CN104808251A - 一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路，电路包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器。本发明将拉莫尔信号频率的测量从传统的时域变换到频域，采用由FFT算法和CZT算法相结合的方法实现测频：利用FFT算法获取当前信号的粗略频率值，并在以该粗略值为中心点的窄带范围内，采用CZT算法进行局部窄带频谱细化从而实现高精度测频；克服了现有硬件测频方案在信号指数衰减到后期会出现整形错误的固有缺陷，不会引入新的误差，将该磁力仪的测频精度提高到0.001Hz，在增加测频有效时间同时，提高仪器的整体测量速率；后期测频方案升级方便，有效降低仪器改造成本。

Description

一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路

技术领域

本发明涉及磁力仪测量技术领域，具体涉及一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路。

背景技术

Overhauser磁力仪是一种在普通质子旋进磁力仪的基础上，利用基于自由基物质动态核极化效应的弱磁测量技术，其获得的拉莫尔信号要比普通质子旋进磁力仪高一个数量级。与其他磁场测量技术相比，该磁力仪具有灵敏度高、功耗低、无进向误差，无死区等特点，因此在资源勘探、航天，军事等领域得到了广泛运用。由于Overhauser磁力仪是通过测量传感器输出的拉莫尔信号的频率，然后利用磁旋比常数来计算得到当前地磁总场强度值，因此仪器的测频精度直接决定了磁场测量精度。

目前绝大多数Overhauser磁力仪采用的是传统硬件测频方案：首先将拉莫尔信号整形变为方波，然后再进行计数或计时测频。如，中国专利ZL201010147845.5公布了一种Overhauser磁力仪的设计，在该专利中采用了基于CPLD的多周期同步法来进行测频。中国专利申请CN101493529B公布了一种提高质子磁力仪测量精度的方法及电路，该专利采用了基于二进制计数器的测周法，并利用实时信号数据等级评估及处理法和器件温度系数校正法从而实现测频。中国专利申请CN103412344A公布了一种多参数测量质子磁力仪，该专利采用了由硬件电子门和计数器组成频率计来实现测频。

当采用上述文献中的方法时，测量时间越长，精度越高。但由于拉莫尔信号是呈指数衰减的，当拉莫尔信号衰减到后期，信噪比较低时，过零干扰和相位噪声通过比较器之后会产生整形错误，使得方波的波形发生畸变，从而引入新的计数误差。虽然通过滞回型比较器在零点处附近设置一个比较阀值区可以减少这种误差，且阀值区越宽，计数误差就越少，但同时也会减少测频时间，同样会降低测频精度。因此这种基于硬件的测频方案因其固有的缺陷很难实现高精度测频。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路，克服了现有硬件测频方案在拉莫尔信号衰减到后期会出现整形错误的固有缺陷，不会引入新的计数或计时误差，将Overhauser磁力仪的磁场测频精度提高到0.001Hz。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，包括如下步骤：

1)对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行高精度A/D采样得到高速离散数据；

2)将步骤1)获得的高速离散数据进行FFT算法获取当前拉莫尔信号的频率粗略值；

3)在以步骤2)获得的频率粗略值为中心点的窄带范围内，采用CZT(线性调频Chirp—Z变换)算法进行局部频谱细化，获取相应频带内的频谱(频率精确值)。

按上述方案，实现该方法的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路，包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11、LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡，所述Overhauser传感器的输入端与工作物质激励电路连接、输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端经ADC转换器与FPGA连接，FPGA分别与数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作物质激励电路连接，嵌入式控制器ARM 11分别与LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡连接；所述嵌入式控制器ARM11与FPGA用于控制工作物质激励电路激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；所述调理电路用于对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行放大和滤波。

按上述方案，所述步骤1)具体包括如下工作流程：

a、传感器工作物质激励：先进行高频激励来电子顺磁共振和电子系统能量到质子系统的转移，后进行直流脉冲激励以输出拉莫尔信号；

b、传感器工作物质激励完成后等待50ms，利用高速与高精度24-bit的ADC转换器将拉莫尔信号进行高精度快速模数转换成高速离散数据；

c、利用FPGA中的FIFO对高速离散数据进行缓存并最终存入数据存储器SDRAM；

d、当数据量达到预定值后停止数据采集，嵌入式控制器ARM11通过FPGA中的总线转换器读取数据存储器SDRAM中的离散数据。

按上述方案，所述步骤2)具体采用嵌入式控制器ARM11将离散数据进行FFT算法处理获取当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀。

按上述方案，所述步骤3)具体为：以当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀为中心，在f₀±Δf范围内采用CZT算法进行局部的窄带频谱细化，其中Δf为频率分辨率。

按上述方案，所述CZT算法进行窄带频谱细化的倍数由数据长度M决定，频率分辨率Δf为：

       $\mathrm{\Δ}f=\frac{f_2-f_1}{M}$

式中，f₂和f₁分别为频谱细化范围的上限值和下限值。

本发明具有以下有益效果：

1、该方法采用由FFT算法和CZT算法相结合的方法实现Overhauser磁力仪中拉莫尔信号的高精度测频，克服了现有硬件测频方案在拉莫尔信号衰减到后期会出现整形错误的固有缺陷，不会引入新的计数或计时误差，将Overhauser磁力仪的磁场测频精度提高到0.001Hz；

2、该方法采用了“ADC转换器+FPGA+嵌入式控制器ARM11+数据存储器SDRAM”的高速数据采集与处理硬件架构，能够在增加拉莫尔信号的有效测频时间的同时，提高仪器的整体测量速率；

3、纯软件测频方法，便于在后期进行测频方案的软件升级，有效降低仪器改造成本；

4、该方法还可在普通质子旋进磁力仪、光泵类磁力仪中使用。

附图说明

图1是实现本发明提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路总体框图；

图2是提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的技术原理图；

图3是对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行高精度A/D采样的流程图；

图4是拉莫尔信号的频谱细化流程图；

图5是拉莫尔信号分别经过FFT算法和CZT频谱细化算法处理后的频谱对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路，包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11、LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡，所述Overhauser传感器的输入端与工作物质激励电路连接、输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端经ADC转换器与FPGA连接，FPGA分别与数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作物质激励电路连接，嵌入式控制器ARM 11分别与LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡连接；所述嵌入式控制器ARM11与FPGA用于控制工作物质激励电路激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；所述调理电路用于对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行放大和滤波。

如图2所示，本发明提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法的工作原理为：

嵌入式控制器ARM11与FPGA控制工作物质激励电路启动来激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；拉莫尔信号传送到调理电路，经过放大和滤波后送到高速与高精度的ADC转换器进行A/D转换成离散数据(数字离散信号)，FPGA将高速的离散数据存入数据存储器SDRAM；嵌入式控制器ARM11控制FPGA读取离散数据，并利用FFT算法处理离散数据，获取频谱中幅度最大值对应点的频率粗略值，确定当前信号频谱细化的范围；嵌入式控制器ARM11利用CZT算法在频率粗略值附近进行频谱细化，获取当前拉莫尔信号的频率精确值，然后通过磁旋比公式计算得到当前的地磁总场数据，存入SD卡并在LCD显示器上显示，仪器也可通过USB接口将地磁总场数据传至上位机。

参照图3所示，本发明采用三个关键步骤来提高Overhauser磁力仪中拉莫尔信号的测频精度，其详细描述如下：

1)对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行高精度A/D采样，该步骤具体包括如下工作流程：

a、传感器工作物质激励：先进行高频激励来电子顺磁共振和电子系统能量到质子系统的转移，后进行直流脉冲激励以输出拉莫尔信号；

b、传感器工作物质激励完成后等待50ms，利用高速与高精度24-bit的ADC转换器将拉莫尔信号进行高精度快速模数转换成高速离散数据(数字信号)；

c、由于ADC转换器与数据存储器SDRAM之间的速率并不一致，故在转换过程中利用FPGA中的FIFO对高速离散数据进行缓存并最终存入数据存储器SDRAM；

d、当存入的离散数据的数据量达到预定值后停止数据采集，嵌入式控制器ARM11通过FPGA中的总线转换器读取数据存储器SDRAM中的离散数据；由于拉莫尔信号呈指数衰减，因此必须设置合适的A/D采样率和采样点数：地磁总场的范围为20000nT～100000nT，则根据磁旋比公式可知拉莫尔信号的频率范围为800Hz～4500Hz，当设置ADC转换器的采样率为20kHz，采样点数为6385个点，则此时满足Nyquist条件，有效测频时间约为320ms，频率精度为20000/6385＝3.13Hz；

2)嵌入式控制器ARM11将离散数据(经ADC转换器转换的A/D离散信号)进行FFT算法处理获取当前拉莫尔信号的频率粗略值；由于此时拉莫尔信号经过调理电路中的配谐电路和带通滤波器处理后信噪比得到明显改善，因此当用FFT算法进行处理时，在频谱中幅值最大点所对应的频点即是当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀；

3)以当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀为中心，在f₀±Δf范围内采用CZT算法进行局部的窄带频谱细化，获取相应频带内的频谱。

FFT算法的实质是序列在单位圆上Z变换的N点均匀取样，N个取样点均匀分布在2π范围内。这种均匀取样也使FFT的频率分辨率限制为f_s/N，其中f_s为拉莫尔信号的采样率。而CZT算法突破了FFT的2π范围内频率分辨率相同的局限性：在Z平面单位圆上截取一小段圆弧，只在该弧段上进行序列Z变换的均匀取样，且取样间隔可以根据需要来设定。如果所取弧段对应于待细化观察的窄带频带，则CZT算法就可以获取相应频带内的频谱。

拉莫尔信号的频谱细化流程如图4所示：

首先，求取y(n)，图4中，x(n)为拉莫尔信号离散序列，其中A₀、W₀为任意正实数，并且在拉莫尔信号离散序列后面补零使其数据长度为M；

然后，求取y(n)和h(n)的卷积，其中同样在该卷积结果序列的后面补零使其数据长度为M；

最后，获取数据长度为M的局部窄带频谱细化结果。

CZT频谱细化的倍数由数据长度M决定，当细化范围为1995Hz～2005Hz时，取数据长度为M＝10000，则频率分辨率为：

       $\mathrm{\Δ}f=\frac{f_2-f_1}{M}=\frac{2005-1995}{10000}Hz=0.001Hz$

式中，f₂和f₁分别为频谱细化范围的上限值和下限值。

图5为拉莫尔信号分别经过FFT算法和CZT频谱细化算法处理后的频谱图对比，从图5中可以看出CZT算法对于拉莫尔信号局部频谱有很好的放大作用。

当输入不同频率的拉莫尔信号时，测试结果能达到0.001Hz的频率分辨率。测试结果如表1所示。

表1不同频率测试结果

      

实际频率(Hz)	2000.1	2000.2	2000.3	2000.4	2000.5
						测试结果(Hz)	2000.1	2000.2	2000.3	2000.4	2000.5
实际频率(Hz)	2000.01	2000.02	2000.03	2000.04	2000.05
						测试结果(Hz)	2000.01	2000.02	2000.03	2000.04	2000.06
实际频率(Hz)	2000.001	2000.002	2000.003	2000.004	2000.005
						测试结果(Hz)	2000.001	2000.002	2000.003	2000.004	2000.005

由表1可以看出经过Chirp—Z变换后测试结果精度能达到0.001Hz，且随着增大数据长度M的值可以继续提高频率分辨率，进而增加磁场测量结果的精度。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (7)

1.一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行高精度A/D采样得到高速离散数据；

2)将步骤1)获得的高速离散数据进行FFT算法获取当前拉莫尔信号的频率粗略值；

3)在以步骤2)获得的频率粗略值为中心点的窄带范围内，采用CZT算法进行局部频谱细化，获取相应频带内的频谱。

2.根据权利要求1所述的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特点在于，实现该方法的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路，包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11、LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡，所述Overhauser传感器的输入端与工作物质激励电路连接、输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端经ADC转换器与FPGA连接，FPGA分别与数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作物质激励电路连接，嵌入式控制器ARM 11分别与LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡连接；所述嵌入式控制器ARM11与FPGA用于控制工作物质激励电路激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；所述调理电路用于对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行放大和滤波。

3.根据权利要求2所述的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特点在于，所述步骤1)具体包括如下工作流程：

a、传感器工作物质激励：先进行高频激励来电子顺磁共振和电子系统能量到质子系统的转移，后进行直流脉冲激励以输出拉莫尔信号；

b、传感器工作物质激励完成后等待50ms，利用高速与高精度24-bit的ADC转换器将拉莫尔信号进行高精度快速模数转换成高速离散数据；

c、利用FPGA中的FIFO对高速离散数据进行缓存并最终存入数据存储器SDRAM；

d、当数据量达到预定值后停止数据采集，嵌入式控制器ARM11通过FPGA中的总线转换器读取数据存储器SDRAM中的离散数据。

4.根据权利要求2所述的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特点在于，所述步骤2)具体采用嵌入式控制器ARM11将离散数据进行FFT算法处理获取当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀。

5.根据权利要求2所述的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特点在于，所述步骤3)具体为：以当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀为中心，在f₀±Δf范围内采用CZT算法进行局部的窄带频谱细化，其中Δf为频率分辨率。

6.根据权利要求5所述的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，其特点在于，所述CZT算法进行窄带频谱细化的倍数由数据长度M决定，频率分辨率Δf为：

$\mathrm{\Δf}=\frac{f_2-f_1}{M}$

式中，f₂和f₁分别为频谱细化范围的上限值和下限值。

7.一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路，其特征在于：包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11、LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡，所述Overhauser传感器的输入端与工作物质激励电路连接、输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端经ADC转换器与FPGA连接，FPGA分别与数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作物质激励电路连接，嵌入式控制器ARM 11分别与LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡连接；所述嵌入式控制器ARM11与FPGA用于控制工作物质激励电路激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；所述调理电路用于对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号放大和滤波。