一種提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法及其電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁力儀測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高Overhauser磁力儀拉莫爾 信號測頻精度的方法及其電路。
【背景技術(shù)】
[0002] Overhauser磁力儀是一種在普通質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的基礎(chǔ)上，利用基于自由基物質(zhì) 動(dòng)態(tài)核極化效應(yīng)的弱磁測量技術(shù)，其獲得的拉莫爾信號要比普通質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀高一個(gè)數(shù) 量級。與其他磁場測量技術(shù)相比，該磁力儀具有靈敏度高、功耗低、無進(jìn)向誤差，無死區(qū)等特 點(diǎn)，因此在資源勘探、航天，軍事等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。由于Overhauser磁力儀是通過 測量傳感器輸出的拉莫爾信號的頻率，然后利用磁旋比常數(shù)來計(jì)算得到當(dāng)前地磁總場強(qiáng)度 值，因此儀器的測頻精度直接決定了磁場測量精度。
[0003] 目前絕大多數(shù)Overhauser磁力儀采用的是傳統(tǒng)硬件測頻方案：首先將拉莫爾信 號整形變?yōu)榉讲?，然后再進(jìn)行計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)測頻。如，中國專利ZL201010147845. 5公布了一 種Overhauser磁力儀的設(shè)計(jì)，在該專利中采用了基于CPLD的多周期同步法來進(jìn)行測頻。中 國專利申請CN101493529B公布了一種提高質(zhì)子磁力儀測量精度的方法及電路，該專利采 用了基于二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的測周法，并利用實(shí)時(shí)信號數(shù)據(jù)等級評估及處理法和器件溫度系數(shù) 校正法從而實(shí)現(xiàn)測頻。中國專利申請CN103412344A公布了一種多參數(shù)測量質(zhì)子磁力儀，該 專利采用了由硬件電子門和計(jì)數(shù)器組成頻率計(jì)來實(shí)現(xiàn)測頻。
[0004] 當(dāng)采用上述文獻(xiàn)中的方法時(shí)，測量時(shí)間越長，精度越高。但由于拉莫爾信號是呈指 數(shù)衰減的，當(dāng)拉莫爾信號衰減到后期，信噪比較低時(shí)，過零干擾和相位噪聲通過比較器之后 會(huì)產(chǎn)生整形錯(cuò)誤，使得方波的波形發(fā)生畸變，從而引入新的計(jì)數(shù)誤差。雖然通過滯回型比較 器在零點(diǎn)處附近設(shè)置一個(gè)比較閥值區(qū)可以減少這種誤差，且閥值區(qū)越寬，計(jì)數(shù)誤差就越少， 但同時(shí)也會(huì)減少測頻時(shí)間，同樣會(huì)降低測頻精度。因此這種基于硬件的測頻方案因其固有 的缺陷很難實(shí)現(xiàn)高精度測頻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種提高 Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法及其電路，克服了現(xiàn)有硬件測頻方案在 拉莫爾信號衰減到后期會(huì)出現(xiàn)整形錯(cuò)誤的固有缺陷，不會(huì)引入新的計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)誤差，將 Overhauser磁力儀的磁場測頻精度提高到0· OOlHz。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，包括如下步驟：
[0008] 1)對Overhauser傳感器輸出的拉莫爾信號進(jìn)行高精度A/D采樣得到高速離散數(shù) 據(jù)；
[0009] 2)將步驟1)獲得的高速離散數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法獲取當(dāng)前拉莫爾信號的頻率粗略 值；
[0010] 3)在以步驟2)獲得的頻率粗略值為中心點(diǎn)的窄帶范圍內(nèi)，采用CZT(線性調(diào)頻 Chirp - Z變換）算法進(jìn)行局部頻譜細(xì)化，獲取相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻譜（頻率精確值）。
[0011] 按上述方案，實(shí)現(xiàn)該方法的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的電路， 包括Overhauser傳感器、工作物質(zhì)激勵(lì)電路、調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、FPGA、數(shù)據(jù)存儲器 SDRAM、嵌入式控制器ARM IULCD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡，所述Overhauser傳感器 的輸入端與工作物質(zhì)激勵(lì)電路連接、輸出端與調(diào)理電路的輸入端連接，調(diào)理電路的輸出端 經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器與FPGA連接，F(xiàn)PGA分別與數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作 物質(zhì)激勵(lì)電路連接，嵌入式控制器ARM 11分別與IXD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡連接； 所述嵌入式控制器ARMll與FPGA用于控制工作物質(zhì)激勵(lì)電路激勵(lì)Overhauser傳感器輸出 拉莫爾信號；所述調(diào)理電路用于對Overhauser傳感器輸出的拉莫爾信號進(jìn)行放大和濾波。
[0012] 按上述方案，所述步驟1)具體包括如下工作流程：
[0013] a、傳感器工作物質(zhì)激勵(lì)：先進(jìn)行高頻激勵(lì)來電子順磁共振和電子系統(tǒng)能量到質(zhì)子 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移，后進(jìn)行直流脈沖激勵(lì)以輸出拉莫爾信號；
[0014] b、傳感器工作物質(zhì)激勵(lì)完成后等待50ms，利用高速與高精度24-bit的ADC轉(zhuǎn)換器 將拉莫爾信號進(jìn)行高精度快速模數(shù)轉(zhuǎn)換成高速離散數(shù)據(jù)；
[0015] C、利用FPGA中的FIFO對高速離散數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并最終存入數(shù)據(jù)存儲器SDRAM ;
[0016] d、當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)定值后停止數(shù)據(jù)采集，嵌入式控制器ARMl 1通過FPGA中的總線 轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中的離散數(shù)據(jù)。
[0017] 按上述方案，所述步驟2)具體采用嵌入式控制器ARMl 1將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法 處理獲取當(dāng)前拉莫爾信號的頻率粗略值
[0018] 按上述方案，所述步驟3)具體為：以當(dāng)前拉莫爾信號的頻率粗略值&為中心，在 fQ± Δ f范圍內(nèi)采用CZT算法進(jìn)行局部的窄帶頻譜細(xì)化，其中Λ f為頻率分辨率。
[0019] 按上述方案，所述CZT算法進(jìn)行窄帶頻譜細(xì)化的倍數(shù)由數(shù)據(jù)長度M決定，頻率分辨 率Af為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特征在于，包括如下步 驟： 1) 對Overhauser傳感器輸出的拉莫爾信號進(jìn)行高精度A/D采樣得到高速離散數(shù)據(jù)； 2)將步驟1)獲得的高速離散數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法獲取當(dāng)前拉莫爾信號的頻率粗略值； 3) 在以步驟2)獲得的頻率粗略值為中心點(diǎn)的窄帶范圍內(nèi)，采用CZT算法進(jìn)行局部頻譜 細(xì)化，獲取相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻譜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特點(diǎn) 在于，實(shí)現(xiàn)該方法的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的電路，包括Overhauser 傳感器、工作物質(zhì)激勵(lì)電路、調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、FPGA、數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌入式控制器 ARM11、IXD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡，所述Overhauser傳感器的輸入端與工作物質(zhì) 激勵(lì)電路連接、輸出端與調(diào)理電路的輸入端連接，調(diào)理電路的輸出端經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換器與FPGA 連接，F(xiàn)PGA分別與數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌入式控制器ARM11以及工作物質(zhì)激勵(lì)電路連接， 嵌入式控制器ARM11分別與IXD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡連接；所述嵌入式控制器 ARM11與FPGA用于控制工作物質(zhì)激勵(lì)電路激勵(lì)Overhauser傳感器輸出拉莫爾信號；所述 調(diào)理電路用于對Overhauser傳感器輸出的拉莫爾信號進(jìn)行放大和濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特點(diǎn) 在于，所述步驟1)具體包括如下工作流程： a、 傳感器工作物質(zhì)激勵(lì)：先進(jìn)行高頻激勵(lì)來電子順磁共振和電子系統(tǒng)能量到質(zhì)子系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)移，后進(jìn)行直流脈沖激勵(lì)以輸出拉莫爾信號； b、 傳感器工作物質(zhì)激勵(lì)完成后等待50ms，利用高速與高精度24-bit的ADC轉(zhuǎn)換器將拉 莫爾信號進(jìn)行高精度快速模數(shù)轉(zhuǎn)換成高速離散數(shù)據(jù)； c、利用FPGA中的FIFO對高速離散數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并最終存入數(shù)據(jù)存儲器SDRAM ; d、 當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)定值后停止數(shù)據(jù)采集，嵌入式控制器ARM11通過FPGA中的總線轉(zhuǎn)換 器讀取數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中的離散數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特點(diǎn) 在于，所述步驟2)具體采用嵌入式控制器ARM11將離散數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT算法處理獲取當(dāng)前拉 莫爾信號的頻率粗略值f〇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特點(diǎn) 在于，所述步驟3)具體為：以當(dāng)前拉莫爾信號的頻率粗略值&為中心，在hiAf范圍內(nèi)采 用CZT算法進(jìn)行局部的窄帶頻譜細(xì)化，其中Af?為頻率分辨率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法，其特點(diǎn) 在于，所述CZT算法進(jìn)行窄帶頻譜細(xì)化的倍數(shù)由數(shù)據(jù)長度M決定，頻率分辨率△f?為：
式中，4和fi分別為頻譜細(xì)化范圍的上限值和下限值。
7. -種提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的電路，其特征在于：包括 Overhauser傳感器、工作物質(zhì)激勵(lì)電路、調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、FPGA、數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌 入式控制器ARM11、IXD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡，所述Overhauser傳感器的輸入端 與工作物質(zhì)激勵(lì)電路連接、輸出端與調(diào)理電路的輸入端連接，調(diào)理電路的輸出端經(jīng)ADC轉(zhuǎn) 換器與FPGA連接，F(xiàn)PGA分別與數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌入式控制器ARM11以及工作物質(zhì)激勵(lì) 電路連接，嵌入式控制器ARM11分別與IXD顯示器、鍵盤、USB接口及SD卡連接；所述嵌入 式控制器ARM11與FPGA用于控制工作物質(zhì)激勵(lì)電路激勵(lì)Overhauser傳感器輸出拉莫爾信 號；所述調(diào)理電路用于對Overhauser傳感器輸出的拉莫爾信號放大和濾波。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高Overhauser磁力儀拉莫爾信號測頻精度的方法及其電路，電路包括Overhauser傳感器、工作物質(zhì)激勵(lì)電路、調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換器、FPGA、數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、嵌入式控制器。本發(fā)明將拉莫爾信號頻率的測量從傳統(tǒng)的時(shí)域變換到頻域，采用由FFT算法和CZT算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)測頻：利用FFT算法獲取當(dāng)前信號的粗略頻率值，并在以該粗略值為中心點(diǎn)的窄帶范圍內(nèi)，采用CZT算法進(jìn)行局部窄帶頻譜細(xì)化從而實(shí)現(xiàn)高精度測頻；克服了現(xiàn)有硬件測頻方案在信號指數(shù)衰減到后期會(huì)出現(xiàn)整形錯(cuò)誤的固有缺陷，不會(huì)引入新的誤差，將該磁力儀的測頻精度提高到0.001Hz，在增加測頻有效時(shí)間同時(shí)，提高儀器的整體測量速率；后期測頻方案升級方便，有效降低儀器改造成本。
【IPC分類】G01V3-38, G01V3-40
【公開號】CN104808251
【申請?zhí)枴緾N201510256416
【發(fā)明人】葛健, 董浩斌, 彭義, 劉歡
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月18日