CN109597137B - 基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪快速跟踪配谐方法，包括：利用半导体磁传感器获取地磁场的粗略值F，根据地磁场F与FID信号频率f₀的关系确定f₀大小；根据f₀初步确定Overhauser磁力仪配谐电容的容值C；根据得到的配谐电容的容值C，初步确定配谐电路实际配谐电容大小C_m，对实际配谐值C_m上下调整并搜索最优配谐值C₀，根据峰值检波器检测FID信号峰值，峰值最大时，表明电路处于谐振状态，此时配谐成功，搜索停止，然后开始频率测量。

Description

基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法

技术领域

本发明涉及基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法。

背景技术

根据Overhauser效应的原理，质子磁矩在外磁场作用下会做拉莫尔旋进运动，其角频率f与外磁场F的关系为：

式中，γp为质子的旋磁比(常数)，故FID信号频率与地磁场成正比，且不受外界干扰影响，因此可以通过测量拉莫尔旋进运动得到的FID信号的频率来得到外磁场大小。FID信号频率测量的精度直接决定了地磁场测量的精度，提高FID信噪比可以提高其测量精度。FID信号在进行频率测量前一般应首先经过调谐电路(接收线圈与可变电容组成可调式串联谐振回路)进行选频放大，在Overhauser传感器中，要得到高信噪比FID信号，必须确保接收线圈与配谐电容组成的串联谐振电路处于谐振状态，因此配谐精度是实现FID信号最佳信噪比的关键。

在进行特殊的海洋磁测工作时，在磁传感器投放过程中的船体磁场、近水面的特殊磁异常等因素都会使传感器附近的磁场发生变化有可能导致失谐(预存配谐值失效)。一旦出现“失谐”，常规的做法是进行全频带的“直接搜索”，而这种方式效率低而且耗时较长，难以快速跟踪到大梯度磁异常。也有基于SVD&STFT(Singular Value Decomposition&Short-time Fourier Transform)的二次调谐方法来解决陆地传感器中的失谐的问题，该方法能在FID信噪比较低的情况下初步提取出FID的频率，但是需要利用ADC对FID信号进行离散采样和数字信号处理，耗时较长，因此难以满足在复杂海况条件下对特殊海洋磁异常进行快速移动测量。也可以直接利用FFT算法对FID信号进行频谱分析，即可直接确定谐振频率并计算得到配谐电容值，但是该方法的前提是FID信号的幅值大于所有噪声的幅值，当存在较强的干扰时，这种方法并不可靠。此外，调谐电路是否谐振一般是以FID信号幅度达到最大作为依据，而动态效应造成的信号幅度波动，也可能导致配谐精度的下降甚至出现“假配谐”。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前在特殊的海洋磁测活动进行时采用的配谐方法存有信号幅度波动、配谐精度不高的技术问题，提供基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法解决上述技术缺陷。

基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法，包括：

步骤1、利用半导体磁传感器获取地磁场的粗略值F，根据粗略值F与FID信号频率f₀的关系：

得到FID信号的频率f₀，其中，γ_p为质子的旋磁比；

步骤2、根据步骤1中得到的频率f₀确定配谐电容的容值C：

其中，f₀为FID信号的频率，L为配谐电路中的电感；

步骤3、根据步骤2得到的配谐电容的容值C，确定配谐电容的初始容值C_m；

步骤4、在步骤3得到的配谐电容的容值C_m并在配谐电容的容值C_m的值附近上下对配谐电容值C₀进行搜索；

步骤5、进行谐振电容值搜索的同时，根据谐振电路输出的FID信号的峰值判断是否达到谐振点，当达到谐振点时谐振电路输出的FID信号会达到峰值，此时配谐成功，搜索停止。

进一步的，步骤4确定配谐电容的容值C_m附近上下对配谐电容值进行搜索确定最终配谐电容值C₀的具体方法是：利用模拟开关控制多个电容实现配谐电容的可调，FID信号频率处于配谐电路谐振频率段，信号经过了谐振和后级放大后，利用峰值检波器检测FID信号峰值，利用检波幅度确定谐振放大效果，从而确定配谐值是否准确，峰值最大时，可判断配谐电路准确度最高，从而得到最终的配谐电容值C₀。

进一步的，步骤5中所述谐振电路输出的FID信号的峰值的判断方法是：假设谐振电容网络的电容个数为n，则在工作频带内可以组合出2ⁿ档，设从t₁时刻到t₂时刻，配谐电容值从C₁搜索到C₂，此时谐振回路输出FID信号的峰值V_out也会相应地变化，假设搜索过程中每次电容变化耗时t_x，电容C从0每次逐步增大C_x，此时C(t)＝t/t_x·C_x，计算品质因素，可以得到频带因子，结合步骤2中的表达式，最后根据上述关系得到随信号变化的谐振电路输出的FID信号的峰值：

基于以上公式，在调整谐振电容使FID峰值最大时，该电容值即为最优配谐值。

本发明优势在于：

1、采用小体积的半导体磁传感器作为配谐的辅助传感器，用半导体磁传感器获取本地地磁场的粗略值。

2、将所获取的本地地磁场的粗略值换算为相应的电容值进行初步配谐，进行特殊情况下的快速跟踪配谐。

3、初步配谐后进行小范围的精确搜索，有效节约配谐时间，提高配谐速度，改善了“失谐”现象，配谐成功，FID信号达到最佳信噪比，能够测得精确的FID信号频率从而实现地磁场的高精度测量。

本发明能够在进行海洋磁测工作时降低传感器配谐失调的概率，并提高配谐精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的基于半导体磁传感器的跟踪配谐方法流程图；

图2为本发明的配谐电容搜索阶段谐振电路输出的FID信号与时间关系图；

图3为本发明的HMC1001/1002传感器实测结果图；

图4为本发明的谐振电路实际增益G与AMR磁传感器测量误差ΔB的关系图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

基于半导体磁传感器的跟踪配谐方法，以降低传感器配谐失调的概率，并提高配谐精度。先利用灵敏度不高但体积较小的半导体磁传感器作为配谐的辅助传感器获取本地地磁场的粗略值，然后换算为相应的电容值进行初步配谐，最后进行小范围精确搜索。

步骤1、利用灵敏度不高但体积较小的半导体磁传感器获取本地地磁场的粗略值F，根据地磁场F与FID信号角频率f₀的关系得到FID信号的频率f₀。

根据Overhauser效应的原理，质子磁矩在外磁场作用下会做拉莫尔旋进运动，所述地磁场F与FID信号角频率f₀的关系为：

其中，γ_p为质子的旋磁比(常数)，故FID信号频率与地磁场成正比，且与外界干扰无关，因此在利用半导体磁传感器测得本地地磁场的粗略值之后，可以大致估算拉莫尔旋进运动得到的FID信号的频率大小f₀。

步骤2、根据步骤1中得到的地磁场的粗略值F对应的FID信号频率f₀确定配谐电容的容值C。

在Overhauser传感器中，要得到高信噪比FID信号，必须确保接收线圈与配谐电容组成的串联谐振电路处于谐振状态，此时可根据前述测量计算得到的粗略的当前的地磁场值对应的FID信号频率f₀确定配谐电容的容值C：其中

其中，f₀为FID信号的频率，L为接收线圈的电感，约为30mH。

步骤3、根据步骤2得到的配谐电容的容值C，确定配谐电容的容值C附近的配谐电容大小的范围；本实施例的配谐范围在±100nT以内。

利用模拟开关控制多个电容可以实现配谐电容的可调，利用峰值检波器和ADC来判断电路是否处于谐振状态。

对于串联谐振电路，当电路谐振时，其电路的品质因素Q₀为

其中，R为接收线圈的电阻，约为19Ω。

谐振电路的输入信号即传感器输出的FID信号可简化为

角频率ω₀＝2πf₀；谐振电路的输出信号为配谐电容的电压。当电路谐振时，电压增益G＝Q₀，当电路未谐振时，电压增益G＝QN(f)，其中，f、Q、N(f)分别为当前配谐电容对应的谐振频率、品质因素、幅频响应，ε为FID信号频率和谐振电路中心频率接近程度的评价指标，且N(f)为：

根据磁场波动的配谐范围计算可得配谐电容大小的范围。

步骤4、根据步骤3得到的配谐电容的容值C附近的配谐电容大小的范围对配谐电容进行搜索，针对可调电容从小至大逐一取值。

假设可调电容的个数为n，则在工作频带内可以组合出2ⁿ档。为找到适合的电容，将随时间的变化同时调整电容：设从t₁时刻到t₂时刻，配谐电容值从C₁搜索到C₂，而此时谐振回路输出FID信号的峰值V_out也会相应地变化。为了更好地分析FID信号的峰值与时间的变化关系，假设在每变化同等的时间间隔t_x时，电容C从0每次逐步增大C_x。则此时C是t的函数：C(t)＝t/t_x·C_x，因此f和Q可以写为：

根据式(4)和(5)可知

因此，

根据式(6)和式(8)，可知谐振电路输出的FID信号的峰值为

设横向弛豫时间T₂＝1s，时间间隔t_x＝0.01s，电路谐振时输出配谐电容的电压值V₀＝2μV，接收线圈的电阻R＝19Ω，接收线圈的电感L＝0.034H，由于地磁场范围对应的FID信号频率范围为800Hz～4500Hz，因此对f₀分别为800Hz和4500Hz时的情况进行分析。在配谐电容搜索阶段，当配谐电容的步进值C_x分别0.01μF和0.02μF时，谐振电路输出信号的幅度与时间关系如图2所示。

步骤5、对步骤4中逐一取值的电容值进行谐振电容值搜索，根据谐振电路输出的FID信号的峰值判断是否达到谐振点，当达到谐振点时谐振电路输出的FID信号会达到峰值，此时配谐成功，搜索停止，开始频率测量。

假设相邻档的电容值间隔为C_x，如果配谐目标电容值小于可调电容的最大值(2ⁿ-1)C_x，则在进行谐振电容值搜索过程中达到谐振点，搜索即行停止，然后开始频率测量。

以f₀＝800Hz为例，此时的配谐电容应为1.16μF，而根据上面的仿真结果可以知道C_x分别0.01μF和0.02μF时，谐振电路输出拉莫尔信号幅值最高点的时间分别为1.16s和0.58s，而此时对应的配谐电容值则均为1.16μF，因此两种情况下均能配谐成功。这说明虽然随着时间的推移，FID信号会逐渐衰减，但一旦确定幅值最高点即可获取谐振电容值，即仅需要一次激发传感器即可实现传感器的成功配谐，不需要多次激发传感器并分别进行配谐。

本发明实施后的效果具体如下：

选取Honeywell公司的AMR传感器HMC1001/1002作为辅助磁传感器。为了尽可能提高其灵敏度，采用了置位/复位(Set/Reset)连续工作模式，数据更新率为100ms。如图3所示，在室外干扰较小地方，HMC1001/1002与陆地Overhauser传感器进行的地磁总场测量的对比结果：与Overhauser传感器相比，AMR传感器的地磁场性能并不理想，地磁场波动量约为100nT。

设当地地磁场的准确值为F₀，而AMR传感器测得地磁场值为F₀+ΔF，则根据式(1)，式(6)和式(7)可知

则FID信号的实际增益G与AMR传感器测量误差ΔF的关系为

由于地磁场的范围为20000nT～100000nT，且中国东部某海域的典型值为47300nT，因此取F₀分别为20000nT、47300nT和100000nT时，实际增益G与AMR传感器测量误差ΔF的关系如图4所示。

根据仿真结果可知，当B₀分别为20000nT、47300nT和10000nT时，此时的最佳增益为9.587、22.649和47.874。当AMR传感器测量误差ΔB＝100nT时，基于该地磁场值进行配谐的谐振电路的实际增益G分别为9.578、22.587和47.700，则此时的准确率分别为99.9％、99.7％和99.6％；即使将ΔB扩大为300nT，G也能分别达到9.335、21.896和46.144，而准确率也能分别达到97.4％、96.7％和96.4％。由此可见，仅需AMR传感器的一次测量即可完成高精度的配谐。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法，其特征在于，包括：

步骤1、利用半导体磁传感器获取地磁场的粗略值F，根据粗略值F与FID信号频率f₀的关系：

得到FID信号的频率f₀，其中，γ_p为质子的旋磁比；

步骤2、根据步骤1中得到的频率f₀确定配谐电容的容值C：

其中，f₀为FID信号的频率，L为配谐电路中的电感；

步骤3、根据步骤2得到的配谐电容的容值C，确定配谐电容的初始容值C_m；

步骤4、在步骤3得到的配谐电容的容值C_m并在配谐电容的容值C_m的值附近上下对配谐电容值C₀进行搜索；

步骤5、进行谐振电容值搜索的同时，根据谐振电路输出的FID信号的峰值判断是否达到谐振点，当达到谐振点时谐振电路输出的FID信号会达到峰值，此时配谐成功，搜索停止。

2.根据权利要求1所述的基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法，其特征在于，步骤4确定配谐电容的容值C_m附近上下对配谐电容值进行搜索确定最终配谐电容值C₀的具体方法是：利用模拟开关控制多个电容实现配谐电容的可调，FID信号频率处于配谐电路谐振频率段，信号经过了谐振和后级放大后，利用峰值检波器检测FID信号峰值，利用检波幅度确定谐振放大效果，从而确定配谐值是否准确，峰值最大时，可判断配谐电路准确度最高，从而得到最终的配谐电容值C₀。

3.根据权利要求1所述的基于半导体磁传感器的Overhauser磁力仪跟踪配谐方法，其特征在于，步骤5中所述谐振电路输出的FID信号的峰值的判断方法是：假设谐振电容网络的电容个数为n，则在工作频带内组合出2ⁿ档，设从t₁时刻到t₂时刻，配谐电容值从C₁搜索到C₂，此时谐振回路输出FID信号的峰值V_out也会相应地变化，假设搜索过程中每次电容变化耗时t_x，电容C从0每次逐步增大C_x，此时C(t)＝t/t_x·C_x，计算品质因素，可以得到频带因子，结合步骤2中的表达式，最后根据上述关系得到随信号变化的谐振电路输出的FID信号的峰值：

上式中，V₀为电路谐振时输出配谐电容的电压值；R为接收线圈的电阻；T₂为横向弛豫时间；

G为电压增益、Q(t)为品质因素、f(t)为谐振频率、N(f(t))为幅频响应、ε为评价指标；G＝Q(t)N(f(t))；

其中：t为时间；t_x为时间间隔；

基于以上公式，在调整谐振电容使FID峰值最大时，该电容值即为最优配谐值。

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