CN112630705A - 适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置，其中方法包括步骤：利用FPGA并行处理的功能，在FID信号驰豫时间内设置预置闸门时间T，使用n个通道分别对被测信号与标准信号同时进行计数，其中对标准信号计数时用两个计数器分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数；根据n个通道的被测信号和标准信号的计数值计算被测信号的频率。本发明利用多通道同步测频，在不改变预置闸门时间的情况下，有效的增加了标准信号与被测信号的计数值，即采用另一种途径延长了测频时间，能够在无需提高标准信号的晶振频率与延长闸门时间的情况下，有效的减小频率测量误差，提高频率测量精度，具有很大的使用价值。

Description

适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置。

背景技术

弱磁测量作为探测物质特性和未知世界的有效手段之一，被广泛应用于地球物理勘探、军事和医疗等领域。基于不同测量原理的弱磁传感器的结构、特性、以及应用领域也各不相同。Overhauser磁力仪是一种基于自由基物质动态核极化效应的弱磁测量仪器，具有高精度和高灵敏度的特点，在陆地磁测、海洋磁测、空间磁测、军事和各类工程领域己得到广泛应用。它的工作原理是通过测量Overhauser磁力仪探头所输出FID信号的频率，从而推导出与其相对应的地磁场值。

由于Overhauser磁力仪输出信号频率与地磁场值成正比，且该信号具有指数衰减的特点，所以频率测量的准确性与快速性决定了磁力仪测频精度。对于现有的Overhauser磁力仪，一般选用等精度测频法对其进行频率测量，该方法虽然消除了被测信号±1误差的问题，但是标准信号的±1计数误差还一直存在，减小标准信号计数误差所带来的影响有两种方法，分别是提高标准信号的晶振频率与延长闸门时间。不过当系统中的晶振确定后，提高系统的工作频率相对困难，而根据Overhauser磁力仪的输出信号指数衰减的特点，它的驰豫时间通常为500ms，所以也不能靠延长闸门时间来提高测量精度。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置，该方法及装置是在等精度测频法的基础上进行优化，通过多通道同步测量及对标准信号上升沿和下降沿同时计数，有效的增加了标准信号与被测信号的计数值，改善现有测频方法的精度和灵敏度。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，包括以下步骤：

步骤一：利用FPGA并行处理的功能，在FID信号驰豫时间内设置预置闸门时间T，使用n个通道对整形并同步之后的被测信号进行计数，并同时对标准信号也进行计数，其中对标准信号计数时用两个计数器分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数，一个周期测频后n个通道的被测信号的计数值分别为N_x1，N_x2，...，N_xn，n个通道的标准信号上升沿的计数值分别为N_a1，N_a2，...，N_an，n个通道的标准信号下降沿的计数值分别为N_b1，N_b2，...，N_bn；

步骤二：根据n个通道的被测信号和标准信号的计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

本发明还提供一种适用Overhauser磁力仪的频率测量装置，包括迟滞比较器和多通道同步测频模块，被测信号输入至所述迟滞比较器，经所述迟滞比较器整形后得到同频率的方波信号，所述方波信号送入所述多通道同步测频模块中进行测频，所述多通道同步测频模块包括：

预置闸门时间模块，用于为n个通道配置预置闸门时间T；

同步开启模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的开启时刻与输入的被测信号上升沿同步；

同步关闭模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的关闭时刻与输入的被测信号上升沿同步；

计数器控制模块，用于根据同步开启模块输出信号控制计数器开始计数；用于根据同步关闭模块输出信号控制计数器停止计数；

计数器，每一个通道对应设有三个计数器，所述计数器包括用于对被测信号的上升沿进行计数的被测信号计数器x、用于对标准信号的上升沿进行计数的标准信号上升沿计数器a和对标准信号的下降沿进行计数的标准信号下降沿计数器b；

寄存器，每个计数器对应一个寄存器，用于存储所述计数器计数得到的被测信号的计数值N_x1、N_x2，...，N_xn、标准信号的上升沿计数值N_a1，N_a2，...，N_an和标准信号的下降沿计数值N_b1，N_b2，...，N_bn；

计算模块，用于获取所述寄存器中的计数值，并根据计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置利用多通道同步测频，在不改变预置闸门时间的情况下，通过多通道同步测量及对标准信号上升沿和下降沿同时计数，有效的增加了标准信号与被测信号的计数值，即采用另一种途径延长了测频时间，能够在无需提高标准信号的晶振频率与延长闸门时间的情况下，有效的减小频率测量误差，提高频率测量精度，具有很大的使用价值，相比于等精度测频法，本发明的测量精度更高，整个系统实时性好、灵活性高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法的原理示意图；

图3为标准信号的上升沿与下降沿计数时序图；

图4为本发明实施例提供的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量装置的原理框图。

具体实施方式

本发明所提出的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法及装置是在等精度测频法的基础上改进而成的，由于等精度测频法的实测闸门时间是被测信号周期的整数倍，所以不存在±1计数误差，但是对于标准信号计数值来说±1误差是不可避免的，为了减小标准信号±1计数误差所带来的影响，本发明采用多个通道同时对Overhauser磁力仪输出信号进行频率测量。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

在其中一个实施例中，如图1和图2所示，本发明提供一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一(S100)：利用FPGA并行处理的功能，在FID信号驰豫时间内设置预置闸门时间T，使用n个通道对整形并同步之后的被测信号进行计数，并同时对标准信号也进行计数，其中对标准信号计数时用两个计数器分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数，一个周期测频后n个通道被测信号的计数值分别为N_x1，N_x2，...，N_xn，n个通道的标准信号上升沿的计数值分别N_a1，N_a2，...，N_an，n个通道的标准信号下降沿的计数值分别为N_b1，N_b2，...，N_bn；

步骤二(S200)：根据n个通道的被测信号和标准信号的计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

在等精度测频方法中，被测信号的频率f_x的计算公式如下：

式中，f_s为标准信号的频率，N_x为被测信号的计数值，N_s为标准信号的计数值。

由于等精度测频法对于被测信号来说不存在±1计数误差，其主要误差来自于对基准时钟信号的计数。若能在相同时间内增加标准时钟信号计数值，则能进一步提高测频精度。为此本发明采用两个计数器来分别对标准信号进行上升沿与下降沿进行计数。在实测闸门时间内，对标准信号上升沿的计数值为N_a，对标准信号下降沿的计数值为N_b，则N_a、N_b的平均值为N'_s，即：

图3为标准信号的上升沿与下降沿计数时序图。如图3所示，该图为图2中n个通道中的一个，其中ti为第i个通道的实测闸门时间，(i的取值范围为1～n)。T_a为计数开始时与标准信号第一个上升沿的时间差，T_b为计数开始时与标准信号第一个下降沿的时间差，T_a、T_b都小于一个标准信号的时钟周期，且其中一个小于半个标准信号周期，则另一个必大于半个标准信号周期，且两者之差为半个标准信号周期，即

由此，可以推导出以下公式：

同理，T_c与T_d之间也有同样的关系，即：

从图3中可以看出如下关系：

将式(7)中的两式相加得：

又由式(5)和式(6)可得：

将式(9)代入式(8)中得：

因为

代入式(10)可得：

即

进而可得：

从式(12)中可以看出，采用标准信号上升沿与下降沿同时计数的方法可以使测量结果的相对误差减小一半。

为了使测量频率精度进一步提高，在上述方法的基础上，利用FPGA并行处理的特点，采用多通道同时对被测信号进行频率测量，假设选取n个通道对FID信号进行测量，在FID信号有效的测量时间内选取合适的预置闸门时间T，对每个通道的测频周期内的标准信号进行上下沿同时计数的方法，则n个通道的标准信号上升沿的计数值分别为N_a1，N_a2，...，N_an，n个通道的标准信号下降沿的计数值分别为N_b1，N_b2，...，N_bn，n个通道所得到的标准信号计数平均值依次为N'_s1，N'_s2，…，N'_sn，被测信号的计数值依次为：N_x1，N_x2，...，N_xn。根据公式(3)即可得到被测信号的频率为：

本实施例所提供的适用Overhauser磁力仪的频率测量方法利用多通道同步测频，在不改变预置闸门时间的情况下，通过对标准信号上升沿和下降沿同时计数及多通道同步测量的方法，有效的增加了标准信号与被测信号的计数值，即采用另一种途径延长了测频时间，能够在无需提高标准信号的晶振频率与延长闸门时间的情况下，有效的减小频率测量误差，提高频率测量精度，具有很大的使用价值。

可选地，在步骤一之前还需要配置预置闸门时间T，即在步骤一之前还包括为每个通道配置预置闸门时间T的步骤。

进一步地，配置预置闸门时间T时，可以通过配置寄存器的值T_cfg来配置预置闸门时间T(单位：ms)，具体计算公式如下：

其中，sysclk为FPGA系统时钟频率，单位为Hz。

实际应用中根据测量需要，在FPGA程序中可以动态调整预置闸门时间T以满足对刷新率要求更高的场合。

可选地，在上述步骤中，根据FID信号指数衰减的特性，由于FID信号驰豫时间为500ms，所以预置闸门时间T一般不大于500ms，本发明中选择预置闸门时间为400ms。

可选地，步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一：为了减小频率测量误差，需要保证实测闸门时间为被测信号周期的整数倍，因此对整形之后的被测信号进行同步，使得实测闸门t1的开启时刻与输入的被测信号上升沿同步。

步骤一二：开始测量后，实测闸门t1开启后打开通道1，启动被测信号计数器x1对被测信号上升沿计数，启动标准信号上升沿计数器a1与标准信号计数器b1分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数；

步骤一三：在通道1打开后延迟预设时间，开启通道2的预置闸门T2，当被测信号的上升沿到来时开启实测闸门t2，打开通道2，例如在通道1打开后延迟5ms，当被测信号的上升沿到来时打开通道2，启动被测信号计数器x2对被测信号上升沿计数，启动标准信号上升沿计数器a2与标准信号计数器b2分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数，与此同时通道1的测频仍在进行，以此类推，相继打开其余各个通道进行测频；

步骤一四：在各个通道进行测频时，都对预置闸门时间T进行判断，当相应通道的预置闸门T关闭信号到达后，例如当预置闸门时间T达到400ms时，不立即停止计数，而是等待被测信号的下一个上升沿到达时关闭该通道的实测闸门，停止对应的被测信号计数器和标准信号计数器的计数，以此类推，直到通道n的闸门关闭，共计得到n个通道的被测信号的计数值N_x1、N_x2，...，N_xn、标准信号的上升沿计数值N_a1、N_a2，...，N_an和标准信号的下降沿计数值N_b1、N_b2，...，N_bn，对标准信号的上升沿、下降沿进行计数，其主要作用也是减小测量误差。

假设在一次测量中，预置闸门时间T为400ms，设置通道个数n的取值为20，对20个通道均使用上述方法进行计数，得到20个通道中被测信号的计数值依次为N_x1，N_x2，...，N_x20，标准信号的上升沿计数值依次为N_a1，N_a2，...，N_a20，标准信号的下降沿计数值依次为N_b1，N_b2，...，N_b20，根据被测信号的计数值、标准信号的计数值、标准信号的频率就可以计算出被测信号的频率f_x：

其中，f_s为标准信号的频率。

在另一个实施例中，如图4所示，本发明提供一种适用Overhauser磁力仪的频率测量装置，该装置包括迟滞比较器和多通道同步测频模块，在开始频率测量之前，先将放大后的被测信号(即FID信号)输入迟滞比较器，通过迟滞比较器转换为同频率的方波信号，经过迟滞比较器整形后的方波信号送入多通道同步测频模块中进行测频。利用FPGA并行处理的功能，在逻辑设计的顶层文件中实例化多通道同步测频模块，并确认输入输出信号的连接关系，多通道同步测频模块包括预置闸门时间模块、同步开启模块、同步关闭模块、计数器控制模块、计数器、寄存器和计算模块，下面对各个模块的功能及作用进行详细描述。

预置闸门时间模块，用于为n个通道配置预置闸门时间T；可选地，预置闸门时间T选择为400ms。

同步开启模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的开启时刻与输入的被测信号同步，以保证实测闸门时间为被测信号周期的整数倍，从而减小频率测量误差。

同步关闭模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的关闭时刻与输入的被测信号同步，以保证实测闸门时间为被测信号周期的整数倍，从而减小频率测量误差。

计数器控制模块，用于根据同步开启模块输出信号控制计数器开始计数；用于根据同步关闭模块输出信号控制计数器停止计数。

计数器，每一个通道对应设有三个计数器，一共设有3n个计数器，其中被测信号计数器x用于对被测信号的上升沿进行计数，标准信号上升沿计数器a用于对标准信号的上升沿进行计数，标准信号下降沿计数器b用于对标准信号的下降沿进行计数。

寄存器，每个计数器对应一个寄存器，用于存储计数器计数得到的被测信号的计数值N_x1、N_x2，...，N_xn、标准信号的上升沿计数值N_a1、N_a2，...，N_an和标准信号的下降沿计数值N_b1、N_b2，...，N_bn。

计算模块，用于获取寄存器中的计数值，并根据计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

本实施例提供的适用Overhauser磁力仪的频率测量装置中各个模块其具体功能的实现方法，可以参照上述的适用Overhauser磁力仪的频率测量方法实施例中描述的实现方法，此处不再赘述。

本实施例所提出的适用Overhauser磁力仪的频率测量装置，其最大的特点是在等精度测频的基础上减小了标准信号计数值所带来的误差，有效的提高了Overhauser磁力仪的频率测量精度。

标准信号一般由高精度的时钟源提供，等精度测频法对被测信号的计数值不存在±1误差，只对标准信号的计数值存在±1误差。若采用等精度测频法，得到的被测信号的实际频率为：

其中，N_x代表被测信号的计数值，N_s”代表标准信号的上升沿计数值，ΔN_s代表标准信号的计数误差值，一般为±1。用δ表示频率测量误差，频率测量误差δ为：

由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号的大小无关，只与闸门时间和标准信号的频率有关，而本发明设计的多通道测频法首先在不改变闸门时间的情况下，采用另一种途径延长了测频时间。总的有效测频时间为(假设n＝20)：400ms×20＝8000ms，对标准信号进行上升沿与下降沿计数相当于将它的频率变为原先的2倍，那么利用多通道同步测频法理论上误差应减小约32倍。

以预置闸门时间T为400ms，标准时钟50MHz为例，本发明的多通道同步测频误差应小于：

而对于普通的等精度测频法，预置闸门时间可选为500ms，标准时钟50MHz为例，其相对误差理论值误差应小于：

通过比较可知，本发明能够有效减小频率测量的相对误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用FPGA并行处理的功能，在FID信号驰豫时间内设置预置闸门时间T，使用n个通道对整形并同步之后的被测信号进行计数，并同时对标准信号也进行计数，其中对标准信号计数时用两个计数器分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数，一个周期测频后n个通道的被测信号的计数值分别为N_x1，N_x2，...，N_xn，n个通道的标准信号上升沿的计数值分别为N_a1，N_a2，...，N_an，n个通道的标准信号下降沿的计数值分别为N_b1，N_b2，...，N_bn；

步骤二：根据n个通道的被测信号和标准信号的计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

2.根据权利要求1所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，在所述步骤一之前还包括以下步骤：

为每个通道配置所述预置闸门时间T。

3.根据权利要求2所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，

通过配置寄存器的值T_cfg来配置所述预置闸门时间T，计算公式如下：

其中，sysclk为FPGA系统时钟频率。

4.根据权利要求2或3所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，

所述预置闸门时间T为400ms。

5.根据权利要求1所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一：通过FID激发信号开启通道1的预置闸门T1，等待被测信号上升沿到来进行同步，开启实测闸门t1；

步骤一二：实测闸门t1开启后打开通道1，启动被测信号计数器x1对被测信号上升沿计数，启动标准信号上升沿计数器a1与标准信号下降沿计数器b1分别对标准信号的上升沿与下降沿开启进行计数；

步骤一三：在通道1打开后延迟预设时间，开启通道2的预置闸门T2，当被测信号的上升沿到来时开启实测闸门t2，打开通道2，启动被测信号计数器x2对被测信号上升沿计数，启动标准信号上升沿计数器a2与标准信号下降沿计数器b2分别对标准信号的上升沿与下降沿进行计数，与此同时通道1的测频仍在进行，以此类推，相继打开其余各个通道进行测频；

步骤一四：在各个通道进行测频时，都对预置闸门T进行判断，当相应通道的预置闸门T关闭信号到达后，等待被测信号的下一个上升沿到达时关闭该通道的实测闸门，停止对应的被测信号计数器和标准信号计数器的计数，直到通道n的闸门关闭。得到n个通道的被测信号的计数值N_x1，N_x2，...，N_xn、标准信号的上升沿计数值N_a1，N_a2，...，N_an和标准信号的下降沿计数值N_b1，N_b2，...，N_bn。

6.根据权利要求5所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，

所述预设时间为5ms。

7.根据权利要求1所述的一种适用Overhauser磁力仪的频率测量方法，其特征在于，

通道个数n的取值为20。

8.一种适用Overhauser磁力仪的频率测量装置，其特征在于，包括迟滞比较器和多通道同步测频模块，被测信号输入至所述迟滞比较器，经所述迟滞比较器整形后得到同频率的方波信号，所述方波信号送入所述多通道同步测频模块中进行测频，所述多通道同步测频模块包括：

预置闸门时间模块，用于为n个通道配置预置闸门时间T；

同步开启模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的开启时刻与输入的被测信号上升沿同步；

同步关闭模块，用于对被测信号进行同步，使得实测闸门的关闭时刻与输入的被测信号上升沿同步；

计数器控制模块，用于根据同步开启模块输出信号控制计数器开始计数；用于根据同步关闭模块输出信号控制计数器停止计数；

计数器，每一个通道对应设有三个计数器，所述计数器包括用于对被测信号的上升沿进行计数的被测信号计数器x、用于对标准信号的上升沿进行计数的标准信号上升沿计数器a和对标准信号的下降沿进行计数的标准信号下降沿计数器b；

寄存器，每个计数器对应一个寄存器，用于存储所述计数器计数得到的被测信号的计数值N_x1、N_x2，...，N_xn、标准信号的上升沿计数值N_a1，N_a2，...，N_an和标准信号的下降沿计数值N_b1，N_b2，...，N_bn；

计算模块，用于获取所述寄存器中的计数值，并根据计数值计算被测信号的频率f_x，计算公式如下：

其中，f_s为标准信号的频率。

Images