銫光泵磁力儀測(cè)頻方法的研究和實(shí)現(xiàn)*

卞驍煒，李醒飛*，李立，楊穎

（1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津300222）

銫光泵磁力儀測(cè)頻方法的研究和實(shí)現(xiàn)*

卞驍煒1，李醒飛1*，李立1，楊穎2

（1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津300222）

銫光泵磁力儀需要通過(guò)測(cè)量磁共振頻率換算得到被測(cè)磁場(chǎng)值。以全同步測(cè)頻方法為基礎(chǔ)，提出一種改進(jìn)的測(cè)頻方法，并進(jìn)行了誤差分析。通過(guò)判斷連續(xù)兩次測(cè)量中的被測(cè)信號(hào)周期個(gè)數(shù)是否一致對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，二者一致時(shí)進(jìn)行頻率換算，否則計(jì)數(shù)值被丟棄。通過(guò)該方法可以將最大誤差減小到原來(lái)的一半。設(shè)計(jì)了基于FPGA的測(cè)頻系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，改進(jìn)后方法的誤差明顯下降，證實(shí)了改進(jìn)方法的有效性。被測(cè)頻率換算成對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)值，改進(jìn)方法的測(cè)頻的絕對(duì)精度滿足設(shè)計(jì)要求。

磁力儀；頻率測(cè)量；全同步；FPGA；誤差

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.001

光泵磁力儀［1］是以原子能級(jí)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生塞曼效應(yīng)［2］為基礎(chǔ)，利用光泵作用和磁共振技術(shù)［3］研制而成的高靈敏度、高精度的磁測(cè)設(shè)備［4］，具有梯度容忍度大，無(wú)零點(diǎn)漂移、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的快速連續(xù)的高精度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于地球物理勘探、潛水艇探測(cè)、空間磁測(cè)［5］等領(lǐng)域。光泵磁力儀的種類(lèi)有很多，包括氦（4He）、銣（85Rb、87Rb）、銫（133Cs）、鉀（39K）和汞（Hg）光泵磁力儀。對(duì)于銫光泵磁力儀，美國(guó)和加拿大等國(guó)家很早就開(kāi)始研究，已經(jīng)有了非常成熟的產(chǎn)品，而我國(guó)還處于初步的研究階段，并沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品面世。

銫光泵磁力儀輸出的磁共振頻率fx和被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比關(guān)系，其比例常數(shù)稱為銫的旋磁比，等于3.49828 Hz/nT。通過(guò)測(cè)量磁共振頻率fx可以得到被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度H=fx/3.4858 nT［6］。

常用的測(cè)頻方法有直接測(cè)量法［7］（M法）、周期測(cè)量法［7］（T法）和等精度測(cè)量法［8-9］（M/T法）。M法是在給定的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)的頻率。這種測(cè)量方法的測(cè)量精度取決于閘門(mén)時(shí)間精度和閘門(mén)時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率相對(duì)較低時(shí)將產(chǎn)生較大誤差，所以這種方法比較適合測(cè)量頻率相對(duì)較高的信號(hào)。T法是通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)的單個(gè)周期時(shí)間得到被測(cè)信號(hào)的頻率。這種測(cè)量方法的測(cè)量精度取決于被測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的周期和基準(zhǔn)信號(hào)計(jì)時(shí)精度，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，測(cè)量精度很難保證，因此這種方法比較適合測(cè)量頻率相對(duì)較低的信號(hào)。M/T法具有以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，它通過(guò)測(cè)量被測(cè)信號(hào)數(shù)個(gè)周期的時(shí)間然后計(jì)算得到被測(cè)信號(hào)的頻率，可兼顧低頻與高頻信號(hào)，提高了測(cè)量精度。銫光泵磁力儀測(cè)頻方法［10］多采用M法和M/T法，但是不論是M法還是M/T法都存在±1的計(jì)數(shù)誤差，限制了其測(cè)量精度的進(jìn)一步提高。

為克服計(jì)數(shù)誤差，文獻(xiàn)［11-12］提出了全同步測(cè)頻方法以消除±1的計(jì)數(shù)誤差，但實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的完全同步，存在同步檢測(cè)誤差。本文基于全同步測(cè)頻法的原理，提出了改進(jìn)的方法，并對(duì)誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過(guò)比對(duì)連續(xù)兩次被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值是否相等，分情況對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理，可有效提高測(cè)頻精度。設(shè)計(jì)了基于FPGA的測(cè)頻系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)的測(cè)頻方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　全同步測(cè)頻原理

全同步測(cè)量是在等精度測(cè)頻原理下，為了消除標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的±1計(jì)數(shù)誤差而提出的。全同步狀態(tài)下，閘門(mén)信號(hào)不僅和被測(cè)信號(hào)同步，還和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步［11-12］。但實(shí)際上不能做到絕對(duì)同步，只要被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)上升沿足夠接近，時(shí)間差小于允許范圍，同步檢測(cè)電路就認(rèn)為兩者上升沿同時(shí)到來(lái)，因此其誤差與同步檢測(cè)的誤差有關(guān)［13］。假設(shè)開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的同步時(shí)間差為Δt1，關(guān)閉時(shí)同步時(shí)間差為Δt2，同步檢測(cè)的最大誤差時(shí)間為

全同步測(cè)頻的相對(duì)誤差為：

式中：f0為被測(cè)信號(hào)頻率實(shí)際值；fx為被測(cè)信號(hào)頻率測(cè)量值；t0為實(shí)際閘門(mén)時(shí)間。

全同步測(cè)頻法相對(duì)誤差的最大值為2Δt/t0。

2　全同步測(cè)頻方法的改進(jìn)

在原有的全同步測(cè)頻方法的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的方法：判斷連續(xù)兩次測(cè)量中的被測(cè)信號(hào)周期個(gè)數(shù)即被測(cè)信號(hào)的實(shí)際測(cè)量時(shí)間是否相等。若相等，取其中一次測(cè)量中的被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值作為有效值，計(jì)算出被測(cè)信號(hào)頻率；若不等，視為無(wú)效測(cè)量。

下面分成4種情況分析改進(jìn)后方法的誤差。

2.1第一次測(cè)量中，第一次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)超前Δt1，第二次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)超前Δt2

如圖1所示，Nx1、Nx2分別為第1次和第2次測(cè)量中被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值，Ns1、Ns2分別為第1次和第2次測(cè)量中被測(cè)信號(hào)的周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值。

圖1　情況1

標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)周期1/fs是可以進(jìn)行選取的，當(dāng)已知同步檢測(cè)最大時(shí)間差Δt的情況下，選取fs滿足條件1/fs＞4Δt。當(dāng)Nx2=Nx1時(shí)，必定有Ns2=Ns1，下面給出證明。

假設(shè)Ns2=Ns1+n（n為整數(shù)），由于能被同步電路檢測(cè)到同步上升沿，且同步檢測(cè)的最大時(shí)間誤差為Δt，可得：

由不等式（2）和條件1/fs＞4Δt，可得：

不等式（4）和不等式（5）均與不等式（3）矛盾，|n|≥1時(shí)不能滿足不等式（3）條件，因此n只能取0，即Ns2=Ns2。

那么可得第2次測(cè)量中第1次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)超前Δt2，第二次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)超前Δt1，由于0≤Δt1≤Δt，0≤Δt2≤Δt，則兩次測(cè)量的相對(duì)誤差均為：

而情況1未改進(jìn)前，其誤差就是單次測(cè)量誤差，相對(duì)誤差為：

式中：f0為被測(cè)信號(hào)頻率實(shí)際值；fx為被測(cè)信號(hào)頻率測(cè)量值；t0為被測(cè)信號(hào)實(shí)際計(jì)數(shù)時(shí)間即實(shí)際閘門(mén)時(shí)間（t0=Nx1/f0）；Δt為同步檢測(cè)的最大誤差時(shí)間。

2.2第一次測(cè)量中，第一次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)滯后Δt1，第二次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)滯后Δt2

如圖2所示，分析同上，則第二次測(cè)量中第一次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)滯后Δt2，第二次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)滯后Δt1，兩次測(cè)量的相對(duì)誤差均為：

而情況2未改進(jìn)前，其相對(duì)誤差為：

圖2　情況2

2.3第一次測(cè)量中，第一次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)超前Δt1，第二次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)滯后Δt2

如圖3所示，同上，當(dāng)Nx2=Nx2時(shí)，Ns2=Ns2。第2次測(cè)量中第1次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)滯后Δt2，第2次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)滯后Δt1+2Δt2，同步檢測(cè)的最大時(shí)間差為Δt，可得Δt1+2Δt2≤Δt。

那么兩次測(cè)量的相對(duì)誤差均為：

而情況三未改進(jìn)前，其相對(duì)誤差為：

圖3　情況3

2.4第一次測(cè)量中，第一次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)滯后Δt1，第二次上升沿同步時(shí)被測(cè)信號(hào)超前Δt2

如圖4所示，分析同上，第2次測(cè)量中第一次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)超前Δt2，第2次上升沿同步中被測(cè)信號(hào)超前Δt1+2Δt2，可得Δt1+2Δt2≤Δt。

那么兩次測(cè)量的相對(duì)誤差均為：

而情況4未改進(jìn)前，其相對(duì)誤差為：

圖4　情況4

由式（6）、式（8）、式（10）、式（12）可知，改進(jìn)后的全同步測(cè)頻方法的相對(duì)誤差的最大值為Δt/t0，而改進(jìn)前的相對(duì)誤差的最大值為2Δt/t0。由4種情況的誤差分析可知，對(duì)于情況1和情況2，改進(jìn)前后的誤差沒(méi)有變化，誤差均不大于Δt/t0；對(duì)于情況3和情況4，改進(jìn)后的方法將其中測(cè)量誤差大于Δt/t0的結(jié)果剔除了，從而將最大誤差控制在Δt/t0以內(nèi)。通過(guò)這種方法，可提高全同步測(cè)頻方法的精度，并將測(cè)量的最大誤差減小至原來(lái)的一半。

3　基于FPGA的測(cè)頻方法的實(shí)現(xiàn)

基于FPGA的改進(jìn)全同步測(cè)頻系統(tǒng)的單元模塊包括：放大濾波整形模塊、FPGA測(cè)量模塊、上位機(jī)模塊，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖5，其中放大濾波整形模塊將光電二級(jí)管輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換FPGA能識(shí)別的方波信號(hào)，F(xiàn)PGA測(cè)量模塊采用改進(jìn)的全同步測(cè)頻方法測(cè)量輸入的方波信號(hào)頻率，上位機(jī)模塊將通過(guò)串口接收到的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行顯示。銫光泵磁力儀的測(cè)量磁場(chǎng)的范圍是35 000 nT～70 000 nT，對(duì)應(yīng)的磁共振頻率為122.4 kHz～244.9 kHz，并且要求測(cè)量的絕對(duì)精度達(dá)到1 nT，即測(cè)頻的絕對(duì)精度要達(dá)到3.498 28 Hz。

圖5　改進(jìn)全同步頻率計(jì)系統(tǒng)框圖

3.1放大濾波整形模塊

銫光泵磁力儀中由光電二極管輸出所要測(cè)量的正弦波信號(hào)。如圖6所示，放大濾波整形模塊包括i-v前置放大電路［14］、濾波放大電路和限幅整形電路，最后輸出兼容TTL電平的方波電壓信號(hào)。i-v前置放大電路選用AD公司的AD8627，具有250fA低輸入偏置電流和低噪聲特性，能盡可能減少輸入噪聲；濾波放大電路為4階巴特沃茲帶通濾波器，中心頻率184 kHz，帶寬124 kHz；限幅整形電路采用單路施密特觸發(fā)器SN74LVC1G17。

圖6　放大濾波整形電路

3.2FPGA測(cè)量模塊

選用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV E系列的EP4CE6E22C8芯片作為核心器件實(shí)現(xiàn)測(cè)頻功能。如圖7所示，整個(gè)FPGA測(cè)量模塊主要由6個(gè)模塊構(gòu)成：同步檢測(cè)模塊、控制模塊、計(jì)數(shù)器模塊、鎖存選擇模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和串口模塊。同步檢測(cè)模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)生控制信號(hào)給控制模塊，控制模塊控制兩組四個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器模塊、鎖存選擇模塊、包括乘法器以及除法器的數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，最后計(jì)算得到被測(cè)頻率的頻率值，通過(guò)串口模塊傳輸給上位機(jī)。其中標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率fs選擇1 MHz，由外部50 MHz晶振進(jìn)行分頻得到。同步檢測(cè)模塊同步時(shí)間差的最大值Δt為2.5 ns。

圖7　FPGA測(cè)量模塊系統(tǒng)框圖

具體工作流程為，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)同時(shí)達(dá)到上升沿時(shí)，產(chǎn)生1個(gè)脈沖，控制模塊敏感這個(gè)脈沖的上升沿。第1個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，第1組2個(gè)計(jì)數(shù)器T1-1、T1-2開(kāi)始分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)鎖存第2組兩個(gè)計(jì)數(shù)器T2-1、T2-2的計(jì)數(shù)值；第2個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，第2組2個(gè)計(jì)數(shù)器T2-1、T2-2開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)鎖存第1組的2個(gè)計(jì)數(shù)器T1-1、T1-2的計(jì)數(shù)值。

每次控制模塊敏感到脈沖的上升沿，就將兩次鎖存的被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，如果相同，將第1組的兩個(gè)計(jì)數(shù)器T1-1、T1-2計(jì)數(shù)值給數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊計(jì)算出被測(cè)頻率值；如果不等，則不開(kāi)啟數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊。進(jìn)行比較后，不再鎖存T1-1、T1-2的值，但繼續(xù)鎖存T2-1、T2-2的值，下一次比較后則相反，之后反復(fù)上述過(guò)程。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在同等情況下，對(duì)改進(jìn)前后的全同步測(cè)頻方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器GFG-3015產(chǎn)生，輸入頻率范圍為122.4 kHz～244.9 kHz。將測(cè)量結(jié)果與理論值進(jìn)行比較并計(jì)算誤差。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1　改進(jìn)前方法的測(cè)試結(jié)果

表2　改進(jìn)后方法的測(cè)試結(jié)果

可以看出，改進(jìn)后的全同步測(cè)頻方法測(cè)得的頻率誤差均小于改進(jìn)前的誤差，誤差有明顯減小，但沒(méi)有減小到原來(lái)的一半。其原因?yàn)椋豪碚摲治鰰r(shí)討論的都是最大誤差，但由于改進(jìn)方法的本質(zhì)原理是剔除情況3和情況4中具有較大的誤差即大于最大誤差的一半的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于情況1和情況2，改進(jìn)前后的測(cè)量誤差一致。因而平均誤差并不能減少至原來(lái)的一半。改進(jìn)后測(cè)頻方法的測(cè)頻絕對(duì)精度滿足3.498 28 Hz的設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

本文對(duì)全同步測(cè)頻法的誤差進(jìn)行了分析并對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)判斷連續(xù)兩次測(cè)量中的被測(cè)信號(hào)周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值是否一致，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍：當(dāng)兩次測(cè)量值一致時(shí)認(rèn)為這兩次均為有效測(cè)量，取其中一次測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值，計(jì)算出被測(cè)信號(hào)頻率，否則認(rèn)為是無(wú)效測(cè)量。此改進(jìn)方法可有效剔除原本誤差大于

Δt/t0的測(cè)量結(jié)果，最大誤差為原來(lái)的一半，從而保證更高的測(cè)量精度。設(shè)計(jì)了基于FPGA的改進(jìn)的全同步測(cè)頻系統(tǒng)，與改進(jìn)前的測(cè)頻方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的全同步測(cè)頻方法誤差明顯小于改進(jìn)前，證實(shí)了改進(jìn)的測(cè)頻方法的有效性，且測(cè)頻的絕對(duì)精度滿足3.498 28 Hz的設(shè)計(jì)要求。

［1］張振宇.氦光泵磁測(cè)技術(shù)研究［D］.吉林大學(xué)，2012.

［2］李慶萌，張軍海，曾憲金，等.地磁場(chǎng)對(duì)銫原子磁力儀共振譜線的影響［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，12：1617-1620.

［3］周志堅(jiān)，程德福，王君，等.氦光泵磁力儀中磁敏傳感器的研制［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（9）：1284-1288.

［4］Alexandrov EB.Recent Progress in Optically Pumped Magnetome?ters［J］.PhysicaScripta，2003，105：27-30.

［5］連明昌，程德福，周志堅(jiān)，等.光泵磁敏傳感器中FPGA調(diào)頻器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（11）：1618-1622.

［6］楊江俊.銫光泵弱磁檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

［7］魏鐘記，劉峰，汪銘東.數(shù)字測(cè)頻方法及實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2006（4）：28-29.

［8］方易圓，鄧琛.等精度頻率計(jì)的FPGA設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，10：1-4.

［9］汪首坤，林波濤，王軍政.自適應(yīng)等精度頻率測(cè)量方法與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（2）：346-349.

［10］張謹(jǐn)，宗發(fā)保，鄒鵬毅，等.基于FPGA的銫光泵磁力儀頻率計(jì)設(shè)計(jì)［J］.海洋測(cè)繪，2015（2）：80-82.

［11］徐成，劉彥，李仁發(fā).一種全同步數(shù)宇頻率測(cè)量方法的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004，38（12）：43-46.

［12］魏西峰.全同步數(shù)宇頻率測(cè)量方法的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（12）：101-105.

［13］陳芳紅，張志文.一種全同步測(cè)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，27：7971-7978.

［14］張法業(yè)，姜明順，隋青美，等.強(qiáng)度解調(diào)的光纖光柵振動(dòng)檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感器學(xué)報(bào)，2015，28（12）：1760-1765.

卞驍煒（1991-），男，天津大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇艂鞲衅鳒y(cè)量技術(shù)，errolbxw@163.com；

李醒飛（1966-），男，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院副院長(zhǎng)，天津大學(xué)空間儀器與技術(shù)研究所所長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄芫軠y(cè)量技術(shù)、傳感與信息處理技術(shù)、海洋觀察與探測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)兼任中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)空間儀器分會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)精密機(jī)械分會(huì)常務(wù)理事，天津市智能精密測(cè)量技術(shù)工程中心主任，lxftju@163.com。

Research and Implementation of Frequency Measurement Method for Cesium Optically Pumped Magnetometer*

BIAN Xiaowei1，LI Xingfei1*，LI Li1，YANG Ying2
（1.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

It is necessary for cesium optically pumped magnetometer to measure magnetic resonance frequency and change it to magnetic field intensity.An improved method was proposed to reduce errors based on complete synchro?nization frequency measurement method.When the numbers of measured signal cycles in two consecutive measure?ments are the same，the count value will be used to calculate the frequency of the measured signal，or it will be dis?carded.The biggest error of the improved method is as half as the original method.A FPGA-basedfrequency mea?surement system was designed and implemented.The results of the experiment show that the improved method can effectively reduce errors and the absolute accuracy changed tomagnetic field intensity meets the design requirement.

magnetometer；complete synchronization；frequency measurement；FPGA；error

TM935；P716+.82

A

1004-1699（2016）09-1305-06

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61503283）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（青年項(xiàng)目）（15JCQNJC02400）

2016-01-20修改日期：2016-05-09