CN102854537A

CN102854537A - 一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪

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Publication number: CN102854537A
Application number: CN2012103375823A
Authority: CN
Inventors: 曾国强; 葛良全; 周坚鑫; 罗群; 张庆贤; 赖万昌; 王广西
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN102854537B

Abstract

本发明涉及一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪，其主要由(31)、高速ADC转换(32)、可编程逻辑器件PLD(42)、DAC(43)、MCU(38)、键盘检测(39)、液晶显示(37)组成。所述磁力仪不仅具备跟踪精度高，实时性好的优点，同时也具备了数字可编程的抗干扰能力强、易于调试，不受温度影响、成本低，功耗低、体积小的优点。

Description

一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪

技术领域

本发明涉及磁力勘探领域，具体而言，本发明涉及一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪。

背景技术

磁力勘探对于地球物理研究、军事国防、宇宙探测、矿藏探测等领域具有重要意义，磁力勘探技术从上世纪发展至今，经历了由简单到复杂，由简单机械式原理到现代电子技术的过程。

磁力勘探系统按其内部结构及工作原理，大体上可分为：

1)机械式磁力仪：如悬丝式磁力仪，利用悬吊在悬丝中央的磁棒受到磁场垂直强度力、重力和悬丝扭力的力矩作用，测量磁场大小，其原理简单，操作容易。

2)电子式磁力仪，如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等，利用探头传感器将磁场强度转换为电信号，结合现代电子技术对电信号处理、反馈和显示，其速度和精度较机械式有很大提高，读数也很方便。

磁力勘探系统的主要指标有灵敏度、精密度、准确度、稳定度、测程范围等。

灵敏度是指磁力勘探系统能测出的磁场最小变化量（敏感度），也可称作为分辨率；精密度是衡量仪器重复性的指标，是指仪器自身测定磁场所能达到的最小可能值，由一组测定值与平均值的平均偏差表示，也叫做自身重复精度；准确度是指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。

除上述指标外，还因综合考虑勘探系统的功耗、体积、成本等。

氦光泵磁力仪是20世纪50年代发展起来的一种具有高灵敏度的磁测设备，是以元素的原子能级在磁场中产生塞曼效应为基础，利用光泵作用和磁共振技术研制而成的。氦光泵磁力仪是继质子磁力仪之后的高灵敏度磁勘探系统，既可用来测量磁场总量，也可测量磁场梯度，测量时无零点漂移，不需严格定向，测量时只需磁测探头与磁场方向大致平行。

当今广泛投入使用的氦光泵磁力仪从电路结构上来分主要有两类，一类是基于模拟电路的勘探系统，其测量速度快，但稳定性和精度不高，另一类是基于单片机控制的勘探系统，具有较高稳定性和高精度，但由于采用软件逐点扫描共振频率，其测量速度较慢。随着现代军事技术、矿藏探测等领域对磁场测量的精度、稳定性和速度等指标的要求，现有的磁勘探系统已不能满足要求。在这种情况下，设计一种新型的氦光泵磁力仪具有很大的商业价值，能同时兼顾模拟式磁力仪高速测量的特性，和基于单片机控制的磁力仪的稳定性和高精度。

现有最新的模拟式氦光磁力仪又分为自激式和跟踪式两种结构，与本发明相关的技术是跟踪式氦光泵磁力仪，其结构及测量原理如图1所示，

如图1所示，跟踪式氦光泵磁力仪主要由a：探头11，用于检测磁场并返回电信号，供后级检测回路处理；b：由选频放大电路12，相敏检波电路13，积分电路19，压控振荡器16等构成的检测回路，用于处理探头11输出的电信号，和锁定磁场的变化实现自动跟踪测量；倍频电路17，频率计数器18，用于当系统稳定时，只需测量出压控振荡器16的中心频率，根据下述公式可计算出磁场大小：

T(nT)=0.0356843f(HZ)

现有的最新的跟踪式氦光磁力仪，由于采用模拟电路构成硬件闭环测量系统，其测量速度很快。但模拟电路的缺点是，稳定性差，容易受温度、电源纹波等因数的影响，很难做到高精度测量。且由于勘探系统的信号检测回路采用分立元件实现，此类型磁力仪体积庞大，功耗高，成本高，设备安装调试与升级困难。整个系统磁测范围不广，当磁场变化较大，自动跟踪测量系统容易失锁。

现有技术中最新的一种氦光泵磁力仪，是如图2所示的基于单片机控制的勘探系统。

如图2所示，探头输出信号。单片机通过总线控制直接数字频率合成器DDS24输出信号的频率，输出信号经功率推动激励探头传感器21，传感器输出直流电压，经过处理和AD采样后，转换为数字信号再反馈回单片机23。单片机23根据测得的直流电压逐步调制DDS 24信号的频率，当调制到某频率点的DDS 24输出信号使得探头内部发生磁共振，此时单片机23测得的探头输出直流电压最小。根据上述公式，利用此时信号的频率，即可算出磁场大小。频率扫描步进越小，可获得精度越高的测量结果。

此类型的磁勘探系统，采用单片机控制整个系统的测量和跟踪，最佳频率点需要扫描确定，而且还需要设计很好的扫描算法，否则还可能导致失锁，加上单片机本身工作频率低，无法并行处理，所以一次完整的测量结果需要很长的时间，不能适用于高速移动的测量场合，测量精度差，不能快速自动跟踪，属于不可靠，性能差的实现方式。

发明内容

本发明目的在于提供一种数字跟踪式氦光泵磁力仪，其特征在于，所述磁力仪是基于可编程逻辑器件(PLD)的勘探系统，利用PLD中的基本逻辑单元实现检测回路达到与纯模拟电路相同的效果，并集成到单片PLD逻辑芯片中。

与现有的最新的两种氦光泵磁力仪相比，其创新点在于，采用了超高速的ADC(模数转换器)将探测器输出的信号离散化，并将传统的复杂庞大的闭环跟踪模拟硬件电路集成到了一个单片可编程逻辑器件当中，实现硬件电路的软件化。纯模拟式的跟踪式氦光泵的检测回路主要包含了相敏检波器、压控振荡器、积分器等模拟电路单元。由于可编程逻辑器件的单元规模可达千万门级，且能支持多路并行运算，可完全用数字门单元实现模拟电路单元的相敏检波器、压控振荡器、积分器等，且效果更佳，分辨率更高，因此可达到模拟硬件电路等同的测量精度、锁定时间等效果，同时又由于采用的是数字编程实现的，因此不存在模拟电路温度漂移，调试复杂，生产成本高，体积大的缺点。

本发明的有益效果：本发明的数字跟踪式氦光泵磁力仪由探头，高速ADC转换，可编程逻辑器件(PLD)，DAC，MCU，键盘检测，液晶显示构成，对磁场进行高精度测量。由于采用了单片PLD芯片实现了传统复杂的硬件电路（模拟相敏检波器、FIFO、乘法器、累加器、压控振荡器）的所有功能，不仅具备模拟硬件电路实现的锁相跟踪精度高，实时性好的优点，同时也具备了数字可编程的抗干扰能力强、易于调试，不受温度影响、成本低，功耗低、体积小的优点。

跟踪精度高：由于采用高速高精度的模数转换器，且FPGA芯片工作在较高的频率，且FPGA内部的数学运算理论上运算长度是不受限制的，而运算的长度越长所能分辨的信号就越小，因此精度越高。

实时性好：采用的高速模数转换器其转换频率高达100MHz，而FPGA的时钟频率也为100MHz，因此其响应时间在10纳秒，且FPGA内部全部是并行计算，不存在串行计算带来的延迟，因此响应时间就严格等于10纳秒；抗干扰能力强：传统的磁力仪核心部件全部都是模拟器件，而模拟器件众所周知都是特别容易受到温度等外界因素的影响，容易被外界的各种干扰因素干扰从而导致仪器不稳定。而本发明采用的是纯数字算法来实现传统磁力仪的核心模拟电路，因此算法的稳定性与环境的温度，压力，及各种射频干扰都没有关系，其免干扰的安全阈值比模拟电路的阈值高的多，故其抗干扰能力强。

附图说明

图1是现有技术重跟踪式氦光泵磁力仪结构以及测量原理图，其中11－探头，12－选频放大电路，13－相敏检波电路，14－移相器，15－调制信号发生器，16－压控振荡器，17－倍频电路，18－频率计数器，19－积分电路，110－高频激发振荡器；

图2是基于单片机控制的光泵磁力仪总体框图，其中21－探头传感器，22－信号处理AD采样，23－单片机MCU，24－DDS，25－功率推动；

图3是本发明数字跟踪式氦光泵磁力仪示意图，其中31－探头传感器，32－信号处理ADC采集，33－FIFO，34－数字相敏检波器，35－数字积分器，36－检测回路，37－液晶显示，38－MCU控制，39－键盘控制，40－调制信号，41－数字压控振荡器，42－PLD，43－DAC转换，44－功率放大；

图4是本发明磁力仪的PLD中FIFO结构图，其中411－写地址发生器，412－双口RAM，413－读地址发生器，414－空满信号发生器；

图5是本发明磁力仪的数字相敏检波及数字积分电路图，其中51－数字开关检波，52－累加求平均，N为采样点数；

图6是本发明磁力仪的DDS基本原理图，其中61－累加器，62－相位寄存器，63－正余弦查找表，64－时钟源，65－频率控制字，66－DAC；

图7是本发明磁力仪的数字压控振荡器示意图，其中71－调制信号输出，72－积分器输出，73－正弦数字信号输出。

具体实施方式

本发明根据下述实施例和附图做进一步的描述，本领域技术人员可以明了的是，下述实施例以及附图对本发明仅仅起到说明的作用。在不背离本发明精神的前提下，对本发明所做的任意改进和替代均在本发明保护的范围之内。

跟踪式氦光泵磁力仪分为探头部分和主机部分。探头中的光学系统主要有氦灯、吸收室、两个透镜、偏振片、λ/4波长片、光敏元件等部件组成。

首先将氦光泵磁力仪置于被测外磁场中，并使探头的轴向与外磁场方向大致平行；由电路中的高频激发振荡器激发氦灯使其发出1083nm的单色光（D1线起主要作用），同时激发氦吸收室中的氦气使氦原子处于亚稳态；这是氦灯发出的光经透镜I后变成平行光，再经过偏振片后变成1083nm的偏振光，又经过λ/4波长片后变成圆偏振光（是用圆偏振光的目的是使从亚稳态2³S1中激发到激发态2³P1中的原子必须满足选择定则ΔMf＝±1，左旋圆偏振光满足与ΔMf＝+1，右旋圆偏振光满足于ΔMf＝-1），该圆偏振光直射至吸收室中的亚稳态正氦上，正氦在外磁场作用下产生塞曼分裂，塞曼能级2³S1态原子吸收D1线跃迁到2³P1态，光泵作用的结果使原子磁矩取向与2³S1态某一磁子次能级上；然后由射频（RF）振荡器通过射频线圈提供给的射频能量，打乱亚稳态中响应磁子次能级上原子磁矩的取向，从而产生磁共振作用。如上所述，当处于亚稳态2³S1中的原子被激发到2³P1是由于D1线被原子吸收，那么此时通过吸收室的光就弱；经过一段时间后，原子全部集中到某一磁子次能级上后，就没有原子再吸收D1线，那么透过吸收室的光则最强。可见，透过吸收室光线的强度是原子取向的函数，即光泵作用使原子取向作用增强，从而使透过吸收室的光强变强；磁共振作用使原子去取向作用增强，从而使透过吸收室的光强变弱。

由此可见，当透过吸收室的光线最弱的时候，即发生磁共振时，射频场的频率等于两相邻磁子次能级之间的塞曼跃迁频率，这样通过测量磁共振时射频场的频率，即可求出被测磁场T的大小。其关系如下式：T(nT)=0.0356843F(Hz)。

通过以上分析，当所测磁场变化时，如何迅速的改变射频场的频率使之始终维持透过吸收室的光线最弱，即射频场的频率自动跟踪外磁场的变化，这就是跟踪式光泵磁力仪的检测控制电路所需要实现的功能。

图3示出了本发明的数字跟踪式氦光泵磁力仪结构图，从图3中可以看出，本发明的磁勘探系统主要由探头部分和检测回路组成。检测回路部分包括信号处理、ADC采集、利用PLD基本逻辑单元实现的数字检测回路、DAC转换、功率放大，其测量原理与模拟跟踪式氦光泵磁力仪类似，不同的是本发明将信号数字化后再处理。本发明使用PLD内部基本逻辑单元实现数字硬件闭环检测，将模拟跟踪式氦光泵磁力仪的检测回路数字化，既保留了硬件闭环系统高速测量的优点，也保留了信号数字化处理的稳定性和高精度，综合了现有的氦光泵磁力仪的所有优点，还具有电路结构简单，大大降低了系统的功耗，体积和生产成本等优点。

图4示出了PLD中FIFO的结构图，根据图4所示

A：先入先出队列(FIFO)

先入先出队列(FIFO)实质是一种存储电路，特点是先存储的数据，先被读出，保持了数据的先后顺序。在本发明中，FIFO作为检测回路数据输入与ADC采集输出的缓冲。从图中可以看出，FIFO内部主要有双口RAM，用于数据存储，和读写地址发生器，用于读写数据时的地址码生成，还有空满信号发生器。双口RAM使用PLD开发软件中提供的IP核实现，读写地址产生器实质是一个加1累加器，当读写使能时，来一个W Clk或R Clk，累加器加1，并将累计结果送到双口RAM读写地址总线，实现数据的读写操作。

图5示出了数字相敏检波及数字积分电路

B：数字相敏检波及数字积分电路：

相敏检波也可叫做鉴相器，输出量正比于两同频输入信号的相位差。传统实现方式有模拟乘法器，将信号相乘后滤波，得到的直流电压正比于输入信号相位差，优点是速度较快，电路简单，但是精度低稳定性差、可鉴别范围窄，一般为0°到90°。本发明设计的数字相敏检波器由一个双路MUX21和求和累加器构成，对检波输出的所有数据求平均值。

检波过程：CLK＝1时，DOA＝A1＝DIN，DOB＝0，DO=DOA=DIN；

CLK＝0时，DOA＝0，DOB=B0=DIN，DO=-DOB=-DIN；

检波结果：

1、当输入信号与clk相差90°时，积分输出＝0；

2、当输入信号与clk相差180°时，积分输出等于负的最大。

3、当输入信号与clk相差0°时，积分输出等于正的最大。

图6示出了本发明中DDS的基本原理图。

C：调制信号发生器

调制信号发生器的作用是产生正弦数字调制信号，和与其同频同相的数字方波信号，用于数字检波，此处使用DDS实现。如上图所示，DDS由累加器，相位寄存器，正余弦查找表，时钟源组成。累加器根据频率控制字累加，将累加值寄存到相位寄存器，作为正余弦查找表的输入地址。正弦查找表作用是实现相位到幅值的转换，得到的幅度信息经过DAC转换为模拟信号输出。时钟源为整个系统工作提供时序参考。

图7示出了本发明的数字压控振荡器

D：数字压控振荡器：

数字压控振荡器的目的是输出摆频信号，经DAC转换后激励探头。其核心部分也是直接数字频率合成(DDS)，频率由积分器输出加调制信号正弦数字量输出的和来控制，由积分器决定中心频率，故调制信号输出的正弦数字量应较小如图中所示，将调制信号输出和积分器输出的和作为DDS的频率控制字，压控振荡器的输出为摆频信号，中心频率由数字积分器的输出决定。在实际工作中，只需在稳定跟踪时，测量压控振荡器输出信号的中心频率，即可根据前述公式精确算出磁场的值。

Claims

1.一种氦光泵磁力仪，其特征在于包括探头传感器(31)、高速ADC转换(32)、可编程逻辑器件PLD(42)、DAC(43)、MCU(38)、键盘检测(39)、液晶显示(37)。

2.根据权利要求1所述的氦光泵磁力仪，其特征在于所述PLD包括存储电路FIFO(33)。

3.根据权利要求1所述的氦光泵磁力仪，其特征在于所述PLD还包括数字相敏检波器(34)、FIFO(33)、乘法器、累加器、数字压控振荡器(41)。

4.根据权利要求2所述的氦光泵磁力仪，其特征在于所述FIFO(33)包括用于数据存储的双口RAM(412)，用于读写数据时地址码生成的读写地址发生器(413)，和空满信号发生器(414)。