CN110297199B - 一种基于全相位fft的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统 - Google Patents

一种基于全相位fft的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统，将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列；控制FPGA分别对两个序列使用汉宁窗进行全相位预处理；调用FFT IP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部；通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。本发明可以有效地防止频谱泄漏，并可以极大地节省FPGA的资源，提高效率，且具有高精度和良好的稳定性。

Description

一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统
技术领域
本发明涉及铯光泵磁力仪领域，更具体地说，涉及一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统。
背景技术
铯光泵磁力仪高分辨率高采样率的优点使其能够应用于航空磁测等复杂环境下的磁场测量场合，它是以铯原子能级在外磁场中的塞曼分裂为理论基础，通过光抽运效应和光磁共振技术结合而制成的仪器。由于铯原子的磁共振频率值与被测外磁场值成正比，所以只要能够测出铯原子的共振信号频率即可获得外磁场的值。常见的频率测量方法有直接测频法、直接测周期法、等精度测频法、多周期同步法等，但其无法同时满足航空磁测所需的高分辨率、高精度且能连续测量的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术常见的频率测量方法无法同时满足航空磁测所需的高分辨率、高精度且能连续测量的要求的技术缺陷，本发明提出了一种利用全相位FFT对铯光泵磁力仪的磁共振信号进行频率测量的数字方及系统法。
根据本发明的其中一方面，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，包含如下步骤：
S1、将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程；
S2、控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理；
S3、调用FFT IP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，然后根据输出的缩放因子对所述数据的实部和虚部进行符号位拓展和移位得到真实的实部和虚部值；
S4、由真实的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部；
S5、通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法中，步骤S2中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理具体包括如下步骤：
S21、对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；
S22、将得到的2N-1点卷积窗相加求和；
S23、将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
S24、将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第2N-1项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法中，在步骤S3中，所述调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFT IP核。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法中，步骤S5中，单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure BDA0002120868340000031
其中
Figure BDA0002120868340000032
为两个所述相位值的差值，Δt为步骤S2中所述固定的时间。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，包含如下模块：
序列获取模块，用于将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程；
预处理模块，用于控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理；
FFT变换模块，用于调用FFT IP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，然后根据输出的缩放因子对所述数据的实部和虚部进行符号位拓展和移位得到真实的实部和虚部值；
极值确定模块，用于由真实的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部；
结果计算模块，用于通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统中，预处理模块中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理具体由下述单元实现：
自身求卷积单元，用于对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；
卷积窗求和单元，用于将得到的2N-1点卷积窗相加求和；
归一化处理单元，用于将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
加窗处理单元，用于将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第2N-1项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统中，在FFT变换模块中，所述调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFT IP核。
进一步地，在本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统中，结果计算模块中，单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure BDA0002120868340000041
其中
Figure BDA0002120868340000042
为两个所述相位值的差值，Δt为步骤S2中所述固定的时间。
实施本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法及系统，具有以下有益效果：
本发明使用了全相位方法对输入序列进行预处理，可以有效地防止频谱泄漏，其主谱线所对应地相位值即为初始相位；调用Quartus II软件自带的FFT IP核可以极大地节省FPGA的资源，提高效率；采用快速傅里叶变换的数字测频法，使其误差不受闸门时间、频率计数等影响，具有高精度和良好的稳定性。
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是本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法的总体架构图；
图2是本发明的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法一实施例的流程图；
图3是汉宁加窗的流程图；
图4是调用FFT ip核后生成的bsf文件图；
图5是基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统一实施例的原理图。
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。
参考图1以及图2，一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，包含如下步骤：
S1、将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程。
S2、控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理。步骤S2中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
参考图3，使用汉宁窗进行全相位预处理具体包括如下步骤：
S21、对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；
S22、将得到的2N-1点卷积窗相加求和；卷积窗实际上就是一组数据，相加就是把所有数据加起来得到一个总的和值，然后在后续步骤用每个数据除以和值就得到了归一化之后的数据，这些都是本领域常用技术手段，这里不具体展开说明。
S23、将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
S24、将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第2N-1项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
S3、调用FFT IP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，然后根据输出的缩放因子对所述数据的实部和虚部进行符号位拓展和移位得到真实的实部和虚部值。在本实施例中，调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFTIP核。
参考图4，其为调用FFT ip核后生成的bsf文件图source_real为输出数据的实部，source_imag为输出数据的虚部，source_exp为数据的缩放因子，FFT ip核的输入输出数据和缩放因子都是有符号数，实际运算的结果是实部、虚部与缩放因子的结合，如果缩放因子为负，实部和虚部要左移相应的位数，如果为正则右移。例如：缩放因子宽度为6，其二进制值为101011，该值为有符号数，表示-21，那么实部和虚部要左移21位才是最终结果。
S4、由真实的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部。S5、通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure BDA0002120868340000071
其中
Figure BDA0002120868340000072
为两个所述相位值的差值，Δt为步骤S2中所述固定的时间。
参考图5，在本实施例的基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统中，其包含如下模块：序列获取模块51、预处理模块52、FFT变换模块53、极值确定模块54以及结果计算模块55。
序列获取模块51用于将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程。预处理模块52用于控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理。FFT变换模块53用于调用FFTIP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部。极值确定模块54用于由输出的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部。结果计算模块55用于通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
预处理模块52中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
所述使用汉宁窗进行全相位预处理具体由下述单元实现：
自身求卷积单元，用于对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；
卷积窗求和单元，用于将得到的2N-1点卷积窗相加求和；
归一化处理单元，用于将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
加窗处理单元，用于将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第2N-1项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
在FFT变换模块53中，所述调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFT IP核。
结果计算模块55中，单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure BDA0002120868340000081
其中
Figure BDA0002120868340000082
为两个所述相位值的差值，Δt为步骤S2中所述固定的时间。
与目前广泛使用的频率测量方法相比，本发明的优点是:
1、全相位FFT能够有效地抑制频谱泄漏，使其谱线可读性强，不需要任何校正措施即可得到输入序列地初始相位值；
2、采用数字测频法可以在保证连续测量的基础上减小误差，提高测量精度；
3、其结构简单，由于FPGA进行数据处理较困难，故发送至单片机进行最后的频率计算，可以有效地节约资源，提高速率。
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 (10)

1.一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1、将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程；
S2、控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理；
S3、调用FFTIP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，然后根据输出的缩放因子对所述数据的实部和虚部进行符号位拓展和移位得到真实的实部和虚部值；
S4、由真实的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部；
S5、通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
2.根据权利要求1所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
3.根据权利要求2所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，其特征在于，所述使用汉宁窗进行全相位预处理具体包括如下步骤：
S21、对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；
S22、将得到的2N-1点卷积窗相加求和；
S23、将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
S24、将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第N+2项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
4.根据权利要求1所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFT IP核。
5.根据权利要求1所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量方法，其特征在于，步骤S5中，单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure FDA0002994732010000021
其中
Figure FDA0002994732010000022
为两个所述相位值的差值，Δt为步骤S2中所述固定的时间。
6.一种基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，其特征在于，包含如下模块：序列获取模块，用于将铯光泵磁力仪输出的磁共振信号经放大整形成方波信号，再将方波信号以及方波信号延迟一个固定的时间后分别通过ADC进行采样，得到离散的输入信号序列及输入信号延时序列，完成模数转换过程；
预处理模块，用于控制FPGA分别对输入信号序列及延时序列分别使用汉宁窗进行全相位预处理；
FFT变换模块，用于调用FFT IP核对进行了全相位预处理后的序列分别做FFT变换，输出数据的实部和虚部，然后根据输出的缩放因子对所述数据的实部和虚部进行符号位拓展和移位得到真实的实部和虚部值；
极值确定模块，用于由真实的实部和虚部推算原始数据的幅值，在一个采样周期内选取出最大幅值处的实部和虚部；
结果计算模块，用于通过CORDIC算法根据最大幅值处的实部和虚部推算出对应的相位值，将求出的两个相位值传入单片机进行频率计算，从而得出频率测量结果。
7.根据权利要求6所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，其特征在于，预处理模块中，所述使用汉宁窗进行全相位预处理时，所采用的N点汉宁窗序列与归一化后的2N-1点汉宁窗由MATLAB产生并转化为mif文件存储在FPGA的单端口ROM模块中，供FPGA调用，N为FFT点数。
8.根据权利要求7所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，其特征在于，所述使用汉宁窗进行全相位预处理具体由下述单元实现：自身求卷积单元，用于对N点汉宁窗自身求卷积，得到2N-1点卷积窗；卷积窗求和单元，用于将得到的2N-1点卷积窗相加求和；
归一化处理单元，用于将2N-1点卷积窗相加求和后进行归一化处理，得到2N-1点汉宁窗；
加窗处理单元，用于将得到归一化后的2N-1点汉宁窗依次与输入序列各项相乘，从而进行汉宁加窗，加窗时，第1项乘积与第N+1项乘积相加，第2项乘积与第N+2项乘积相加，…，第N-1项乘积与第2N-1项乘积相加。
9.根据权利要求6所述基于全相位FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，其特征在于，在FFT变换模块中，所述调用FFT IP核是指调用Quartus II软件自带的FFT IP核。
10.根据权利要求6所述基于全相位 FFT的铯光泵磁力仪频率测量系统，其特征在于，结果计算模块中，单片机进行频率计算具体是在接收到两个所述相位值后，依据下述公式计算出最终的频率值：
Figure FDA0002994732010000041
其中，
Figure FDA0002994732010000042
为两个所述相位值的差值，Δ为步骤S2中所述固定的时间。
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