[发明专利]一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法

说明书

本发明提供了一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法，本发明采用连续方波作为预设闸门，利用两个计数器组分别对高低电平闸门下的铯光泵磁共振信号进行连续频率测量，在预设闸门的每一个高低电平闸门内，利用多平均的测量思想，设置多个小闸门，有效降低了由于光泵磁共振信号随机噪声以及电路噪声引入的触发噪声的影响，大幅度提高了测量精度和采样率，可实现地磁场范围内磁场值的高精度快速测量，有效克服了铯光泵磁共振信号传统测量方法存在测量盲区等缺陷，本方法还可以有效应用于连续正弦波或方波频率测量的场合，具有一定的可推广性。

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，具体涉及一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法。

背景技术

铯光泵磁力仪是以铯原子能级在弱磁场中的赛曼分裂为理论基础，通过光抽运效应和光磁共振技术结合研制而成的弱磁场测量仪器。铯光泵磁力仪作为一种高灵敏度、高精度的磁场测量仪器，在空间探测、地球物理勘查、地球科学研究、航空地质勘探以及地下未爆弹探测等领域发挥着重要作用。根据仪器工作原理，被测地磁场值与铯原子共振频率值成正比，因此被测行值的测量可以转换为铯原子共振信号频率的测量，另外，频率测量模块所测得的铯原子共振频率精度越高，所对应的的外界磁场值的测量也越准确，因此，铯光泵磁共振信号频率测量方法直接影响磁场测量精度。对于铯光泵磁力仪而言，其拉莫尔旋进信号频率f与地磁场值B之间的关系为：f＝3.49828×B，在地磁场20000nT到100000nT范围内，铯光泵磁力仪拉莫尔信号频率范围为70000Hz到350000Hz。由于铯光泵磁力仪拉莫尔信号连续、频率变换范围大且信号中含有随机噪声以及电路噪声，这对频率测量提出了极大的挑战，如何在高采样率情况下，实现高精度频率测量成为了提高铯光磁磁场测量精度的关键。

目前，铯光泵磁共振信号频率测量方主要有直接测频法、直接测周法、等精度测频法、锁相测频法等。直接测频法与直接测周法通常是在闸门时间内对待测信号和标准时钟信号分别计数，从而根据时间相等关系计算出被测频率，但是由于闸门时间很难保证恰好为被测信号的整数倍，因此会引入±1个被测信号周期的测量误差；由于铯光泵磁力仪磁共振信号为连续信号，因此等精度测频方法由于闸门在待测时间段内的不连续，无法将全部时段的被测信号与标准时钟信号准确计数，因此会导致频率测量的盲区，当外磁场高速动态变换时，不同频率的交界点也会产生错误的测量结果，另外在高采用率的情况下，对触发噪声较为敏感，随着采样率的增加，频率测量精度会大幅度降低；锁相测频法主要用在跟踪式光泵磁力仪中，但是其存在噪声较大、设计复杂等问题。总体来说，现有的铯光泵磁共振频率测量方法仍存在无法连续测频、测量盲区、对触发噪声敏感等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述目前现有的铯光泵磁共振频率测量方法仍存在无法连续测频、测量盲区、对触发噪声敏感的技术问题，提供一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统和方法解决上述技术缺陷。

一种用于铯光泵磁共振信号频率测量的系统，包括射频振荡器、光学系统、吸收室、光电探测器、信号调理电路、移相电路和测频单元FPGA；

射频振荡器用于激励铯灯中的铯蒸汽，产生光泵作用所需的D1线，使已取向的铯原子发生磁共振跃迁，即一取向的原子在赛曼次能级间跃迁；

光学系统中，凸透镜用于把铯灯发出的任意方向的光变成平行的光线，干涉滤光片用于过滤掉不需要的D2线，否则会极大的降低信号，偏振片用于选择纵向光或者横向光一种方向的光透过，1/4波片会使相互垂直的光产生四分之一波长的光程差，且产生的出射光为圆偏振光；

吸收室在恒温槽中，恒温槽的温度维持在一定的数值，使吸收室内的铯单质保持在气体状态；

信号调理系统用于对光电探测器检测到的光信号进行转换，将光电流信号转为电压信号，并对电信号进行放大、整形，变为可用于测频单元计数的方波信号；

测频单元FPGA用于对铯光泵磁力仪磁共振信号进行频率测量。