CN110554333A - 一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统 - Google Patents

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李醒飞
辛晨明
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Abstract

本发明公开了一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，包括光电探测器、信号预处理模块、数据采集模块、数字控制器模块以及射频驱动模块；该系统首先检测透过气室的光学信号，然后经过放大、滤波、锁相处理后，反馈控制气室外围的射频线圈，跟踪锁定磁共振产生时对应的频率，进而推算外界磁场大小，实现磁场测量。其采用软件算法代替硬件电路，避免了硬件电路带来的干扰误差，稳定性好且易于控制，易于实现高精度、高灵敏度的测量效果，并且也为仪器的小型化、低功耗的要求提供了新的技术途径。

Description

一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统
技术领域
本发明属于信号处理及电子电路技术领域，具体涉及一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统。
背景技术
光泵磁力仪是一种高精度、高灵敏度的弱磁测量装置，广泛应用于地球物理研究、资源勘探、海洋地质研究以及军事国防等领域。最早出现的是氦光泵磁力仪。之后，具有超精细结构的碱金属原子在光泵磁力仪上开始应用，如铯、铷、钾等。铯光泵磁力仪发展比较成熟，已经成功应用于海洋地质研究、探潜反潜、海底管道和电缆探测、心磁测量等方面。钾原子谱线间距较大且彼此间不发生重叠，所以钾光泵磁力仪在绝对精度和灵敏度等方面比铯光泵磁力仪更为出色。钾光泵磁力仪是当前磁力仪发展的一个主要方向。
钾光泵磁力仪主要由两部分构成：激光光泵磁传感探头，光磁共振信号检测电路。前者的作用是将弱磁信号转换为电信号，以供给后者处理、控制和显示。光磁共振信号检测方法有跟踪式和自激式两种。钾光泵磁力仪因为谱线是不连续的多个离散值，为准确判断读数，采用跟踪式。通过锁定透射光强最弱时的射频磁场的频率来实现拉莫频率的实时跟踪。传统方案中通过检测基波信号确定共振点，首先采用逐次扫频的方法判断共振区域，然后在共振区域内用PID控制的方法进行磁场测量。该方法计算量大，寻找共振点耗时较长，不能快速找到共振区。若磁场快速变化时，则容易出现“失锁”现象，磁力仪将不能实现对外部磁场的实时跟踪，测量数据也不能真实地反映被测磁场。另外，在检测系统实现方式上，现有的模拟信号检测系统一般采用运算放大器组成的电子开关式相敏检波电路或者采用集成相敏检波芯片提取调制基波信号。由于各分离器件性能上的差异，使得整机的性能也产生较大差异，灵敏度低、温度漂移大、抗干扰能力弱、功耗大、电路复杂，而且压控振荡器输出的频率范围有限，导致仪器磁测范围比较窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，采用软件算法代替硬件电路，避免了硬件电路带来的干扰误差，稳定性好且易于控制，易于实现高精度、高灵敏度的测量效果，并且也为仪器的小型化、低功耗的要求提供了新的技术途径。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，包括光电探测器、信号预处理模块、数据采集模块、数字控制器模块以及射频驱动模块；
信号预处理模块由I/V变换、放大及滤波电路组成，信号预处理模块对光电探测器的输出的光电流信号进行I/V变换和放大滤波处理；
数据采集模块包括全差分放大器OPA1632和24位的ADS1271，全差分放大器OPA1632将信号预处理模块的输出信号由单端输入变为双端输入至ADS1271；
数字控制器模块在DSP中实现，其包括数字锁相器、数字控制器以及数字调频器，数字锁相器的输入信号为数据采集模块的AD采集信号，数字锁相器的参考信号是数字调频器产生的一对正交信号，输入信号分别与一对正交的参考信号做乘法运算之后得到混频信号，再通过低通滤波器输出同相分量I和正交分量Q，I作为数字控制器的输入信号；
数字调频器包括相位累加器和波形存储器两部分，在一个时钟周期内，K位频率控制字与N位相位累加器累加一次；相位累加器的N位加法器实现相位的累加，N位相位寄存器存储累加结果，当产生溢出时完成一个周期，即数字调频器的一个频率周期；波形存储器包括一对正交序列查找表，所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦和余弦信号幅值，在每一个时钟周期内相位累加器输出的高M位对波形存储器进行寻址，最后波形存储器输出一对正交序列，用于数字锁相器的参考信号；
数字控制器包括扫频控制模块、锁频模块和模式选择模块，数字控制器有两个模式A 和B，模式A是开环控制，由扫频控制模块生成频率控制字，每隔一定时间步进一次，控制数字调频器输出一定频率范围内的信号，监测系统在此模式下可得到同相分量幅值和正交分量幅值的共振线型，用于研究磁力仪系统参数对仪器性能的影响；模式B是闭环控制，采用数字粒子群算法将同相信号幅值保持在零值以完成频率锁定，此时磁测系统处于光磁共振点，根据磁测公式直接将锁定的频率控制字计算得到磁场值，计算的磁场值经后续处理进行显示、存储；
射频驱动模块用于进行功率放大以驱动射频线圈，使其产生交变磁场以发生光磁共振作用。
在上述技术方案中，光电探测器的功能是将吸收室中经过光磁共振效应的出射光信号转变为光电流信号，选用的是Thorlabs公司的PDA36A，波长响应范围从350nm到1100nm，在λ＝894.6nm波段具有较高的响应度，最大输出电流100mA，输出电压0-5V。
在上述技术方案中，信号预处理模块包括运放A5、运放A6、运放A7、运放A8，运放A5的“-”输入端和输出端之间连接取样电阻R9，取样电阻R9并联滤波电容C1，运放A5的输出端经过隔直电容C2和电阻R10连接运放A6的“-”输入端，运放A6的输出端连接至运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器；工作时，光电探测器输出的光电流信号通过取样电阻R9转换为电压信号，取样电阻R9和滤波电容C1构成低通滤波器可初步地滤除高频噪声，隔直电容C2用于滤除信号的直流分量，运放A6构成反相放大器，对前级转换得到的电压信号进一步放大，放大后的信号经由运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器，实现滤波和抗混叠。
在上述技术方案中，射频驱动模块选用CMOS反相器CD4069，在其输入输出端接反馈电阻时可构成模拟放大器，反相器放大后的调频信号在电容隔直后通过电阻分压的方式驱动射频线圈产生射频磁场。
在上述技术方案中，所述粒子群算法，将射频频率作为粒子，在fmin和fmax之间随机分布，这样每个粒子就代表一个该频率；之后按照一定的规律进行迭代，并设定第i代粒子表示为Xi＝(xi1,xi2,…,xin)，其中，n是粒子个数，测量不同频率点下的磁力仪探头输出，如果代表某频率的粒子能够取得更小值，则称该粒子更优；每个粒子迭代过程中最优的记为Pi＝(pi1,pi2,…pin)，所有粒子最优值记为Pig，同时，每个粒子给定初始化的速度，记为Vi＝(vi1,vi2,…vin)，每个粒子的速度也会在每次迭代中进行更新，使粒子当前位置与历史最优进行靠近，然后把更新后的速度叠加到粒子位置上，对粒子的位置进行更新，第i代中第j个粒子更新公式为：
其中，c1j和c2j自我认知系数和社会认知系数，r1j和r2j是两个0-1范围内的随机数，用以平衡自我认知系数和社会认知系数的权重。通过上面的迭代方式，设定的粒子保留自身迭代过程中自身最小的位置，并且能够识别所有粒子中令磁力仪探头输出二倍频信号最小的粒子然后其他粒子向该粒子靠近；经过多次迭代，最终所有的粒子将聚拢在全局最小点处，从而达到寻找全局最小点的目的，也就找到了共振点。该方法在所估计范围内对所有粒子位置进行随机分布，不管共振点在估计范围内什么位置，能够等概率的找到最小值点，避免了传统方法超出跟踪范围后不能锁定共振区的缺点。
本发明的优点和有益效果为：
本发明提供一种数字化的光磁共振信号检测系统，其采用软件算法(粒子群算)代替硬件电路，避免了硬件电路带来的干扰误差，稳定性好且易于控制，易于实现高精度、高灵敏度的测量效果，并且也为仪器的小型化、低功耗的要求提供了新的技术途径。
其中，数字控制器模块在DSP中实现，其包括数字锁相器、数字控制器以及数字调频器。数字锁相器负责从噪声中提取基波信号的幅值；数字调频器有两个作用一是为数字锁相器提供参考信号，另一方面驱动射频线圈产生射频磁场，数字调频器采用调整频率控制字的方式实现数字调频，解决了压控振荡器存在的频率稳定度低和频率输出范围窄的问题，另外，频率控制字可直接换算为被测磁场值，消除了由测频电路引入的测量误差；数字控制器主要包括扫频控制模块、锁频模块和模式选择模块，扫频模块主要用于产生扫频信号，锁频模块采用数字粒子群算法进行共振点的快速获取。
附图说明
图1是实施例的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统原理图。
图2是实施例中的信号预处理模块的电路图。
图3是实施例中的OPA1632电路图。
图4是实施例中的ADS1271电路图。
图5是实施例中的数字锁相器的结构原理图。
图6是实施例中的数字调频器的结构原理图。
图7是实施例中的数字控制器的结构原理图。
图8是实施例中的粒子群算法流程图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
激光光泵磁传感探头透射信号的理论曲线为洛伦兹线型，曲线的最小值处即为磁共振点，此时透射光强最弱。检测系统为闭环控制系统，相当于锁相环。以频率为控制对象，输入信号是与光磁共振频率成正比的被测磁场值，反馈信号是信号检测系统的调频信号，这两者分别在气室和射频线圈上实现。
本发明的光磁共振信号检测系统的任务是检测透过气室的光学信号，然后经过放大、滤波、锁相处理后，反馈控制气室外围的射频线圈，跟踪锁定磁共振产生时对应的频率，进而推算外界磁场大小，实现磁场测量。如图1所示，本发明的光磁共振信号检测系统主要包括光电探测器、信号预处理模块、数据采集模块、数字控制器模块以及射频驱动模块。
光电探测器的功能是将吸收室中经过光磁共振效应的出射光信号转变为光电流信号，选用的是Thorlabs公司的PDA36A，波长响应范围从350nm到1100nm，在λ＝894.6nm 波段具有较高的响应度，最大输出电流100mA，输出电压0-5V，该器件具有较快的响应速度，可用于磁场快速变化的情况。
信号预处理模块由I/V变换、放大及滤波电路组成，其功能是对光电探测器的输出的光电流信号进行I/V变换和放大滤波。信号预处理模块的具体电路参见附图2，其包括运放A5、运放A6、运放A7、运放A8，运放A5的“-”输入端和输出端之间连接取样电阻R9，取样电阻R9并联滤波电容C1，运放A5的输出端经过隔直电容C2和电阻R10 连接运放A6的“-”输入端，运放A6的输出端连接至运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器。工作时，光电流信号通过取样电阻R9转换为电压信号，取样电阻 R9和滤波电容C1构成低通滤波器可初步地滤除高频噪声，隔直电容C2用于滤除信号的直流分量，运放A6构成反相放大器，对前级转换得到的电压信号进一步放大，放大后的信号经由运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器，实现滤波和抗混叠功能。
数据采集模块选择24位的ADS1271，由于ADS1271为差分输入，而采样值为单端电压信号，故引入全差分放大器(型号为OPA1632)将信号由单端输入变为双端输入。如图3-4所示，图3为OPA1632全差分放大器的电路图，其VCOM引脚用来设置OPA1632 的共模输出电压，另外加一个去耦电容用来滤掉高频噪声；CF1、CF2用来进行相位补偿，选用聚苯乙烯电容。R1、R2、C5构成输入滤波，RG1＝RG2＝1kΩ，CF1＝CF2＝10nF， R1＝R2＝49.9Ω，VOCOM＝2.5V；图4为ADS1271电路图，其电源输入端接去耦电容以滤掉高频噪声，AINP、AINN之间并联使用1～10nF的电容，每个模拟输入端与地之间都均连接100pF的电容，以保持交流性能，MODE脚悬空，选择高精度模式，FORMAT接地采用SPI接口实现AD与DSP的通讯，CLK为系统时钟，由DSP的PWM1来提供，SCLK 为SPI时钟与DSP的SPICLK相连。
数字控制器模块在DSP中实现，其包括数字锁相器、数字控制器以及数字调频器。
进一步的，数字锁相器的结构原理图如图5所示，输入信号为AD采集信号，参考信号是数字调频器产生的一对正交信号，输入信号分别与一对正交的参考信号做乘法运算之后得到混频信号，再通过低通滤波器输出同相分量I和正交分量Q，这两个信号都是直流信号，开环控制模式下将它们上传到上位机可分析共振谱线，闭环控制模式下I 可作为数字控制器的输入信号。
进一步的，数字调频器主要包括相位累加器和波形存储器两部分，如图6所示，在一个时钟周期内，K位频率控制字与N位相位累加器累加一次；相位累加器是数字调频器的核心部分，其中N位加法器实现相位的累加，N位相位寄存器存储累加结果，当产生溢出时完成一个周期，即数字调频器的一个频率周期；波形存储器包括一对正交序列查找表，所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦和余弦信号幅值，在每一个时钟周期内相位累加器输出的高M位对波形存储器进行寻址，最后波形存储器输出一对正交序列，用于数字锁相器的参考信号。
进一步的，数字控制器包括扫频控制模块、锁频模块和模式选择模块，如图7所示，数字控制器有两个模式A和B，模式A是开环控制，由扫频控制模块生成频率控制字，每隔一定时间步进一次，控制数字调频器输出一定频率范围内的信号，监测系统在此模式下可得到同相分量幅值和正交分量幅值的共振线型，用于研究磁力仪系统参数对仪器性能的影响；模式B是闭环控制，采用数字粒子群算法将同相信号幅值保持在零值以完成频率锁定，此时磁测系统处于光磁共振点，根据磁测公式直接将锁定的频率控制字计算得到磁场值，计算的磁场值经后续处理进行显示、存储。
射频驱动模块主要用于进行功率放大以驱动射频线圈，使其产生交变磁场以发生光磁共振作用。DSP控制器输出的是3.3V电平标准的调频方波，为减小射频线圈内阻影响，需要放大调频信号幅度。选用CMOS反相器CD4069，在其输入输出端接反馈电阻时可构成模拟放大器，反相器放大后的调频信号在电容隔直后通过电阻分压的方式驱动射频线圈产生射频磁场。
所述的粒子群算法是一种模拟鸟群寻找食物的进化算法，可用于寻找多峰函数的全局最小值，在预先估计的范围内对相应的粒子群进行随机初始化，称为粒子。在这里让射频频率作为粒子，在fmin和fmax之间随机分布，这样每个粒子就代表一个该频率；之后按照一定的规律进行迭代，并设定第i代粒子表示为Xi＝(xi1,xi2,…,xin)，其中，n是粒子个数，测量不同频率点下的磁力仪探头输出，如果代表某频率的粒子能够取得更小值，则称该粒子更优；每个粒子迭代过程中最优的记为Pi＝(pi1,pi2,…pin)，所有粒子最优值记为 Pig，同时，每个粒子给定初始化的速度，记为Vi＝(vi1,vi2,…vin)，每个粒子的速度也会在每次迭代中进行更新，使粒子当前位置与历史最优进行靠近，然后把更新后的速度叠加到粒子位置上，对粒子的位置进行更新，第i代中第j个粒子更新公式为：
其中，c1j和c2j自我认知系数和社会认知系数，r1j和r2j是两个0-1范围内的随机数，用以平衡自我认知系数和社会认知系数的权重。通过上面的迭代方式，设定的粒子保留自身迭代过程中自身最小的位置，并且能够识别所有粒子中令磁力仪探头输出二倍频信号最小的粒子然后其他粒子向该粒子靠近。经过多次迭代，最终所有的粒子将聚拢在全局最小点处，从而达到寻找全局最小点的目的，也就找到了共振点。该方法在所估计范围内对所有粒子位置进行随机分布，不管共振点在估计范围内什么位置，能够等概率的找到最小值点，避免了传统方法超出跟踪范围后不能锁定共振区的缺点。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：包括光电探测器、信号预处理模块、数据采集模块、数字控制器模块以及射频驱动模块；
信号预处理模块由I/V变换、放大及滤波电路组成，信号预处理模块对光电探测器的输出的光电流信号进行I/V变换和放大滤波处理；
数据采集模块包括全差分放大器OPA1632和24位的ADS1271，全差分放大器OPA1632将信号预处理模块的输出信号由单端输入变为双端输入至ADS1271；
数字控制器模块在DSP中实现，其包括数字锁相器、数字控制器以及数字调频器，数字锁相器的输入信号为数据采集模块的AD采集信号，数字锁相器的参考信号是数字调频器产生的一对正交信号，输入信号分别与一对正交的参考信号做乘法运算之后得到混频信号，再通过低通滤波器输出同相分量I和正交分量Q，I作为数字控制器的输入信号；
数字调频器包括相位累加器和波形存储器两部分，在一个时钟周期内，K位频率控制字与N位相位累加器累加一次；相位累加器的N位加法器实现相位的累加，N位相位寄存器存储累加结果，当产生溢出时完成一个周期，即数字调频器的一个频率周期；波形存储器包括一对正交序列查找表，所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦和余弦信号幅值，在每一个时钟周期内相位累加器输出的高M位对波形存储器进行寻址，最后波形存储器输出一对正交序列，用于数字锁相器的参考信号；
数字控制器包括扫频控制模块、锁频模块和模式选择模块，数字控制器有两个模式A和B，模式A是开环控制，由扫频控制模块生成频率控制字，每隔一定时间步进一次，控制数字调频器输出一定频率范围内的信号，监测系统在此模式下可得到同相分量幅值和正交分量幅值的共振线型，用于研究磁力仪系统参数对仪器性能的影响；模式B是闭环控制，采用数字粒子群算法将同相信号幅值保持在零值以完成频率锁定，此时磁测系统处于光磁共振点，根据磁测公式直接将锁定的频率控制字计算得到磁场值，计算的磁场值经后续处理进行显示、存储；
射频驱动模块用于进行功率放大以驱动射频线圈，使其产生交变磁场以发生光磁共振作用。
2.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：光电探测器的功能是将吸收室中经过光磁共振效应的出射光信号转变为光电流信号，选用的是Thorlabs公司的PDA36A，波长响应范围从350nm到1100nm，在λ＝894.6nm波段具有较高的响应度，最大输出电流100mA，输出电压0-5V。
3.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：信号预处理模块包括运放A5、运放A6、运放A7、运放A8，运放A5的“-”输入端和输出端之间连接取样电阻R9，取样电阻R9并联滤波电容C1，运放A5的输出端经过隔直电容C2和电阻R10连接运放A6的“-”输入端，运放A6的输出端连接至运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器；工作时，光电探测器输出的光电流信号通过取样电阻R9转换为电压信号，取样电阻R9和滤波电容C1构成低通滤波器可初步地滤除高频噪声，隔直电容C2用于滤除信号的直流分量，运放A6构成反相放大器，对前级转换得到的电压信号进一步放大，放大后的信号经由运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器，实现滤波和抗混叠。
4.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：射频驱动模块选用CMOS反相器CD4069，在其输入输出端接反馈电阻时可构成模拟放大器，反相器放大后的调频信号在电容隔直后通过电阻分压的方式驱动射频线圈产生射频磁场。
5.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：所述粒子群算法，将射频频率作为粒子，在fmin和fmax之间随机分布，这样每个粒子就代表一个该频率；之后按照一定的规律进行迭代，并设定第i代粒子表示为Xi＝(xi1,xi2,…,xin)，其中，n是粒子个数，测量不同频率点下的磁力仪探头输出，如果代表某频率的粒子能够取得更小值，则称该粒子更优；每个粒子迭代过程中最优的记为Pi＝(pi1,pi2,…pin)，所有粒子最优值记为Pig，同时，每个粒子给定初始化的速度，记为Vi＝(vi1,vi2,…vin)，每个粒子的速度也会在每次迭代中进行更新，使粒子当前位置与历史最优进行靠近，然后把更新后的速度叠加到粒子位置上，对粒子的位置进行更新，第i代中第j个粒子更新公式为：
其中，c1j和c2j自我认知系数和社会认知系数，r1j和r2j是两个0-1范围内的随机 数，用以平衡自我认知系数和社会认知系数的权重。通过上面的迭代方式，设定的粒子保留自身迭代过程中自身最小的位置，并且能够识别所有粒子中令磁力仪探头输出二倍频信号最小的粒子然后其他粒子向该粒子靠近；经过多次迭代，最终所有的粒子将聚拢在全局最小点处，从而达到寻找全局最小点的目的，也就找到了共振点。
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