[发明专利]一种提高铯光泵磁共振信号测频精度和速度的方法和电路

说明书

本发明公开了一种提高铯光泵磁共振信号测频精度和速度的方法，包括以下步骤：(1)将铯光泵磁敏传感器输出的铯光泵磁共振信号经过调理和整形转换为待测信号；(2)把时基信号以及步骤(1)的待测信号分别送入FPGA数字测频模块中，所述FPGA数字测频模块通过定闸门无间歇测频对时基信号和待测信号进行处理；(3)由控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，对步骤(2)处理后的数据进行频率计算，得到铯光泵磁共振信号的频率。本发明还包括一种提高铯光泵磁共振信号测频精度和速度的电路。本发明利用定闸门测频的原理，采取“无间歇测频”和“剔除频率交界点”的方式，极大程度上提高了磁力仪的测频精度和速度，保证了测量精度的稳定性。

技术领域

本发明涉及地球弱磁场测量技术领域，特别是涉及一种提高铯光泵磁共振信号测频精度和速度的方法和电路。

背景技术

光泵磁力仪因分辨率高、无零点漂移、不须严格定向、能在运动条件下进行高精度快速连续测量等优点，成为了航空磁测和水下磁测最重要的测量手段，主要应用在地球物理勘探、军事磁探潜、矿藏探测等方面。

铯光泵磁力仪是以铯原子在弱磁场中的塞曼分裂为理论基础，通过光抽运效应和光磁共振技术研制而成的弱磁场测量仪器。铯原子在外磁场的作用下产生塞曼能级分裂，分裂后的原子量相邻子能级间的能量差可用塞曼跃迁频率来表示，即磁共振频率。磁共振频率f_x和被测地磁场强度成正比例关系，其比例常数称为铯的旋磁比，等于3.49828Hz/nT。通过测量磁共振频率f_x可以得到被测磁场强度H＝f_x/3.49828nT。因此其测频精度直接决定了地磁场的测量精度。在10000nT～100000nT的地磁场量程范围，磁共振频率为35KHz～350KHz。

由于光泵磁力仪的军事价值高，发达国家对高采样率、高精度的光泵磁力仪是限制出口的，因此研制具有自主知识产权的高灵敏度的光泵磁力仪具有重要的意义。如何进一步提高系统的测频精度和速度是现有光泵磁力仪亟需解决的关键问题。

目前，通常采用直接测频法(M法)和直接测周法(T法)结合起来对铯光泵磁共振频率进行测量，或基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的等精度测频法提高铯光泵磁力仪磁共振信号测频精度，或利用锁相测频法进行铯光泵磁共振信号的测量。

但，第一种方法存在±1的计数误差，同时其辅助电路的噪声尖峰也可能会导致技术错误；第二种方法由于测量的闸门时间是不连续的，会存在频率测量的盲区，而且它在动态测量及强噪声背景下的稳定性较差；第三种方法存在噪声较大、采样率不够高等问题，影响测频精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种提高铯光泵磁敏传感器磁共振信号测频精度和速度的方法和电路。

本发明的实施例提供一种提高铯光泵磁共振信号测频精度和速度的方法，包括以下步骤：

(1)将铯光泵磁敏传感器输出的铯光泵磁共振信号经过调理和整形转换为待测信号；

(2)把时基信号以及步骤(1)的待测信号分别送入FPGA数字测频模块中，所述FPGA数字测频模块通过定闸门无间歇测频对时基信号和待测信号进行处理；

(3)由控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，对步骤(2)处理后的数据进行频率计算，得到铯光泵磁共振信号的频率。

进一步，所述步骤(1)中，铯光泵磁敏传感器通过高频激励电路的激励使铯原子产生能级跃迁，并使得铯单质产生光泵效应，所述铯光泵磁敏传感器中的光强不变时，所述铯光泵磁敏传感器中的射频线圈在垂直于高频激励电路产生的磁场方向加一个射频磁场，所述射频磁场的频率等于铯原子能级跃迁的频率时，所述铯光泵磁敏传感器输出铯光泵磁共振信号。