CN107544043A - 一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头 - Google Patents

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本发明公开了一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，包括射频检测模块、高压激励检测模块、超高速ADC、通信接口、FPGA+DSP模块、DAC模块、输入按键和显示屏；采用中心频率实时可调的高速带通滤波器和幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生。本发明的有益效果为：采用中心频率实时可调的带通滤波器、幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，除具备对光泵探头的电学信号的模拟外，更重要的是可以由人工设置磁场频点、特定预置的磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试；具有抗干扰能力强、使用方便等优点。

Description

一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头
技术领域
本发明涉及磁法勘探和航空反潜领域中氦光泵磁力仪的一种配试设备，主要是一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头。
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。氦光泵探头是一个磁敏元件，其由光学装置、高频激励线圈、光敏元件、射频线圈组成，磁力仪主机向其提供高压激励和射频功率，结合闭环跟踪环路可以完成对外磁场的测量。测试探头可通过模拟氦光泵探头各输入输出电学信号的特性，使得维修保障人员可将其用于磁探仪故障源定位；其还可以模拟产生由实际光泵探头记录下或其它特定的磁场信号或曲线，用于磁力仪软硬件的功能性能测试。
中国专利CN201320205284.9-“光泵传感器共振信号模拟装置”提出了一种可对输入的拉莫尔调频信号进行计数和输入数据进行处理，产生磁共振模型，通过脉冲宽度调制的形式处理，验证检测系统是否正常工作的光泵传感器共振信号模拟装置。该方法实现简单但对调频信号中心频率的测量精度有限，其也缺乏对高压激励、射频功率等氦光泵探头工作必须输入的功能模拟。
中国专利ZL 201520821078.X-“一种多功能型氦光泵磁力仪测试探头”提出了一种采用基于谐振电路和检波电路的拉莫尔共振信号解调电路获得磁共振模型，同时集成了功率源输出射频功率、火花枪输出的高压激励阈值检测，相对全面的模拟了氦光泵探头的电学信号的特性；但其仅模拟出光泵探头的电学特性，仅能模拟出单一磁场点即谐振电路共振频点，无法完成对磁力仪主机量程的测试，也无法模拟产生特定的磁场信号或曲线。此外，其采用的谐振电路通常LC选频网络实现，易受到外界的电磁干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头。其以FPGA+DSP为基础，采用中心频率实时可调的带通滤波器和幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，通过检测磁力仪主机提供的高压激励幅值、射频功率源激励功率模拟电学信号特性；可由人工选择特定预置磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，包括射频检测模块、高压激励检测模块、超高速ADC、通信接口、FPGA+DSP模块、DAC模块、输入按键和显示屏；采用中心频率实时可调的高速带通滤波器和幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，通过检测磁力仪主机提供的高压激励幅值、射频功率源激励功率模拟电学信号特性。
所述的FPGA+DSP模块中包含预置磁场曲线库、数据源选择模块、滤波器系数实时计算器、高速带通滤波器、幅度检波器、低通滤波与抽样模块、幅度控制器，其中，数据源选择模块由输入按键控制，选择预置磁场曲线库或通信接口实时接收到的磁场值频点fk；滤波器系数实时计算器以当前的磁场频点fk作为带通滤波中心频率计算出滤波器系数[a,b]；高速带通滤波器利用滤波器系数[a,b]对超高速ADC采集到的拉莫尔调频信号进行带通滤波后供给幅度检波器，幅度检波器输出通过低通滤波与抽样模块得到解调后的数字信号，幅度控制器根据射频检测模块和高压激励检测模块输出情况决定是否对信号进行输出，解调后的数字信号由DAC模块完成模拟磁共振信号输出。
更进一步的，对磁共振信号、高压激励、射频功率的模拟外，由人工选择特定预置磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试。
本发明的有益效果为：采用中心频率实时可调的带通滤波器、幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，除具备对光泵探头的电学信号的模拟外，更重要的是可以由人工设置磁场频点、特定预置的磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试；具有抗干扰能力强、使用方便等优点。
附图说明
附图1为多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头结构框图；
附图2为测试探头所能模拟的磁场曲线合集；
附图3为拉莫尔调频信号处理流程示意图。
图中，1表示射频检测模块，2表示高压激励检测模块，3表示超高速ADC、4表示通信接口、5表示FPGA+DSP模块、6表示DAC模块、7表示输入按键，8表示显示屏；501表示高速带通滤波器，502表示幅度检波器，503表示低通滤波与抽样模块，504表示幅度控制器，505表示磁场曲线库，506表示数据源选择模块，507表示滤波器系数实时计算器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明所述的这种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，包括射频检测模块1、高压激励检测模块2、超高速ADC3、通信接口4、FPGA+DSP模块5、DAC模块6、输入按键7和显示屏8；采用中心频率实时可调的高速带通滤波器和幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，通过检测磁力仪主机提供的高压激励幅值、射频功率源激励功率模拟电学信号特性。由人工选择特定预置磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试。
图1中，数字化氦光泵测试探头以FPGA+DSP为基础，结合超高速ADC将拉莫尔调频信号数字化后采用软件算法来实现磁共振信号的模拟，并通过DAC输出。其由射频检测模块1、高压激励检测模块2、超高速ADC 3、通信接口4、FPGA+DSP模块5、DAC模块6、输入按键7、显示屏8组成，其中，FPGA+DSP模块5中包含预置磁场曲线库505、数据源选择模块506、滤波器系数实时计算器507、高速带通滤波器501、幅度检波器502、低通滤波与抽样503、幅度控制器504。数据源选择506模块由输入按键7控制，选择预置磁场曲线库505或通信接口4实时接收到的磁场值频点fk；滤波器系数实时计算器507以当前的磁场频点fk作为带通滤波中心频率计算出滤波器系数[a,b]；高速带通滤波器501利用滤波器系数[a,b]对超高速ADC 3采集到的拉莫尔调频信号进行带通滤波后供给幅度检波器502，幅度检波器502输出通过低通滤波与抽样模块503得到解调后的数字信号，幅度控制器504根据射频检测模块1和高压激励检测模块2输出情况决定是否对信号进行输出，当火花枪点火时的输出电压达到4800V且射频输入功率高于3W才开启磁共振信号输出，解调后的数字信号由DAC模块6完成模拟磁共振信号输出，显示屏8可实时数据源选择情况、高压幅值、射频功率源实时功率等信息。
图2中，通信接口4实时接收离散的磁场数据Bi(n·Ts)，其中Ts≥0.1s，可用于模拟磁力仪在实际使用过程中的软硬件功能性能；预置磁场曲线库505中包含固定磁场点、阶跃磁场曲线、Anderson标准磁异常曲线三类，固定磁场点包括10000nT、20000nT、30000nT、48000nT、60000nT、70000nT共计6个，可用于磁力仪主机的量程测试；阶跃磁场曲线的幅值包括0.3nT、1nT、5nT、50nT、100nT共计5种，可用于磁力仪的响应速度测试；Anderson标准磁异常曲线包括单峰、双峰、三峰共计3种，可用于磁异常信号的识别算法测试；通过输入按键7选择其中一种磁场曲线后，将磁场点序列乘以磁场频率系数(氦光泵为28.035Hz/nT)作为带通滤波器的中心频率。
图3中，来自磁力仪主机的拉莫尔调频信号(中心频率fc＝560k～2.8MHz，频偏Δf＝2k～15kHz，调制频率F＝0.4k～1.5kHz)经过超高速ADC后以采样率为90MHz的数字信号送入带通滤波器；带通滤波器的中心频率随fk(或选择的磁场曲线Bk)实时变化，fk的采样率≤10Hz；带通滤波器将调频信号转变为调幅信号，经幅度检波、低通抽样后以175kSPS送至DAC变为模拟量的磁共振信号输出。磁异常曲线库及选择、滤波器系数实时计算在DSP中实现；采样率为90MSPS的带通滤波器、幅度检波、低通滤波与抽样均在FPGA中实现。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，其特征在于：包括射频检测模块(1)、高压激励检测模块(2)、超高速ADC(3)、通信接口(4)、FPGA+DSP模块(5)、DAC模块(6)、输入按键(7)和显示屏(8)；采用中心频率实时可调的高速带通滤波器和幅度检波器来模拟氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和磁共振信号产生，通过检测磁力仪主机提供的高压激励幅值、射频功率源激励功率模拟电学信号特性。
2.根据权利要求1所述的多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，其特征在于：所述的FPGA+DSP模块(5)中包含预置磁场曲线库(505)、数据源选择模块(506)、滤波器系数实时计算器(507)、高速带通滤波器(501)、幅度检波器(502)、低通滤波与抽样模块(503)、幅度控制器(504)，其中，数据源选择模块(506)由输入按键(7)控制，选择预置磁场曲线库(505)或通信接口(4)实时接收到的磁场值频点fk；滤波器系数实时计算器(507)以当前的磁场频点fk作为带通滤波中心频率计算出滤波器系数[a,b]；高速带通滤波器(501)利用滤波器系数[a,b]对超高速ADC(3)采集到的拉莫尔调频信号进行带通滤波后供给幅度检波器(502)，幅度检波器(502)输出通过低通滤波与抽样模块(503)得到解调后的数字信号，幅度控制器(504)根据射频检测模块(1)和高压激励检测模块(2)输出情况决定是否对信号进行输出，解调后的数字信号由DAC模块(6)完成模拟磁共振信号输出。
3.根据权利要求1所述的多功能数字化氦光泵磁力仪测试探头，其特征在于：由人工选择特定预置磁场曲线或通过通信接口接收实际记录磁场数据并实时回放，完成对磁力仪主机软硬件的功能性能测试。
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