氦光泵磁敏傳感器共振信號模擬裝置設計

曾繁彬，周志堅，程德福

(吉林大學，地球信息探測儀器教育部重點實驗室，儀器科學與電氣工程學院，吉林長春 130026)

0 引言

氦光泵磁敏傳感器［1］是以氦原子的能級在外磁場中產(chǎn)生塞曼效應為基礎(chǔ)，利用光泵和磁共振作用研制而成的高靈敏度磁測設備，目前已廣泛應用于地球物理勘探、軍事國防、生物醫(yī)學等領(lǐng)域［2－3］。氦光泵磁敏傳感器對于整機的調(diào)試十分關(guān)鍵，其產(chǎn)生的磁共振信號直接影響儀器指標和檢測系統(tǒng)的可行性驗證，進一步影響研制周期。

然而，氦光泵磁敏傳感器對于制作工藝的要求較高，其工作效果對環(huán)境因素的要求也很嚴格，在驗證檢測系統(tǒng)的性能時，如果傳感器本身效果不佳，則難以判斷問題出于哪個環(huán)節(jié)，影響測試進度，如果重新制作傳感器，將會延長研制周期。為解決上述問題，利用數(shù)字化技術(shù)設計了一種基于FPGA和ARM的磁共振信號模擬裝置，不僅能夠模擬氦光泵磁敏傳感器的功能、產(chǎn)生磁共振信號，還可以根據(jù)檢測系統(tǒng)的反饋對磁共振頻率進行相應調(diào)節(jié)。由于該裝置不依賴工作環(huán)境，對制作工藝要求不高，其可靠性增加，為檢測系統(tǒng)的功能測試提供了可靠保證。

1 氦光泵磁共振信號分析

1.1 氦光泵磁敏傳感器的結(jié)構(gòu)

氦光泵磁敏傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括氦燈、2個透鏡、偏振片、λ/4波片、吸收室、亥姆霍茲線圈、光電轉(zhuǎn)換器等［4］。利用高頻激勵點亮氦燈，在發(fā)生磁共振作用時，透過吸收室的光最弱，通過光電轉(zhuǎn)換電路得知其強弱程度，透過吸收室的光最弱時的射頻場頻率f就是磁共振頻率，由公式(1)可計算磁場值。

式中:H0為被測磁場;γ為氦原子旋磁比，是物理常量。

盡管傳感器內(nèi)部存在光學系統(tǒng)，但其本質(zhì)是對磁共振頻率的測量，這就為模擬裝置的設計提供了理論依據(jù)。

1.2 氦光泵磁共振信號模型

如圖1所示，在射頻場H1cos2πft的作用下，光泵磁力儀的磁共振信號S與射頻場頻率f的關(guān)系為［5］:

式中:γ為氦原子的旋磁比;τ1為縱向馳豫時間;τ2為橫向馳豫時間;S0為初始狀態(tài)信號強度;H1為射頻場。

圖1 氦光泵磁敏傳感器組成結(jié)構(gòu)

圖2是磁共振曲線的數(shù)學模型，為洛倫茲線型，曲線的最低點為磁共振點，對應的頻率值f0為磁共振頻率。

圖2 磁共振曲線數(shù)學模型(洛倫茲線型)

可見，曲線在磁共振點處左右對稱，同時定義左右拐點處的距離為共振線寬，即ΔH=f2－f1，而共振線寬不僅與傳感器的物理機制有關(guān)，還與所加的射頻場幅度有關(guān)，所以需要合理放大射頻信號［6］。

1.3 調(diào)頻法磁共振檢測原理

為了實現(xiàn)對磁場的跟蹤測量，需要將射頻場頻率f鎖定在磁共振頻率f0處。設計基于FPGA的數(shù)字調(diào)頻器，可以實現(xiàn)對氦光泵磁敏傳感器的頻率校正，使磁共振作用不斷發(fā)生。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是基于采樣定理，通過相位累加輸出波形，改變相位增量調(diào)整輸出頻率的技術(shù)［7－8］，利用DDS輸出的方波頻率為:

式中:M為頻率控制字;N為數(shù)據(jù)總位數(shù);fs為采樣頻率;fo為輸出頻率。

由式(3)可知，通過改變頻率控制字M的值，即可實現(xiàn)調(diào)頻功能，原理如圖3所示?；鶞孰妷篟EF為低電平時頻率控制字從FTW1開始以頻率控制字變化量DFW(Delta Frequency Word)線性遞增到FTW2，高電平時再遞減為FTW1，以此形成按三角波規(guī)律變化的頻率控制字，作為頻率合成器的輸入，而輸出信號就是按調(diào)頻規(guī)律進行疏密變化的方波［9］，即圖3中的FSK信號?？梢?，利用調(diào)頻法可以使射頻場頻率f始終等于磁共振頻率f0，而確定磁共振作用是否發(fā)生，需要對光敏輸出信號的特征進行分析。

1.4 光敏輸出信號特征

對圖2的磁共振信號模型取一階微分，得到基波信號的幅度曲線，如圖4所示。事實上，光敏器件接收到的其他各次諧波作為無用信號被抑制，系統(tǒng)只利用了一次諧波信號。

由圖4可知，基波信號呈對稱狀分布;在共振區(qū)外部，基波信號幅值很小，趨近于零;在共振區(qū)內(nèi)部，基波信號幅值變化明顯，有2個對稱的峰值點，分別位于圖2共振曲線的正、負斜率最大處;而共振點位置的基波信號幅值為零［10］。利用光敏信號的這些特征，可以實現(xiàn)對磁共振頻率f0的檢測。

圖3 數(shù)字調(diào)頻原理

圖4 基波信號的幅度曲線

2 磁共振信號模擬裝置設計

磁共振信號模擬裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，包括放大整形電路、FPGA、ARM、低通濾波和加法電路。

放大整形電路先對檢測系統(tǒng)輸出的調(diào)頻信號進行處理，再輸入到FPGA中，通過調(diào)制域測頻技術(shù)實現(xiàn)對動態(tài)調(diào)頻信號的頻率測量。FPGA產(chǎn)生磁共振信號的數(shù)學模型，根據(jù)計算的頻率值調(diào)整磁共振頻率，同時利用SPI接口與ARM通信，將共振曲線顯示在液晶屏上。為了模擬真實的傳感器輸出信號，包括直流量和交流量，濾波電路分兩路進行低通濾波，再經(jīng)過加法合成，即可輸出標準的磁共振信號。

圖5 磁共振信號模擬裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 調(diào)頻信號放大整形電路

檢測系統(tǒng)輸出的調(diào)頻信號幅值較小，需要經(jīng)過放大整形處理。射頻信號載波頻率高、變化速度快，使用反相器HEF4069，同時外接電阻構(gòu)成放大器，可以實現(xiàn)對動態(tài)輸出信號的檢測，放大整形電路如圖6所示。

圖6 放大整形電路

2.2 基于FPGA的調(diào)制域測頻器設計

調(diào)頻信號經(jīng)過放大整形電路后輸送到亥姆霍茲線圈，進而調(diào)整射頻場頻率。為了使模擬裝置簡單化、小型化，利用基于FPGA的測頻技術(shù)取代亥姆霍茲線圈。

數(shù)字調(diào)頻信號的頻率是動態(tài)變化的，普通計數(shù)器難以實現(xiàn)測量，為此引入調(diào)制域測頻技術(shù)，它利用采樣的方法［11］，能夠表現(xiàn)出信號在短時間內(nèi)的頻率變化情況。圖7為調(diào)制域測頻時序圖，fx表示被測頻率，fo是基準時鐘頻率，對fx和fo計數(shù)的是ZDT零空載時間計數(shù)器［12］。在fx上升沿到來時產(chǎn)生觸發(fā)信號，觸發(fā)后進行內(nèi)插和計數(shù)值的采樣，獲取計數(shù)器的數(shù)值和上升沿所對應的確切時刻tn，對于tn時刻，有

則被測頻率fx在第n個采樣點的頻率fn的值可表達為:

由于τn難以測量，可使用游標內(nèi)插法［13］，它模仿了游標卡尺的測量原理，時標fo計數(shù)鏈對應卡尺的主體，信號fx對應卡尺的游標，其頻率略低于fo，觸發(fā)信號到來時，fx比fo超前的時間為τn，τn越來越小，fx將逐漸追上fo并使得兩者的相位一致，最終得到fn的表達式為:

調(diào)制域測頻技術(shù)采用了ZDT零空載時間計數(shù)器，可以動態(tài)地讀出數(shù)據(jù)、無需復位，消除了普通計數(shù)器的空載時間，具備很高的測量速度。根據(jù)設定的參考時鐘基準頻率，利用被測信號與參考時鐘上升沿個數(shù)的比例關(guān)系計算出被測信號的頻率。

圖7 調(diào)制域測頻時序圖

2.3 磁共振信號模型的實現(xiàn)

按照氦光泵磁敏傳感器的功能與原理，F(xiàn)PGA不僅要實時地對檢測電路的輸出信號進行測頻，還要根據(jù)磁共振信號的數(shù)學模型式(2)產(chǎn)生模擬信號。依據(jù)調(diào)頻法磁共振的檢測原理可知，磁共振信號的共振頻率等于射頻場頻率時，發(fā)生磁共振作用，所以式(2)的f由調(diào)制域測頻方法實時測量。其他系數(shù)均可依據(jù)各自的物理意義用常數(shù)表示，通過數(shù)學描述的方式產(chǎn)生磁共振信號模型。

為了簡化硬件電路的設計、降低成本，利用FPGA的端口輸出PWM(脈沖寬度調(diào)制)波，代替D/A轉(zhuǎn)換器。為了模擬傳感器吸收室的光信號強弱變化，F(xiàn)PGA輸出兩路PWM波，一路為直流信號，另一路為交流信號。直流信號模擬光敏元件檢測到的光信號最弱時刻，即原子的去取向作用最強時刻，此時發(fā)生磁共振作用;交流信號模擬光強度的不斷變化，并且與直流信號通過加法電路合成為一路輸出，真實地模擬傳感器的輸出量。

2.4 輸出信號電路設計

FPGA產(chǎn)生的磁共振信號需要低通濾波處理，直流信號使用RC低通濾波器，交流信號的濾波電路由OP275運算放大器和外接電阻構(gòu)成。兩路信號經(jīng)過處理后，由加法電路［14］合成為一路信號，作為模擬裝置的最終輸出。

至此，氦光泵磁敏傳感器的功能均已實現(xiàn)，使用基于FPGA的調(diào)制域測頻器取代亥姆霍茲線圈，對檢測電路的頻率調(diào)制信號進行實時測頻，F(xiàn)PGA還可根據(jù)測得的頻率產(chǎn)生磁共振信號，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)光學系統(tǒng)的作用，不僅具備直流輸出，還有交流輸出，真實地模擬光信號的強弱變化。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 磁共振信號檢測實驗平臺

磁共振信號檢測的實驗平臺包括7270數(shù)字鎖相放大器，磁共振信號檢測電路等，為了評估模擬裝置的性能，實驗平臺還包括氦光泵磁敏傳感器，其共振線寬在450 nT左右，性能穩(wěn)定，可與模擬裝置進行對比實驗。

3.2 模擬裝置磁共振信號檢測

3.2.1 調(diào)制域測頻器測頻實驗

基于FPGA的調(diào)制域測頻器，其基準時鐘頻率為50 MHz，時標計數(shù)器的最大值為5 000，該測頻器可以應對每秒變化10 000次的動態(tài)頻率信號。檢測系統(tǒng)輸出的調(diào)頻信號載波頻率為1 MHz，調(diào)制深度為18 kHz，調(diào)制頻率為1 kHz。使用設計的調(diào)制域測頻器對其進行測量，實驗結(jié)果為:頻率最大值是1.017 973 MHz，頻率最小值是 0、981 974 MHz，說明該調(diào)制域測頻器可以準確獲得被測信號的頻率值。

3.2.2 磁共振信號的波形觀察實驗

將檢測電路的掃頻范圍設定在30 000～50 000nT，用氦光泵磁敏傳感器測得該地點的磁場值為42 316 nT，根據(jù)公式(1)可知，模擬裝置的磁共振頻率應設置在1.184 848 MHz.通過鎖相放大器測試磁共振信號，波形結(jié)果如圖8所示，上面的曲線是模擬裝置產(chǎn)生的帶有絕對值的磁共振信號一次諧波，下面的曲線是不帶絕對值的磁共振信號一次諧波。掃頻是從低到高，鎖相放大器的波形從右向左逐漸顯示，所以顯示的波形與圖4反相，只因橫軸左右對調(diào)，其實兩者一致。縱向的光標落在兩條曲線的峰值處，經(jīng)過計算，曲線左右峰值相等，對稱性好，峰值對應的線寬為453 nT，與氦光泵磁敏傳感器一致。可見模擬的磁共振信號符合要求。

圖8 鎖相放大器檢測到的磁共振信號波形

3.2.3 磁共振頻率鎖定實驗

磁共振頻率的鎖定由檢測系統(tǒng)的數(shù)字控制器實現(xiàn)，檢測系統(tǒng)輸出調(diào)頻信號，模擬裝置通過調(diào)制域測頻實時獲取頻率，根據(jù)數(shù)字控制器的算法構(gòu)成反饋回路，使頻率始終鎖定在磁共振點。實驗顯示，檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了鎖定，磁場值在42 315.87～42 316.16 nT之間，與設定的磁場值吻合，最大波動范圍小于0.3 nT，已十分接近氦光泵磁敏傳感器在磁屏蔽環(huán)境下的最大波動范圍0.1 nT。造成波動的原因包括模擬裝置的測頻誤差、檢測系統(tǒng)本身的算法、電路噪聲等。如果檢測系統(tǒng)不合格，會導致無法鎖定、磁場值誤差大等問題，因此，0.3 nT的波動范圍是非常小的，完全可以滿足需要。

4 結(jié)束語

文中提出了氦光泵磁敏傳感器共振信號模擬裝置的設計方法，使用調(diào)制域測頻技術(shù)取代了亥姆霍茲線圈，用軟件方法產(chǎn)生磁共振信號，模擬光學系統(tǒng)的功能，以PWM技術(shù)代替D/A轉(zhuǎn)換器，簡化硬件。該裝置不僅具備氦光泵磁敏傳感器的功能，而且不受工作環(huán)境的限制，不必在屏蔽室環(huán)境下驗證檢測系統(tǒng)，此外，該裝置還可以根據(jù)實驗需要自行設置磁共振頻率，用來模擬不同的磁場環(huán)境，同時避免了制作成本問題和光敏元件的噪聲問題，可以精確地反映光泵檢測系統(tǒng)的性能，具有良好的應用前景。

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