CN108227010B - 面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，包括抽运光生成模块、第一光学模块、磁共振模块、光电检测模块、信号处理模块。信号处理模块包括依次连接的放大滤波单元、自激振荡单元、磁共振频率测量单元、计算单元。放大滤波单元包括第一带通滤波器和第二带通滤波器。第一带通滤波器用于粗测电信号频率。第二带通滤波器用于精测电信号频率。自激振荡单元还包括第一移相器和第二移相器。第一移相器与第一带通滤波器连接。第二移相器与第二带通滤波器连接。通过第一带通滤波器和第一移相器以粗测电信号频率的值。再通过第二带通滤波器和第二移相器进一步得到所述电信号频率的精确测量值，以提高探测效率和探测精度。

Description

面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器

技术领域

本发明涉及探测领域，特别是涉及一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器。

背景技术

目前在中国的黑龙江、吉林、辽宁、内蒙、山西、河北、北京、天津、安徽、江苏、浙江、江西、河南、湖北、湖南、广东、广西等17个省市100多个地点已经发现埋地的未爆弹。未爆弹不仅分布广泛、数量众多，而且埋藏点情况各异，居民区、林区、田地、隧道、江河里都发现了未爆弹。未爆弹又具有体积小、质量少的特点。所以未爆弹探测情况复杂，困难。为彻底销毁未爆弹，保护环境，维护公民人身安全，提供安全、准确、可靠、高效的未爆弹探测技术非常必要。

未爆弹具有铁质金属外壳，是铁磁性物体，在地磁场的作用下被磁化，局部区域内产生磁异常，用磁力仪进行观测，就能发现磁异常的范围和强度情况，通过对观测数据的反演解释，即可推测得到未爆弹的埋藏位置、大小等参数。然而，经过多年的掩埋，未爆弹往往锈蚀严重，其外壳不再以铁为主要物质，取而代之的是氧化铁和四氧化三铁。但是传统的设备对氧化铁和四氧化三铁的探测精度差、探测时间长，这都影响了探测的精度和效率。

发明内容

基于此，有必要针对传统的探测设备探测精度差、探测时间长的问题，提供一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器。

一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，包括：

抽运光生成模块，用于输出近红外光；

第一光学模块，用于将所述近红外光转换为圆偏振光；

磁共振模块，包括：

射频线圈，用于产生射频磁场；

铯吸收室，包括铯单质，在所述射频磁场、被测磁场和所述圆偏振光的共同作用下使所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号；

光电检测模块，用以接收所述调制近红外信号，并将所述调制近红外信号转换成电信号；

信号处理模块，与所述光电检测模块连接，包括：

依次连接的放大滤波单元、自激振荡单元、磁共振频率测量单元、计算单元；

所述放大滤波单元，包括：

第一带通滤波器，用于粗测所述电信号的频率；

第二带通滤波器，用于精测所述电信号的频率；

所述自激振荡单元还与所述射频线圈连接，用于激励所述射频线圈输出所述射频磁场，包括：

第一移相器，与所述第一带通滤波器连接；

第二移相器，与所述第二带通滤波器连接。

在其中一个实施例中，所述第二带通滤波器包括至少两个第一频率波段选择元件，所述第二移相器包括至少两个第二频率波段选择元件，所述第一频率波段选择元件和所述第二频率波段选择元件一一对应设置，用以通过选择不同的工作波段精测所述电信号的频率。

在其中一个实施例中，所述放大滤波单元还包括依次连接的前级放大器和后级放大器，所述后级放大器还与所述第一带通滤波器、所述第二带通滤波器连接。

在其中一个实施例中，还包括温度控制模块，与所述磁共振模块连接，用于控制所述铯吸收室内的温度。

在其中一个实施例中，所述温度控制模块还包括模糊PID控制器。

在其中一个实施例中，还包括第二光学模块，所述第二光学模块设置于所述铯吸收室和所述光电检测模块之间，用以将所述调制近红外信号聚焦于所述光电检测模块。

在其中一个实施例中，还包括姿态补偿模块，相对于所述磁共振模块固定设置，用于监测从所述第一光学模块输出的所述圆偏振光与所述被测磁场磁力线的夹角。

在其中一个实施例中，所述光电检测模块包括依次连接的光电二极管和光电转换电路。

在其中一个实施例中，还包括：

终端控制模块，分别与所述抽运光生成模块、磁共振模块、光电检测模块、信号处理模块连接。

在其中一个实施例中，所述铯吸收室内层有石蜡涂层。

本发明提供的面向埋地未爆弹的铯光泵探测器包括放大滤波单元。所述放大滤波单元包括第一带通滤波器和第二带通滤波器。所述第一带通滤波器用于粗测电信号的频率。所述第二带通滤波器用于精测所述电信号的频率。所述自激振荡单元还与所述射频线圈连接。所述自激振荡单元还包括第一移相器和第二移相器。所述第一移相器与所述第一带通滤波器连接。所述第二移相器与所述第二带通滤波器连接。通过所述第一带通滤波器和第一移相器、以粗测所述电信号的频率的值。再通过所述第二带通滤波器和第二移相器精测所述电信号的频率的值，以提高探测效率和探测精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器模块图；

图2为本发明实施例提供的放大滤波单元和自激振荡单元示意图；

图3为本发明实施例提供的PID模糊控制器示意图。

主要元件符号说明

面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10

抽运光生成模块110

第一光学模块120

第一透镜121

第一滤光片122

线偏振片123

1/4玻片124

磁共振模块130

射频线圈131

铯吸收室132

加热装置133

光电检测模块140

光电二极管141

光电转换电路142

信号处理模块150

放大滤波单元151

计算单元152

自激振荡单元153

磁共振频率测量单元154

温度控制模块160

模糊PID控制器161

第二光学模块170

第二透镜171

第二滤光片172

姿态补偿模块180

终端控制模块190

前级放大器191

后级放大器192

第一带通滤波器193

第二带通滤波器194

第一移相器195

第二移相器196

第一频率波段选择元件197

第二频率波段选择元件198

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1-2，本发明实施例提供一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器 10。所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10包括：抽运光生成模块110、第一光学模块120、磁共振模块130、光电检测模块140、信号处理模块150。所述抽运光生成模块110用于输出近红外光。所述第一光学模块120用于将所述近红外光转换为圆偏振光。所述磁共振模块130包括铯吸收室132和射频线圈131。所述射频线圈131用于产生射频磁场。所述铯吸收室132包括铯单质。所述铯吸收室132中的铯单质在所述射频磁场、被测磁场和所述圆偏振光的共同作用下使所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号。所述光电检测模块140用以接收所述调制近红外信号，并将所述调制近红外信号转换成电信号。所述信号处理模块150与所述光电检测模块140连接。所述信号处理模块150 用以通过所述电信号计算所述被测磁场信号。所述信号处理模块150还包括依次连接的放大滤波单元151、自激振荡单元153、磁共振频率测量单元154、计算单元152。所述放大滤波单元151包括第一带通滤波器193和第二带通滤波器 194。所述第一带通滤波器193用于粗测所述电信号频率。所述第二带通滤波器 194用于精测所述电信号频率。所述自激振荡单元153还与所述射频线圈131连接。所述自激振荡单元153用于激励所述射频线圈131。所述自激振荡单元153 还包括第一移相器195和第二移相器196。所述第一移相器195与所述第一带通滤波器193连接。所述第二移相器196与所述第二带通滤波器194连接。

在所述铯吸收室132中，通过所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号，并输入所述光电检测模块140。所述调制近红外信号在所述光电检测模块 140中转换为电信号后输入所述信号处理模块150。当铯原子发生光磁共振时，所述射频磁场的频率等于铯原子处于低能级壳层的电子跃迁到某一高能级壳层的跃迁频率f。所述跃迁频率与磁场强度B成正比，B＝(2π/γ)f。其中，γ是铯原子旋磁比，为一常数。在所述信号处理模块150中，对所述电信号进行处理，通过所述公式B＝(2π/γ)f可以得到所述被测磁场的强度B。

所述抽运光生成模块110可以包括半导体激光器。所述半导体激光器可以产生波长为894nm的近红外光。所述第一光学模块120可以包括依次设置的第一透镜121、第一滤光片122、线偏振片123、1/4玻片124。从所述抽运光生成模块110产生的所述近红外光可以通过所述第一透镜121依次穿过所述第一滤光片122、所述线偏振片123、所述1/4玻片124。其中，所述第一滤光片122 可以滤掉杂散光。所述第一透镜121可以将所述近红外光扩束生成平行光。所述平行光通过所述线偏振片123生成线偏振光。所述线偏振光在通过所述1/4玻片124后生成圆偏振光。然后所述圆偏振光射入所述铯吸收室132内。

所述放大滤波单元151用以放大所述电信号。所述自激振荡单元153可以将所述放大滤波单元151放大的所述电信号输入所述磁共振频率测量单元154 进行频率测量。测量的频率结果可以输入所述计算单元152计算以得到被测磁场的强度。

本发明所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10，通过调节所述磁共振模块130中所述射频磁场的频率，能够过使得铯单质在被测磁场、近红外光和射频磁场的共同作用下发生光磁共振现象。通过光磁共振时被测磁场与外加射频磁场的频率的函数关系，能够得出被测磁场的强度。在所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10工作时，可以先启动所述第一带通滤波器193和第一移相器195，以粗测所述电信号频率值。再根据粗测所述电信号频率得到的值选择所述第二带通滤波器194和第二移相器196的不同工作波段,得到所述电信号频率的精确测量值，以提高探测效率和探测精度。

在其中一个实施例中，所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10还包括终端控制模块190。所述终端控制模块190分别与所述抽运光生成模块110、磁共振模块130、光电检测模块140、信号处理模块150连接。所述终端控制模块 190可以为STM32芯片。所述终端控制模块190可以控制所述抽运光生成模块110发出近红外光。所述终端控制模块190还可以控制光电检测模块140、信号处理模块150工作，并将最终的被测磁场的强度通过显示装置显示。

在其中一个实施例中，所述第二带通滤波器194包括至少两个第一频率波段选择元件197。所述第二移相器196包括至少两个第二频率波段选择元件198。所述第一频率波段选择元件197和所述第二频率波段选择元件198一一对应设置，用以通过选择不同的工作波段精测所述电信号的频率。所述第二带通滤波器194可以为LC滤波器。所述第二带通滤波器194的频带频宽可以为 70kz-350kz。所述第一频率波段选择元件197可以为相连接的高速模拟开关、变容二极管。所述第二频率波段选择元件198也可以由相连接的高速模拟开关、变容二极管构成。在其中一个实施例中，一个所述第一频率波段选择元件197 和一个所述第二频率波段选择元件198构成一个频率组别。在其中一个实施例中，可以包括6个由所述第一频率波段选择元件197和所述第二频率波段选择元件198构成的六个所述频率组别。每一组别可以对应不同的波段： 70kHz-93kHz，93kHZ-121kHz，121kHz-158kHz，158kHz-206kHz， 206kHz-269kHz，269kHz-350kHz。依据粗测的结果选择不同的组别以缩小探测的范围，提高探测效率和精度。

在其中一个实施例中，所述放大滤波单元151还包括依次连接的前级放大器191和后级放大器192。所述后级放大器192还与所述第一带通滤波器193、所述第二带通滤波器194连接。所述放大滤波单元151还可以包括高速模拟开关。所述前级放大器191可以为超低噪声的JFET。对所述前级放大器191单独稳压供电，避免其它干扰通过电源对所述前级放大器191产生影响。所述自激振荡单元153还可以包括高精度高速运算放大器。所述第二移相器196还可以包括6组高速模拟开关、变容二极管和运算放大器。所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10工作时，所述终端控制模块190发送控制指令选择所述第一带通滤波器193、第一移相器195进行所述电信号频率的粗测。磁共振频率测量单元154通过所述计算单元152将测量结果发送到所述终端控制模块190。终端控制模块190发送控制指令选择所述第二带通滤波器194、第二移相器196进行所述电信号频率的精测。

在其中一个实施例中，所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10还包括温度控制模块160。所述温度控制模块160与所述磁共振模块130连接，用于控制所述铯吸收室132内的温度。为了能够在铯气室形成光泵效应，需要使吸收室的铯单质处于蒸汽状态(铯元素在43℃左右可以变成蒸汽)，铯气室温度恒定在 50℃最优。通过所述温度控制模块160控制所述磁共振模块130中所述铯吸收室132内的温度在一定范围，能够提高测量的精度。

在其中一个实施例中，所述磁共振模块130中还可以包括加热装置133。所述温度控制模块160可以通过控制所述加热装置133的加热温度控制所述铯吸收室132中的铯原子的温度。所述加热装置133可以为加热线圈。

请参见图3，在其中一个实施例中，所述温度控制模块160还包括模糊PID 控制器161。所述温度控制模块160可以包括加热装置133控制电路与Ptl000 温度检测电路。由于未爆弹勘测过程中无时无刻不存在干扰，为了排除干扰，可以通过模糊算法控制非线性、时变、滞后等物件。模糊PID控制器161可以通过模糊控制实现对模糊PID控制器161的三个参数：比例系数Kp、积分时间常数Ki和微分时间常数Kd的线上校正。使用所述温度控制模块160时，将所述Ptl000温度检测电路检测到的铯气室实际温度和设定温度的温度偏差e和偏差变化率ec，作为所述模糊PID控制器161输入变数，进行模糊化处理。然后，在模糊化处理过程中，对模糊化的偏差e和偏差变化率ec进行模糊逻辑决策，应用模糊推理算法和解模糊化方法，进行信息处理，最后输出所述模糊PID控制器161的三个输入变数ΔKp、ΔKi和ΔKd，并进行线上控制。通过线上调整，以满足在不同时刻e和ec时对所述模糊PID控制器参数的自整定要求。

模糊PID控制器161模糊化过程可以包括：将输入变数(温度偏差e和温度偏差变化率ec)的精确值进行模糊化处理，使之成为模糊语言变数值。对温度偏差e和温度偏差变化率ec采用13个等级量化：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，选用语言变数为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。将输出变数ΔKp、ΔKi,和ΔKd量化为13等级{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3， 4，5，6}，选用语言变数为NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。由于隶属函数的形状对模糊控制的控制效果影响较小，输入变数和输出变数都采用三角集合的模糊隶属函数。

模糊推理过程可以包括：根据模糊控制规则对模糊化处理后的输入变数E 和EC进行模糊推理，获取输出变数的模糊值。根据操作经验可知，在调节过程的初期和中期Kp适当的增大一些，以提高回应速度。在调节过程的后期，则把 Kp适当的减小一些，以提高系统的稳定性。为了避免产生积分饱和，在控制初期Ki应小一些，在调节过程中期，为避免影响系统的稳定性，积分作用应适中。而在调节过程后期，应增强积分作用，以减少静态偏差。Kd值的选取对调节动态特性的影响很大。在调节过程初期，加大微分作用，可减小甚至避免超调。在调节中期，过程对Kd敏感，Kd应置小一些。调节过程后期，为了抑制扰动， Kd也应减小。依据以上原则，制定PID各参数的模糊控制规则表，请参见表1。

表1

解模化过程可以包括利用加权平均法对控制器的模糊输出解模糊化处理，可以得到ΔKp、ΔKi和ΔKd的精确值。

在其中一个实施例中，所述面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器10还包括第二光学模块170。所述第二光学模块170设置于所述铯吸收室132和所述光电检测模块140之间。所述第二光学模块170用以将所述调制近红外信号聚焦于所述光电检测模块140。所述第二光学模块170可以包括第二透镜171和第二滤光片172。所述调制近红外信号通过所述第二透镜171聚焦到所述光电检测模块 140。通过所述第二滤光片172可以对所述调制近红外信号进行降噪处理。所述第二滤光片172可以采用窄带通滤光片。

在其中一个实施例中，所述面向埋地未爆弹的铯光泵探测器10还包括姿态补偿模块180。所述姿态补偿模块180相对于所述磁共振模块130固定设置。所述姿态补偿模块180用于监测从所述第一光学模块120输出的所述圆偏振光与所述被测磁场的夹角。所述面向埋地未爆弹的铯光泵探测器10工作时，要求从所述第一光学模块120输出的所述圆偏振光所在的光路与所述被测磁场磁力线的夹角超过±6°，否则所述面向埋地未爆弹的铯光泵探测器10会进入死区，无法工作。所述姿态补偿模块180可以包括陀螺仪、三轴加速度计和数位罗盘。所述陀螺仪和所述三轴加速度计可以测量所述圆偏振光的方向变化。所述数位罗盘可以测量所述被测磁场磁力线方向。所述陀螺仪、所述三轴加速度计和所述数位罗盘还可以与所述终端控制模块190连接。

在其中一个实施例中，所述光电检测模块140包括依次连接的光电二极管 141和光电转换电路142。所述光电二极管141接收到光信号后可以通过所述光电转换电路142将光信号转换为电信号。

在其中一个实施例中，所述铯吸收室132内层有石蜡涂层。所述石蜡涂层可以降低驰豫作用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，包括：

抽运光生成模块(110)，用于输出近红外光；

第一光学模块(120)，用于将所述近红外光转换为圆偏振光；

磁共振模块(130)，包括：

射频线圈(131)，用于产生射频磁场；

铯吸收室(132)，包括铯单质，在所述射频磁场、被测磁场和所述圆偏振光的共同作用下，使所述铯单质产生光磁共振以输出调制近红外信号；

光电检测模块(140)，用以接收所述调制近红外信号，并将所述调制近红外信号转换成电信号；

信号处理模块(150)，与所述光电检测模块(140)连接，包括：

依次连接的放大滤波单元(151)、自激振荡单元(153)、磁共振频率测量单元(154)、计算单元(152)；

所述放大滤波单元(151)，包括：

第一带通滤波器(193)，用于粗测所述电信号的频率；

第二带通滤波器(194)，用于精测所述电信号的频率；

所述自激振荡单元(153)还与所述射频线圈(131)连接，用于激励所述射频线圈(131)，包括：

第一移相器(195)，与所述第一带通滤波器(193)连接；

第二移相器(196)，与所述第二带通滤波器(194)连接；

所述第二带通滤波器(194)包括至少两个第一频率波段选择元件(197)，所述第二移相器(196)包括至少两个第二频率波段选择元件(198)，所述第一频率波段选择元件(197)和所述第二频率波段选择元件(198)一一对应设置，用以通过选择不同的工作波段精测所述电信号的频率。

2.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，所述放大滤波单元(151)还包括依次连接的前级放大器(191)和后级放大器(192)，所述后级放大器(192)还与所述第一带通滤波器(193)、所述第二带通滤波器(194)连接。

3.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，还包括温度控制模块(160)，与所述磁共振模块(130)连接，用于控制所述铯吸收室(132)内的温度。

4.如权利要求3所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，所述温度控制模块(160)还包括模糊PID控制器(161)。

5.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，还包括第二光学模块(170)，所述第二光学模块(170)设置于所述铯吸收室(132)和所述光电检测模块(140)之间，用以将所述调制近红外信号聚焦于所述光电检测模块(140)。

6.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，还包括姿态补偿模块(180)，相对于所述磁共振模块(130)固定设置用于监测从所述第一光学模块(120)输出的所述圆偏振光与所述被测磁场磁力线的夹角。

7.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，所述光电检测模块(140)包括依次连接的光电二极管(141)和光电转换电路(142)。

8.如权利要求1所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，还包括：

终端控制模块(190)，分别与所述抽运光生成模块(110)、磁共振模块(130)、光电检测模块(140)、信号处理模块(150)连接。

9.如权利要求1-8任一项所述的面向埋地未爆弹的专用铯光泵探测器，其特征在于，所述铯吸收室(132)内层有石蜡涂层。