[发明专利]一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统

权利要求书

1.一种钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：包括光电探测器、信号预处理模块、数据采集模块、数字控制器模块以及射频驱动模块；

信号预处理模块由I/V变换、放大及滤波电路组成，信号预处理模块对光电探测器的输出的光电流信号进行I/V变换和放大滤波处理；

数据采集模块包括全差分放大器OPA1632和24位的ADS1271，全差分放大器OPA1632将信号预处理模块的输出信号由单端输入变为双端输入至ADS1271；

数字控制器模块在DSP中实现，其包括数字锁相器、数字控制器以及数字调频器，数字锁相器的输入信号为数据采集模块的AD采集信号，数字锁相器的参考信号是数字调频器产生的一对正交信号，输入信号分别与一对正交的参考信号做乘法运算之后得到混频信号，再通过低通滤波器输出同相分量I和正交分量Q，I作为数字控制器的输入信号；

数字调频器包括相位累加器和波形存储器两部分，在一个时钟周期内，K位频率控制字与N位相位累加器累加一次；相位累加器的N位加法器实现相位的累加，N位相位寄存器存储累加结果，当产生溢出时完成一个周期，即数字调频器的一个频率周期；波形存储器包括一对正交序列查找表，所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦和余弦信号幅值，在每一个时钟周期内相位累加器输出的高M位对波形存储器进行寻址，最后波形存储器输出一对正交序列，用于数字锁相器的参考信号；

数字控制器包括扫频控制模块、锁频模块和模式选择模块，数字控制器有两个模式A和B，模式A是开环控制，由扫频控制模块生成频率控制字，每隔一定时间步进一次，控制数字调频器输出一定频率范围内的信号，监测系统在此模式下可得到同相分量幅值和正交分量幅值的共振线型，用于研究磁力仪系统参数对仪器性能的影响；模式B是闭环控制，采用数字粒子群算法将同相信号幅值保持在零值以完成频率锁定，此时磁测系统处于光磁共振点，根据磁测公式直接将锁定的频率控制字计算得到磁场值，计算的磁场值经后续处理进行显示、存储；

射频驱动模块用于进行功率放大以驱动射频线圈，使其产生交变磁场以发生光磁共振作用。

2.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：光电探测器的功能是将吸收室中经过光磁共振效应的出射光信号转变为光电流信号，选用的是Thorlabs公司的PDA36A，波长响应范围从350nm到1100nm，在λ＝894.6nm波段具有较高的响应度，最大输出电流100mA，输出电压0-5V。

3.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：信号预处理模块包括运放A5、运放A6、运放A7、运放A8，运放A5的“-”输入端和输出端之间连接取样电阻R9，取样电阻R9并联滤波电容C1，运放A5的输出端经过隔直电容C2和电阻R10连接运放A6的“-”输入端，运放A6的输出端连接至运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器；工作时，光电探测器输出的光电流信号通过取样电阻R9转换为电压信号，取样电阻R9和滤波电容C1构成低通滤波器可初步地滤除高频噪声，隔直电容C2用于滤除信号的直流分量，运放A6构成反相放大器，对前级转换得到的电压信号进一步放大，放大后的信号经由运放A7和运放A8构成的四阶巴特沃斯低通滤波器，实现滤波和抗混叠。

4.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：射频驱动模块选用CMOS反相器CD4069，在其输入输出端接反馈电阻时可构成模拟放大器，反相器放大后的调频信号在电容隔直后通过电阻分压的方式驱动射频线圈产生射频磁场。

5.根据权利要求1所述的钾光泵磁力仪的光磁共振信号数字化检测系统，其特征在于：所述粒子群算法，将射频频率作为粒子，在f_min和f_max之间随机分布，这样每个粒子就代表一个该频率；之后按照一定的规律进行迭代，并设定第i代粒子表示为X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_in)，其中，n是粒子个数，测量不同频率点下的磁力仪探头输出，如果代表某频率的粒子能够取得更小值，则称该粒子更优；每个粒子迭代过程中最优的记为P_i＝(p_i1,p_i2,…p_in)，所有粒子最优值记为P_ig，同时，每个粒子给定初始化的速度，记为V_i＝(v_i1,v_i2,…v_in)，每个粒子的速度也会在每次迭代中进行更新，使粒子当前位置与历史最优进行靠近，然后把更新后的速度叠加到粒子位置上，对粒子的位置进行更新，第i代中第j个粒子更新公式为：

其中，c_1j和c_2j自我认知系数和社会认知系数，r_1j和r_2j是两个0-1范围内的随机 数，用以平衡自我认知系数和社会认知系数的权重。通过上面的迭代方式，设定的粒子保留自身迭代过程中自身最小的位置，并且能够识别所有粒子中令磁力仪探头输出二倍频信号最小的粒子然后其他粒子向该粒子靠近；经过多次迭代，最终所有的粒子将聚拢在全局最小点处，从而达到寻找全局最小点的目的，也就找到了共振点。