CN116106804A - 一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法。包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块，PC上位机与FPGA模块进行通信，由PC上位机配置FPGA模块的相应寄存器，FPGA模块连接微波源模块进行通信，通过FPGA配置微波源的工作模式及微波扫频区间，FPGA模块连接磁共振系统获得磁共振模拟信号，微波源模块连接磁共振系统提供微波输出。相对于传统实验系统的仪器组合，该装置具备功能集成化、体积小型化、电子学噪声低的优点，该装置可以通过多块板卡级联扩展输入输出通道并保持高精度同步，从而提高应用于不同实验系统的可扩展性。

Description

一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，具体涉及一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法。

背景技术

磁共振技术是一门关于电磁波操控自旋的科学方法，通过微波场激励样品产生共振现象，从而实现对样品的无损探测。近年来，磁共振技术在信息科学、材料、化学、生物和医疗等诸多领域得到重要而广泛的运用。

以基于NV色心的光学磁共振实验系统为例，在外部磁场作用下，NV色心自旋体系中的电子自旋能级会分裂为若干子能级，该分裂被称为塞曼分裂。在微波场激励信号的作用下，电子自旋能够在某两个子能级之间跃迁，该过程被称为自旋磁共振现象，该激励信号的频率则被称为自旋磁共振频率。由此，可利用自旋磁共振吸收谱反推出外部磁场的变化，以此实现磁共振系统的矢量磁探测。

然而在实践中，现有矢量磁探测系统普遍是由多种商用仪器组合而成，主要包含波源，脉冲发生器，锁相放大器以及采集卡等。这种方式通过PC上位机控制整个系统的进程，往往需要编写多套商用仪器的通信指令，增加了整个指令系统的复杂度，并且属于软件层次的进程控制大大增加了时间开销。另外，还要确保不同仪器之间的精确同步以及对单个仪器的电子学噪声的评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块；PC上位机与FPGA模块进行通信，由PC上位机配置FPGA模块的相应寄存器，FPGA模块连接微波源模块进行通信，通过FPGA配置微波源的工作模式及微波扫频区间，FPGA模块连接磁共振系统获得磁共振模拟信号，微波源模块连接磁共振系统提供微波输出；

FPGA模块实现多种仪器功能的集成化设计，包括信号预处理模块、数据采集卡模块、信号发生器模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；

信号预处理模块连接所述数据采集卡模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；所述数据采集卡模块连接所述示波器模块；信号发生器模块连接所述锁相放大器模块和示波器模块；所述锁相放大器模块连接所述PID控制器模块和示波器模块。

作为优选的，磁共振系统是基于金刚石氮空位色心的光学磁共振系统，系统输入为所述微波源提供的微波输出，系统输出为磁共振模拟信号。

作为优选的，信号预处理模块包含带通滤波子模块、直流偏移子模块、数字放大子模块；其中，带通滤波子模块用于抑制干扰噪声，获得模数转换芯片带宽范围内的可测信号；直流偏移子模块用于去除可测信号中的直流分量或补偿仪器本身的噪声偏移；数字放大子模块用于按照设定的放大倍数放大待测信号，避免FPGA中因定点数运算产生截断效应而引入的较大误差。

作为优选的，数据采集卡模块包含触发子模块、序列关键子模块和乒乓存储子模块；其中，触发子模块用于选择内触发或外触发采集模式，并在数据中记录下触发源的信息；序列关键子模块用于将采集到的可测信号送入FIFO或RAM中分组缓存；乒乓存储子模块用于依照采集卡的工作模式读取缓存中的数据，并通过以太网接口传输给PC上位机。

作为优选的，所述的信号发生器模块用于产生两路0.3mHz～62.5MHz的模拟波形，可将多块FPGA板卡级联起来扩展通道数，并且可由上位机确定全部通道之间的固定相位差或同步输出；所述的信号发生器模块产生的信号可由外部触发信号进行同步触发，即满足触发条件后将从预设初始相位处重新开始输出波形；

作为优选的，锁相放大器模块包括数字混频子模块和低通滤波子模块；数字混频子模块用于对外部输入的待测信号和参考信号进行乘法混频，输出含有高频不必要信号的解调信号；低通滤波子模块用于对解调信号中的高频不必要信号进行滤除，得到最终误差信号，即待测信号在参考信号频点处的强度值；所述的低通滤波子模块采用了5级级联的FIR抽取滤波器进行降采样，并且由一个可调系数FIR低通滤波器和滑动滤波器进行更小带宽的低通滤波。

作为优选的，PID控制器模块包含误差计算子模块和控制量计算子模块；误差计算子模块用于根据可调整的采样周期计算实际值与设定值的误差；控制量计算子模块用于根据PC上位机配置的比例积分微分增益值，将误差代入进行相应计算得到反馈控制量；所述的PID控制器模块具有动态可调整的采样率以满足不同控制系统的带宽需求。

作为优选的，示波器模块包含数据选择子模块，DMA传输子模块和PC上位机显示模块；数据选择子模块用于将不同通道的数据流按照可设定的采样率送入数据总线，在PC上位机可选择至多9个数据通道；DMA传输子模块用于将数据总线上的数据传输到DDR3存储器或SD存储器中，等待通过以太网接口发送到PC上位机中存储及分析；PC上位机显示模块用于将PC收到的数据进行缓存和可视化处理。

作为优选的，示波器模块具有动态可调整的采样率，保证不同时间长度的采集需求；在25Msps采样率下，实现单通道数据的连续不间断采集，此时存储深度仅取决于PC上位机的存储器容量；示波器模块拥有频谱分析的能力，并且可以追踪预设频点上的信号强度变化。

本发明公开了一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测的方法：包括如下步骤：

步骤S1，校准FPGA模块的模拟输入通道，利用信号预处理模块将磁共振系统中待测的模拟信号进行合适的偏置和放大；

步骤S2，基于传统自旋磁共振频率测量方法，利用FPGA模块驱动微波源进行扫频测量，并用数据采集卡模块同步采集磁共振信号，以获得其初始光探测磁共振吸收谱，并利用函数拟合的方法从中提取磁共振初始跃迁频率；

步骤S3，将微波源的输出频率锁定在步骤S2所获得的磁共振初始频率处，并对其进行频率调制，此调制信号来自信号发生器模块输出，随后用锁相放大器模块对获得磁共振信号进行解调、分析与处理，以获得固态自旋磁共振信号的实时偏移量，通过磁场偏移和幅值关系进行转换进而实现磁场的实时测量。

步骤S4，通过步骤S2、S3可以得到磁场在单轴上投影大小也就是对于磁场的标量测量，可以进一步同时使用6通道微波源以及将3个FPGA板卡级联使用，同时获得3组对称磁共振频率的实时偏移量，通过斜率转换得到待测磁场在三个轴向上的投影。使用拟合方法进行重构：使用哈密顿量计算出大范围磁场(-200G：200G)对NV色心所产生的频点偏移的变化，将其制作成数据库，然后将我们测到的磁共振跃迁频率带入其中，使用最小二乘法寻找最接近的点，进而实现矢量磁场的重建和测量。

步骤S5，选择其中一组对称实时偏移量，对称的偏移量同时受到同向温度和反向磁场的影响，通过两个信号的相加减分别获得磁场和温度的实时变化值，利用PID控制器模块驱动变温元件和探测器可以进行实验温度控制和探测；

作为优选的，所述步骤中FPGA模块具体使用过程为：

(1).所述PC上位机计算FPGA模块的配置数据，

(2).根据实验进程分别使用FPGA模块驱动微波源输出，

(3).使用数据采集卡模块获得磁共振初始频率，

(4).使用信号发生器模块产生调制信号，

(5).使用数据采集卡模块收集产生的信号，

(6).使用锁相放大器模块获得磁场实时变化，

(7).使用PID控制器模块稳定实验环境温度；

作为优选的，数据由多个FPGA板卡级联使用产生，但是采用同一时钟源和硬件同步触发，因此不同板卡之间获得的磁场变化值具有高精度时间同步。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：本发明提供一种用于磁共振系统的、集成化的矢量磁探测装置。相对于传统实验系统的仪器组合，该装置具备功能集成化、体积小型化、电子学噪声低的优点，该装置可以通过多块板卡级联扩展输入输出通道并保持高精度同步，从而提高应用于不同实验系统的可扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。

图1：本发明的系统框图。

图2：本发明实施例提供的FPGA内部系统设计图；

具体实施方式

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。

如图1、图2所示，一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块。

FPGA模块实现多种仪器功能的集成化设计，包括信号预处理模块、数据采集卡模块、信号发生器模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；信号预处理模块包含带通滤波子模块、直流偏移子模块、数字放大子模块；其中，带通滤波子模块用于抑制干扰噪声，获得模数转换芯片带宽范围内的可测信号；直流偏移子模块用于去除可测信号中的直流分量或补偿仪器本身的噪声偏移；数字放大子模块用于按照设定的放大倍数放大待测信号，避免FPGA中因定点数运算产生截断效应而引入的较大误差；

数据采集卡模块包含触发子模块、序列关键子模块和乒乓存储子模块；其中，触发子模块用于选择内触发或外触发采集模式，并在数据中记录下触发源的信息；序列关键子模块用于将采集到的可测信号送入FIFO或RAM中分组缓存；乒乓存储子模块用于依照采集卡的工作模式读取缓存中的数据，并通过以太网接口传输给PC上位机；

信号发生器模块用于产生两路0.3mHz～62.5MHz的模拟波形，可将多块FPGA板卡级联起来扩展通道数，并且可由上位机确定全部通道之间的固定相位差或同步输出；所述的信号发生器模块产生的信号可由外部触发信号进行同步触发，即满足触发条件后将从预设初始相位处重新开始输出波形；

锁相放大器模块包括数字混频子模块和低通滤波子模块；数字混频子模块用于对外部输入的待测信号和参考信号进行乘法混频，输出含有高频不必要信号的解调信号；低通滤波子模块用于对解调信号中的高频不必要信号进行滤除，得到最终误差信号，即待测信号在参考信号频点处的强度值；低通滤波子模块采用了5级级联的FIR抽取滤波器进行降采样，并且由一个可调系数FIR低通滤波器和滑动滤波器进行更小带宽的低通滤波；

PID控制器模块包含误差计算子模块和控制量计算子模块；误差计算子模块用于根据可调整的采样周期计算实际值与设定值的误差；控制量计算子模块用于根据PC上位机配置的比例积分微分增益值，将误差代入进行相应计算得到反馈控制量；所述的PID控制器模块具有动态可调整的采样率以满足不同控制系统的带宽需求；

示波器模块包含数据选择子模块，DMA传输子模块和PC上位机显示模块；数据选择子模块用于将不同通道的数据流按照可设定的采样率送入数据总线，在PC上位机可选择至多9个数据通道；DMA传输子模块用于将数据总线上的数据传输到DDR3存储器或SD存储器中，等待通过以太网接口发送到PC上位机中存储及分析；PC上位机显示模块用于将PC收到的数据进行缓存和可视化处理；

示波器模块具有动态可调整的采样率，保证不同时间长度的采集需求；在25Msps采样率下，实现单通道数据的连续不间断采集，此时存储深度仅取决于PC上位机的存储器容量；示波器模块拥有频谱分析的能力，并且可以追踪预设频点上的信号强度变化。

本发明实施例提供的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，该案例以固态自旋(NV色心)实验平台为实施基础。由于传统实验仪器一般具有庞大的体积，且复杂的仪器组合提高了电子学底噪，因此在实验中，需要减少探测系统中的电子仪器干扰，以提高精密测量的灵敏度，并且集成化设备也进一步扩展了精密测量的应用场景。

为了评估本发明所提供的集成化矢量磁探测装置的工作性能，本实施例将该集成化矢量磁探测装置应用于固态自旋量子实验平台，并取得了良好的预期效果，为进一步提高基于固态自旋的精密测量灵敏度提供了有力的技术支撑。

本发明实施例提供了一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测的方法，包括如下步骤：

步骤S1，校准FPGA模块的模拟输入通道，利用信号预处理模块将待测的模拟信号进行合适的偏置和放大；

步骤S2，基于传统自旋磁共振频率测量方法，利用FPGA模块驱动微波源进行扫频测量，并用数据采集卡模块同步采集磁共振信号，以获得其初始光探测磁共振吸收谱，并利用函数拟合的方法从中提取磁共振初始跃迁频率；

步骤S3，将微波源的输出频率锁定在步骤S2所获得的磁共振初始频率处，并对其进行频率调制，此调制信号来自信号发生器模块输出，随后用锁相放大器模块对获得磁共振信号进行解调、分析与处理，以获得固态自旋磁共振信号的实时偏移量，通过磁场偏移和幅值关系进行转换进而实现磁场的实时测量。

步骤S4，通过步骤S2、S3可以得到磁场在单轴上投影大小也就是对于磁场的标量测量，可以进一步同时使用6通道微波源以及将3个FPGA板卡级联使用，同时获得3组对称磁共振频率的实时偏移量，通过斜率转换得到待测磁场在三个轴向上的投影。使用拟合方法进行重构：使用哈密顿量计算出大范围磁场(-200G：200G)对NV色心所产生的频点偏移的变化，将其制作成数据库，然后将我们测到的磁共振跃迁频率带入其中，使用最小二乘法寻找最接近的点，进而实现矢量磁场的重建和测量；

步骤S5，选择其中一组对称实时偏移量，对称的偏移量同时受到同向温度和反向磁场的影响，通过两个信号的相加减分别获得磁场和温度的实时变化值，利用PID控制器模块驱动变温元件和探测器可以进行实验温度控制和探测；

作为优选的，所述步骤中FPGA模块具体使用过程为：

(1).所述PC上位机计算FPGA模块的配置数据，

(2).根据实验进程分别使用FPGA模块驱动微波源输出，

(3).使用数据采集卡模块获得磁共振初始频率，

(4).使用信号发生器模块产生调制信号，

(5).使用数据采集卡模块收集产生的信号，

(6).使用锁相放大器模块获得磁场实时变化，

(7).使用PID控制器模块稳定实验环境温度；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块；

所述PC上位机与FPGA模块进行通信，由PC上位机配置FPGA模块的相应寄存器，所述FPGA模块连接微波源模块进行通信，通过FPGA配置微波源的工作模式及微波扫频区间，所述FPGA模块连接磁共振系统获得磁共振模拟信号，所述微波源模块连接磁共振系统提供微波输出；

所述FPGA模块实现多种仪器功能的集成化设计，包括信号预处理模块、数据采集卡模块、信号发生器模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；

所述信号预处理模块连接所述数据采集卡模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；所述数据采集卡模块连接所述示波器模块；所述信号发生器模块连接所述锁相放大器模块和示波器模块；所述锁相放大器模块连接所述PID控制器模块和示波器模块。

2.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述磁共振系统是基于金刚石氮空位色心的光学磁共振系统，系统输入为所述微波源提供的微波输出，系统输出为磁共振模拟信号。

3.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述信号预处理模块包含带通滤波子模块、直流偏移子模块、数字放大子模块；其中，带通滤波子模块用于抑制干扰噪声，获得模数转换芯片带宽范围内的可测信号；直流偏移子模块用于去除可测信号中的直流分量或补偿仪器本身的噪声偏移；数字放大子模块用于按照设定的放大倍数放大待测信号。

4.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述数据采集卡模块包含触发子模块、序列关键子模块和乒乓存储子模块；

所述的触发子模块用于选择内触发或外触发采集模式，并在数据中记录下触发源的信息；序列关键子模块用于将采集到的可测信号送入FIFO或RAM中分组缓存；乒乓存储子模块用于依照采集卡的工作模式读取缓存中的数据，并通过以太网接口传输给PC上位机。

5.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述的信号发生器模块用于产生两路0.3mHz～62.5MHz的模拟波形，用于将多块FPGA板卡级联起来扩展通道数，并且由PC上位机确定全部通道之间的固定相位差或同步输出；所述的信号发生器模块产生的信号可由外部触发信号进行同步触发，即满足触发条件后将从预设初始相位处重新开始输出波形。

6.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述锁相放大器模块包括数字混频子模块和低通滤波子模块；数字混频子模块用于对外部输入的待测信号和参考信号进行乘法混频，输出含有高频不必要信号的解调信号；低通滤波子模块用于对解调信号中的高频不必要信号进行滤除，得到最终误差信号，即待测信号在参考信号频点处的强度值；所述的低通滤波子模块采用了5级级联的FIR抽取滤波器进行降采样，并且由一个可调系数FIR低通滤波器和滑动滤波器进行更小带宽的低通滤波。

7.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述PID控制器模块包含误差计算子模块和控制量计算子模块；误差计算子模块用于根据可调整的采样周期计算实际值与设定值的误差；控制量计算子模块用于根据PC上位机配置的比例积分微分增益值，将误差代入进行相应计算得到反馈控制量；所述的PID控制器模块具有动态可调整的采样率以满足不同控制系统的带宽需求。

8.如权利要求1所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述示波器模块包含数据选择子模块，DMA传输子模块和PC上位机显示模块；数据选择子模块用于将不同通道的数据流按照可设定的采样率送入数据总线，在PC上位机可选择至多9个数据通道；DMA传输子模块用于将数据总线上的数据传输到DDR3存储器或SD存储器中，等待通过以太网接口发送到PC上位机中存储及分析；PC上位机显示模块用于将PC收到的数据进行缓存和可视化处理。

9.如权利要求1或8所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，其特征在于：所述的示波器模块具有动态可调整的采样率，保证不同时间长度的采集需求；在25Msps采样率下，实现单通道数据的连续不间断采集，此时存储深度仅取决于PC上位机的存储器容量；示波器模块拥有频谱分析的能力，用于追踪预设频点上的信号强度变化。

10.一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1，校准FPGA模块的模拟输入通道，利用信号预处理模块将待测的模拟信号进行合适的偏置和放大；

步骤S2，基于传统自旋磁共振频率测量方法，利用FPGA模块驱动微波源进行扫频测量，并用数据采集卡模块同步采集磁共振信号，以获得其初始光探测磁共振吸收谱，并利用函数拟合的方法从中提取磁共振初始跃迁频率；

步骤S3，将微波源的输出频率锁定在步骤S2所获得的磁共振初始频率处，并对其进行频率调制，此调制信号来自信号发生器模块输出，随后用锁相放大器模块对获得磁共振信号进行解调、分析与处理，以获得固态自旋磁共振信号的实时偏移量，通过磁场偏移和幅值关系进行转换进而实现磁场的实时测量；

步骤S4，通过步骤S2、S3可以得到磁场在单轴上投影大小也就是对于磁场的标量测量，可以进一步同时使用6通道微波源以及将3个FPGA板卡级联使用，同时获得3组对称磁共振频率的实时偏移量，通过斜率转换得到待测磁场在三个轴向上的投影；使用拟合方法进行重构：使用哈密顿量计算出大范围磁场(-200G：200G)对NV色心所产生的频点偏移的变化，将其制作成数据库，然后将测得的磁共振跃迁频率带入其中，使用最小二乘法寻找最接近的点，进而实现矢量磁场的重建和测量。

11.如权利要求10所述的用于磁共振系统的集成化矢量磁探测的方法，其特征在于所述方法还包括步骤S5：选择其中一组对称实时偏移量，对称的偏移量同时受到同向温度和反向磁场的影响，通过两个信号的相加减分别获得磁场和温度的实时变化值，利用PID控制器模块驱动变温元件和探测器可以进行实验温度控制和探测。

12.如权利要求10所述的一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测的方法，其特征在于：所述FPGA模块具体使用过程为：

(1).所述PC上位机计算FPGA模块的配置数据；

(2).根据实验进程分别使用FPGA模块驱动微波源输出；

(3).使用数据采集卡模块获得磁共振初始频率；

(4).使用信号发生器模块产生调制信号；

(5).使用数据采集卡模块收集产生的信号；

(6).使用锁相放大器模块获得磁场实时变化；

(7).使用PID控制器模块稳定实验环境温度。

数据由多个FPGA板卡级联使用产生，采用同一时钟源和硬件同步触发，不同板卡之间获得的磁场变化值具有高精度时间同步。

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