本實(shí)用新型涉及磁力探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光泵磁力儀磁梯度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中多為光泵磁總場(chǎng)探測(cè)方法，該方法受背景場(chǎng)干擾較大，且光泵磁測(cè)量程有限，當(dāng)測(cè)區(qū)磁場(chǎng)變化較大時(shí)，光泵易失鎖。隨著地質(zhì)勘探、軍事國(guó)防等領(lǐng)域?qū)Υ盘綔y(cè)的精度、速度、穩(wěn)定性要求的逐漸提高，現(xiàn)有的磁力探測(cè)系統(tǒng)已不能滿足要求。

磁梯度探測(cè)技術(shù)具有分辨率高、不受地磁日變和磁暴干擾等影響，能有效的壓制磁背景場(chǎng)干擾，從而獲得磁異常信息，并且磁梯度探測(cè)可以清晰的分辨磁異常體的位置和邊界。

磁梯度探測(cè)需要對(duì)多個(gè)磁力儀探頭數(shù)據(jù)做差，而磁場(chǎng)梯度探測(cè)平臺(tái)通常是運(yùn)動(dòng)的，這就需要保證多通道數(shù)據(jù)采集的同步性。光泵磁力計(jì)的輸出為頻率信號(hào)，高精度的頻率采集需要使用FPGA完成，而GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)的存儲(chǔ)是在單片機(jī)上完成的，兩部分之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是時(shí)鐘是相互獨(dú)立的，需要完成兩個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)同步對(duì)準(zhǔn)。

可見(jiàn)在磁梯度測(cè)量過(guò)程中有兩個(gè)重要問(wèn)題需要解決，一個(gè)就是多探頭數(shù)據(jù)的同步采集，另一個(gè)就是探頭數(shù)據(jù)與GPS坐標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于在現(xiàn)有銫光泵磁力儀探頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)采集系統(tǒng)，構(gòu)建一套高精度、高穩(wěn)定性的磁梯度測(cè)量裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種光泵磁力儀磁梯度測(cè)量裝置，關(guān)鍵是：包括光泵磁力儀探頭、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、由FPGA及與FPGA連接的恒溫晶振組成的FPGA頻率測(cè)量電路、存儲(chǔ)顯示電路以及GPS；

光泵磁力儀探頭經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后與FPGA的信號(hào)輸入端連接；

所述存儲(chǔ)顯示電路中包括與FPGA連接的ARM單片機(jī)，以及分別與ARM單片機(jī)連接的LCD顯示屏及SD卡；

GPS分別與FPGA及ARM單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接，F(xiàn)PGA接收GPS的PPS秒脈沖信號(hào)及恒溫晶振輸出的頻率信號(hào)，ARM單片機(jī)接收GPS發(fā)送的時(shí)標(biāo)信息。

其中銫光泵磁力儀探頭為主要傳感部件，輸出當(dāng)前位置磁場(chǎng)信號(hào)。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)光泵探頭輸出信號(hào)進(jìn)行匹配整形，輸入到頻率測(cè)量電路。

頻率測(cè)量電路以FPGA為主要測(cè)量器件，使用恒溫晶振為頻率測(cè)量電路提供時(shí)鐘信號(hào)，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

存儲(chǔ)與顯示電路使用單片機(jī)為主控制元件，接收FPGA采集的磁場(chǎng)信息以及GPS時(shí)間與坐標(biāo)，采用LCD顯示器進(jìn)行顯示并利用SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)。

GPS為梯度采集系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與經(jīng)緯度坐標(biāo)。

進(jìn)一步的，所述ARM單片機(jī)是STM32。

更進(jìn)一步的，所述FPGA接收恒溫晶振的頻率信號(hào)，進(jìn)行分頻處理后將固定頻率的脈沖信號(hào)作為測(cè)頻模塊的閘門(mén)脈沖。此閘門(mén)脈沖即作為上一次測(cè)量的結(jié)束信號(hào)也是下次測(cè)量的開(kāi)啟信號(hào)。以固定閘門(mén)脈沖控制采樣時(shí)間，在保證精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)的信號(hào)輸出。

更進(jìn)一步的，所述FPGA接收到GPS的PPS秒脈沖信號(hào)作為起始脈沖，對(duì)恒溫晶振脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)量閘門(mén)時(shí)間作為結(jié)束脈沖，停止計(jì)數(shù)。FPGA將此計(jì)數(shù)值與測(cè)量頻率值一起發(fā)送到STM32單片機(jī)，可以通過(guò)此計(jì)數(shù)器值與PPS秒脈沖計(jì)算采樣完成的相對(duì)時(shí)刻。在STM32中根據(jù)記錄的相對(duì)時(shí)間和GPS時(shí)標(biāo)信息可以計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率的采集絕對(duì)時(shí)刻。利用STM32單片機(jī)對(duì)GPS的時(shí)間與坐標(biāo)信息進(jìn)行過(guò)采樣。之后以時(shí)間信息作為標(biāo)準(zhǔn)，將采集到的頻率值與坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。

更進(jìn)一步的，所述FPGA的型號(hào)是EP4CE6E22。

更進(jìn)一步的，所述光泵磁力儀探頭至少設(shè)有兩組，分別為光泵磁力儀探頭一、光泵磁力儀探頭二。

本實(shí)用新型中磁力儀探頭輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配，濾波整形之后輸入FPGA。通過(guò)FPGA采集兩路磁力儀探頭輸出的信號(hào)，以相同閘門(mén)時(shí)鐘控制信號(hào)采樣，保證兩路信號(hào)的同步。通過(guò)GPS輸出PPS信號(hào)與恒溫晶振配合的方式，對(duì)采集磁場(chǎng)信號(hào)增加時(shí)間戳獲得與經(jīng)緯度坐標(biāo)信息對(duì)齊。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了磁梯度信息的采集與記錄，重點(diǎn)解決了多通道數(shù)據(jù)的同步采集。

為更清晰的描述本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，下面對(duì)描述中使用的附圖做簡(jiǎn)要介紹。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的電路原理框圖。

圖2是基于本實(shí)用新型的同步采集時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例用于說(shuō)明本實(shí)用新型，但不用來(lái)限制本實(shí)用新型的范圍。

如圖1所示，本實(shí)施方式由光泵探頭1、光泵探頭2、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3、恒溫晶振4、FPGA芯片5、GPS6、STM32控制器7、SD卡8以及LCD顯示屏9組成。

其中光泵探頭1與光泵探頭2輸出的是拉莫爾頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3之后輸入到FPGA5中進(jìn)行頻率測(cè)量。為保證測(cè)量結(jié)果的長(zhǎng)期穩(wěn)定，選用恒溫晶振4作為FPGA5的時(shí)鐘源。同時(shí)FPGA頻率計(jì)5采集GPS6信號(hào)的PPS秒脈沖作為時(shí)標(biāo)信號(hào)。FPGA將測(cè)量計(jì)算后的頻率值經(jīng)過(guò)串口發(fā)送到STM32單片機(jī)7。STM32單片機(jī)7將接收到的頻率值與GPS位置時(shí)間信息一起封裝寫(xiě)入SD卡8進(jìn)行存儲(chǔ)。LCD顯示屏9實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前兩通道磁場(chǎng)信息，用以判斷光泵磁力儀探頭是否鎖定。

FPGA頻率計(jì)5采用數(shù)字插值的方式進(jìn)行頻率測(cè)量，對(duì)恒溫晶振4的輸出脈沖進(jìn)行分頻形成閘門(mén)脈沖信號(hào)，每個(gè)閘門(mén)脈沖即是上一次測(cè)量的結(jié)束信號(hào)，也是下一次測(cè)量的開(kāi)始信號(hào)，以此固定間隔，連續(xù)穩(wěn)定的輸出測(cè)量信息。

FPGA頻率計(jì)5以GPS6發(fā)出的PPS秒脈沖為時(shí)標(biāo)信號(hào)，在秒脈沖時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)恒溫晶振4發(fā)出的高頻脈沖進(jìn)行累加細(xì)分計(jì)時(shí)。

如圖2所示，在PPS秒脈沖到來(lái)時(shí)，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器，對(duì)恒溫晶振輸出高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)閘門(mén)信號(hào)脈沖到來(lái)時(shí)，對(duì)計(jì)數(shù)器值N進(jìn)行存儲(chǔ)。FPGA5將此N值和測(cè)量的磁場(chǎng)值一同發(fā)送給STM32單片機(jī)7進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。

STM32單片機(jī)7通過(guò)串口接收FPGA5發(fā)送的信息。同時(shí)另一串口通道以更高的采樣率接收GPS6的時(shí)間與位置信息。

STM32單片機(jī)7可以根據(jù)t＝N/f計(jì)算FPGA頻率計(jì)5測(cè)量的磁場(chǎng)值采樣結(jié)束相對(duì)于PPS秒脈沖的相對(duì)時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)采集的GPS時(shí)間戳計(jì)算結(jié)束點(diǎn)絕對(duì)時(shí)間。其中f為高頻脈沖的頻率值。

根據(jù)采集到的磁場(chǎng)值帶有的絕對(duì)時(shí)間戳在結(jié)合過(guò)采樣的GPS時(shí)間和經(jīng)緯度信息，即可將采集到的磁場(chǎng)值對(duì)應(yīng)到經(jīng)緯度坐標(biāo)。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。