CN110297198A - 一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法，本发明采用连续方波作为预设闸门，利用两个计数器组分别对高低电平闸门下的铯光泵磁共振信号进行连续频率测量，在预设闸门的每一个高低电平闸门内，利用多平均的测量思想，设置多个小闸门，有效降低了由于光泵磁共振信号随机噪声以及电路噪声引入的触发噪声的影响，大幅度提高了测量精度和采样率，可实现地磁场范围内磁场值的高精度快速测量，有效克服了铯光泵磁共振信号传统测量方法存在测量盲区等缺陷，本方法还可以有效应用于连续正弦波或方波频率测量的场合，具有一定的可推广性。

Description

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法。

背景技术

铯光泵磁力仪是以铯原子能级在弱磁场中的赛曼分裂为理论基础，通过光抽运效应和光磁共振技术结合研制而成的弱磁场测量仪器。铯光泵磁力仪作为一种高灵敏度、高精度的磁场测量仪器，在空间探测、地球物理勘查、地球科学研究、航空地质勘探以及地下未爆弹探测等领域发挥着重要作用。根据仪器工作原理，被测地磁场值与铯原子共振频率值成正比，因此被测行值的测量可以转换为铯原子共振信号频率的测量，另外，频率测量模块所测得的铯原子共振频率精度越高，所对应的的外界磁场值的测量也越准确，因此，铯光泵磁共振信号频率测量方法直接影响磁场测量精度。对于铯光泵磁力仪而言，其拉莫尔旋进信号频率f与地磁场值B之间的关系为：f＝3.49828×B，在地磁场20000nT到100000nT范围内，铯光泵磁力仪拉莫尔信号频率范围为70000Hz到350000Hz。由于铯光泵磁力仪拉莫尔信号连续、频率变换范围大且信号中含有随机噪声以及电路噪声，这对频率测量提出了极大的挑战，如何在高采样率情况下，实现高精度频率测量成为了提高铯光磁磁场测量精度的关键。

目前，铯光泵磁共振信号频率测量方主要有直接测频法、直接测周法、等精度测频法、锁相测频法等。直接测频法与直接测周法通常是在闸门时间内对待测信号和标准时钟信号分别计数，从而根据时间相等关系计算出被测频率，但是由于闸门时间很难保证恰好为被测信号的整数倍，因此会引入±1个被测信号周期的测量误差；由于铯光泵磁力仪磁共振信号为连续信号，因此等精度测频方法由于闸门在待测时间段内的不连续，无法将全部时段的被测信号与标准时钟信号准确计数，因此会导致频率测量的盲区，当外磁场高速动态变换时，不同频率的交界点也会产生错误的测量结果，另外在高采用率的情况下，对触发噪声较为敏感，随着采样率的增加，频率测量精度会大幅度降低；锁相测频法主要用在跟踪式光泵磁力仪中，但是其存在噪声较大、设计复杂等问题。总体来说，现有的铯光泵磁共振频率测量方法仍存在无法连续测频、测量盲区、对触发噪声敏感等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前现有的铯光泵磁共振频率测量方法仍存在无法连续测频、测量盲区、对触发噪声敏感的技术问题，提供一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法解决上述技术缺陷。

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统，包括射频振荡器、光学系统、吸收室、光电探测器、信号调理电路、移相电路和测频单元FPGA；

射频振荡器用于激励铯灯中的铯蒸汽，产生光泵作用所需的D1线，使已取向的铯原子发生磁共振跃迁，即一取向的原子在赛曼次能级间跃迁；

光学系统中，凸透镜用于把铯灯发出的任意方向的光变成平行的光线，干涉滤光片用于过滤掉不需要的D2线，否则会极大的降低信号，偏振片用于选择纵向光或者横向光一种方向的光透过，1/4波片会使相互垂直的光产生四分之一波长的光程差，且产生的出射光为圆偏振光；

吸收室在恒温槽中，恒温槽的温度维持在一定的数值，使吸收室内的铯单质保持在气体状态；

信号调理系统用于对光电探测器检测到的光信号进行转换，将光电流信号转为电压信号，并对电信号进行放大、整形，变为可用于测频单元计数的方波信号；

测频单元FPGA用于对铯光泵磁力仪磁共振信号进行频率测量。

进一步的，可外接控制器与测频单元FPGA连接。

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，基于一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统实现，其特征在于，包括：

S1、获取铯光泵磁力仪磁共振信号，并利用电流-电压转换电路、多级放大电路、迟滞比较器电路将磁共振光电流信号转换为可用于测频单元频率计数的待测信号；

S2、将所述待测信号与时钟信号送入测频单元FPGA内，利用所设计的连续无间歇多平均测频方法对时钟信号和待测信号进行处理；

S3、控制器与测频单元FPGA建立通讯，读取测频单元FPGA的计数值并进行计算，得到磁共振信号的频率以及相对应的磁场值，此外，控制器经过计算后将预设小闸门n值传输至测频单元FPGA的计数器组。

进一步的，步骤S1中射频振荡器激励光源产生光束，经偏振片、1/4波片产生波长为894nm的D1光和852nm的D2光，去照射恒温的吸收室，使吸收室中处于亚稳态的铯原子进行光学取向，当外磁场激励感应时，铯原子总角动量与外磁场相互作用，在超精细结构下铯原子能级发生塞曼分裂，此时，在在垂直于高频激励电路产生的磁场方向加一个射频磁场，所述射频磁场的频率等于铯原子能级跃迁的频率时，可获取铯光泵磁共振信号。

进一步的，步骤S1中铯光泵磁共振信号经过光电流-电压转换电路后，经过多级放大电路和滤波电路调理，最后经过过零比较器进行整形得到待测信号。

进一步的，步骤S2具体包括：

S21、将时钟信号经过测频单元内部倍频模块倍频至200MHz，得到用于计数的标准信号，同时，将时钟信号经过测频单元内部分频单元分频得到连续闸门信号，分频频率的选取由采样率决定，连续闸门信号与待测信号同步后形成实际闸门信号。

S22、利用双计数器组分别对高电平实际闸门和低电平实际闸门内的待测信号和标准信号进行计数，在单个闸门内利用多平均的方法，设置若干个小闸门错位计数，用于降低由于信噪比不高带来的触发误差对于铯光泵磁力仪磁测精度的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用连续方波信号作为预设闸门，利用两个计数器组分别对高低电平闸门下的铯光泵磁共振信号进行连续频率测量，有效克服了传统等精度测频方法无法对有效信号连续测量、外磁场动态变化时存在频率混叠区等缺陷，实现了无间歇连续测频，极大程度上提高了铯光泵磁力仪的磁场测量精度和采样率。

2、在预设闸门的每一个高低电平闸门内，利用多平均的测量思想，设置多个小闸门以降低触发误差对于磁场测量值的影响，大幅度提高了磁场精度。

3、利用二次跟踪方法，根据前一次的磁场测量值，指导下一次的多平均的小闸门计数个数，以满足触发误差最小的条件，实现了动态跟踪调整，保证测量误差最小。

4、频率测量和信号处理系统由数字电路构成，可集成于FPGA和控制器内，易于实现且可靠性高，能够根据实际情况对相应的软件搭接及芯片选择做出调整，降低了仪器成本。

5、测频方法利用FPGA和控制器实现，电路较为容易实现且可靠性强，频率测量系统体积较小，功耗较低，便于野外磁测使用。

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为本发明一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统结构图；

图2为本发明的铯光泵磁力仪磁共振信号频率测量计数示意图；

图3为本发明的铯光泵磁力仪磁共振信号触发误差影响机理示意图。

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。

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统，如图1所示，包括射频振荡器、光学系统、吸收室、光电探测器、信号调理电路、移相电路和测频单元FPGA。

射频振荡器用于激励铯灯中的铯蒸汽，产生光泵作用所需的D1线，使已取向的铯原子发生磁共振跃迁，即一取向的原子在赛曼次能级间跃迁；

光学系统中，凸透镜用于把铯灯发出的任意方向的光变成平行的光线，干涉滤光片用于过滤掉不需要的D2线，否则会极大的降低信号，偏振片用于选择纵向光或者横向光一种方向的光透过，1/4波片会使相互垂直的光产生四分之一波长的光程差，且产生的出射光为圆偏振光；

吸收室在恒温槽中，恒温槽的温度维持在一定的数值，使吸收室内的铯单质保持在气体状态；

信号调理系统用于对光电探测器检测到的光信号进行转换，将光电流信号转为电压信号，并对电信号进行放大、整形，变为可用于测频单元计数的方波信号；

测频单元FPGA用于对铯光泵磁力仪磁共振信号进行频率测量。

可外接外接控制器与测频单元FPGA连接。

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，基于一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统实现，包括：

S1、获取铯光泵磁力仪磁共振信号，并利用电流-电压转换电路、多级放大电路、迟滞比较器电路将磁共振光电流信号转换为可用于测频单元频率计数的待测信号；

射频振荡器激励光源产生光束，经偏振片、1/4波片产生波长为894nm的D1光和852nm的D2光，去照射恒温的吸收室，使吸收室中处于亚稳态的铯原子进行光学取向，当外磁场激励感应时，铯原子总角动量与外磁场相互作用，在超精细结构下铯原子能级发生塞曼分裂，此时，在在垂直于高频激励电路产生的磁场方向加一个射频磁场，所述射频磁场的频率等于铯原子能级跃迁的频率时，可获取铯光泵磁共振信号。

铯光泵磁共振信号经过光电流-电压转换电路后，经过多级放大电路和滤波电路调理，最后经过过零比较器进行整形得到待测信号。

S2、将所述待测信号与时钟信号送入测频单元FPGA内，利用所设计的连续无间歇多平均测频方法对时钟信号和待测信号进行处理，处理过程具体包括：

S21、将时钟信号经过测频单元内部倍频模块倍频至200MHz，得到用于计数的标准信号，同时，将时钟信号经过测频单元内部分频单元分频得到连续闸门信号(分频频率的选取由采样率决定)。连续闸门信号与待测信号同步后形成实际闸门信号。

S22、如图2所示，利用双计数器组分别对高电平实际闸门和低电平实际闸门内的待测信号和标准信号进行计数，在单个闸门内利用多平均的方法，设置若干个小闸门错位计数，用于降低由于信噪比不高带来的触发误差对于铯光泵磁力仪磁测精度的影响。

假设在一个高电平闸门(或低电平闸门内)待测信号的个数为N，每个预设小闸门内待测信号的个数为n，则共有N-n+1个预设小闸门，因此可以重复N-n+1次测量，待测信号多平均(N-n+1)测量后，在一个高电平闸门或(低电平闸门)内，待测信号的平均频率计算公式：

其中，是利用本放法所计算的磁共振信号频率测量值，f_s是标准信号频率，N_si是每个预设小闸门对标准信号的计数值。因此可得到一个实际闸门内的磁共振信号频率测量值。本文利用多平均的原则，在每个高低电平闸门内对待测信号多次测量(N₁-n₁次)，以减小触发误差的影响，对于单次而言，其触发存在于第一个待测信号和最后一个待测信号，误差影响机理如图3所示

对于触发误差Δt₁和Δt₂而言，是由于铯光泵磁力仪磁共振信号随机噪声以及电路噪声引起的，属于随机值，满足统计规律，因此可以利用多平均的思想，多次测量取平均，可以将单次预设闸门内的触发误差降到最低，对于单次测量而言，最大误差的计算公式：

进行多次测量(N₁-n₁次)后，其最大误差可以降低为：

对上式求极限可知，当N：n＝3:2时，触发误差可以取到最小，因此可以通过设置多次测量的小闸门计数个数来保证触发误差最小。但是在采样率固定即预设闸门方波信号频率固定的情况下，待测信号的个数N只与待测信号的频率有关，因此本文所述的专利利用二次跟踪方法保证最优的小闸门计数个数，以使得触发误差最小，第一次测量时预设的小闸门计数个数按照20000nT对应的待测信号个数来确定，求得待测信号的频率后，指导后续小闸门计算个数的调整。

S3、控制器与测频单元FPGA建立通讯，读取测频单元FPGA的计数值并进行计算，得到磁共振信号的频率以及相对应的磁场值，此外，控制器经过计算后将预设小闸门n值传输至测频单元FPGA的计数器组。

利用实施例验证本发明的有效性以及频率测量精度，设置本发明所提出的测频电路和Stanford SR620频率计数器的采样率为均为500Hz，采用信号发生器产生正弦波信号，经过衰减网络、放大器、比较器之后送入测频电路，所测得数据如表1所示：

表1本发明方法与Stanford SR620测频结果比较

由测量结果可知，在高采样率下(500Hz)，本发明可以实现磁场的高精度测量，由于信号源精度以及FPGA时钟误差的影响，本发明所提出的方法与标准计数器StanfordSR620相比，略低于标准频率计，但是明显优于传统等精度测频法的理论精度，并且实现了对于铯光泵磁力仪磁共振信号频率的高精度无间歇测量。

综上所述，本发明采用连续方波作为预设闸门，利用两个计数器组分别对高低电平闸门下的铯光泵磁共振信号进行连续频率测量，在预设闸门的每一个高低电平闸门内，利用多平均的测量思想，设置多个小闸门，有效降低了由于光泵磁共振信号随机噪声以及电路噪声引入的触发噪声的影响，大幅度提高了测量精度和采样率，可实现地磁场范围内磁场值的高精度快速测量，有效克服了铯光泵磁共振信号传统测量方法存在测量盲区等缺陷，本方法还可以有效应用于连续正弦波或方波频率测量的场合，具有一定的可推广性。

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 (6)

1.一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统，其特征在于，包括射频振荡器、光学系统、吸收室、光电探测器、信号调理电路、移相电路和测频单元FPGA；

射频振荡器用于激励铯灯中的铯蒸汽，产生光泵作用所需的D1线，使已取向的铯原子发生磁共振跃迁，即一取向的原子在赛曼次能级间跃迁；

光学系统中，凸透镜用于把铯灯发出的任意方向的光变成平行的光线，干涉滤光片用于过滤掉不需要的D2线，否则会极大的降低信号，偏振片用于选择纵向光或者横向光一种方向的光透过，1/4波片会使相互垂直的光产生四分之一波长的光程差，且产生的出射光为圆偏振光；

吸收室在恒温槽中，恒温槽的温度维持在一定的数值，使吸收室内的铯单质保持在气体状态；

信号调理系统用于对光电探测器检测到的光信号进行转换，将光电流信号转为电压信号，并对电信号进行放大、整形，变为可用于测频单元计数的方波信号；

测频单元FPGA用于对铯光泵磁力仪磁共振信号进行频率测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统，其特征在于，可外接控制器与测频单元FPGA连接。

3.一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，基于一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统实现，其特征在于，包括：

S1、获取铯光泵磁力仪磁共振信号，并利用电流-电压转换电路、多级放大电路、迟滞比较器电路将磁共振光电流信号转换为可用于测频单元频率计数的待测信号；

S2、将所述待测信号与时钟信号送入测频单元FPGA内，利用所设计的连续无间歇多平均测频方法对时钟信号和待测信号进行处理；

S3、控制器与测频单元FPGA建立通讯，读取测频单元FPGA的计数值并进行计算，得到磁共振信号的频率以及相对应的磁场值，此外，控制器经过计算后将预设小闸门n值传输至测频单元FPGA的计数器组。

4.根据权利要求3所述的一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，其特征在于，步骤S1中射频振荡器激励光源产生光束，经偏振片、1/4波片产生波长为894nm的D1光和852nm的D2光，去照射恒温的吸收室，使吸收室中处于亚稳态的铯原子进行光学取向，当外磁场激励感应时，铯原子总角动量与外磁场相互作用，在超精细结构下铯原子能级发生塞曼分裂，此时，在在垂直于高频激励电路产生的磁场方向加一个射频磁场，所述射频磁场的频率等于铯原子能级跃迁的频率时，可获取铯光泵磁共振信号。

5.根据权利要求4所述的一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，其特征在于，步骤S1中铯光泵磁共振信号经过光电流-电压转换电路后，经过多级放大电路和滤波电路调理，最后经过过零比较器进行整形得到待测信号。

6.根据权利要求3所述的一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、将时钟信号经过测频单元内部倍频模块倍频至200MHz，得到用于计数的标准信号，同时，将时钟信号经过测频单元内部分频单元分频得到连续闸门信号，分频频率的选取由采样率决定，连续闸门信号与待测信号同步后形成实际闸门信号；

S22、利用双计数器组分别对高电平实际闸门和低电平实际闸门内的待测信号和标准信号进行计数，在单个闸门内利用多平均的方法，设置若干个小闸门错位计数，用于降低由于信噪比不高带来的触发误差对于铯光泵磁力仪磁测精度的影响。