CN111707975B - 一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统及方法，系统包括依次连接的初始激励信号发生模块、多通道相参信号发生及调理模块、选通模块以及功率合成输出模块，选通模块用于控制多通道相参信号发生及调理模块每一个通道输出端的接通和断开，功率合成输出模块用于接收选通的通道信号，合成符合磁力仪的氦原子气室及其匹配电路工作要求的射频激励信号。将相参信号发生模块设置为多通道，能够实现其中部分通道相参信号的调整，不影响不进行调整的通道信号，能够提供适应输出射频激励信号功率状态改变而不间断连续激励，最大限度地满足各种原子激光泵浦技术的磁力仪的激励信号提供，实现磁力仪的高稳定性、高测量灵敏度。

Description

一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统及方法

技术领域

本公开涉及微波测试相关技术领域，具体的说，是涉及一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

随着新一代信息技术与装备应用的快速发展，在高精密磁场测量设备中，基于氦原子激光泵浦技术的磁力仪具有优异的灵敏度和长期稳定性等特性，得到越来越广泛的应用，射频激励信号是基于氦原子激光泵浦技术的磁力仪应用的关键制约因素,射频激励信号能够决定和保持氦原子受激处于亚稳态动态平衡以及控制受激氦原子数量规模，进而影响氦原子运动速度分布和对激光吸收强弱，而氦原子受激处于亚稳态动态平衡以及对激光的吸收强弱状态又直接决定着磁力仪测量灵敏度及静态噪声的性能水平。

现有技术中，通常采用通用射频信号发生设备结合外部功率放大器等器件的方式，实现对氦原子受激处于亚稳态动态平衡的控制与保持，以及对受激氦原子数量规模的控制，在实验室中通常采用上述方式对基于氦原子激光泵浦技术体制的磁力仪进行技术原理验证，不满足实际推广应用的要求。发明人发现，通用射频信号发生设备结合外部功率放大器及测试附件的传统方法，存在如下不足：

(1)通用射频信号发生设备及外部功率放大器等通常为通用测试设备，体积相对较大，不能满足所支撑氦原子激光泵浦技术体制磁力仪的实际应用及设备集成开发。

(2)通用射频信号发生设备结合外部功率放大器及测试附件的传统方法，输出功率较大使得受激氦原子数量规模较大，导致由于功率展宽使得氦原子受激对激光的吸收强度受到影响，进而使得氦光泵磁力仪的静态噪声和测量灵敏度性能下降；如果通过内部衰减器或调制器降低输出功率的过程存在激励信号瞬态间断问题，会引发氦原子受激状态改变而需要重新激发，无法满足氦光泵磁力仪技术集成应用。

(3)传统方法中通用射频信号发生设备不具备与氦光泵磁力仪系统实现协同工作的功能。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统及方法，能够提供适应输出射频激励信号功率状态改变而不间断的连续激励，最大限度地满足各种原子激光泵浦技术的磁力仪的激励信号提供，实现磁力仪的高稳定性、高测量灵敏度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，包括依次连接的初始激励信号发生模块、多通道相参信号发生及调理模块、选通模块以及功率合成输出模块，选通模块用于控制多通道相参信号发生及调理模块每一个通道输出端的接通和断开，功率合成输出模块用于接收选通的通道信号，合成符合磁力仪的氦原子气室及其匹配电路工作要求的射频激励信号。

一个或多个实施例提供了一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生方法，包括如下步骤：

获取初始射频激励信号；

将初始射频信号分为多通路相位一致的相参信号；

根据设定的输出信号的功率要求，调整其中部分通路的相参信号的幅值或者控制其中部分通路的通断；

将所有通路的相参信号合成，获得符合设定功率的射频激励信号并输出。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开将初始激励信号分为多路相参信号，后端通过合成实现射频激励信号的调整，将相参信号发生模块设置为多通道，能够实现其中部分通道相参信号的调整，其中部分信号通路的信号调整不影响不进行调整的通道信号，从而不会导致激励信号中断，解决了激励信号瞬态间断问题。同时，可以通过调整部分通路的信号以及选通实现本系统的输出功率调整，避免出现因输出功率较大使得受激氦原子数量规模较大，导致由于功率展宽使得氦原子受激对激光的吸收强度受到影响，进而使得氦光泵磁力仪的静态噪声大和测量灵敏度性能下降的问题，从而有效提升氦光泵磁力仪的性能水平，具有通用性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的系统的结构框图；

图2是本公开实施例1的恒温晶振电路结构框图；

图3是本公开实施例1的多通道相参信号发生及调理模块结构框图；

图4是本公开实施例1的功率合成输出模块结构框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，包括依次连接的初始激励信号发生模块、多通道相参信号发生及调理模块、选通模块以及功率合成输出模块，选通模块用于控制多通道相参信号发生及调理模块每一个通道输出端的接通和断开，功率合成输出模块用于接收选通的通道信号，合成符合氦原子气室及其匹配电路工作要求的射频激励信号。

氦原子气室及其匹配电路具体为氦光泵磁力仪上的部件，通过接收射频激励信号，来激发氦原子。

本实施例将初始射频激励信号分为多路相参信号，后端通过合成实现输出射频激励信号的调整，将相参信号发生模块设置为多通道，能够实现其中部分通道相参信号的调整，其中部分信号通路的信号调整不影响不进行调整的通道信号，从而不会导致激励信号中断，解决了激励信号瞬态间断问题。同时，可以通过调整部分通路的信号以及选通实现本系统的输出功率调整，避免出现因输出功率较大使得受激氦原子数量规模较大，导致由于功率展宽使得氦原子受激对激光的吸收强度受到影响，进而使得氦光泵磁力仪的静态噪声大和测量灵敏度性能下降的问题，从而有效提升氦光泵磁力仪的性能水平，具有通用性。

作为进一步的改进，为实现输出射频激励信号的输出稳定性控制，还包括反馈控制回路，所述反馈控制回路分别连接功率合成输出模块以及多通道相参信号发生及调理模块，所述反馈控制回路用于采集输出射频激励信号的功率，实时控制多通道相参信号发生及调理模块的信号调理实现相应补偿，以提高射频激励信号输出功率的稳定性。

反馈控制回路包括依次连接的功率采集终端、功率电平比较器以及功率幅度控制器，所述功率采集终端连接功率合成输出模块用于采集输出激励信号的功率，功率幅度控制器连接多通道相参信号发生及调理模块。

反馈控制回路的功率采集终端用于采集功率合成输出模块输出至氦原子气室及其匹配电路的信号功率，功率电平比较器用于将采集的输出信号功率电平与预先设定值进行比较，功率幅度控制器用于接收功率电平比较器输出的信号差值并根据差值生成相应的控制信号，传输至多通道相参信号发生及调理模块以使得多通道相参信号发生及调理模块按照控制信号调整各个通道的相参信号的功率电平幅值。

可以理解的,初始激励信号发生模块，用于为多通道相参信号发生及调理模块提供原始的激励信号，可选的，可以采用恒温晶振信号发生电路，用于提供设定频率要求的射频激励信号；

作为一种可以实现的方式，如图2所示，恒温晶振信号发生电路至少包括两路信号发生电路，每个信号发生电路的输出端连接初始信号选通开关，其中一路包括依次连接的第一恒温晶振、DDS信号发生电路、第一信号调理电路，另一路包括依次连接的第二恒温晶振和第二信号调理电路，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路分别连接初始信号选通开关，控制输出至多通道相参信号发生及调理模块的激励信号，通过DDS信号发生电路用于实现在输出信号范围内不同频率信号的设定及输出，同时通过第二恒温晶振的选型与配置用于实现超出DDS信号发生电路输出信号范围的可配置频率的信号设定及输出，从而可以提供不同频率要求的激励信号。

多通道相参信号发生及调理模块：被配置为用于接收射频激励信号，对接收的信号幅度调整，至少获得两路相位一致、幅度不同的相参信号；

具体的，多通道相参信号发生及调理模块的通道数可以根据实际的调整需求设置，本实施例中，可以设置为两路，分别用于提供两路相参信号。设置为两路可以在输出激励信号不间断的前提下实现输出功率的调整，同时两路合成的损耗较小且所需部件数量较少，既满足性能要求也降低了本系统设置成本。

优选的，可以在两路相参信号中设置其中一路激励信号的输出功率较大，以通过信号合成提供氦原子受激激发的激励信号，设置另一路激励信号的输出功率较小以提供氦光泵磁力仪低静态噪声稳态工作的激励信号。

可以设置的，多通道相参信号发生及调理模块的其中一个通道输出的信号，始终满足为氦光泵磁力仪提供低静态噪声稳态工作条件的射频激励信号的要求。

因为双通道相参信号中用于为氦光泵磁力仪提供低静态噪声稳态工作条件的射频激励信号一直连续不间断输出且不受另一路信号导通或断开的影响，因此不会存在由于激励信号瞬态间断引发氦原子受激状态改变而需要重新激发的情况，可以大大提高氦光泵磁力仪的可靠性和使用性能。

作为一种典型的实现方式，如图3所示，多通道相参信号发生及调理模块的具体结构为：包括功分模块，分别连接功分模块的多个信号调理通道；每个信号调理通道包括依次连接的多路相参信号前置放大模块、功率幅度调制器和相参信号功率放大模块。其中，功分模块用于将激励信号分为至少两路相参的激励信号，其中一路激励功率设置为符合氦原子受激激发的激励信号的功率要求，即功率较大；而将另一路激励功率设置符合氦光泵磁力仪低静态噪声稳态工作的激励信号的功率要求，即功率较小；多路相参信号前置放大模块实现按要求分别对各路相参信号放大，以为连接的功率放大电路提供满足功率电平要求的激励信号；功率幅度调制器用于根据功率幅度控制信号，微调等效电阻以增大或减小信号衰减的方式对各路相参的激励信号进行功率电平的调整；相参信号功率放大模块用于按照功率电平要求对各路相参的激励信号进行功率放大，为功率合成输出模块提供满足功率电平要求的多路相参信号。

选通模块：用于控制多通道相参信号发生及调理模块每一个通道输出端的接通和断开；可选的，包括选通控制器以及设置多通道相参信号发生及调理模块的各个通道输出端的选通开关，所述选通开关与选通控制器通信连接。

具体的，本实施例中采用射频开关，通过选通控制器控制射频开关的通断，具体的可以设置为“射频开关1”或“射频开关2”。

“射频开关1”或“射频开关2”通过根据实际需求控制其中一路的导通或断开，实现对氦原子激发状态和低静态噪声稳态工作的选通控制功能；其中，氦原子在激发时需要两路相参信号合成后输出的激励信号功率较大，以保证氦原子实现可靠激发；而在激发后氦原子处于稳态工作时需要两路相参信号合成后输出的激励信号功率较小且稳定性较高才能有效控制受激氦原子数量规模，进而影响氦原子运动速度分布和对激光的吸收强弱，使得氦光泵磁力仪获得低噪声和高测量灵敏度；通过将两路相参信号功率电平设置为一路较大(如功率电平为1W)而另一路较小(如功率电平为0.5W)，在激发氦原子时两路相参信号功率合成输出的激励信号功率电平为1.45W，而在稳态工作时将功率电平较大的一路断开，此时两路相参信号功率合成输出的激励信号功率电平为0.25W且不会因为一路相参信号的断开而出现信号间断，这样就可以满足氦原子在激发和稳态工作时的大范围功率电平调整和不间断的信号激励要求。

功率合成输出模块：用于实现多路相参信号的功率合成，为后端氦原子气室及其匹配电路在激发状态和低静态噪声稳态的工作提供相应符合要求的射频信号激励。

可实现的，如图4所示，功率合成输出模块包括依次连接的合成模块、信号分离模块和隔离保护模块。其中，合成模块用于实现多路相参信号的功率合成；信号分离模块用于为反馈回路的功率采集终端提供表征输出激励信号功率电平的电平信号；隔离保护模块用于隔离磁力仪端产生的高压冲击信号以及大功率反射信号；

可选的，所述隔离保护模块的电路结构为：包括依次连接的高频双向瞬态电压抑制器、同轴型隔离器和同轴型高压保护器，所述高频双向瞬态电压抑制器、同轴型隔离器的连接点连接信号分离模块的输出端。

同轴型高压保护器：用于实现对高压冲击信号的第一级抑制防护；

同轴型隔离器：用于实现对激励信号由于氦原子气室及其匹配电路处于失配状态而产生大功率反射信号的抑制防护；

高频双向瞬态电压抑制器：用于实现对高压冲击信号的第二级抑制防护。

氦原子激发时会产生高压冲击信号的高压冲击信号，氦原子气室及其匹配电路在失配状态下也会产生大功率反射信号。本实施例设置隔离保护模块可以避免多通道相参信号发生及调理模块的功放器件损坏，从而有效保护电路。

下面对本实施例的合成信号进行说明：如果相参信号1通道提供功率合成的射频信号功率为P₁，相参信号2通道提供功率合成的射频信号功率为P₂，而功率合成后输出的射频激励信号功率为P，那么，这两路相参信号在相位一致的情况下，则有输出的射频激励信号功率为P通过可以通过如下公式计算：

当P₁＝P₂时，合成效率η最大，η_max＝1；当P₁＝0，P₂≠0或P₂＝0，P₁≠0时，合成效率η最小，η_min＝0.5。由合成损耗L＝10lgη可知，合成损耗最小为0dB而最大为3dB，合成损耗最大即为幅度衰减一半。

根据氦原子可靠受激的射频激励功率以及低静态噪声稳态工作的射频激励功率的各自相应要求，调整相参信号的幅值就能够调整信号输出功率的大小，可以实现输出激励信号的功率的连续调节，适用性广，同时可以通过调整通道数进行更高变换精度的功率输出。可见，本实施例的系统可以兼顾可靠受激以及低静态噪声性能这一对相互矛盾的技术实现。从而支撑氦光泵磁力仪实现兼顾氦原子可靠受激以及低静态噪声、高测量灵敏度等优异性能，以满足其在高精密磁场测量中的应用需求。

本实施例通过采用表贴型、小型化及高集成度的元器件在一个电路板上实现上述两路相参信号各功能电路的设计实现，在显著减小电路系统体积的同时，可以产生具有适应功率状态改变而不间断连续激励、小型化、高稳定等技术特性满足应用需求及相关技术要求的射频激励信号，且具有良好的通用性与灵活的可扩展性。

实施例2

本实施例提供一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生方法，基于实施例1的系统实现，包括如下步骤：

步骤1、获取初始射频激励信号；

步骤2、将初始射频信号分为多通路相位一致的相参信号；

步骤3、根据设定的输出信号的功率要求，调整其中部分通路的相参信号的幅值或者控制其中部分通路的通断；

步骤4、将所有通路的相参信号合成，获得符合设定功率的射频激励信号并输出。

进一步的，还包括反馈控制的步骤，其中步骤3的调整包括如下步骤：

步骤31、获取输出的射频激励信号的实际输出功率；

步骤32、将获取的实际输出功率数据与设定的输出信号的功率要求比较，获得二者比较的差值；

步骤33、进行PID运算，获得调整指令，根据调整指令调整其中部分通路的相参信号的幅值或者控制其中部分通路的通断。

本实施例将初始射频激励信号分为多路相参信号，后端通过合成实现输出射频激励信号的调整，部分信号通路的信号调整不影响不进行调整的通道信号，从而不会导致激励信号中断，解决了激励信号瞬态间断问题。同时，可以通过调整部分通路的信号以及选通实现本系统的输出功率调整，避免出现因输出功率较大使得受激氦原子数量规模较大，导致由于功率展宽使得氦原子受激对激光的吸收强度受到影响，进而使得氦光泵磁力仪的静态噪声大和测量灵敏度性能下降的问题，从而有效提升氦光泵磁力仪的性能水平，具有通用性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，其特征是：包括依次连接的初始激励信号发生模块、多通道相参信号发生及调理模块、选通模块以及功率合成输出模块，选通模块用于控制多通道相参信号发生及调理模块每一个通道输出端的接通和断开，功率合成输出模块用于接收选通的通道信号，合成符合磁力仪的氦原子气室及其匹配电路工作要求的射频激励信号；

初始激励信号发生模块为恒温晶振信号发生电路，用于提供设定频率要求的原始射频激励信号；恒温晶振信号发生电路至少包括两路信号发生电路，每个信号发生电路的输出端连接初始信号选通开关，其中一路包括依次连接的第一恒温晶振、DDS信号发生电路、第一信号调理电路；另一路包括依次连接的第二恒温晶振和第二信号调理电路，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路分别连接初始信号选通开关；

多通道相参信号发生及调理模块的具体结构为：包括功分模块，分别连接功分模块的多个信号调理通道；每个信号调理通道包括依次连接的多路相参信号前置放大模块、功率幅度调制器和相参信号功率放大模块；

功分模块：用于根据设定功率将激励信号分为至少两路相参的激励信号；

多路相参信号前置放大模块：用于按要求分别对各路相参信号放大；

功率幅度调制器：用于根据功率幅度控制信号，对各路相参的激励信号进行功率电平的调整；

相参信号功率放大模块：用于按照功率电平要求对各路相参的激励信号进行功率放大；

选通模块包括选通控制器，以及设置多通道相参信号发生及调理模块的各个通道输出端的选通开关，所述选通开关与选通控制器通信连接；

或者，所述选通开关为射频开关；

功率合成输出模块：用于实现多路相参信号的功率合成，功率合成输出模块包括依次连接的合成模块、信号分离模块和隔离保护模块；

合成模块：用于实现多路相参信号的功率合成；

信号分离模块：用于为反馈回路的功率采集终端提供表征输出激励信号功率电平的电平信号；

隔离保护模块用于隔离磁力仪端产生的高压冲击信号以及大功率反射信号；

或者，

隔离保护模块包括依次连接的高频双向瞬态电压抑制器、同轴型隔离器和同轴型高压保护器，所述高频双向瞬态电压抑制器、同轴型隔离器的连接点连接信号分离模块的输出端。

2.如权利要求1所述的一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，其特征是：还包括反馈控制回路，所述反馈控制回路分别连接功率合成输出模块以及多通道相参信号发生及调理模块，所述反馈控制回路用于采集输出射频激励信号的功率，实时控制多通道相参信号发生及调理模块的信号调理实现相应补偿。

3.如权利要求2所述的一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，其特征是：所述反馈控制回路包括依次连接的功率采集终端、功率电平比较器以及功率幅度控制器，所述功率采集终端连接功率合成输出模块用于采集输出激励信号的功率，功率幅度控制器连接多通道相参信号发生及调理模块，功率电平比较器用于将采集的输出信号功率电平与预先设定值进行比较，功率幅度控制器用于接收功率电平比较器输出的信号差值并根据差值生成相应的控制信号并传输至多通道相参信号发生及调理模块。

4.如权利要求1所述的一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生系统，其特征是：多通道相参信号发生及调理模块的通道数设置为两路，分别用于提供两路相参信号，在两路相参信号中设置其中一路激励信号的输出功率较大，以通过信号合成符合氦原子受激激发的激励信号的功率要求，设置另一路激励信号的输出功率较小，以符合氦光泵磁力仪低静态噪声稳态工作的激励信号的功率要求。

5.一种适用于氦光泵磁力仪的射频信号发生方法，其特征是，所述方法执行上述权利要求1-4任一所述的系统的步骤，包括如下步骤：

获取初始射频激励信号；

将初始射频信号分为多通路相位一致的相参信号；

根据设定的输出信号的功率要求，调整其中部分通路的相参信号的幅值或者控制其中部分通路的通断；

将所有通路的相参信号合成，获得符合设定功率的射频激励信号并输出；

还包括反馈控制的步骤，具体如下：

获取输出的射频激励信号的实际输出功率；

将获取的实际输出功率数据与设定的输出信号的功率要求比较，获得二者比较的差值；

进行PID运算，获得调整指令，根据调整指令调整其中部分通路的相参信号的幅值或者控制其中部分通路的通断。

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