一種小型數(shù)字化光泵測(cè)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

李 輝 ，胡 輝，張志通

(1.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000;2.北華航天工業(yè)學(xué)院電子系，河北 廊坊065000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)鐵礦石等資源的需求急速增長(zhǎng)，因此大規(guī)模的國(guó)土資源普查勢(shì)在必行，這就對(duì)各種物探儀器的研制和改進(jìn)提供了廣闊的市場(chǎng)前景。磁測(cè)法是利用精確測(cè)量地球磁場(chǎng)來(lái)獲得找礦信息，是一種常用的物探方法。質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是功耗大，精度相對(duì)于找礦的要求也顯得不足。超導(dǎo)磁力儀精度很高，但是需要液氮冷卻，儲(chǔ)存運(yùn)輸很不方便，尤其不適合航空磁測(cè)。光泵磁力儀是利用光泵作用和核磁共振技術(shù)制成的磁測(cè)儀器，具有精度高(至少0.1nT)、無(wú)零點(diǎn)漂移、可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空磁測(cè)、海洋磁測(cè)以及生物磁學(xué)等領(lǐng)域［1］。

目前光泵磁力儀對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量都是通過(guò)對(duì)拉莫爾頻率的跟蹤鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］。本文設(shè)計(jì)了完整的測(cè)磁系統(tǒng)，包括前端跟蹤鎖定環(huán)路，以及后端測(cè)頻、存儲(chǔ)與顯示系統(tǒng);分析了各個(gè)模塊的工作原理，并給出了具體的設(shè)計(jì)方法與電路結(jié)構(gòu)。

1 光泵測(cè)磁原理

氦光泵磁力儀是原子共振磁測(cè)儀器，共振物質(zhì)是氦氣。氦(He4)是一種惰性氣體，外殼為兩個(gè)電子。在正常情況下，氦原子沒(méi)有核矩，兩個(gè)電子自旋磁矩和軌道磁矩相互抵消，因此原子無(wú)磁性。為使氦原子產(chǎn)生磁矩，對(duì)氦進(jìn)行高頻激發(fā)，使得氦原子外層電子殼層中的電子被激發(fā)到另一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)(23S1)狀態(tài)，使得氦原子存在磁矩。當(dāng)出現(xiàn)外磁場(chǎng)時(shí)，由于原子磁矩和外磁場(chǎng)之間相互作用，處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子產(chǎn)生塞曼分裂。分裂能級(jí)間的能量差與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。而電子在分裂能級(jí)間躍遷時(shí)發(fā)射或吸收的電磁波頻率與磁次能級(jí)間的能量差成正比，由此電磁波的頻率即可測(cè)定外磁場(chǎng)［1］。

本文所研究的氦光泵磁力儀的磁敏探頭工作原理如圖1 所示。氦燈高壓受激發(fā)出1 083 nm 的泵浦光，首先經(jīng)透鏡變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)圓偏振片和四分之一片后變成圓偏振光，然后作用于吸收室中的氦氣上。氦室中的氦氣在高頻激勵(lì)振蕩器的作用下，從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，吸收來(lái)自氦燈的1 083 nm 的圓偏振光后發(fā)生躍遷，使透過(guò)氦室的光減弱。而受激原子又僅停留10－8s 之后以等概率回到23S1各次能級(jí)上。從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)取向，沒(méi)有原子再吸收Dl 線(xiàn)，此時(shí)透過(guò)氦室的光最強(qiáng)。當(dāng)氦室上加入一個(gè)交變射頻磁場(chǎng)，將產(chǎn)生塞曼效應(yīng)，由于交變磁場(chǎng)與氦室內(nèi)已取向的原子磁矩之間的相互作用，產(chǎn)生去取向，使透過(guò)氦室的光強(qiáng)隨著去取向作用增強(qiáng)而減弱。當(dāng)外加的交變磁場(chǎng)的頻率等于兩相鄰次能級(jí)之間的躍遷頻率時(shí)發(fā)生磁共振，此時(shí)去取向作用最強(qiáng)，也是透過(guò)氦室的光線(xiàn)最弱。通過(guò)測(cè)量交變磁場(chǎng)的頻率可以由式

求得被測(cè)磁場(chǎng)的大小，其中γS為旋磁比［3］。氦的旋磁比為(2. 675 198 7±0. 000 007 5)×108T－1S－1，即1 Hz 對(duì)應(yīng)0.035 684 nT。

圖1 磁敏探頭結(jié)構(gòu)圖

2 跟蹤磁測(cè)原理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外加的交變磁場(chǎng)的跟蹤測(cè)量，目前通常采用如圖2 所示的跟蹤環(huán)路。其基本的工作原理如下:本地振蕩器產(chǎn)生一個(gè)低頻本振cosΩt，一路送與相敏檢波器，另一路送至壓控振蕩器(VCO)的電壓控制端產(chǎn)生一個(gè)中心頻率f'的調(diào)頻信號(hào)，該信號(hào)即為氦室的外加交變磁場(chǎng);當(dāng)VCO 輸出的中心頻率f0小于由當(dāng)前磁場(chǎng)決定的磁共振頻率fL時(shí)，光泵探頭會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與低頻本振同頻反相的信號(hào)，與低頻本振經(jīng)過(guò)相敏檢波器產(chǎn)生直流負(fù)電壓，使反相積分器的輸出上升，進(jìn)而提升VCO 輸出的中心頻率f0;反之壓低VCO 輸出的中心頻率f0;只有當(dāng)VCO輸出的中心頻率f0恰好等于磁共振頻率fL時(shí)，光泵探頭產(chǎn)生的信號(hào)是低頻本振的二次諧波，無(wú)法通過(guò)選頻放大器，此時(shí)相敏檢波器輸出為0，積分器維持原電壓輸出，從而VCO 輸出的中心頻率f0保持不變，恰好等于fL，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)［3］。

圖2 光泵磁力儀跟蹤環(huán)路

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

跟蹤系統(tǒng)中決定跟蹤性能的模塊為選頻放大器、壓控振蕩器、相敏檢波器、積分器以及輔助捕獲電路，下面來(lái)逐一加以分析。

3.1 跟蹤環(huán)路

圖3 帶通濾波器與幅頻特性

光泵探頭的輸出需要利用帶通濾波器濾除探頭輸出信號(hào)中的雜波，選出與低頻本振頻率一致的有用信號(hào)。本系統(tǒng)采用了高Q 值的正反饋型有源帶通濾波器，電路結(jié)構(gòu)和頻率特性如圖3 所示。其中所使用的運(yùn)放為通用低功耗雙極性運(yùn)放MC4558。第1 級(jí)是普通單級(jí)濾波器，其Q 值較低;第2 級(jí)是反相器，為了提高整個(gè)電路的Q 值，用積分型低通濾波器引入一定量的正反饋，所以此電路有較好的選頻特性［4］。

在跟蹤系統(tǒng)中，壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生探頭氦室的外加交變磁場(chǎng)，當(dāng)外磁場(chǎng)變化時(shí)，探頭的諧振頻率(拉莫爾頻率)f0改變，相敏檢波器輸出的相差信號(hào)經(jīng)積分器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，提升或降低VCO的輸出基頻f'，維持f'對(duì)f0的跟蹤，形成一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)。此時(shí)后繼的處理系統(tǒng)只需高精度的測(cè)出VCO 的輸出基頻f'就可以反演外磁場(chǎng)頻率。

本跟蹤系統(tǒng)使用的VCO 為改進(jìn)型壓控振蕩器，如圖4 所示［5］。其中Cvar為壓控可變電容的極間電容，控制電壓通過(guò)改變Cvar來(lái)調(diào)整VCO 輸出信號(hào)的頻率，二者在一定范圍內(nèi)近似呈線(xiàn)性關(guān)系，能夠滿(mǎn)足跟蹤的需要。

圖4 改進(jìn)型壓控振蕩器

這種振蕩器屬于改進(jìn)型的電容三端式振蕩器，頻率覆蓋范圍寬，達(dá)到1.2 MHz ～2 MHz，頻率穩(wěn)定性也較好;同時(shí)由于輸出與反饋都取自電容，這樣對(duì)高次諧波阻抗小，濾除能力強(qiáng)，使得輸出波形質(zhì)量較好［5］。由于上述這些優(yōu)點(diǎn)，這種振蕩器在無(wú)線(xiàn)收發(fā)與電子測(cè)量?jī)x器等場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

相敏檢波可以利用二極管雙平衡變頻單元實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，成本低廉［6］。積分器為傳統(tǒng)的運(yùn)放積分電路。這里采用的運(yùn)放為AD 公司的超高精度儀用運(yùn)放OP177，能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)獲得極低的失調(diào)電壓(最大25 μV)，以及不超過(guò)2 mA 的電源電流［7］，能夠滿(mǎn)足航磁儀測(cè)量精度與低功耗要求。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前光泵磁力儀在前端一般采用基于相位的跟蹤鎖定環(huán)路來(lái)保持光泵探頭的磁共振狀態(tài)，這樣只要測(cè)量環(huán)路中VCO 的輸出基頻就可以反演出磁場(chǎng)值。因此磁力儀后端控制系統(tǒng)的任務(wù)就是實(shí)時(shí)測(cè)頻、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及前端跟蹤環(huán)路的失鎖輔助捕獲，如圖5 所示。

圖5 磁力儀控制系統(tǒng)原理圖

stm32f103vet6 是基于A(yíng)RM Cortex－M3 技術(shù)的32 bit 低功耗MCU［8］，最大主頻達(dá)到72 MHz，擁有3個(gè)12 bit 的高速ADC、2 個(gè)12 bit 的DAC 和多達(dá)112個(gè)高速I(mǎi)/O 端口，同時(shí)片上還集成了常用的I2C、USB 與SPI 接口。正是因?yàn)檫@么多豐富的資源，stm32f103vet6 能夠方便的實(shí)現(xiàn)與測(cè)頻、顯示、存儲(chǔ)以及上位機(jī)的接口，同時(shí)利用富余的端口完成前端跟蹤環(huán)路的失鎖輔助捕獲。

3.2.1 實(shí)時(shí)測(cè)頻模塊

正常情況下地磁場(chǎng)的強(qiáng)度在50 000 nT到60 000 nT 之間，轉(zhuǎn)化為拉莫爾頻率值約為1. 4 MHz 到1.6 MHz，此高頻信號(hào)使用直接測(cè)頻法測(cè)量頻率，即通過(guò)記錄一定時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)周期數(shù)來(lái)反演信號(hào)頻率?？紤]到地磁場(chǎng)正常情況下以某一定值為中心上下微弱的波動(dòng)，在磁異常時(shí)(例如附近有礦產(chǎn))地磁場(chǎng)會(huì)有一定程度的變化，通常這種變化不會(huì)太劇烈。為了能夠?qū)崟r(shí)的反映磁場(chǎng)的波動(dòng)情況，可將每次測(cè)頻時(shí)間，即計(jì)數(shù)時(shí)間間隔t 設(shè)為0.1 s。這樣0.1 s 內(nèi)的信號(hào)周期數(shù)N 乘以10 即為拉莫爾頻率值。由于計(jì)數(shù)測(cè)頻存在±1 誤差，所以拉莫爾頻率值可能存在10 Hz 的誤差。為了提高測(cè)頻精度，可以將不超過(guò)2 MHz 的待測(cè)信號(hào)經(jīng)兩級(jí)級(jí)聯(lián)的鎖相環(huán)，共64 倍頻后輸入測(cè)頻模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣等效于將計(jì)數(shù)時(shí)間間隔t 設(shè)為6.4 s，此時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)頻誤差ΔF 為0.156 Hz，相應(yīng)的理論測(cè)磁精度為0.006 nT。

由于本磁力儀的主控MCU 最大工作頻率為64 MHz，而待測(cè)信號(hào)可以達(dá)到120 MHz，所以不能直接使用主控MCU 來(lái)測(cè)頻。在此我們利用Atmel 公司的高速CPLD 芯片EPM240T100I5N 來(lái)充當(dāng)專(zhuān)門(mén)的測(cè)頻模塊，其最大工作頻率為300 MHz，能夠滿(mǎn)足待測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)測(cè)頻要求［9］。由于計(jì)數(shù)時(shí)間間隔t 的精度直接影響測(cè)頻精度，這就對(duì)CPLD的工作時(shí)鐘提出了較高的要求。由計(jì)數(shù)測(cè)頻的基本關(guān)系(此處t=0.1 s，時(shí)鐘標(biāo)稱(chēng)值10 MHz)，可以推出時(shí)鐘漂移Δf 與測(cè)頻誤差ΔF 之間的關(guān)系為

其中F 為拉莫爾頻率64 倍頻后的待測(cè)信號(hào)頻率，當(dāng)其達(dá)到10 Hz 的測(cè)頻精度，即對(duì)應(yīng)原始拉莫爾頻率0.156 Hz 的測(cè)頻精度，Δf 最小為50 Hz，即相對(duì)頻率穩(wěn)定度為5×10－6，這需要溫補(bǔ)晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)。綜合考慮了±1 誤差和時(shí)鐘漂移之后，拉莫爾頻率的理論測(cè)量精度為0.3 Hz，即對(duì)應(yīng)測(cè)磁精度為0.01 nT。

整個(gè)測(cè)頻模塊分為兩部分，一部分是計(jì)數(shù)測(cè)頻，另一部分是SPI 通信接口。計(jì)數(shù)測(cè)頻部分將0.1 s內(nèi)的32 bit 計(jì)數(shù)值由SPI 接口發(fā)送給磁力儀的主控MCU，供其反演相應(yīng)的磁場(chǎng)值。具體的模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 測(cè)頻模塊原理圖

圖中“Freq”部分為測(cè)頻計(jì)，其中Clk0 輸入有源晶振提供的25 MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)req_in 輸入待測(cè)頻率信號(hào)，F(xiàn)reqdata 是反映頻率的計(jì)數(shù)值(32 bit)，door是測(cè)頻計(jì)輸出的狀態(tài)位，高電平時(shí)完成一個(gè)測(cè)量周期，可以讀取數(shù)據(jù)，反之則是測(cè)頻計(jì)正在計(jì)數(shù)，不能讀取數(shù)據(jù)。

由于stm32f103vet6 作為主機(jī)只需讀取作為從機(jī)的CPLD 的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的傳輸只需要MISO一個(gè)引腳，SCK 為主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘，CS 為片選信號(hào)。SPI 傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8 bit 數(shù)據(jù)，而SPI 允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停，因?yàn)镾CK 時(shí)鐘線(xiàn)由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒(méi)有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)，這樣主設(shè)備通過(guò)對(duì)SCK 時(shí)鐘線(xiàn)的控制可以完成對(duì)通訊的控制［10］。

3.2.2 實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

中央控制器 stm32f103vet6 從 SPI 接口接收0.1 s 內(nèi)采集的32 bit 頻率計(jì)數(shù)值，反演出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值。顯示系統(tǒng)為240×320 的LCD 真彩屏，采用16 bit LCD 控制器ILI9320 與主機(jī)通信，支持262144 種色彩，可以以數(shù)值或曲線(xiàn)形式實(shí)時(shí)顯示磁場(chǎng)強(qiáng)度、拉莫爾頻率、采樣率等測(cè)量結(jié)果和重要參數(shù)［11］。

磁測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用SD 卡。SD 卡有SD 總線(xiàn)和SPI 總線(xiàn)兩種工作模式，其中SD 總線(xiàn)模式采用4條數(shù)據(jù)線(xiàn)并行高速傳輸數(shù)據(jù)，但是傳輸協(xié)議復(fù)雜，只有少數(shù)單片機(jī)才擁有此接口;而SPI 總線(xiàn)傳輸協(xié)議簡(jiǎn)單，雖然數(shù)據(jù)傳輸率較低，但絕大多數(shù)中高檔單片機(jī)都具備SPI 接口，因此簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本，所以本系統(tǒng)使用SPI 模式與SD 卡通信［12］。最終每次的磁測(cè)數(shù)據(jù)以FAT32 文件系統(tǒng)的形式保存在SD卡上。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程如圖7 所示。

圖7 軟件系統(tǒng)流程

3.2.3 輔助捕獲電路

類(lèi)似于鎖相環(huán)，本跟蹤環(huán)路也存在輔助捕獲問(wèn)題。當(dāng)VCO 的初始中心頻率距離探頭的諧振頻率(拉莫爾頻率)太遠(yuǎn)時(shí)，探頭輸出為近似的恒定信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)環(huán)路的自動(dòng)跟蹤，此時(shí)就需要引入輔助捕獲電路。其基本原理就是給VCO 的電壓控制端提供一個(gè)掃描電壓，逐步提升或降低VCO 的輸出基頻f'，當(dāng)f'進(jìn)入快捕帶時(shí)，就可通過(guò)環(huán)路本身的牽引作用，使跟蹤環(huán)路立即捕獲并鎖定。

目前常用的輔助捕獲電路可以分為人工手動(dòng)電調(diào)或自動(dòng)電調(diào)，手動(dòng)電調(diào)電路簡(jiǎn)單，但是需要人的判斷與操控，很不靈活方便，所以現(xiàn)代電子系統(tǒng)一般都采用自動(dòng)電調(diào)。本文利用中央控制器stm32f103vet6的富余端口來(lái)完成輔助捕獲功能。其基本思想如下:利用MCU 的ADC 實(shí)時(shí)采集探頭的輸出信號(hào)，如果在一定的采樣率下連續(xù)采集到的N 個(gè)點(diǎn)都是近似的恒定值，那么就認(rèn)為已經(jīng)失鎖;此時(shí)，MCU 控制DAC 輸出一個(gè)鋸齒狀掃描電壓，逐步提升或降低VCO 的輸出基頻;當(dāng)進(jìn)入環(huán)路快捕帶時(shí)，環(huán)路就會(huì)由于本身的牽引作用立即自動(dòng)捕獲并鎖定。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證測(cè)磁系統(tǒng)的性能，將其與目前主流的GB－4A 型氦光泵磁力儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，場(chǎng)地為空曠的操場(chǎng)，以避免建筑物鋼筋結(jié)構(gòu)的鐵磁干擾，在不同的日期，不同的時(shí)刻進(jìn)行多次實(shí)測(cè)，部分結(jié)果如表1 所示。其中T1、T2分別代表設(shè)計(jì)的光泵測(cè)磁系統(tǒng)與GB－4A 型氦光泵磁力儀的磁測(cè)值，單位nT。

表1 地磁測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 單位:nT

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)測(cè)磁精度和目前主流的GB－4A 型氦光泵磁力儀相近，約為0.01 nT，每次開(kāi)機(jī)與失鎖后的捕獲時(shí)間小于5 s，其主要優(yōu)勢(shì)在于:采用緊湊型表貼元器件、低功耗ARM 處理器和CPLD測(cè)頻模塊的組合，使得設(shè)備體積與功耗大大減小，尤其適用于無(wú)人機(jī)等空間受限的場(chǎng)合;充分利用ARM處理器的富余端口，無(wú)需額外電路實(shí)現(xiàn)了前端跟蹤鎖定環(huán)路的輔助捕獲功能，相比GB－4A 的手動(dòng)捕獲，大大提高了自動(dòng)化程度;運(yùn)用廉價(jià)的分立元件構(gòu)建VCO，進(jìn)一步降低了成本。因此本系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)航空磁測(cè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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