[发明专利]一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路

说明书

技术领域

本发明涉及磁力仪测量技术领域，具体涉及一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路。

背景技术

Overhauser磁力仪是一种在普通质子旋进磁力仪的基础上，利用基于自由基物质动态核极化效应的弱磁测量技术，其获得的拉莫尔信号要比普通质子旋进磁力仪高一个数量级。与其他磁场测量技术相比，该磁力仪具有灵敏度高、功耗低、无进向误差，无死区等特点，因此在资源勘探、航天，军事等领域得到了广泛运用。由于Overhauser磁力仪是通过测量传感器输出的拉莫尔信号的频率，然后利用磁旋比常数来计算得到当前地磁总场强度值，因此仪器的测频精度直接决定了磁场测量精度。

目前绝大多数Overhauser磁力仪采用的是传统硬件测频方案：首先将拉莫尔信号整形变为方波，然后再进行计数或计时测频。如，中国专利ZL201010147845.5公布了一种Overhauser磁力仪的设计，在该专利中采用了基于CPLD的多周期同步法来进行测频。中国专利申请CN101493529B公布了一种提高质子磁力仪测量精度的方法及电路，该专利采用了基于二进制计数器的测周法，并利用实时信号数据等级评估及处理法和器件温度系数校正法从而实现测频。中国专利申请CN103412344A公布了一种多参数测量质子磁力仪，该专利采用了由硬件电子门和计数器组成频率计来实现测频。

当采用上述文献中的方法时，测量时间越长，精度越高。但由于拉莫尔信号是呈指数衰减的，当拉莫尔信号衰减到后期，信噪比较低时，过零干扰和相位噪声通过比较器之后会产生整形错误，使得方波的波形发生畸变，从而引入新的计数误差。虽然通过滞回型比较器在零点处附近设置一个比较阀值区可以减少这种误差，且阀值区越宽，计数误差就越少，但同时也会减少测频时间，同样会降低测频精度。因此这种基于硬件的测频方案因其固有的缺陷很难实现高精度测频。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法及其电路，克服了现有硬件测频方案在拉莫尔信号衰减到后期会出现整形错误的固有缺陷，不会引入新的计数或计时误差，将Overhauser磁力仪的磁场测频精度提高到0.001Hz。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的方法，包括如下步骤：

1)对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行高精度A/D采样得到高速离散数据；

2)将步骤1)获得的高速离散数据进行FFT算法获取当前拉莫尔信号的频率粗略值；

3)在以步骤2)获得的频率粗略值为中心点的窄带范围内，采用CZT(线性调频Chirp—Z变换)算法进行局部频谱细化，获取相应频带内的频谱(频率精确值)。

按上述方案，实现该方法的提高Overhauser磁力仪拉莫尔信号测频精度的电路，包括Overhauser传感器、工作物质激励电路、调理电路、ADC转换器、FPGA、数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11、LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡，所述Overhauser传感器的输入端与工作物质激励电路连接、输出端与调理电路的输入端连接，调理电路的输出端经ADC转换器与FPGA连接，FPGA分别与数据存储器SDRAM、嵌入式控制器ARM 11以及工作物质激励电路连接，嵌入式控制器ARM 11分别与LCD显示器、键盘、USB接口及SD卡连接；所述嵌入式控制器ARM11与FPGA用于控制工作物质激励电路激励Overhauser传感器输出拉莫尔信号；所述调理电路用于对Overhauser传感器输出的拉莫尔信号进行放大和滤波。

按上述方案，所述步骤1)具体包括如下工作流程：

a、传感器工作物质激励：先进行高频激励来电子顺磁共振和电子系统能量到质子系统的转移，后进行直流脉冲激励以输出拉莫尔信号；

b、传感器工作物质激励完成后等待50ms，利用高速与高精度24-bit的ADC转换器将拉莫尔信号进行高精度快速模数转换成高速离散数据；

c、利用FPGA中的FIFO对高速离散数据进行缓存并最终存入数据存储器SDRAM；

d、当数据量达到预定值后停止数据采集，嵌入式控制器ARM11通过FPGA中的总线转换器读取数据存储器SDRAM中的离散数据。

按上述方案，所述步骤2)具体采用嵌入式控制器ARM11将离散数据进行FFT算法处理获取当前拉莫尔信号的频率粗略值f₀。