CN117129920B - 一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，还公开了一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法，本发明涉及弱磁测量领域。上述方法包括：测量信号增强带宽；调节电子极化器的品质因数并设置样品激发带宽；设置射频激发组合脉冲参数；发射相应射频功率信号至电子极化器，在直流极化检测线圈上施加直流极化电流；接收并处理传感器捕获来自样品的FID信号，获取被测磁场强度值。通过本发明克服了采用点频激发电子跃迁的方式，无法应对电子激发频带非均匀增宽的问题，导致电子激发率低下，造成极化增强受限的缺点，提高了FID信号初始信噪比，从而有望进一步提升磁场测量精度和灵敏度等指标。
Description
技术领域
本发明属于微弱磁场测量领域，具体涉及一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，还涉及一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法。
背景技术
在包括地磁场在内的微弱磁场测量领域中，Overhauser磁力仪广泛地用于矿产勘探、铁磁目标探测等磁测任务，它基于Overhauser效应的超极化技术，通过电子顺磁共振（ESR）使自由基样品中的自由电子饱和跃迁，获得高极化度，再利用自由电子和溶剂核之间的耦合作用，通过交叉弛豫将自由电子的高极化度转移给溶剂核，从而显著地提高溶剂核在超低场下的灵敏度。
由于需要借助自由电子的高旋磁比来获得极化增强，因此Overhauser磁力仪传感器中的样品需要包含自由基作为极化剂。氮氧自由基TEMPO是一类常用的DNP极化剂，因其高稳定性、不反应性和短相关时间带来的高耦合因子，也通常被用作Overhauser磁力仪传感器中的极化剂。Overhauser磁力仪工作过程涉及三个磁场，分别为被测磁场、预极化磁场和射频磁场，三者两两相互正交。其中射频磁场的作用是使电子发生顺磁共振，获得高极化度，预极化磁场用来将宏观磁化矢量偏离被测磁场方向，从而使宏观磁化矢量产生的FID信号能被传感器中的接收线圈检测到。在实际应用中，预极化磁场会存在一定的不均匀性，此外TEMPO中自由电子的g因子具有各向异性，这些因素会使电子激发频带发生非均匀展宽，造成自由电子在较宽激发频率范围上的分散。而现有方案下的电子跃迁大都是基于固定模式的单频激发，这类方案只能饱和激发其设置频率所对应部分样品中的自由电子，由于电子激发频带非均匀展宽问题的存在，这类方案会造成极化剂样品利用率低下，从而使最大饱和因子下降，降低弱磁信号的增强倍数，并影响最终的磁场测量灵敏度和精度。
发明内容
本发明提供一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，还提供一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法，以具有宽频谱特性的组合脉冲替代点频连续波进行射频激发，解决现有技术方案中点频激发导致电子激发率低下，从而造成极化增强受限的问题。
一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，包括主控模块，还包括发射模块、传感器、以及接收模块，
发射模块包括依次连接的宽带射频脉冲发生器、射频开关、和射频功率放大器，发射模块还包括直流极化电路，
传感器包括直流极化检测线圈和电子极化器，
主控模块分别与宽带射频脉冲发生器、射频开关、直流极化电路以及接收模块连接，射频功率放大器与电子极化器连接，直流极化电路与直流极化检测线圈连接，直流极化检测线圈还与接收模块连接。
如上所述接收模块包括依次连接的调谐电路、放大和滤波电路以及采样电路，调谐电路与直流极化检测线圈连接，采样电路和主控模块连接。
一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法，包括以下步骤：
步骤S201、测量信号增强带宽B，并根据信号增强带宽B调节电子极化器的品质因数；
步骤S202、设置系统工作时序，系统工作时序包括射频功率信号和直流极化电流信号施加的起始和持续时间、FID信号接收的起始和持续时间以及重复测量的间隔时间；
步骤S203、配置宽带射频脉冲发生器的射频激发组合脉冲参数，包括脉冲频率、脉冲幅度、脉冲持续时间、包络形状和脉冲个数；
步骤S204、主控模块根据射频激发组合脉冲参数控制射频脉冲发生器输出相应的射频激发组合脉冲，射频功率放大器对射频激发组合脉冲进行功率放大，输出射频功率信号至电子极化器，并在样品区域产生能激发目标频带内电子跃迁的射频磁场，直流极化电路输出直流极化电流信号至直流极化检测线圈，在样品区域产生使磁化矢量偏转的预极化磁场，在射频磁场和预极化磁场的作用下，样品被极化；
步骤S205、对来自直流极化检测线圈探测到的FID信号进行滤波和放大后进一步通过采样电路获得信号采样数据；
步骤S206、将信号采样数据送入主控模块进行频率计算，并基于以下公式换算为待测磁场强度大小：，式中，Bm为待测磁场强度大小，/>为所测得FID信号的频率， />为溶剂核的旋磁比；
步骤S207、等待间隔时间tr后，跳转到步骤S204开始下一次测量周期。
如上所述步骤S204中，直流极化电流信号和射频功率信号同步开启，直流极化电流信号的持续时间tdc等于射频功率信号的持续时间trf ；在直流极化电流信号和射频功率信号同步关断后，等待线圈能量泄放时间td，实施步骤S205-S206，其中FID信号的接收持续时间为tm；然后实施步骤S207，等待间隔时间tr，返回步骤S204进行下一次测量。
如上所述步骤S201中，信号增强带宽B通过点频激发增强实验确定，点频激发增强实验包括以下步骤：
设定频带，从所设频带的下限频率至上限频率进行遍历，按照设定步进依次选取频带内的频率作为选定激发频率，主控模块控制宽带射频发射电路输出各选定激发频率下的单频连续波射频激发信号，再经过射频开关和射频功率放大器后输入到电子极化器中激发电子跃迁，然后利用主控模块测量接收模块输出的信号幅值并记录设定频带内各选定激发频率对应的信号幅值，遍历过程中，调整电子极化器始终谐振在选定激发频率下，最终根据所记录的设定频带中各个选定激发频率对应的信号幅值绘制出增强信号幅度变化曲线，选择增强信号幅度变化曲线的3dB衰减带宽作为样品激发带宽B。
如上所述步骤S201中，电子极化器的品质因素q定义基于以下公式：，式中，/>为电子极化器谐振频率，与信号增强带宽B的中心频率对齐，/>和/>分别为传感器装满样品时电子极化器S11谐振曲线3db带宽的上限频率和下限频率。
如上所述步骤S201中，电子极化器的品质因数q 的调节使得传感器装满样品时电子极化器S11谐振曲线上-10dB对应的频率范围能覆盖信号增强带宽B。
如上所述射频激发组合脉冲是由射频载波信号被包络调制信号调制而成，射频载波信号频率为信号增强带宽B的中心频率。
如上所述包络调制信号基于以下步骤获取：
首先截取所测得增强信号幅度变化曲线3dB衰减频带所对应部分，并对增强信号幅度变化曲线其余部分进行补零获得频谱形状曲线，然后拟合出频谱形状曲线对应的频谱函数，对频谱函数/>进行计算得到对应的时域函数，并将加窗后的时域函数作为单个射频激发脉冲包络波形函数，设窗函数为/>，则单个射频激发脉冲包络波形函数基于以下公式计算：/>，其中，/>为角频率，对单个射频激发脉冲包络波形函数进行周期延拓得到对应的射频激发组合脉冲包络波形函数，即包络调制信号/>。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
通过本发明克服了现有技术因采用点频激发电子跃迁的方式，无法应对电子激发频带非均匀增宽的问题，导致电子激发率低下，造成极化增强受限的缺点，提高了FID信号初始信噪比，从而进一步提升磁场测量精度和灵敏度等指标。
附图说明
图1是本发明的一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置结构示意图。
图2是本发明的一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法的流程图。
图3是本发明的高信噪比宽带激发的弱磁测量装置的系统工作时序。
图4 是射频激发组合脉冲信号的产生及其频谱示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实例对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。
如图1所示，在本实施例中，提供了一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，该装置主要包括主控模块101、发射模块102、传感器103、以及接收模块104。作为本发明的一种优选方案，其中发射模块102包括宽带射频脉冲发生器102a、射频开关102b、射频功率放大器102c和直流极化电路102d，传感器103包括直流极化检测线圈103a和电子极化器103b，接收模块104包括调谐电路104a、放大和滤波电路104b以及采样电路104c。下面对各模块或组件进行具体说明。
主控模块101用于控制装置各模块的工作时序，在磁场测量的发射阶段，控制宽带射频脉冲发生器102a和直流极化电路102d输出相应具有宽频特征的射频激发组合脉冲信号（包括多个射频激发脉冲）和直流极化电流信号；在磁场的测量阶段，主控模块101接收来自接收模块104预处理后的FID信号，然后测量其电压、计算其频率和对应的磁场强度，并根据需要进行数据存储。在发射模块102中，射频脉冲发生器102a、射频开关102b和射频功率放大器102c组成了射频发射电路，其中，射频脉冲发生器102a可以输出目标频宽的射频激发组合脉冲；射频开关102b和直流极化电路102d在控制模块101的控制下进行开启和关断，可以完成所需系统工作时序；射频功率放大器102c对来自射频脉冲发生器102a的射频激发组合脉冲进行功率放大，输出能够饱和激发目标频带内电子跃迁的射频功率信号。在传感器103中，作为一种优选方案，电子极化器103b和直流极化检测线圈103a同轴放置，电子极化器103b在内，负责高效率地接收来自射频功率放大器102c具有宽频特征的射频功率信号，从而在样品区域产生相应射频磁场激发目标频带内的电子跃迁；直流极化检测线圈103a在外，负责接收来自直流极化电路102d的电流信号，从而在样品区域产生偏转磁化矢量的静磁场，即预极化磁场，同时在信号接收阶段负责接收来自样品的FID信号。接收模块104负责对来自直流极化检测线圈103a的微弱的FID信号进行滤波、放大和采样等处理。
以上述弱磁测量装置为基础，一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法的步骤如图2所示，具体如下：
步骤S201、测量信号增强带宽，并根据信号增强带宽调节电子极化器103b的品质因数。
步骤S202、设置系统工作时序，包括射频功率信号和直流极化电流信号施加的起始和持续时间、FID信号接收的起始和持续时间以及重复测量的间隔时间等，主控模块101根据所设置的系统工作时序对其他模块进行控制。
步骤S203、配置宽带射频脉冲发生器102a的射频激发组合脉冲参数，包括脉冲频率、脉冲幅度、脉冲持续时间、包络形状和脉冲个数等。
步骤S204、极化样品，主控模块101根据所设置的射频激发组合脉冲参数控制射频脉冲发生器102a输出相应具有宽频特征的射频激发组合脉冲，射频功率放大器102c对射频激发组合脉冲进行功率放大，输出具有目标频宽的射频功率信号至传感器103中的电子极化器103b，并在样品区域产生能够激发目标频带内电子跃迁的射频磁场，同时在步骤S202设置的系统工作时序约束下，直流极化电路102d输出直流极化电流信号至传感器103中的直流极化检测线圈103a，在样品区域产生使磁化矢量偏转的预极化磁场，在两种磁场的作用下，样品被充分极化。
步骤S205、信号接收与预处理，对来自传感器103的直流极化检测线圈103a探测到的微弱的FID信号进行滤波、放大等处理，以便其能被更好的采样和进一步处理，并进一步通过采样电路104c获得信号采样数据。
步骤S206、频率测量和数据存储，将信号采样数据送入主控模块101进行频率计算，并依据公式1换算为磁场强度，然后根据需求进行数据存储。
（1），
式中，Bm为待测磁场强度大小，为所测得FID信号的频率，/> 为溶剂核（通常为质子）的旋磁比。
步骤S207、等待测量周期的间隔时间tr后，跳转到步骤S204开始下一次测量周期，如图3所示，一个测量周期由直流极化电流信号的持续时间tdc（或射频功率信号的持续时间trf）、线圈能量泄放时间td、接收持续时间tm和间隔时间tr组成。
在本发明一实施例中，如图3所示，作为一种可选的系统工作时序，在步骤S204中，所施加的直流极化电流信号和射频功率信号同步开启，二者持续时间相同，即直流极化电流信号的持续时间tdc等于射频功率信号的持续时间trf ；在直流极化电流信号和射频功率信号同步关断后，等待线圈能量泄放时间td，实施步骤S205-S206，进行信号接收和频率测量， 其中FID信号的接收持续时间为tm；然后实施步骤S207，等待间隔时间tr，返回步骤S204进行下一次测量。
定义信号增强带宽为B，传感器品质因数为q。进一步地，信号增强带宽B可通过点频激发增强实验确定，具体地，设定较宽的频带，从所设频带的下限频率至上限频率进行遍历，按照设定步进依次选取频带内的频率作为选定激发频率。根据图3所示的工作时序，主控模块101控制宽带射频发射电路102a输出各选定激发频率下的单频连续波射频激发信号，再经过射频开关102b和射频功率放大器102c后输入到电子极化器103b中激发电子跃迁，然后利用主控模块101测量接收模块105输出的信号幅值并记录设定频带内各选定激发频率对应的信号幅值，遍历过程中，调整电子极化器使其始终谐振在选定激发频率下，最终根据所记录的设定频带中各个选定激发频率对应的信号幅值绘制出增强信号幅度变化曲线。优选地，可选择增强信号幅度变化曲线的3dB衰减带宽作为样品激发带宽，即以增强信号幅度变化曲线的最高幅值对应的频率作为中心频率，以中心频率为起点向增强信号幅度变化曲线两侧搜寻，找到增强信号幅度变化曲线的幅值下降至最高幅值的倍时对应的频率作为点频激发频率上限和点频激发频率下限。点频激发频率上限和点频激发频率下限作为信号增强带宽B。
进一步地，根据信号增强带宽B调节电子极化器103b的品质因数q，电子极化器103b的品质因素q的定义如式2所示。
（2），
式中，为电子极化器103b谐振频率，与信号增强带宽B的中心频率对齐，/>和/>分别是传感器103装满样品时电子极化器103b S11谐振曲线3db带宽的上限频率和下限频率。
优选地，电子极化器103b品质因数q 的调节应使传感器103装满样品时电子极化器103b 的S11谐振曲线上-10dB对应的频率范围能覆盖信号增强带宽B。
进一步地，样品激发带宽被设置与电子极化器103b S11谐振曲线的-10dB带宽相同范围，其在数值上等于信号增强带宽B，从而保证在整个样品激发带宽内，有大于90%的入射功率被传给电子极化器用以激发电子。
进一步地，射频激发组合脉冲是由射频载波信号被所选包络调制信号调制而成，设射频载波信号为，包络调制信号为/>，包络调制信号/>的傅里叶变换为/>，/>为角频率，则射频激发组合脉冲的频谱可由公式3表示：（3），
其中，为载波角频率，可以看出，被调制后的射频激发组合脉冲的频谱是包络调制信号频谱左右搬移/>的结果。
作为一种优选的具有宽频特征的射频激发组合脉冲产生方式，如图4所示，其射频载波信号频率为信号增强带宽B的中心频率。单个射频激发脉冲的包络波形根据所述增强信号幅度变化曲线确定。
作为一种可选方案，首先截取所测得增强信号幅度变化曲线3dB衰减频带所对应部分(即信号增强带宽B)，并对增强信号幅度变化曲线其余部分进行补零获得频谱形状曲线，然后拟合出频谱形状曲线对应的频谱函数作为所需激发的频谱，这使得在有限的射频总功率下，保证了激发频带内的功率分配能够按照各频率所能提供的信号增强大小的优先级进行；进一步地，理论上，频谱函数/>在时域上对应的波形函数/>是无限长的，实际应用中需截取有限时长的/>，设窗函数为/>，则截取得到单个射频激发脉冲包络波形函数/>可用公式4描述：/>（4）
为减弱截断处信号突变带来的不连续性所造成的频谱泄露，优选地，使用Hanning窗对单个射频激发脉冲包络波形进行截取，并对单个射频激发脉冲包络波形进行周期延拓得到对应的射频激发组合脉冲包络波形；进一步地，使用所述射频激发组合脉冲包络波形作为包络调制信号对射频载波信号进行调制得到射频激发组合脉冲，单个射频激发脉冲/>可由公式5描述。（5）
其中，为单个射频激发脉冲函数表达式，/>为增强信号幅度变化曲线3dB衰减范围大小（即信号增强带宽B），/>为信号增强带宽B的中心频率，/>为单个射频激发脉冲的频谱表达式，N为单次磁场测量的射频功率信号持续时间trf内单个射频激发脉冲的个数，/>为单个射频激发脉冲周期；进一步地，对于单个射频激发脉冲周期/>的设置，应权衡脉冲个数N和频谱分辨率/>的取值，可选的，令/>，/>为单个脉冲持续时间（如图4所示），即单个射频激发脉冲的占空比为1/10，此/>值可根据实际情况进行调整。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种高信噪比宽带激发的弱磁测量方法，利用一种高信噪比宽带激发的弱磁测量装置，上述装置包括主控模块（101）、发射模块（102）、传感器（103）、以及接收模块（104），
发射模块（102）包括依次连接的宽带射频脉冲发生器（102a）、射频开关（102b）、和射频功率放大器（102c），发射模块（102）还包括直流极化电路（102d），
传感器（103）包括直流极化检测线圈（103a）和电子极化器（103b），
主控模块（101）分别与宽带射频脉冲发生器（102a）、射频开关（102b）、直流极化电路（102d）以及接收模块（104）连接，射频功率放大器（102c）与电子极化器（103b）连接，直流极化电路（102d）与直流极化检测线圈（103a）连接，直流极化检测线圈（103a）还与接收模块（104）连接，
所述接收模块（104）包括依次连接的调谐电路（104a）、放大和滤波电路（104b）以及采样电路（104c），调谐电路（104a）与直流极化检测线圈（103a）连接，采样电路（104c）和主控模块（101）连接，
其特征在于，上述方法包括以下步骤：
步骤S201、测量信号增强带宽B，并根据信号增强带宽B调节电子极化器（103b）的品质因数；
步骤S202、设置系统工作时序，系统工作时序包括射频功率信号和直流极化电流信号施加的起始和持续时间、FID信号接收的起始和持续时间以及重复测量的间隔时间；
步骤S203、配置宽带射频脉冲发生器（102a）的射频激发组合脉冲参数，包括脉冲频率、脉冲幅度、脉冲持续时间、包络形状和脉冲个数；
步骤S204、主控模块（101）根据射频激发组合脉冲参数控制射频脉冲发生器（102a）输出相应的射频激发组合脉冲，射频功率放大器（102c）对射频激发组合脉冲进行功率放大，输出射频功率信号至电子极化器（103b），并在样品区域产生能激发目标频带内电子跃迁的射频磁场，直流极化电路（102d）输出直流极化电流信号至直流极化检测线圈（103a），在样品区域产生使磁化矢量偏转的预极化磁场，在射频磁场和预极化磁场的作用下，样品被极化；
步骤S205、对来自直流极化检测线圈（103a）探测到的FID信号进行滤波和放大后进一步通过采样电路（104c）获得信号采样数据；
步骤S206、将信号采样数据送入主控模块（101）进行频率计算，并基于以下公式换算为待测磁场强度大小：，式中，Bm为待测磁场强度大小，/>为所测得FID信号的频率， />为溶剂核的旋磁比；
步骤S207、等待间隔时间tr后，跳转到步骤S204开始下一次测量周期，
所述步骤S204中，直流极化电流信号和射频功率信号同步开启，直流极化电流信号的持续时间tdc等于射频功率信号的持续时间trf ；在直流极化电流信号和射频功率信号同步关断后，等待线圈能量泄放时间td，实施步骤S205-S206，其中FID信号的接收持续时间为tm；然后实施步骤S207，等待间隔时间tr，返回步骤S204进行下一次测量，
所述步骤S201中，信号增强带宽B通过点频激发增强实验确定，点频激发增强实验包括以下步骤：
设定频带，从所设频带的下限频率至上限频率进行遍历，按照设定步进依次选取频带内的频率作为选定激发频率，主控模块（101）控制宽带射频发射电路（102a）输出各选定激发频率下的单频连续波射频激发信号，再经过射频开关（102b）和射频功率放大器（102c）后输入到电子极化器（103b）中激发电子跃迁，然后利用主控模块（101）测量接收模块（105）输出的信号幅值并记录设定频带内各选定激发频率对应的信号幅值，遍历过程中，调整电子极化器始终谐振在选定激发频率下，最终根据所记录的设定频带中各个选定激发频率对应的信号幅值绘制出增强信号幅度变化曲线，选择增强信号幅度变化曲线的3dB衰减带宽作为信号增强带宽B，
所述步骤S201中，电子极化器（103b）的品质因素q定义基于以下公式：，
式中，为电子极化器（103b）谐振频率，与信号增强带宽B的中心频率对齐，/>和分别为传感器（103）装满样品时电子极化器（103b） S11谐振曲线3db带宽的上限频率和下限频率，
所述步骤S201中，电子极化器（103b）的品质因数q 的调节使得传感器（103）装满样品时电子极化器（103b）S11谐振曲线上-10dB对应的频率范围能覆盖信号增强带宽B，
所述射频激发组合脉冲是由射频载波信号被包络调制信号调制而成，射频载波信号频率为信号增强带宽B的中心频率，
所述包络调制信号基于以下步骤获取：
首先截取所测得增强信号幅度变化曲线3dB衰减频带所对应部分，并对增强信号幅度变化曲线其余部分进行补零获得频谱形状曲线，然后拟合出频谱形状曲线对应的频谱函数，对频谱函数/>进行计算得到对应的时域函数，并将加窗后的时域函数作为单个射频激发脉冲包络波形函数，设窗函数为/>，则单个射频激发脉冲包络波形函数基于以下公式计算：/>，其中，/>为角频率，对单个射频激发脉冲包络波形函数进行周期延拓得到对应的射频激发组合脉冲包络波形函数，即包络调制信号。
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Citations (5)
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| DK143193D0 (da) * | 1993-12-22 | 1993-12-22 | Ardenkjaer Larsen Jan Henrik | Fremgangsmaade og apparat til maaling af svage magnetiske felter |
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| EP2998758A2 (fr) * | 2014-09-19 | 2016-03-23 | Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives | Magnétomètre sans asservissement et à compensation des fluctuations de la pente de resonance en champ faible, réseau de magnétomètres et procédé de mesure |
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| CN110618464A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-12-27 | 中国地质大学（武汉） | 一种提高Overhauser磁传感器拉莫尔旋进信号信噪比的系统及方法 |
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2023
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《Overhauser磁力仪探头激发频率测试仪研制》;刘欢 等;《电子学报》;1-9 * |
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