CN114460506B - 基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统 - Google Patents

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CN114460506B CN202111585410.3A CN202111585410A CN114460506B CN 114460506 B CN114460506 B CN 114460506B CN 202111585410 A CN202111585410 A CN 202111585410A CN 114460506 B CN114460506 B CN 114460506B
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Abstract

本发明提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统，包括：基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号；获取原子气室的磁共振信号；对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以及对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整；计算获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差；对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿；根据磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差之间的差值调整数字参考信号和磁场激励信号的频率完成磁共振信号相位闭环控制。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中相位解调方法的噪声干扰大且计算结果随环境温度变化具有较大的漂移的技术问题。

Description

基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统
技术领域
本发明涉及原子磁强计相位控制技术领域，尤其涉及一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统。
背景技术
碱金属原子磁强计利用电子自旋或核自旋在磁场中的进动测量磁场，具有精度高、体积小等优势，主要用于地球磁场测量、脑磁心磁等生物弱磁测量以及水下、水面和航空目标探测等方面，在国民经济建设和国防领域具有重要意思。碱金属原子磁强计测量地球磁场时，要求原子气室内的原子工作在共振状态，此时激励信号和磁共振信号频率相同，相位差为常值，原子磁强计具有最高的灵敏度和稳定性。因此，为提高磁场测量稳定性，首先要实现磁共振信号相位的高精度闭环控制。
传统的模拟相位解调控制方式是通过基于模拟乘法器的方法实现。由于模拟乘法器是全带宽范围内信号的处理，非有用信号频段的噪声会直接影响待测信号相位的解调计算，带来噪声干扰；而且模拟乘法器的计算结果随环境温度变化具有较大的漂移，难以满足原子磁强计工程环境应用需求。
发明内容
本发明提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统，能够解决现有技术中相位解调方法的噪声干扰大且计算结果随环境温度变化具有较大的漂移的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法包括：基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号；根据磁场激励信号对原子气室进行磁场激励，获取原子气室的磁共振信号；对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，实现对数字参考信号和磁共振信号的变参数控制；根据滤波参考信号和滤波磁共振信号计算获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差；对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差；将磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差相比较，当磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差不相等时，调整数字参考信号和磁场激励信号的频率，直至磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差等于期望相位差，完成磁共振信号相位闭环控制。
进一步地，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差具体包括：根据滤波参考信号和滤波磁共振信号进行数字互相关运算和数字自相关运算以获取第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量，根据第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量计算获取磁共振信号和参考信号的相位差。
进一步地，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差具体包括：计算获取系统相位滞后和相位漂移，根据系统相位滞后和相位漂移对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差。
进一步地，基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号具体包括：利用DDS内核单元生成第一数字信号和第二数字信号，将第一数字信号作为数字参考信号，对第二数字信号进行数模转换以获取磁场激励信号。
进一步地，数字参考信号和磁共振信号的滤波处理结果均可根据YN＝a0XN-2+a1XN-1+a2XN+b1YN-1+b2YN-2来获取，其中，XN为当前时刻输入值，XN-1为前一时刻输入值，XN-2为前两时刻输入值，YN-1为前一时刻滤波结果，YN-2为前两时刻滤波结果，a0、a1、a2、b1和b2为滤波系数。
进一步地，第一自相关运算量XAA、第二自相关运算量XBB和互相关运算量XAB可根据计算获取，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。
进一步地，磁共振信号和数字参考信号之间的相位差Δθ可根据计算获取。
进一步地，磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差θ可根据计算获取，其中，/>为系统相位滞后，/>为相位漂移。
根据本发明的又一方面，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统，磁共振信号相位闭环控制系统使用如上所述的磁共振信号相位闭环控制方法进行磁共振信号相位闭环控制。
进一步地，磁共振信号相位闭环控制系统包括DDS内核单元、变参数控制单元、模数转换器、数模转换器、数字相关运算单元、相位补偿单元和PID闭环控制单元，DDS内核单元用于生成第一数字信号和第二数字信号，第一数字信号为数字参考信号，数模转换器用于对第二数字信号进行数模转换以获取磁场激励信号，模数转换器用于将模拟量的磁共振信号转换为数字量的磁共振信号，滤波及变参数控制单元用于对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号以及根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，数字相关运算用于对滤波参考信号和滤波磁共振信号进行数字自相关运算和数字互相关运算以获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差，相位补偿单元用于对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差，PID闭环控制单元用于根据磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差之间的大小调整数字参考信号和磁场激励信号的输出频率以完成磁共振信号相位闭环控制。
应用本发明的技术方案，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，该方法基于DDS技术和数字相关运算，可实现磁共振相位的数字提取；变参数控制可有效控制有用信号的处理带宽，降低频带内其他噪声的干扰，提高磁场解算精度；而相位补偿可大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移，提高磁场测量稳定性，保证系统环境适应性。因此，本发明所提供的磁共振信号相位闭环控制方法与现有技术相比，实现了磁共振信号相位闭环控制，降低了频带内其他噪声的干扰，提高了磁场解算精度；且大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移和温度漂移，提高了磁场测量稳定性、系统的相位解算精度、稳定性及工程环境适应能力，保证了系统的环境适应性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、DDS内核单元；20、变参数控制单元；30、模数转换器；40、数模转换器；50、数字相关运算单元；60、相位补偿单元；70、PID闭环控制单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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申请的示例性实施方式。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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，该基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法包括：基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号；根据磁场激励信号对原子气室进行磁场激励，获取原子气室的磁共振信号；对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，实现对数字参考信号和磁共振信号的变参数控制；根据滤波参考信号和滤波磁共振信号计算获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差；对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差；将磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差相比较，当磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差不相等时，调整数字参考信号和磁场激励信号的频率，直至磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差等于期望相位差，完成磁共振信号相位闭环控制。
应用此种配置方式，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，该方法基于DDS技术和数字相关运算，可实现磁共振相位的数字提取；变参数控制可有效控制有用信号的处理带宽，降低频带内其他噪声的干扰，提高磁场解算精度；而相位补偿可大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移，提高磁场测量稳定性，保证系统环境适应性。因此，本发明所提供的磁共振信号相位闭环控制方法与现有技术相比，实现了磁共振信号相位闭环控制，降低了频带内其他噪声的干扰，提高了磁场解算精度；且大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移和温度漂移，提高了磁场测量稳定性、系统的相位解算精度、稳定性及工程环境适应能力，保证了系统的环境适应性。
在本发明中，为了实现磁共振信号相位闭环控制，首先需要基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号。在本发明中，基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号具体包括：利用DDS内核单元10生成第一数字信号和第二数字信号，将第一数字信号作为数字参考信号，对第二数字信号进行数模转换以获取磁场激励信号。其中，数字参考信号XA可根据计算获取，其中，A为数字参考信号幅度，ω为数字参考信号频率，t为时间，θA为数字参考信号相位，/>为数字参考信号噪声。
进一步地，在获取了数字参考信号和磁场激励信号之后，即可根据磁场激励信号对原子气室进行磁场激励，获取原子气室的磁共振信号。磁共振信号XB与数字参考信号XA同频，存在相位差，磁共振信号XB可根据计算获取，其中，B为磁场激励信号幅度，ω为磁场激励信号频率，磁场激励信号频率与数字参考信号频率相同，t为时间，θB为磁场激励信号相位，/>为磁场激励信号噪声。
在获取了原子气室的磁共振信号之后，为了降低数字参考信号XA和磁共振信号XB内的杂频噪声干扰，即可对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，实现对数字参考信号和磁共振信号的变参数控制。在本发明中，数字参考信号和磁共振信号的滤波处理结果均可根据YN＝a0XN-2+a1XN-1+a2XN+b1YN-1+b2YN-2来获取，其中，XN为当前时刻输入值，XN-1为前一时刻输入值，XN-2为前两时刻输入值，YN-1为前一时刻滤波结果，YN-2为前两时刻滤波结果，a0、a1、a2、b1、b2为滤波系数。
在本发明中，在对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理后，滤波参考信号XAPF可表示为：XAPE＝Asin(ωt+θAPE)，滤波磁共振信号XBPF可表示为：XBPE＝Bsin(ωt+θBPE)，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。
进一步地，在本发明中，在完成了数字参考信号和所述磁共振信号的变参数控制之后，即可根据滤波参考信号和滤波磁共振信号计算获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差。在本发明中，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差具体包括：根据滤波参考信号和滤波磁共振信号进行数字互相关运算和数字自相关运算以获取第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量，根据第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量计算获取磁共振信号和参考信号的相位差。
作为本发明的一个具体实施例，第一自相关运算量XAA、第二自相关运算量XBB和互相关运算量XAB可根据计算获取，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。磁共振信号和数字参考信号之间的相位差Δθ可根据/>计算获取。
进一步地，在获取了磁共振信号和数字参考信号之间的相位差之后，即可对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差。在本发明中，系统需要求解的为磁共振信号与磁场激励信号之间的相位差，而数字参考信号与磁场激励信号之间存在相位滞后，且该滞后随温度漂移，因此需要对相位进行补偿。
在本发明中，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差具体包括：计算获取系统相位滞后和相位漂移，根据系统相位滞后和相位漂移对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差。具体地，磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差θ可根据计算获取，其中，/>为系统相位滞后，/>为相位漂移。
进一步地，在获取了磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差之后，即可将磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差相比较，当磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差不相等时，调整数字参考信号和磁场激励信号的频率，直至磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差等于期望相位差，完成磁共振信号相位闭环控制。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统，该磁共振信号相位闭环控制系统使用如上所述的磁共振信号相位闭环控制方法进行磁共振信号相位闭环控制。
应用此种配置方式，提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统，该系统基于DDS技术和数字相关运算，可实现磁共振相位的数字提取；变参数控制可有效控制有用信号的处理带宽，降低频带内其他噪声的干扰，提高磁场解算精度；而相位补偿可大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移，提高磁场测量稳定性，保证系统环境适应性。因此，本发明所提供的磁共振信号相位闭环控制系统与现有技术相比，实现了磁共振信号相位闭环控制，降低了频带内其他噪声的干扰，提高了磁场解算精度；且大幅降低系统固有的相位滞后、相位漂移和温度漂移，提高了磁场测量稳定性、系统的相位解算精度、稳定性及工程环境适应能力，保证了系统的环境适应性。
进一步地，在本发明中，磁共振信号相位闭环控制系统包括DDS内核单元10、变参数控制单元20、模数转换器30、数模转换器40、数字相关运算单元50、相位补偿单元60和PID闭环控制单元70，DDS内核单元10用于生成第一数字信号和第二数字信号，第一数字信号为数字参考信号，数模转换器40用于对第二数字信号进行数模转换以获取磁场激励信号，模数转换器30用于将模拟量的磁共振信号转换为数字量的磁共振信号，滤波及变参数控制单元20用于对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号以及根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，数字相关运算用于对滤波参考信号和滤波磁共振信号进行数字自相关运算和数字互相关运算以获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差，相位补偿单元60用于对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差，PID闭环控制单元70用于根据磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差之间的大小调整数字参考信号和磁场激励信号的输出频率以完成磁共振信号相位闭环控制。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明所提供的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，该方法首先基于DDS技术产生一路磁场激励信号，一方面作为模拟输出，激励原子气室内的碱金属原子，一方面作为数字参考信号，用于提取磁共振信号的相位信息；然后搭建高速数据采集系统，采集磁共振信号，结合参考信号，利用数字相关算法、变参数控制等方式，提取磁共振信号的相位信息；而后通过相位补偿，抑制系统内的相位滞后及漂移；最后通过PID控制，改变DDS电路的输出频率，实现相位的闭环控制。该方法具体包括如下步骤。
步骤一，基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号。利用DDS内核单元10生成第一数字信号和第二数字信号，将第一数字信号作为数字参考信号，对第二数字信号进行数模转换以获取磁场激励信号。磁场激励信号基于DDS技术，由FPGA和DAC产生。其中，其中，DDS技术相对成熟，本发明不做论述。数字参考信号XA可根据计算获取，其中，A为数字参考信号幅度，ω为数字参考信号频率，t为时间，θA为数字参考信号相位，/>为数字参考信号噪声。
步骤二，根据磁场激励信号对原子气室进行磁场激励，获取原子气室的磁共振信号。磁共振信号XB与数字参考信号XA同频，存在相位差，磁共振信号XB可根据计算获取，其中，B为磁场激励信号幅度，ω为磁场激励信号频率，t为时间，θB为磁场激励信号相位，/>为磁场激励信号噪声。
步骤三，对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，根据数字参考信号和磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的数字参考信号和磁共振信号的滤波参数进行调整，实现对数字参考信号和磁共振信号的变参数控制。
在本实施例中，为了降低数字参考信号XA和磁共振信号XB内的杂频噪声干扰，即可对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，数字参考信号和磁共振信号的滤波处理结果均可根据YN＝a0XN-2+a1XN-1+a2XN+b1YN-1+b2YN-2来获取，其中，XN为当前时刻输入值，XN-1为前一时刻输入值，XN-2为前两时刻输入值，YN-1为前一时刻滤波结果，YN-2为前两时刻滤波结果，a0、a1、a2、b1和b2为滤波系数。由于数字参考信号XA和磁共振信号XB的信号频率ω均为已知量，为了降低杂频噪声干扰，每个运算周期内，滤波系数a0、a1、a2、b1和b2可进行适应性调整，保持信号的窄带处理，带宽可设置为1kHz，实现变参数控制。
在对数字参考信号和磁共振信号分别进行滤波处理后，滤波参考信号XAPF可表示为：XAPE＝Asin(ωt+θAPE)，滤波磁共振信号XBPF可表示为：XBPE＝Bsin(ωt+θBPE)，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。
由于滤波磁共振信号和滤波参考信号同频，因此滤波后，两信号相位差与滤波前相同，即θAPF-θBPF＝θA-θB，不影响相位提取。
步骤四，根据滤波参考信号和滤波磁共振信号计算获取磁共振信号和数字参考信号之间的相位差。在本实施例中，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差具体包括：根据滤波参考信号和滤波磁共振信号进行数字互相关运算和数字自相关运算以获取第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量，根据第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量计算获取磁共振信号和参考信号的相位差。
其中，第一自相关运算量XAA、第二自相关运算量XBB和互相关运算量XAB可根据计算获取，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。基于第一自相关运算量XAA、第二自相关运算量XBB和互相关运算量XAB，磁共振信号和数字参考信号之间的相位差Δθ可根据计算获取。
步骤五，对磁共振信号和数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差。在本实施例中，系统需要求解的为磁共振信号与模拟激励信号之间的相位差，而参考信号与模拟激励信号之间存在相位滞后，且该滞后随温度漂移，因此需要对相位进行补偿。
经分析，系统相位滞后主要由固定时间延迟τ带来，因此相位滞后可表示为：其中，ω为磁共振信号与数字参考信号的频率，为已知量。
相位漂移与温度T有关，相位漂移/>可表示为：/>其中，温度漂移可通过多个温度点试验条件下分别获取与多个温度点对应的相位漂移，通过多个温度点以及多个相位漂移拟合曲线，根据拟合曲线计算获取相位漂移。
在获取了系统相位滞后和相位漂移后，磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差θ可根据计算获取，其中，/>为系统相位滞后，/>为相位漂移。
步骤六，将磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差相比较，当磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差与期望相位差不相等时，调整数字参考信号和磁场激励信号的频率，直至磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差等于期望相位差，完成磁共振信号相位闭环控制。在本实施例中，将磁共振信号和磁场激励信号之间的相位差θ与期望相位差相比较，差值带入PID闭环控制算法中，得出激励信号频率的变化量，改变数字参考信号和磁场激励信号的频率，直至位差θ等于期望相位差，由此实现系统的相位闭环控制。
由上可知，本实施例利用FPGA内的DDS内核和高速DAC芯片实现磁场激励信号的产生；数据采集系统由高速ADC芯片实现，其余变参数控制、数字相关算法、相位补偿及PID控制等均在FPGA内部实现。
综上所述，本发明提供了一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，该方法适合于碱金属原子磁强计磁共振信号相位闭环控制，该方法采用DDS技术、数字相关运算、变参数控制以及相位补偿等方法，代替传统的模拟相位解调控制方法，降低了系统噪声干扰、温度漂移，提高了系统的相位解算精度、稳定性及工程环境适应能力。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，所述基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法包括：
基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号；
根据所述磁场激励信号对原子气室进行磁场激励，获取所述原子气室的磁共振信号；
对所述数字参考信号和所述磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号，根据所述数字参考信号和所述磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的所述数字参考信号和所述磁共振信号的滤波参数进行调整，实现对所述数字参考信号和所述磁共振信号的变参数控制；
根据所述滤波参考信号和所述滤波磁共振信号计算获取所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差；
对所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差；
将所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差与期望相位差相比较，当所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差与期望相位差不相等时，调整所述数字参考信号和所述磁场激励信号的频率，直至所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差等于所述期望相位差，完成磁共振信号相位闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，根据所述滤波参考信号和所述滤波磁共振信号计算获取所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差具体包括：根据所述滤波参考信号和所述滤波磁共振信号进行数字互相关运算和数字自相关运算以获取第一自相关运算量、第二自相关运算量和互相关运算量，根据所述第一自相关运算量、所述第二自相关运算量和所述互相关运算量计算获取所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，对所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差具体包括：计算获取系统相位滞后和相位漂移，根据所述系统相位滞后和所述相位漂移对所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，基于DDS技术生成数字参考信号和磁场激励信号具体包括：利用DDS内核单元(10)生成第一数字信号和第二数字信号，将所述第一数字信号作为数字参考信号，对所述第二数字信号进行数模转换以获取所述磁场激励信号。
5.根据权利要求4所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，所述数字参考信号和所述磁共振信号的滤波处理结果均可根据YN＝a0XN-2+a1XN-1+a2XN+b1YN-1+b2YN-2来获取，其中，XN为当前时刻输入值，XN-1为前一时刻输入值，XN-2为前两时刻输入值，YN-1为前一时刻滤波结果，YN-2为前两时刻滤波结果，a0、a1、a2、b1和b2为滤波系数。
6.根据权利要求2所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，所述第一自相关运算量XAA、所述第二自相关运算量XBB和所述互相关运算量XAB可根据计算获取，其中，XAPF为滤波参考信号，XBPF为滤波磁共振信号，A为数字参考信号幅度，B为磁共振信号幅度，θAPF为滤波后的数字参考信号相位，θBPF为滤波后的磁共振信号相位。
7.根据权利要求6所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差Δθ可根据计算获取。
8.根据权利要求7所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法，其特征在于，所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差θ可根据计算获取，其中，/>为系统相位滞后，/>为相位漂移。
9.一种基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统，其特征在于，所述磁共振信号相位闭环控制系统使用如权利要求1至8中任一项所述的磁共振信号相位闭环控制方法进行磁共振信号相位闭环控制。
10.根据权利要求9所述的基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制系统，其特征在于，所述磁共振信号相位闭环控制系统包括DDS内核单元(10)、变参数控制单元(20)、模数转换器(30)、数模转换器(40)、数字相关运算单元(50)、相位补偿单元(60)和PID闭环控制单元(70)，所述DDS内核单元(10)用于生成第一数字信号和第二数字信号，所述第一数字信号为数字参考信号，所述数模转换器(40)用于对所述第二数字信号进行数模转换以获取所述磁场激励信号，所述模数转换器(30)用于将模拟量的磁共振信号转换为数字量的磁共振信号，所述变参数控制单元(20)用于对所述数字参考信号和所述磁共振信号分别进行滤波处理以获取滤波参考信号和滤波磁共振信号以及根据所述数字参考信号和所述磁共振信号的信号频率对每个运算周期内的所述数字参考信号和所述磁共振信号的滤波参数进行调整，所述数字相关运算单元用于对所述滤波参考信号和所述滤波磁共振信号进行数字自相关运算和数字互相关运算以获取所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差，所述相位补偿单元(60)用于对所述磁共振信号和所述数字参考信号之间的相位差进行相位补偿以获取所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差，所述PID闭环控制单元(70)用于根据所述磁共振信号和所述磁场激励信号之间的相位差与期望相位差之间的大小调整所述数字参考信号和所述磁场激励信号的输出频率以完成磁共振信号相位闭环控制。
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