氦光泵磁敏传感器共振信号模拟装置设计

2015-05-21曾繁彬周志坚程德福

仪表技术与传感器 2015年5期

曾繁彬，周志坚，程德福

(吉林大学，地球信息探测仪器教育部重点实验室，仪器科学与电气工程学院，吉林长春 130026)

0 引言

氦光泵磁敏传感器［1］是以氦原子的能级在外磁场中产生塞曼效应为基础，利用光泵和磁共振作用研制而成的高灵敏度磁测设备，目前已广泛应用于地球物理勘探、军事国防、生物医学等领域［2－3］。氦光泵磁敏传感器对于整机的调试十分关键，其产生的磁共振信号直接影响仪器指标和检测系统的可行性验证，进一步影响研制周期。

然而，氦光泵磁敏传感器对于制作工艺的要求较高，其工作效果对环境因素的要求也很严格，在验证检测系统的性能时，如果传感器本身效果不佳，则难以判断问题出于哪个环节，影响测试进度，如果重新制作传感器，将会延长研制周期。为解决上述问题，利用数字化技术设计了一种基于FPGA和ARM的磁共振信号模拟装置，不仅能够模拟氦光泵磁敏传感器的功能、产生磁共振信号，还可以根据检测系统的反馈对磁共振频率进行相应调节。由于该装置不依赖工作环境，对制作工艺要求不高，其可靠性增加，为检测系统的功能测试提供了可靠保证。

1 氦光泵磁共振信号分析

1.1 氦光泵磁敏传感器的结构

氦光泵磁敏传感器的组成结构如图1所示，包括氦灯、2个透镜、偏振片、λ/4波片、吸收室、亥姆霍兹线圈、光电转换器等［4］。利用高频激励点亮氦灯，在发生磁共振作用时，透过吸收室的光最弱，通过光电转换电路得知其强弱程度，透过吸收室的光最弱时的射频场频率f就是磁共振频率，由公式(1)可计算磁场值。

式中:H0为被测磁场;γ为氦原子旋磁比，是物理常量。

尽管传感器内部存在光学系统，但其本质是对磁共振频率的测量，这就为模拟装置的设计提供了理论依据。

1.2 氦光泵磁共振信号模型

如图1所示，在射频场H1cos2πft的作用下，光泵磁力仪的磁共振信号S与射频场频率f的关系为［5］:

式中:γ为氦原子的旋磁比;τ1为纵向驰豫时间;τ2为横向驰豫时间;S0为初始状态信号强度;H1为射频场。

图1 氦光泵磁敏传感器组成结构

图2是磁共振曲线的数学模型，为洛伦兹线型，曲线的最低点为磁共振点，对应的频率值f0为磁共振频率。

图2 磁共振曲线数学模型(洛伦兹线型)

可见，曲线在磁共振点处左右对称，同时定义左右拐点处的距离为共振线宽，即ΔH=f2－f1，而共振线宽不仅与传感器的物理机制有关，还与所加的射频场幅度有关，所以需要合理放大射频信号［6］。

1.3 调频法磁共振检测原理

为了实现对磁场的跟踪测量，需要将射频场频率f锁定在磁共振频率f0处。设计基于FPGA的数字调频器，可以实现对氦光泵磁敏传感器的频率校正，使磁共振作用不断发生。直接数字频率合成(DDS)是基于采样定理，通过相位累加输出波形，改变相位增量调整输出频率的技术［7－8］，利用DDS输出的方波频率为:

式中:M为频率控制字;N为数据总位数;fs为采样频率;fo为输出频率。

由式(3)可知，通过改变频率控制字M的值，即可实现调频功能，原理如图3所示。基准电压REF为低电平时频率控制字从FTW1开始以频率控制字变化量DFW(Delta Frequency Word)线性递增到FTW2，高电平时再递减为FTW1，以此形成按三角波规律变化的频率控制字，作为频率合成器的输入，而输出信号就是按调频规律进行疏密变化的方波［9］，即图3中的FSK信号。可见，利用调频法可以使射频场频率f始终等于磁共振频率f0，而确定磁共振作用是否发生，需要对光敏输出信号的特征进行分析。

1.4 光敏输出信号特征

对图2的磁共振信号模型取一阶微分，得到基波信号的幅度曲线，如图4所示。事实上，光敏器件接收到的其他各次谐波作为无用信号被抑制，系统只利用了一次谐波信号。

由图4可知，基波信号呈对称状分布;在共振区外部，基波信号幅值很小，趋近于零;在共振区内部，基波信号幅值变化明显，有2个对称的峰值点，分别位于图2共振曲线的正、负斜率最大处;而共振点位置的基波信号幅值为零［10］。利用光敏信号的这些特征，可以实现对磁共振频率f0的检测。

图3 数字调频原理

图4 基波信号的幅度曲线

2 磁共振信号模拟装置设计

磁共振信号模拟装置的结构框图如图5所示，包括放大整形电路、FPGA、ARM、低通滤波和加法电路。

放大整形电路先对检测系统输出的调频信号进行处理，再输入到FPGA中，通过调制域测频技术实现对动态调频信号的频率测量。FPGA产生磁共振信号的数学模型，根据计算的频率值调整磁共振频率，同时利用SPI接口与ARM通信，将共振曲线显示在液晶屏上。为了模拟真实的传感器输出信号，包括直流量和交流量，滤波电路分两路进行低通滤波，再经过加法合成，即可输出标准的磁共振信号。

图5 磁共振信号模拟装置结构框图

2.1 调频信号放大整形电路

检测系统输出的调频信号幅值较小，需要经过放大整形处理。射频信号载波频率高、变化速度快，使用反相器HEF4069，同时外接电阻构成放大器，可以实现对动态输出信号的检测，放大整形电路如图6所示。

图6 放大整形电路

2.2 基于FPGA的调制域测频器设计

调频信号经过放大整形电路后输送到亥姆霍兹线圈，进而调整射频场频率。为了使模拟装置简单化、小型化，利用基于FPGA的测频技术取代亥姆霍兹线圈。

数字调频信号的频率是动态变化的，普通计数器难以实现测量，为此引入调制域测频技术，它利用采样的方法［11］，能够表现出信号在短时间内的频率变化情况。图7为调制域测频时序图，fx表示被测频率，fo是基准时钟频率，对fx和fo计数的是ZDT零空载时间计数器［12］。在fx上升沿到来时产生触发信号，触发后进行内插和计数值的采样，获取计数器的数值和上升沿所对应的确切时刻tn，对于tn时刻，有

则被测频率fx在第n个采样点的频率fn的值可表达为:

由于τn难以测量，可使用游标内插法［13］，它模仿了游标卡尺的测量原理，时标fo计数链对应卡尺的主体，信号fx对应卡尺的游标，其频率略低于fo，触发信号到来时，fx比fo超前的时间为τn，τn越来越小，fx将逐渐追上fo并使得两者的相位一致，最终得到fn的表达式为:

调制域测频技术采用了ZDT零空载时间计数器，可以动态地读出数据、无需复位，消除了普通计数器的空载时间，具备很高的测量速度。根据设定的参考时钟基准频率，利用被测信号与参考时钟上升沿个数的比例关系计算出被测信号的频率。

图7 调制域测频时序图

2.3 磁共振信号模型的实现

按照氦光泵磁敏传感器的功能与原理，FPGA不仅要实时地对检测电路的输出信号进行测频，还要根据磁共振信号的数学模型式(2)产生模拟信号。依据调频法磁共振的检测原理可知，磁共振信号的共振频率等于射频场频率时，发生磁共振作用，所以式(2)的f由调制域测频方法实时测量。其他系数均可依据各自的物理意义用常数表示，通过数学描述的方式产生磁共振信号模型。

为了简化硬件电路的设计、降低成本，利用FPGA的端口输出PWM(脉冲宽度调制)波，代替D/A转换器。为了模拟传感器吸收室的光信号强弱变化，FPGA输出两路PWM波，一路为直流信号，另一路为交流信号。直流信号模拟光敏元件检测到的光信号最弱时刻，即原子的去取向作用最强时刻，此时发生磁共振作用;交流信号模拟光强度的不断变化，并且与直流信号通过加法电路合成为一路输出，真实地模拟传感器的输出量。

2.4 输出信号电路设计

FPGA产生的磁共振信号需要低通滤波处理，直流信号使用RC低通滤波器，交流信号的滤波电路由OP275运算放大器和外接电阻构成。两路信号经过处理后，由加法电路［14］合成为一路信号，作为模拟装置的最终输出。

至此，氦光泵磁敏传感器的功能均已实现，使用基于FPGA的调制域测频器取代亥姆霍兹线圈，对检测电路的频率调制信号进行实时测频，FPGA还可根据测得的频率产生磁共振信号，通过软件程序实现光学系统的作用，不仅具备直流输出，还有交流输出，真实地模拟光信号的强弱变化。

3 实验结果与分析

3.1 磁共振信号检测实验平台

磁共振信号检测的实验平台包括7270数字锁相放大器，磁共振信号检测电路等，为了评估模拟装置的性能，实验平台还包括氦光泵磁敏传感器，其共振线宽在450 nT左右，性能稳定，可与模拟装置进行对比实验。

3.2 模拟装置磁共振信号检测

3.2.1 调制域测频器测频实验

基于FPGA的调制域测频器，其基准时钟频率为50 MHz，时标计数器的最大值为5 000，该测频器可以应对每秒变化10 000次的动态频率信号。检测系统输出的调频信号载波频率为1 MHz，调制深度为18 kHz，调制频率为1 kHz。使用设计的调制域测频器对其进行测量，实验结果为:频率最大值是1.017 973 MHz，频率最小值是 0、981 974 MHz，说明该调制域测频器可以准确获得被测信号的频率值。

3.2.2 磁共振信号的波形观察实验

将检测电路的扫频范围设定在30 000～50 000nT，用氦光泵磁敏传感器测得该地点的磁场值为42 316 nT，根据公式(1)可知，模拟装置的磁共振频率应设置在1.184 848 MHz.通过锁相放大器测试磁共振信号，波形结果如图8所示，上面的曲线是模拟装置产生的带有绝对值的磁共振信号一次谐波，下面的曲线是不带绝对值的磁共振信号一次谐波。扫频是从低到高，锁相放大器的波形从右向左逐渐显示，所以显示的波形与图4反相，只因横轴左右对调，其实两者一致。纵向的光标落在两条曲线的峰值处，经过计算，曲线左右峰值相等，对称性好，峰值对应的线宽为453 nT，与氦光泵磁敏传感器一致。可见模拟的磁共振信号符合要求。

图8 锁相放大器检测到的磁共振信号波形

3.2.3 磁共振频率锁定实验

磁共振频率的锁定由检测系统的数字控制器实现，检测系统输出调频信号，模拟装置通过调制域测频实时获取频率，根据数字控制器的算法构成反馈回路，使频率始终锁定在磁共振点。实验显示，检测系统实现了锁定，磁场值在42 315.87～42 316.16 nT之间，与设定的磁场值吻合，最大波动范围小于0.3 nT，已十分接近氦光泵磁敏传感器在磁屏蔽环境下的最大波动范围0.1 nT。造成波动的原因包括模拟装置的测频误差、检测系统本身的算法、电路噪声等。如果检测系统不合格，会导致无法锁定、磁场值误差大等问题，因此，0.3 nT的波动范围是非常小的，完全可以满足需要。

4 结束语

文中提出了氦光泵磁敏传感器共振信号模拟装置的设计方法，使用调制域测频技术取代了亥姆霍兹线圈，用软件方法产生磁共振信号，模拟光学系统的功能，以PWM技术代替D/A转换器，简化硬件。该装置不仅具备氦光泵磁敏传感器的功能，而且不受工作环境的限制，不必在屏蔽室环境下验证检测系统，此外，该装置还可以根据实验需要自行设置磁共振频率，用来模拟不同的磁场环境，同时避免了制作成本问题和光敏元件的噪声问题，可以精确地反映光泵检测系统的性能，具有良好的应用前景。

［1］周志坚，程德福，王群，等.氦光泵磁力仪中磁敏传感器的研制.传感技术学报，2009，22(9):1284 －1288.

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