一種優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，該裝置中：無磁效應(yīng)恒溫控制器使銫光譜燈及銫樣品吸收泡于恒溫蒸汽狀態(tài)，射頻源激勵銫光譜燈發(fā)光，并由光學(xué)部件變換成左旋圓偏振光照射銫樣品吸收泡，透過凸透鏡聚焦光電探測器；磁阻傳感器測磁模塊輔助測量所處點的地磁場值，通過嵌入式處理終端模塊判斷強度范圍，分段控制自激振蕩模塊；低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路檢測銫樣品吸收泡的光磁共振信號并經(jīng)放大和移相后激勵銫樣品吸收泡上的高頻線圈.構(gòu)成自激振蕩回路輸出拉莫爾信號；拉莫爾信號測量模塊與北斗/GPS定位模塊精確測量所處點的地磁場值。本發(fā)明通過輔助磁場測量與分波段控制并結(jié)合精確測頻及雙模定位的方法，保證了裝置的檢測精度及可靠性。
【專利說明】—種優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于弱磁測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在弱磁測量領(lǐng)域，目前的磁力儀主要有以下類型:機(jī)械式磁力儀，磁通門磁力儀，質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，光泵磁力儀，超導(dǎo)量子磁力儀等。機(jī)械型磁力儀由裝在樞軸上的的磁鐵構(gòu)成，用來測量垂直或水平方向磁場，現(xiàn)已較少使用:磁通門磁力儀是利用高導(dǎo)磁率的軟磁性材料(如坡莫合金)作磁芯，以其在交直流磁場作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理所研制的測磁裝置，有效靈敏度為幾個nT，目前仍得到廣泛應(yīng)用:質(zhì)子磁力儀是基于質(zhì)子在磁場中的旋進(jìn)現(xiàn)象而設(shè)計的一種高靈敏磁場測量儀器，具有原理簡單、儀器體積小、精度高的特點，但其只能點測。激發(fā)一次，測量一次。同時其容忍梯度低。且要求其有20000ηΤ以上的磁場強度才能提供穩(wěn)定的讀數(shù):超導(dǎo)型磁力儀根據(jù)超導(dǎo)原理制造，是目前最靈敏的磁力儀，主要用于高精度的地磁場研究，但由于技術(shù)復(fù)雜，需要維持苛刻的溫度環(huán)境，價格昂貴，應(yīng)用較少。
[0003]光泵磁力儀是一種高靈敏度和高精度的磁測設(shè)備，它以元素的原子能級在磁場中產(chǎn)生塞曼分裂為基礎(chǔ)，根據(jù)光泵作用原理研制的磁力儀，光泵磁力儀是目前科技工程實踐應(yīng)用中靈敏度最高的磁探測儀器，能測量總磁場強度，不存在方向誤差，其受空間姿態(tài)的影響較小，具有采樣速度高，梯度容忍度大的特點，廣泛應(yīng)用于地球物理勘探、宇宙磁場測量、地震監(jiān)測與預(yù)測、地質(zhì)勘探、航空磁測繪、考古、海事打撈等方面。也廣泛應(yīng)用于反潛、磁引信、磁導(dǎo)航等軍事用途，反潛機(jī)上所裝備的磁探測系統(tǒng)基本都是基于光泵原理的磁探測系統(tǒng)。
[0004]國外的銫光泵磁力儀精度已高于0.0OlnT，絕對精度更高。國內(nèi)還沒有一家單位具有研制生產(chǎn)銫光泵磁力儀的能力，故國內(nèi)目前尚無成熟的銫光泵磁力儀產(chǎn)品。美國銫光泵磁力儀產(chǎn)品列為“敏感”技術(shù)，出口到中國的光泵磁力儀精度限于0.05ηΤ。我國國防領(lǐng)域很難獲得高性能的銫光泵磁力儀產(chǎn)品。即便是民用領(lǐng)域，頂級的產(chǎn)品也是禁售的。故光泵磁力儀對工業(yè)和國防有著重要意義，需求量很大，急需盡快研制出來。
[0005]銫光泵磁力儀按技術(shù)設(shè)計的方案不同可以分為自激式和跟蹤式，本發(fā)明設(shè)計的是自激式銫光泵磁力儀。它利用光抽運和磁共振現(xiàn)象，特定自旋在一定主磁場強度B下會具有的共振頻率f。，也叫拉莫爾頻率，這種現(xiàn)象叫做磁共振，二者的關(guān)系為:
[0006]/ο
2π
[0007]上式中，f0為拉莫爾頻率，B為外界主磁場，λ = 3.498577為磁旋比。
[0008]故將地磁場的測量轉(zhuǎn)化為光磁共振時對所輸出的拉莫爾信號的測量，極大地提高了被測信號的分辨率。同時由于測量頻率的方式可以達(dá)到很高的精度，故對磁場的測量轉(zhuǎn)化為對自激時光磁共振拉莫爾信號的頻率檢測，可實現(xiàn)對磁場的精確測量。故其測量精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的磁力儀。由銫光泵磁旋比λ = 3.498577，對于50000ηΤ的地磁場，銫光泵磁力儀的拉莫爾信號頻率為174.5kHz，該頻率較易測量，故銫光泵磁力儀的精度更易提高。
[0009]磁阻傳感器是近年來以磁電子學(xué)為理論基礎(chǔ)建立起來的一種新型磁傳感器技術(shù)，它將玻莫合金薄膜附著在硅片上制成集成磁傳感器。利用4個磁電阻組成惠斯頓電橋，其中將對邊的兩個電阻作為感應(yīng)電阻放在兩個磁場集中區(qū)的間隙中間。將另一對邊的兩個電阻作為參考電阻密封在磁場集中區(qū)內(nèi)部，并使其與外部磁場隔絕，故阻值不隨外部磁場變化。4個磁電阻由相同的材料制作，故其溫度系數(shù)特性相同，溫度漂移小。當(dāng)施加外部磁場時，兩個感應(yīng)電阻的阻值會隨著外部磁場的大小而改變，而參考阻值不變，必導(dǎo)致電橋不平衡，將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。經(jīng)處理可實現(xiàn)對弱磁場的準(zhǔn)確測量。磁阻傳感器具有體積小、功耗低、集成化、靈敏度較高、線性范圍較寬、抗電磁噪聲和干擾能力強、可靠性高、誤差不隨時間積累等特點。在弱磁場測量方面具有優(yōu)越的性能。
[0010]磁阻傳感器已成功用于地球磁場參量的測量，并具有簡便易行、結(jié)果較為準(zhǔn)確的優(yōu)點。采用三軸磁阻傳感器測量空間地磁場矢量，獲得姿態(tài)角度信息，也已成功應(yīng)用于體積小、重量輕、功耗低的中低精度姿態(tài)測量要求的皮衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種優(yōu)化的銫光泵弱磁測量電路，在已有高精度銫光泵物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制結(jié)構(gòu)獨特、技術(shù)新穎、指標(biāo)先進(jìn)的銫光泵弱磁測量裝置。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括銫光泵物理系統(tǒng)，無磁效應(yīng)恒溫控制器，射頻源，磁阻傳感器測磁模塊，自激振蕩模塊，拉莫爾信號測量模塊，北斗/GPS定位模塊及嵌入式處理終端模塊；其中無磁效應(yīng)恒溫控制器控制銫光譜燈及銫樣品吸收泡處于恒溫蒸汽狀態(tài)，射頻源激勵銫光譜燈發(fā)光，由光學(xué)部件變換成左旋圓偏振光照射物理系統(tǒng)中的銫樣品吸收泡，透過凸透鏡聚焦在光電探測器上；磁阻傳感器測磁模塊輔助測量該裝置所處點的地磁場值并判斷其磁場強度范圍，通過嵌入式處理終端模塊分波段控制自激振蕩模塊中的參數(shù)，使其處于穩(wěn)定自激振蕩狀態(tài)并輸出拉莫爾頻率信號；由拉莫爾信號測量模塊與北斗/GPS定位模塊及嵌入式處理終端模塊一起測量，并精確計算該裝置所處地理位置的地磁場值。
[0013]本發(fā)明采用磁阻傳感器測磁模塊輔助測量銫光泵弱磁檢測裝置所在地理位置的地磁場強度值，判斷所處位置的磁場強度范圍，根據(jù)測量的磁場強度通過嵌入式處理器將裝置量程14292nT至100041nT測量范圍分4段，將自激振蕩模塊所對應(yīng)的工作頻率范圍50ΚΗζ至350ΚΗΖ分為4個波段，其波段覆蓋系數(shù)由未分段前的7減至分為4個分波段后的
1.63，分波段縮小了每個波段待測地磁場的覆蓋范圍。分波段調(diào)整自激振蕩模塊中的無源帶通濾波電路的通帶頻率范圍及數(shù)控有源移相電路的相移量與數(shù)控衰減器的衰減值，以提高自激振蕩模塊的精度及穩(wěn)定性。
[0014]所述的自激振蕩模塊由光電探測器、低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大與無源帶通濾波器、數(shù)控有源移相器、放大器與數(shù)控衰減器及緩沖放大器組成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量裝置所處點的地磁場值的強度范圍，分段控制無源帶通濾波器的通頻帶、數(shù)控有源移相器的移相量及數(shù)控衰減器的衰減值，通過低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路檢測銫樣品吸收泡的光磁共振信號并經(jīng)放大和移相后激勵環(huán)繞在銫樣品吸收室的高頻線圈.構(gòu)成自激振蕩回路并輸出拉莫爾頻率信號。
[0015]所述自激振蕩模塊中的光電探測器和低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路可以由峰值波長為900nm的大面積光電二極管與超低噪聲場效應(yīng)管構(gòu)成，采取電路熱隔離措施，減少熱噪聲的影響，根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量裝置所處點的地磁場值，由嵌入式處理終端模塊分4個波段選擇無源帶通濾波器的通頻帶抑制通外噪聲。
[0016]所述的數(shù)控有源移相器可以由高速模擬開關(guān)與變?nèi)荻O管及運算放大器構(gòu)成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，選擇控制高速模擬開關(guān)切換不同的移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，得到滿足自激振蕩相位條件的精確移相值。
[0017]所述數(shù)控衰減器可以由高速寬帶衰減器構(gòu)成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，輸出對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量控制自激振蕩模塊中數(shù)控衰減器的衰減量，其最小步進(jìn)衰減量為0.5dB，實現(xiàn)幅度補償并調(diào)整回路的幅頻特性，得到滿足自激振蕩振幅條件的放大器增益值。
[0018]所述的射頻源激勵環(huán)繞在銫光譜燈上的高頻線圈，使銫光譜燈發(fā)光，光電傳感器檢測銫光譜燈的亮度大小，并通過負(fù)反饋方式由狀態(tài)與電流控制、功率反饋與輸出設(shè)置控制射頻源的工作狀態(tài)與電流值，使射頻源輸出的射頻功率穩(wěn)定，嵌入式處理終端模塊監(jiān)測射頻輸出功率，在開機(jī)瞬間控制射頻源于大功率輸出狀態(tài)，銫光譜燈起輝后轉(zhuǎn)入負(fù)反饋穩(wěn)定工作狀態(tài)。
[0019]所述的無磁效應(yīng)恒溫控制器由嵌入式處理終端模塊合成正弦波，采樣數(shù)字溫度傳感器檢測銫光譜燈和銫樣品吸收泡的加熱溫度、通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器壓控放大器增益，調(diào)節(jié)采用無磁線雙線并繞在銫光譜燈和銫樣品吸收泡上的加熱線的交流功率值，使它們的溫度保持恒定并處于氣化狀態(tài)；在開機(jī)瞬間控制交流功率值于大功率加熱狀態(tài)，以減少預(yù)熱時間。
[0020]所述的拉莫爾信號測量模塊參考時鐘由高穩(wěn)恒溫晶振經(jīng)X20倍頻獲得，自激振蕩模塊輸出的拉莫爾信號經(jīng)濾波與整形后，由采用測頻法的第一頻率測量模塊粗測，嵌入式處理終端模塊對該頻率值的百位以上進(jìn)行截尾處理并計算出頻率控制字送DDS模塊，DDS模塊產(chǎn)生正弦信號與原被測信號混頻得到頻差信號，經(jīng)低通濾波與整形后，再由采用測周法的第二頻率測量模塊精確測量得到實際頻差，該頻差與第一頻率測量模塊的百位以上頻率值相加，得到高精度的拉莫爾頻率值，通過嵌入式處理終端模塊計算得出對應(yīng)磁場強度值。
[0021]所述的北斗/GPS定位模塊采用兩種模式定位有利于提高定位精度，降低了一種模式衛(wèi)星信號波動時的影響；在測量地磁場時，默認(rèn)采用GPS衛(wèi)星定位信號，顯示出銫光泵弱磁測量所處點的地理坐標(biāo)，獲得完整的地磁場信息；但遇到通過添加干擾信號使GPS定位信息失靈的緊急情況時，切換至北斗定位系統(tǒng)，保證了銫光泵弱磁測量裝置定位信息的可靠性。
[0022]所述的嵌入式處理終端模塊采用ARM處理器，它根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，分波段控制自激振蕩模塊中的相關(guān)參數(shù)，負(fù)責(zé)對測量點的地理坐標(biāo)和地磁場測量值的存儲和處理，監(jiān)測恒溫室溫度及瞬間大功率加熱起動和射頻輸出功率值及瞬間射頻大功率起動，通信與顯示終端方便地磁場測量信息的觀測與傳遞。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點:
[0024]1.采用磁阻傳感器粗測地磁場，充分利用了磁阻傳感器功耗低、集成化、線性范圍較寬、抗電磁噪聲和干擾能力強、可靠性高、誤差不隨時間積累的優(yōu)點。以磁阻傳感器輔助測量的地磁場值為參考，將裝置量程14292nT至100041ηΤ的測量范圍分為4段，分波段大大減小了自激振蕩回路的波段覆蓋系數(shù)及波段對應(yīng)的待測地磁場的覆蓋范圍。
[0025]2.分波段調(diào)整自激振蕩模塊中的無源帶通濾波電路的通帶頻率范圍，通帶頻率范圍外的噪聲功率被有效抑制，所選用峰值波長為900nm的大面積光電二極管及超低噪聲場效應(yīng)管構(gòu)成低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路，并采取電路熱隔離措施，以減少熱噪聲的影響。
[0026]3.通過分波段數(shù)控，使自激振蕩回路中的有源移相器的移相量及數(shù)控衰減器的衰減值的精度提高，使得自激振蕩回路的相移特性和幅頻特性得到極大改善，更好的滿足了自激振蕩回路的振幅與相位條件，提聞了自激振蕩|旲塊的精度及穩(wěn)定與可罪性。
[0027]4.開機(jī)瞬間射頻振蕩器大功率激勵銫光譜燈的功能，縮小了銫光泵弱磁測量裝置的準(zhǔn)備時間，通過光電傳感器檢測負(fù)反饋控制射頻振蕩器輸出的方式，使銫光譜燈亮度穩(wěn)定。
[0028]5.無磁效應(yīng)恒溫加熱控制器的開機(jī)瞬間大功率加熱功能，減少了預(yù)熱時間。交流驅(qū)動無磁加熱線雙線并繞在銫光譜燈和銫樣品吸收泡上的恒溫加熱方式，避免了附加磁效應(yīng)的影響。
[0029]6.拉莫爾信號檢測模塊采用測頻法與測周法的結(jié)合，其參考時鐘由高穩(wěn)恒溫晶振經(jīng)X20倍頻提供，提高了拉莫爾信號的檢測高精度，相應(yīng)的提高了磁場檢測的分辨率。
[0030]7.北斗/GPS定位模塊兩種模式定位降低了一種模式衛(wèi)星信號波動的風(fēng)險。北斗定位系統(tǒng)保證了裝置定位信息的可靠性。
[0031]8.ARM處理器，提高了銫光泵弱磁測量裝置的處理速度，增強了該裝置的智能功能，方便了地磁場測量信息的觀測與傳遞。
[0032]對己研制的原理樣機(jī)進(jìn)行了初步測試:
[0033]其中:采樣率為I秒時，靈敏度〈0.0lnT/Hz;;供電電壓24V ;供電啟動電流，環(huán)境溫度為20°C時，啟動電流〈0.8A ;預(yù)熱時間，環(huán)境溫度為20°C時，預(yù)熱時間〈6分鐘。
[0034]使用己研制的銫光泵弱磁測量裝置原理樣機(jī)，在武漢理工大學(xué)鑒湖校區(qū)室外測得一組地磁場總強度數(shù)據(jù)如表I所示，該數(shù)據(jù)與武漢地磁臺測量數(shù)據(jù)吻合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖。
[0036]圖2是自激振蕩模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0037]圖3是銫光譜燈射頻源結(jié)構(gòu)框圖。
[0038]圖4是無磁效應(yīng)恒溫加熱控制器結(jié)構(gòu)框圖。
[0039]圖5是拉莫爾信號檢測模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0040]圖6是恒溫控制和銫光譜燈激勵控制任務(wù)程序流程圖。
[0041]圖7是磁阻傳感器、移相和增益控制任務(wù)程序流程圖。
[0042]圖8是拉莫爾信號測量任務(wù)程序流程圖。
[0043]圖9是GPS/北斗模塊信號接收任務(wù)程序流程圖。
[0044]圖10是嵌入式終端程序總體流程圖?！揪唧w實施方式】
[0045]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限定本
【發(fā)明內(nèi)容】
。
[0046]光泵磁力儀的物理理論基礎(chǔ)是光磁共振，利用光抽運和磁共振原理來實現(xiàn)對弱磁的測量。因氣體原子塞曼子能級能量差極小，故磁共振信號極弱，難于探測，為了獲得了磁共振信號，采用光電探測器探測原子對入射光的吸收來間接探測光磁共振信號。光磁共振技術(shù)將探測磁場靈敏度提高了幾個數(shù)量級的同時，還保持了磁共振高分辨率的特點。
[0047]本發(fā)明基于光抽運和磁共振的基本原理，提供了如圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，該裝置主要由物理系統(tǒng)，無磁效應(yīng)恒溫控制器，射頻源，磁阻傳感器測磁模塊，由光電探測器、低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路、分段無源帶通濾波器、數(shù)控有源移相器、放大器與數(shù)控衰減器及緩沖放大器組成的自激振蕩模塊，拉莫爾信號檢測模塊、北斗/GPS定位模塊、嵌入式處理終端模塊等部分組成。無磁效應(yīng)恒溫控制器使銫光譜燈及銫樣品吸收泡處于恒溫蒸汽狀態(tài)，射頻源激勵銫光譜燈發(fā)光，然后該光通過物理系統(tǒng)中的透鏡、濾光片和四分之一玻片等光學(xué)部件處理后變成左旋圓偏振光后，照射到銫樣品吸收泡上，再透過凸透鏡聚焦在光電探測器上。磁阻傳感器輔助測量本發(fā)明裝置所處點的地磁場值，根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊測量出的地磁場值，嵌入式處理終端模塊判斷當(dāng)前地磁場值的強度范圍，分段控制自激振蕩模塊中的無源帶通濾波器的通頻帶、數(shù)控有源移相電路的移相量及數(shù)控衰減器的衰減值，由低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路檢測銫樣品吸收泡的光磁共振信號并經(jīng)過放大和移相后激勵環(huán)繞在銫樣品吸收泡的高頻線圈.構(gòu)成自激振蕩回路。此時輸出的拉莫爾信號頻率與外界的地磁場成正比，通過拉莫信號測量裝置精確測量自激振蕩回路的輸出頻率，北斗/GPS定位模塊精確定位所處地理位置，獲得所處地理位置的地磁場值。
[0048]所述銫光泵物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，其由銫光譜燈、干涉濾光片、偏振片、1/4波片和凸透鏡組成。物理系統(tǒng)各部分器件功能如下:
[0049]銫光譜燈:銫光譜燈是一種高頻無極氣體放電泡，將銫光譜燈置于射頻振蕩回路中，由電感線圈環(huán)繞銫光譜燈上，射頻振蕩器為銫光譜燈提供IOOMHz射頻功率。射頻場產(chǎn)生一個對應(yīng)的共振光輻射，即銫光譜燈受激發(fā)光。電子從一個軌道躍遷到另一軌道所需的光子頻率必須是合適的頻率。銫光譜燈發(fā)出的光波長為894.35nm，則頻率為3.3 X IO14Hz。
[0050]干涉濾光片:銫燈發(fā)出的光帶有很多我們不需要的頻率分量，如D2(852nm)線，它會極大地影響信號的檢測。在到達(dá)吸收泡之前，干涉濾光片能很好地濾除D2光，而只讓Dl譜線(894.35nm)的光通過。
[0051]第一凸透鏡:將銫光譜燈發(fā)出的分散的光變成平行光束。
[0052]偏振片:讓光線選擇性的通過，讓縱向光或橫向光其中的一種透過，另一種遮蔽。雖然其中一種方向的偏振光都能做成磁力儀，但測得的磁場強度會因偏振的方向不同而有5nT的差別。這必會導(dǎo)致磁力儀有5ηΤ的方位誤差。為防止該現(xiàn)象的發(fā)生，故沿著直徑分離偏振片，一邊做成右旋偏振光，一邊做成左旋偏振光。通過這種技術(shù)手段來消除方位誤差。其代價就是使信號強度降低。
[0053]1/4波片:它使兩相互垂直的光產(chǎn)生λ/4光程差,而出射光為圓偏振光。
[0054]銫樣品吸收泡:銫樣品吸收泡室區(qū)的中心是充以天然銫和惰性緩沖氣體的玻璃吸收泡(其中銫元素為氣態(tài)，無輻射，不會造成健康危害，吸收室用密閉玻璃制成)。銫泡的溫度維持在50攝氏度，銫樣品吸收泡內(nèi)裝有的銫蒸汽和惰性氣體維持在恒溫氣化狀態(tài)。[0055]第二凸透鏡:該凸透鏡將透過吸收室的光聚集到光電檢測器上。
[0056]光電檢測器:采集透過銫樣品吸收泡的光強信號，并將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光檢測器可以檢測到透過吸收室的光最弱。此時，通過測量共振頻率即可得出外磁場的值。顯然，共振線越窄，中心頻率就越準(zhǔn)，對外磁場的變化也越敏感，則分辨率越高。
[0057]銫光泵弱磁檢測裝置通過測量光磁共振時輸出的拉莫爾頻率來測量環(huán)境磁場，且拉莫爾頻率與環(huán)境磁場有著精確的比例關(guān)系，故銫光泵磁力儀應(yīng)具很高的靈敏度和分辨率。若將銫光泵弱磁測量裝置的量程定為14300至ΙΟΟΟΟΟηΤ，則振蕩電磁場的拉莫爾頻率范圍約為50ΚΗζ至350ΚΗζ，其覆蓋系數(shù)等于7。自激式銫光泵弱磁檢測裝置的自激振蕩模塊在如此寬的覆蓋系數(shù)范圍內(nèi)滿足最佳的振幅和相位條件十分困難。需采取特殊改進(jìn)措施使自激振蕩回路處于良好的工作狀態(tài)，最有效的措施之一是將自激振蕩模塊所對應(yīng)的工作頻率范圍分段，這將大大減小自激振蕩回路的頻率覆蓋系數(shù)，易于滿足最佳振幅和相位條件，提高自激振蕩模塊的精度與可靠性。
[0058]減小自激振蕩回路的頻率覆蓋系數(shù)應(yīng)依據(jù)裝置所處環(huán)境磁場的變化，因磁阻傳感器具有功耗低、集成化、線性范圍較寬、抗電磁噪聲和干擾能力強、可靠性高等弱磁場測量方面的卓越性能。根據(jù)高精度磁阻傳感器輔助測量所在地理位置的地磁場強度值對自激振蕩回路進(jìn)行分段是一個很好的解決方案。雖然磁阻傳感器的測磁精度遠(yuǎn)不及銫光泵弱磁檢測裝置，但它地球磁場參量的測量及皮衛(wèi)星空間地磁場姿態(tài)角度信息的獲取方面已得到成功的應(yīng)用，依據(jù)其輔助磁測信息對銫光泵弱磁檢測裝置進(jìn)行初始分段是完全可行的，測磁精度、分辨率及靈敏度不受磁阻傳感器輔助測量信息的影響，只取決銫光泵弱磁檢測裝置自激振蕩回路的拉莫爾頻率與環(huán)境磁場精確的比例關(guān)系。
[0059]自激振蕩回路如圖2所示，參考圖1所示的高精度磁阻傳感器測磁模塊的結(jié)構(gòu)圖，它輔助測量銫光泵弱磁檢測裝置所在地理位置的地磁場強度值，送嵌入式處理終端模塊并由其判斷所處位置的磁場強度范圍，根據(jù)測量的磁場強度，嵌入式處理終端模塊將本發(fā)明裝置量程14292ηΤ?100041ηΤ的測量范圍分為4段，則自激振蕩模塊所對應(yīng)的工作頻率范圍應(yīng)為50ΚΗζ?350ΚΗζ，也分為對應(yīng)的4個波段，其波段覆蓋系數(shù)由未分段前的7減至分為4個分波段后的1.63，無源帶通濾波器為亞倍頻程，分波段大大減小了待測地磁場的覆蓋范圍。嵌入式處理終端模塊分波段調(diào)整自激振蕩模塊中巴特沃斯型的無源帶通濾波器的通帶頻率范圍，通帶頻率范圍外的噪聲功率被有效抑制；有源移相電路采用高精度高速運算放大器與變?nèi)荻O管構(gòu)成，具有優(yōu)良的幅頻特性和相移控制特性，嵌入式處理器終端模塊分波段數(shù)控自激振蕩模塊中的有源移相電路的相移量，獲得滿足自激振蕩相位條件的精確移相值；采用高精度高速六位數(shù)控衰減器，數(shù)控衰減器的頻率響應(yīng)為DC至射頻段，具有極佳的幅頻特性，其控制切換時間低至nS級，最小衰減值為0.5dB，最大衰減量為31dB，嵌入式處理器終端模塊分波段數(shù)控自激振蕩模塊中的數(shù)控衰減器的衰減值，得到滿足自激振蕩振幅條件的放大器增益值。通過這些技術(shù)措施大大提高了自激振蕩模塊的精度與可靠性。
[0060]射頻激勵源如圖3所示，主要由環(huán)繞在銫光譜燈上的高頻線圈、射頻振蕩器、光電傳感器、電壓跟隨與濾波、狀態(tài)與電流控制器、功率反饋與輸出設(shè)置及激勵線圈等部分組成，射頻振蕩器由射頻場效應(yīng)管構(gòu)成，銫光譜燈射頻源激勵環(huán)繞在銫光譜燈上的高頻線圈，使銫光譜燈發(fā)光，光電傳感器檢測銫光譜燈的亮度大小，經(jīng)過嵌入式處理終端判斷亮度后，通過狀態(tài)與電流控制、功率反饋與輸出設(shè)置電路控制射頻振蕩器的工作狀態(tài)與電流值，使射頻振蕩器輸出的射頻功率穩(wěn)定，嵌入式處理終端模塊監(jiān)測銫光譜燈射頻源輸出功率的大小，并在開機(jī)瞬間控制射頻振蕩器于大功率狀態(tài)，縮小了銫光泵弱磁測量裝置的準(zhǔn)備時間，銫光譜燈起輝后轉(zhuǎn)入負(fù)反饋穩(wěn)定狀態(tài)。這部分軟件設(shè)計被包含在任務(wù)一中，程序流程圖如圖6所示。
[0061]無磁效應(yīng)恒溫控制器如圖4所示，它由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、功率放大器、力口熱線圈、數(shù)字溫度傳感器、電壓跟隨與濾波及溫度設(shè)置與溫控疊加等部分組成，嵌入式處理終端模塊經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與低通濾波器合成IkHz的正弦波，嵌入式處理終端通過采樣數(shù)字溫度傳感器檢測到的銫光譜燈和銫樣品吸收室的加熱溫度、通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器壓控放大器增益，調(diào)節(jié)控制加至無磁加熱線雙線并繞在銫光譜燈和銫樣品吸收室上的加熱器的交流功率值，使它們的溫度保持恒定并處于氣化狀態(tài)。在開機(jī)瞬間控制交流功率值于大功率加熱狀態(tài)，減少了預(yù)熱時間。功率放大器采用BTL電路結(jié)構(gòu)，降低了對電源電壓的要求。這部分軟件設(shè)計也被包含在任務(wù)一中，程序流程圖如圖6所示。
[0062]圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖中的磁阻傳感器測磁模塊是一種單軸的可用來粗測地磁場的磁阻傳感器裝置，其精度在地磁場測量范圍內(nèi)可以達(dá)到IOOnT水平，測量范圍遠(yuǎn)大于地磁場范圍。該磁阻傳感器裝置由磁阻傳感器，差動輸入的儀表放大器，電壓基準(zhǔn)模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。磁阻傳感器是由電壓Vb供電的惠斯頓電橋，當(dāng)施加外磁場時，電橋輸出差動電壓，該電壓由儀表放大器進(jìn)行低噪聲放大，再經(jīng)過高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，由嵌入式處理終端模塊測量出電壓再按照經(jīng)校正好的公式和參數(shù)算出地磁場強度值。通過對地磁場粗測，由嵌入式處理終端模塊根據(jù)當(dāng)前地磁場所處的范圍，選擇相應(yīng)頻率段的帶通濾波器降低波段覆蓋系數(shù)，控制數(shù)控移相器的移相值及數(shù)控衰減器的衰減量。使得自激回路的的相移比較穩(wěn)定，改善自激振蕩回路的幅頻特性，有利于自激振蕩模塊穩(wěn)定可靠地工作。該部分的程序在任務(wù)二中，程序流程圖如圖7所示。
[0063]圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖中的自激振蕩模塊由光電檢測器、低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大與帶通濾波電路、數(shù)控有源移相電路、放大器與數(shù)控衰減器及緩沖放大器等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中光電探測器和低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路由峰值波長為900nm的大面積光電二極管與超低噪聲場效應(yīng)管構(gòu)成,提高了光電轉(zhuǎn)換電路的信噪比，采取了電路熱隔離措施，減少熱噪聲的影響。帶通跟蹤濾波電路主要由無源帶通濾波網(wǎng)絡(luò)和可高速切換的模擬開關(guān)組成，其中的無源帶通濾波器為巴特沃斯型的亞倍頻程濾波器，通帶平坦，阻帶衰減大。根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量裝置所處點的地磁場值，由嵌入式處理終端模塊分4個波段負(fù)責(zé)切換選擇不同頻率特性的帶通濾波器并抑制帶外噪聲。以適應(yīng)不同的拉莫爾頻率范圍，即適應(yīng)不同的地磁場測量范圍。數(shù)控有源移相電路則由有源移相網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)組成。根據(jù)事先分配好的測量范圍，設(shè)置每個測量范圍對應(yīng)的移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后由模擬開關(guān)再根據(jù)測量范圍進(jìn)行切換。數(shù)控衰減器主要是根據(jù)不同的地磁場測量范圍負(fù)責(zé)自激振蕩回路的幅度控制，改善電路的幅頻特性。該部分的程序也在任務(wù)二中，程序流程圖如圖7所不。
[0064]圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖中的高精度拉莫爾信號測量模塊，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，它由濾波與整形、高穩(wěn)恒溫晶振、X20倍頻器、采用測頻法的第一頻率測量模塊、DDS模塊、混頻器及采用測周法的第二頻率測量模塊等組成。自激振蕩模塊輸出的拉莫爾信號經(jīng)濾波與整形后，由第一頻率測量模塊粗測，嵌入式處理終端模塊對該頻率值的百位以上進(jìn)行截尾處理并計算，獲得頻率控制字送DDS模塊，由DDS模塊產(chǎn)生正弦信號送混頻器與原被測信號混頻后得到頻差信號，經(jīng)低通濾波與整形后，再由第二頻率測量模塊采用測周法精確測量得到實際頻差，該頻差與第一頻率測量模塊的百位以上頻率相加，得到高精度的拉莫爾頻率值。通過嵌入式處理終端模塊計算得出對應(yīng)磁場強度值。DDS模塊由高速CPLD構(gòu)成，200MHz的參考時鐘源由高穩(wěn)恒溫晶振源經(jīng)高精度X20倍頻器獲得，提高了拉莫爾信號檢測模塊的測頻分辨率，也保證了弱磁場檢測的高精度。該任務(wù)的程序流程圖如圖8所示。
[0065]圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖中的北斗/GPS定位模塊由GPS信號接收模塊和北斗信號接收模塊組成。嵌入式終端在該任務(wù)中先讀取GPS模塊接收到的數(shù)據(jù)，然后解算出測量點的經(jīng)緯度，高度等地理坐標(biāo)信息，默認(rèn)采用GPS衛(wèi)星定位信號。如果讀取的GPS信號有誤，則定位的信號源再切換到備用的北斗信號接收模塊，這樣可以避免如遇GPS系統(tǒng)通過添加干擾信號使GPS定位信息失靈的緊急情況時，對測量定位造成的影響。該任務(wù)程序流程圖如圖9所示。
[0066]圖1所示的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置總體框圖中的嵌入式處理終端模塊是由ARM為核心組成的控制模塊，該嵌入式處理終端模塊采用了 UCOSII實時操作系統(tǒng)，它具有內(nèi)核小，占用內(nèi)存小，反應(yīng)速度快等特點，非常適合于面向應(yīng)用的量身定制。通過裁剪不必要功能，可在滿足使用要求的情況下，將資源消耗降到最低，同時加上ARM最新Cortex-M3內(nèi)核可以實時處理北斗/GPS模塊測量的地理坐標(biāo)信息，磁阻傳感器測量數(shù)據(jù)，以及高精度拉莫信號測量裝置測得的拉莫信號頻率和地磁場強度信息。它根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，分波段控制自激振蕩模塊中的相關(guān)參數(shù)，負(fù)責(zé)對測量點的地理坐標(biāo)和地磁場測量值的存儲和處理，監(jiān)測恒溫室溫度及瞬間大功率加熱起動和射頻輸出功率值及瞬間射頻大功率起動，通信與顯示終端方便地磁場測量信息的觀測與傳遞。整個嵌入式終端處理模塊的程序流程圖如圖9所示，首先是液晶，芯片系統(tǒng)時鐘，外設(shè)等的初始化，然后建立初始任務(wù)，在初始任務(wù)中進(jìn)入任務(wù)調(diào)度器，然后利用UCOSII內(nèi)核的調(diào)度機(jī)制，在六個任務(wù)之間進(jìn)行切換。通過這種方式，提高了芯片的利用效率和對每個任務(wù)的響應(yīng)速度。這個終端界面友好，操作方便適應(yīng)`現(xiàn)代儀器發(fā)展趨勢。整個嵌入式處理終端模塊的程序流程圖如圖10所示。
[0067]附表
[0068]表1
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，其特征在于該裝置包括銫光泵物理系統(tǒng)，無磁效應(yīng)恒溫控制器，射頻源，磁阻傳感器測磁模塊，自激振蕩模塊，拉莫爾信號測量模塊，北斗/GPS定位模塊及嵌入式處理終端模塊；其中:無磁效應(yīng)恒溫控制器控制銫光譜燈及銫樣品吸收泡處于恒溫蒸汽狀態(tài)，射頻源激勵銫光譜燈發(fā)光，由光學(xué)部件變換成左旋圓偏振光照射物理系統(tǒng)中的銫樣品吸收泡，透過凸透鏡聚焦在光電探測器上；磁阻傳感器測磁模塊輔助測量該裝置所處點的地磁場值并判斷其磁場強度范圍，通過嵌入式處理終端模塊分波段控制自激振蕩模塊中的參數(shù)，使其處于穩(wěn)定自激振蕩狀態(tài)并輸出拉莫爾頻率信號；由拉莫爾信號測量模塊與北斗/GPS定位模塊及嵌入式處理終端模塊共同測量，并精確計算該裝置所處地理位置的地磁場值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，其特征在于:采用磁阻傳感器測磁模塊輔助測量銫光泵弱磁檢測裝置所在地理位置的地磁場強度值，判斷所處位置的磁場強度范圍，根據(jù)測量的磁場強度通過嵌入式處理器將裝置量程14292nT至100041nT測量范圍分4段，將自激振蕩模塊所對應(yīng)的工作頻率范圍50ΚΗζ至350ΚΗζ分為4個波段， 其波段覆蓋系數(shù)由未分段前的7減至分為4個分波段后的1.63，分波段縮小了每個波段待測地磁場的覆蓋范圍，以提高自激振蕩模塊的精度及穩(wěn)定性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，其特征在于:所述的自激振蕩模塊由光電探測器、低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大與分波段無源帶通濾波器、數(shù)控有源移相器、放大器與數(shù)控衰減器及緩沖放大器組成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量裝置所處點的地磁場值的強度范圍，分段控制無源帶通濾波器的通頻帶、數(shù)控有源移相器的移相量及數(shù)控衰減器的衰減值，通過低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路檢測銫樣品吸收泡的光磁共振信號并經(jīng)放大和移相后激勵環(huán)繞在銫樣品吸收室的高頻線圈.構(gòu)成自激振蕩回路并輸出拉莫爾頻率信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁檢測裝置，其特征在于:自激振蕩模塊中的光電探測器和低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路由峰值波長為900nm的大面積光電二極管與超低噪聲場效應(yīng)管構(gòu)成，采取電路熱隔離措施，減少熱噪聲的影響，根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量裝置所處點的地磁場值，由嵌入式處理終端模塊分4個波段選擇無源帶通濾波器的通頻帶抑制帶外噪聲。`
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:所述的數(shù)控有源移相器由高速模擬開關(guān)與變?nèi)荻O管及運算放大器構(gòu)成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，選擇控制高速模擬開關(guān)切換不同的移相網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，得到滿足自激振蕩相位條件的精確移相值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:所述數(shù)控衰減器由高速寬帶衰減器構(gòu)成，嵌入式處理終端模塊根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，輸出對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字量控制自激振蕩模塊中數(shù)控衰減器的衰減量，其最小步進(jìn)衰減量為0.5dB，實現(xiàn)幅度補償并調(diào)整回路的幅頻特性，得到滿足自激振蕩振幅條件的放大器增益值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:所述的射頻源激勵環(huán)繞在銫光譜燈上的高頻線圈，使銫光譜燈發(fā)光，光電傳感器檢測銫光譜燈的亮度大小，并通過負(fù)反饋方式由狀態(tài)與電流控制、功率反饋與輸出設(shè)置控制射頻源的工作狀態(tài)與電流值，使射頻源輸出的射頻功率穩(wěn)定，嵌入式處理終端模塊監(jiān)測射頻輸出功率，在開機(jī)瞬間控制射頻源于大功率輸出狀態(tài)，銫光譜燈起輝后轉(zhuǎn)入負(fù)反饋穩(wěn)定工作狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:無磁效應(yīng)恒溫控制器由嵌入式處理終端模塊合成正弦波，采樣數(shù)字溫度傳感器檢測銫光譜燈和銫樣品吸收泡的加熱溫度、通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器壓控放大器增益，調(diào)節(jié)采用無磁線雙線并繞在銫光譜燈和銫樣品吸收泡上的加熱線的交流功率值，使它們的溫度保持恒定并處于氣化狀態(tài)；在開機(jī)瞬間控制交流功率值于大功率加熱狀態(tài)，以減少預(yù)熱時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:拉莫爾信號測量模塊參考時鐘由高穩(wěn)恒溫晶振經(jīng)X20倍頻獲得，自激振蕩模塊輸出的拉莫爾信號經(jīng)濾波與整形后，由采用測頻法的第一頻率測量模塊粗測，嵌入式處理終端模塊對該頻率值的百位以上進(jìn)行截尾處理并計算出頻率控制字送DDS模塊，DDS模塊產(chǎn)生正弦信號與原被測信號混頻得到頻差信號，經(jīng)低通濾波與整形后，再由采用測周法的第二頻率測量模塊精確測量得到實際頻差，該頻差與第一頻率測量模塊的百位以上頻率值相加，得到高精度的拉莫爾頻率值，通過嵌入式處理終端模塊計算得出對應(yīng)磁場強度值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:北斗/GPS定位模塊采用兩種模式定位有利于提高定位精度，降低了一種模式衛(wèi)星信號波動時的影響；在測量地磁場時，默認(rèn)采用GPS衛(wèi)星定位信號，顯示出裝置所處點的地理坐標(biāo)，獲得完整的地磁場信息；但遇到通過添加干擾信號使GPS定位信息失靈的緊急情況時，切換至北斗定位系統(tǒng)，保證了銫光泵弱磁測量裝置定位信息的可靠性。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化的銫光泵弱磁測量裝置，其特征在于:嵌入式處理終端模塊采用ARM處理器，它根據(jù)磁阻傳感器測磁模塊輔助測量的地磁場值，分波段控制自激振蕩模塊中的相關(guān)參數(shù)，負(fù)責(zé)對測量點的地理坐標(biāo)和地磁場測量值的存儲和處理，監(jiān)測恒溫室溫度及瞬間大功率加熱起動和射頻輸出功率值及瞬間射頻大功率起動，通信與顯示終端方便地磁場測量信息的觀·測與傳遞。
【文檔編號】G01V3/40GK103852737SQ201410093721
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】陳永泰, 彭俊杰, 馮芒, 陳亮, 唐靜, 程龍, 臧濱, 黃楊, 孫長景 申請人:武漢理工大學(xué)