场信号，两DAC的输出在信号加法器304完成求和后经射频驱动电路301作用于亥姆赫兹线圈104。

FPGA模块6是数字化的核心，其完成与受控功率源2、射频信号调理单元3、灯室亮度检测4和共振信号调理单元5的互连。软件600在FPGA运行，其完成拉莫尔正弦调频信号、各控制信号的产生，完成各模拟量的信号采集并提供给DSP系统7。

DSP模块7是智能化的核心，从FPGA系统6读取信息并通过FPGA系统6完成对外磁场的闭环跟踪、系统的智能化控制、整机功能性能自检。通信接口8包含RS422通信接口801、1553B总线接口802和无线通信接口803，可以接收飞机上其他设备的数据处理后并上传。

图2数字化闭环跟踪环路结构框图。在FPGA模块6内运行的软件600主要包含正弦调频DDS模块、PLL倍频、全局同步信号采集、低通滤波、移相器和双向高速并行接口，PLL倍频将10MHz倍频至90MHz并作为系统主时钟，正弦调频DDS模块根据DSP模块7输出的中心频率控制字Δc产生正弦调频信号数据，经高速DAC302变为模拟信号施加到亥姆赫兹线圈104，使得氦吸收室内产生磁共振现象；正弦调频DDS模块还输出调频同步信号，经过移相器后作为相敏检波器的参考信号；通过DSP模块7读取共振信号一次谐波幅值v1，经过低通滤波和抽样后作为误差信号，PID控制器通过中心频率控制字Δc实时调节正弦调频信号的中心频率，最终使得误差信号为零，完成对外磁场的数字化闭环跟踪；飞机的飞行高度由通信接口获得，带宽估计完成特定飞行高度下目标信号的带宽，并调节PID控制器参数使得磁力仪带宽与之匹配；在地面需要测量磁力仪整机频率响应时，低速DAC303输出低频信号，经亥姆赫兹线圈104产生低频磁场，DSP模块7依次调节输出信号的频率并记录下磁场值输出，最终完成磁力仪频率响应的测量。此外，软件700还完成系统控制，功能性能自检，探头共振曲线自检等功能。功能性能自检测包括FPGA系统6与DSP系统7互连接口自检、精密ADC自噪声测量、选放中心频率测量、相敏检波器自检等。

图3是氦光泵探头共振信号幅值与磁力仪输出磁场值和外磁场差值ΔB的关系曲线。一次谐波两个峰值点A、C对应磁场差值定位为探头线宽WB，O点叫做共振区中央点或跟踪点。

图4是氦光泵探头共振曲线自检流程图。其主要包括灯室点亮与亮度检测、粗扫描、峰值检测、细扫描、线宽WB信号幅值Am计算、峰值点A，C信噪比计算等。如果灯室亮度为满足要求或粗扫描未检测到正负峰，均会再次提升功率源2的输出功率后重试，重试三次后报出故障。在粗扫描出现正负峰(B1,A1)和(B2,A2)后，若|B2-B1|大于线宽上线WB0，|A1|或|A2|小于0.5V，均会报出警告。在细扫描结束后会自动完成线宽WB计算、信号幅值Am计算、选放增益调节、正负峰相关系数计算和AC两点的信噪比测量。

图5是细扫描(N＝80)后用于计算相关系数R的正负峰数据。对细扫描结果进行过零点检测可提取出共振曲线负峰OAB段AN_i、正峰OCD段AP_i，其中i＝1～N/2，记NN＝N/2。正负峰相关系数R按下式计算：

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NN}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{AN}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{AN}})\×({\mathrm{AP}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{AP}})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NN}}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{AN}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{AN}})}^2\×\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NN}}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{AP}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{AP}})}^2}}$

其中，分别为AN_i、AP_i的均值。

当探头正常时，R在0.9～0.99范围内。若多次出现R<0.8将报探头性能警告。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能型数字化氦光泵磁力仪，其特征在于：主要包括氦光泵探头(1)、受控功率源(2)、射频信号调理单元(3)、灯室亮度检测单元(4)、共振信号调理单元(5)、FPGA模块(6)、DSP模块(7)和通信接口(8)，氦光泵探头(1)分别与受控功率源(2)、射频信号调理单元(3)、灯室亮度检测单元(4)、共振信号调理单元(5)相连接，受控功率源(2)、射频信号调理单元(3)、灯室亮度检测单元(4)、共振信号调理单元(5)均与FPGA模块(6)连接，FPGA模块(6)与DSP模块(7)连接，通信接口(8)与DSP模块(7)连接；氦光泵探头(1)中含有第一无磁光敏元件(101)、第二无磁光敏元件(102)和第三无磁光敏元件(103)，第一无磁光敏元件(101)与信号选择器(507)和光强检测电路(401)连接、第二无磁光敏元件(102)和第三无磁光敏元件(103)与光强检测电路(401)连接；亥姆赫兹线圈(104)与射频驱动电路(301)连接；光系组件(100)与受控功率源(2)连接；受控功率源(2)的时钟和控制输入均与FPGA模块(6)连接；射频信号调理单元(3)内部的高速DAC(302)和低速DAC(303)均与FPGA模块(6)连接，高速DAC(302)和低速DAC(303)输出经过信号加法器(304)后与射频驱动电路(301)连接,低速DAC(303)产生的低频信号和拉莫尔调频信号相加后作用于亥姆赫兹线圈(104)，完成磁力仪整机频率响应自测试；光强检测电路(401)输出和多路低速ADC(402)连接，最终连接到FPGA模块(6)；信号选择器(507)在FPGA模块(6)的控制下，第一无磁光敏元件(101)输出的共振信号和FPGA模块(6)产生测试信号；程控增益选频放大器(501)、相敏检波器(502)和第一精密ADC(503)共同完成信号选择器(507)输出信号的一次信号调理，选频放大器(504)、包络检波器(505)和第二精密ADC(506)共同完成信号选择器(507)输出的二次信号调理，第一精密ADC(503)和第二精密ADC(506)均与FPGA模块(6)连接；恒温晶振(601)为FPGA模块(6)提供时钟基准，FPGA模块(6)与DSP模块(7)通过双向高速并行接口连接，FPGA模块(6)还向DSP模块(7)提供控制时钟；SRAM芯片(701)和Flash芯片(702)均与DSP模块(7)连接；RS422通信接口(801)、1553B总线(802)和无线通信接口(803)均与DSP模块(7)连接。

2.根据权利要求1所述的智能型数字化氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的氦光泵探头(1)内装有第一无磁光敏元件(101)、第二无磁光敏元件(102)和第三无磁光敏元件(103)，其中第一无磁光敏元件(101)用于共振信号拾取，第二无磁光敏元件(102)设置在氦室用于氦吸收室亮度检测，第三无磁光敏元件(103)设置在氦灯附近，用于氦灯亮度检测。

3.根据权利要求1所述的智能型数字化氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的高速DAC(302)和FPGA模块(6)采用直接数字频率合成DDS技术产生磁共振所需的拉莫尔正弦调频信号，低速DAC(303)产生整机频率响应测试磁场信号，高速DAC(302)和低速DAC(303)的输出在信号加法器(304)完成求和后经射频驱动电路(301)作用于亥姆赫兹线圈(104)。

4.根据权利要求1所述的智能型数字化氦光泵磁力仪，其特征在于：FPGA模块(6)主要包含正弦调频DDS模块、PLL倍频、全局同步信号采集、低通滤波、移相器和双向高速并行接口，PLL倍频将10MHz倍频至90MHz并作为系统主时钟，正弦调频DDS模块根据DSP模块(7)输出的中心频率控制字Δc产生正弦调频信号数据，经高速DAC(302)变为模拟信号施加到亥姆赫兹线圈(104)，使得氦吸收室内产生磁共振现象；正弦调频DDS模块还输出调频同步信号，经过移相器后作为相敏检波器的参考信号；通过DSP模块(7)读取共振信号一次谐波幅值v1，经过低通滤波和抽样后作为误差信号，PID控制器通过中心频率控制字Δc实时调节正弦调频信号的中心频率，最终使得误差信号为零，完成对外磁场的数字化闭环跟踪；飞机的飞行高度由通信接口获得，带宽估计完成特定飞行高度下目标信号的带宽，并调节PID控制器参数使得磁力仪带宽与之匹配；在地面需要测量磁力仪整机频率响应时，低速DAC(303)输出低频信号，经亥姆赫兹线圈(104)产生低频磁场，DSP模块(7)依次调节输出信号的频率并记录下磁场值输出，最终完成磁力仪频率响应的测量。