JOM-1型Overhauser磁力仪研制

张 爽，何佳泷，陈曙东，王娇妮，郭 欣，李海英

(吉林大学a.电子科学与工程学院;b.物理学院，长春130012)

JOM-1型Overhauser磁力仪研制

张 爽a，何佳泷a，陈曙东a，王娇妮a，郭 欣b，李海英b

(吉林大学a.电子科学与工程学院;b.物理学院，长春130012)

为提高磁力仪的性能，给出了自主研发的JOM-1型Overhauser磁力仪的工作原理及系统硬件构成，主要介绍了射频激励电路、信号调理电路、工作时序、仪器的噪声水平及实验结果。野外测试表明该仪器实现了数据采集、显示、存储和查看等基本功能，信号的初始信噪比为96∶1，约为自主研发的JPM-1型普通质子旋进磁力仪的3倍，灵敏度可达0.14 nT。

Overhauser磁力仪;质子旋进磁力仪;灵敏度;射频激励;信号调理

0 引 言

静磁测量仪器广泛用于空间测磁［1］、海洋工程［2］、地质调查和矿产资源勘查、考古［3］、地震前兆预测等领域。标准质子磁力仪利用恒定磁场极化氢核，通常需要1 A的电流产生30 mT的极化磁场。该方法功耗大、效率低，获得的信号初始信噪比通常只有20∶1，严重影响频率测量的精度，从而很难获得0.1 nT绝对精度和0.01 nT灵敏度的指标。标准质子磁力仪通常只能达到1 nT绝对精度和0.1 nT灵敏度的指标。

国外在Overhauser磁力仪研究方面一直处于领先地位［4，5］，目前加拿大GEM Systems公司研制的GSM系列和俄罗斯乌拉尔国立技术大学量子测磁学实验室研制的POS系列已经商业化量产，并已达到0.1 nT绝对精度和0.01 nT灵敏度的指标，且在梯度容限、工作温度范围、温漂和寿命等综合指标也处于领先地位。我国针对Overhauser磁力仪的研究起步较晚，仍处于引进和消化阶段，相关研究较少，只有中国地质大学(武汉)和吉林大学有相关文献发表［6-8］。目前国内使用的Overhauser磁力仪全部依靠进口。

笔者介绍了在Overhauser磁力仪研制方面所获得的最新进展，主要包括JOM-1型Overhauser磁力仪的工作原理、设计方法和测量效果，对存在的问题也进行了分析。这些结果将有助于提高我国Overhauser磁力仪的自主研发能力，尽快实现Overhauser磁力仪的国产化。

1 工作原理

JOM-1型Overhauser磁力仪实物图如图1所示。Overhauser磁力仪是基于Overhauser效应［9-11］(动态核极化原理或电子与核双共振原理)的高精度静磁测量仪器。图2描述了氢核与未配对价电子构成的四能级耦合系统的Solomen关系［12］。射频激励使电子产生顺磁共振，通过四能级系统的Solomen关系将电子顺磁共振的能量传递给溶剂中的氢核，使氢核发生共振。共振的氢核被强烈地取向，取向一致的氢核通过驰豫过程沿外界磁场方向做拉莫尔进动，由于拉莫尔旋进的频率与外磁场成正比，通过精确测量拉莫尔旋进的频率测定环境磁感应强度。由于动态核极化的极化强度远大于外加恒定磁场极化的极化强度，因此能产生较强的共振信号，明显提高了信号的信噪比和测磁灵敏度。拉莫尔旋进信号的频率与磁感应强度的换算关系为ω =γpB0

(1)其中ω为拉莫尔进动的角频率，γp为质子的旋磁比，B0为待测磁场的磁感应强度。

图1 JOM-1型Overhauser磁力仪实物图Fig.1 JOM-1 Overhausermagnetometer

2 磁力仪设计

2．1 系统硬件构成

JOM-1型Overhauser磁力仪系统硬件框图如图3所示。

图3 JOM-1型Overhauser磁力仪系统硬件框图Fig.3 Schematic of JOM-1 Overhausermagnetometer

控制单元采用DSP(Digital Signal Processor)，探头由射频激励线圈、低频接收线圈和溶液构成。射频激励线圈采用磁共振成像中常用的鸟笼线圈，接收线圈由对称、反向串联的线圈组成，溶液为自主配制的自由基溶液。射频激励电路由信号发生器和C类功率放大电路构成，一方面可以编程控制射频激励信号的频率，实现扫频功能;另一方面采用C类功率放大，降低仪器功耗，为长时间野外测试提供了可能。有自动配谐和手动配谐两种模式可选。LCD(Liquid Crystal Display)液晶屏实时显示测量曲线，测量结束后以nT为单位显示地磁场值。仪器可通过RS-232串口与计算机通信。

2.2 射频激励

射频激励电路的框图如图4所示，射频信号源的设计选用宽频带DDS(Direct Digital Synthesizer)器件，动态范围为0～160 MHz，170 mW低功耗，0.1 Hz高频率分辨率。20 MHz有源晶振为参考时钟源。可编程控制射频信号源在65～75 MHz范围内实现扫频功能，便于通过实验寻找溶液的电子顺磁共振频率。射频功率放大电路分为两级。

第1级小信号功率放大采用集成功率放大模块，与传统的由三极管等分立元件搭建的功率放大电路相比，具有无需设置静态工作点、静态功耗低、性能稳定、容易匹配等优点。

图4 射频激励电路框图Fig.4 Schematic of RF excitation

第2级采用C类功率放大电路，只在小于激励信号的半个周期内电流导通，集电极电流的导通时间越短，消耗在放大管中的功率越小，集电极效率也越高，与传统的A类功率放大相比功耗大大降低，C类放大器效率可达60%～80%，整机功耗不超过3W。实验证明，自主配置的自由基溶液的激发频率为70 MHz，该频率在射频信号发生芯片的线性工作频率范围内，所以射频信号源输出信号畸变较小。此外，两级功率放大电路的匹配电路的选频作用，能有效抑制C类功率放大电路结构本身特性决定的高次谐波，所以只需滤除二次和三次谐波的干扰即可，为此，设计一个截止频率为110 MHz的π型LC滤波电路可得到高质量、稳定的正弦波射频激励信号。π型LC滤波电路的传输特性如图5所示，射频激励系统的输出信号如图6所示。

图5 LC滤波电路的传输特性仿真曲线Fig.5 Simulation curve of the transmissionproperties of LC filter circuit

图6 射频激励系统输出信号波形Fig.6 RF excitation system output signal waveform

2.3 前置放大

传感器采集的信号十分微弱并包含环境噪声，为便于准确计算旋进信号的频率，先通过前置放大电路将接收信号放大到伏级。前置放大电路采用仪表放大器，采用差分输入以抑制共模环境噪声。由于前置放大电路靠近信号前端，其噪声水平对信号质量的影响十分突出，因此，对前置放大电路的噪声进行建模分析十分必要。构建前置放大电路噪声模型如图7所示，并计算各噪声源在前放输出端产生的噪声［13，14］。

电压噪声ev在输出端的噪声

电流噪声in经线圈阻抗Z放大后在输出端的噪声

线圈等效串联电阻r1的电阻热噪声er1在输出端的噪声

并联匹配电阻R1的电阻热噪声eR1在输出端的噪声

前放输出端的总噪声

其中r1、R1的电阻热噪声分别为。前放输入端各噪声理论计算所得曲线及总噪声的实测曲线如图8所示。

图7 前置放大电路噪声模型Fig.7 Noisemodel of preamplifier circuit

图8 前放输入端各噪声仿真曲线及实测曲线Fig.8 Simulation and measured curve of preamplifier input noise

实验室实测的仪器本底噪声与理论计算的结果基本一致，说明模型的建立及理论计算是正确的。仪器本底噪声是nV级，电压噪声是个不随频率变化的值，匹配电阻的热噪声是仪器本底噪声的主要来源，该计算结果为探头的优化设计、系统元件参数的改进及仪器获得更好的信噪比提供了依据。

2．4 信号调理

在保证软件数频算法精度的前提下，要提高仪器的测量精度，重点在于使接收信号获得较高的信噪比。本设计中，为提高接收信号的信噪比，经前置放大电路选频放大后的输出信号须经过隔离、滤波和幅值、偏置调整后才能对其进行采样和运算，信号调理电路由缓冲电路、宽带滤波电路、窄带滤波电路和衰减电路构成，框图如图9所示。

缓冲电路由运放搭建的电压跟随器构成，由于运放的输入阻抗高，缓冲级的加入一方面可以减少信号在前级输出阻抗上的损耗，提高电路的带载能力;另一方面起到隔离作用，减小后级电路对前级电路的影响，增强电路的稳定性。第2级为宽带滤波电路，增益为50倍左右，由二阶高通滤波器和二阶低通滤波器两个滤波电路构成，宽带滤波器传输特性仿真结果和实测结果如图10所示，3 dB带宽范围为1.2～3.9 kHz，实测结果与仿真结果基本一致。第3级为窄带滤波部分，它由MAX260与阻容滤波衰减网络构成，通过编程设置中心频率、带宽、矩形系数等参数，使滤波器的特性满足要求，从而实现窄带滤波。窄带滤波带宽为80 Hz，系统的带宽主要由这级决定。最后一级为偏置衰减电路，设计的主要目的是避免输入到后级采样电路的信号过冲，并对信号进行偏置调节。

图9 信号调理电路框图Fig.9 Schematic of signal processing circuit

2.5 工作时序

JOM-1型Overhauser磁力仪1个测量周期的工作时序如图11所示，每个测量周期包括两个阶段。第1阶段为极化，控制极化电路产生稳恒电流，同时控制射频激励电路产生射频信号用于溶液激励，一段时间后，撤去稳恒电流及射频激励信号。在极化阶段中，通以稳恒电流的接收线圈中将产生稳恒磁场即偏转场。第2阶段为信号采集，撤去稳恒电流及射频激励信号后，接收线圈便可检测到拉莫尔旋进信号，利用A/D(Analog to Digital Converter)对经过前置放大、信号调理电路后的信号进行采样，采样数据自动保存在flash中并通过DSP内部软件算法计算采集信号的频率，在液晶屏上实时显示采集信号波形，采集完毕后显示以nT为单位的实测当地地磁场值。

图10 宽带滤波器传输特性仿真结果和实测结果Fig.10 Simulation and measured results of the transmission characteristics of broadband filter

图11 JOM-1型Overhauser磁力仪1个 测量周期的工作时序Fig.11 Working sequence of ameasuring cycle of JOM-1 Overhausermagnetometer

3 测量结果

JOM-1型Overhauser磁力仪与JPM-1型质子磁力仪信号分别如图12a、图12b所示，系统增益相同时，噪声水平相同，Overhauser磁力仪信噪比为96∶1，信号幅值约为质子磁力仪的3倍，信号质量优于质子磁力仪。

图12 OVM与PPM信号Fig.12 Signal of OVM and PPM

为测量仪器的稳定性、得到仪器的灵敏度，在忽略日变的情况下，短时间内连续进行测量(40次为一组)，两组实测数据如图13所示。将Overhauser磁力仪与质子磁力仪放置在相隔10m处，采样间隔均设置为10 s，连续自动采集500个点，实测数据如图14所示。其中，曲线的变化趋势即反映当地日变化。由实验结果可知，仪器的实测信号质量较高，信噪比优于普通的质子磁力仪，稳定性较好，灵敏度可以达到0.14 nT。

溶液的激发频率与溶剂的种类有关［15］，JOM-1型Overhauser磁力仪所采用的溶液的激发频率约70 MHz左右，频率宽度约800 kHz左右，如图15所示。

图13 两组OVM短时间内的实测数据Fig.13 Two groups of OVM datas in a short period of time

图14 OVM与PPM长时间实测数据对比曲线Fig.14 Measured datas of OVM and PPM in a long time

溶液的极化时间与极化率有着指数关系，极化率可用信号的初始强度表示，自主配置的自由基溶液的相对极化率实测曲线和公式拟合曲线如图16所示，极化2.5 s时，极化率可达80%，极化效率较高。通过实验研究同一激发频率下，溶液的极化度与溶液浓度之间的关系，射频激励系统产生70 MHz的激励信号，分别对探头中浓度比为0.75∶1∶1.5的自由基溶液进行激励，测量接收信号的幅值，结果为溶液浓度正常时接收信号幅值最大，浓度偏大或偏小时接收信号幅值都会减小，表明溶液的激发频率与溶液的浓度有关。

图15 信号峰值随射频激励频率变化曲线Fig.15 Signal peak value vs.RF excitation frequency

图16 OVM相对极化率实测曲线和拟合曲线Fig.16 Measured and fitting curve of OVM relative polarizability

4 结 语

JOM-1型Overhauser磁力仪实现了数据采集、显示、存储、查看等基本功能。仪器的灵敏度为0.14 nT，信号的信噪比为96∶1，与相同系统增益的普通质子旋进磁力仪相比，信号幅度约为其3倍，极化速度快，性能优于普通质子旋进磁力仪。自主配置的自由基溶液的激发频率在70 MHz左右，激发频率与溶液浓度有关，同一激发频率下，浓溶液和稀溶液的接收信号的幅度均比正常浓度的溶液小。基于DSP的软件方法进行频率测量比硬件方法精度高，并可节省硬件资源，降低功耗。

但仪器仍需要改进和完善:开放式的射频激励线圈的磁场分布使探头参数受环境变化影响大，以内部磁场为圆极化的同轴谐振腔替代现有的鸟笼线圈，可提高探头的稳定性;研究地磁场中DNP因子的影响规律，通过对弱场中DNP因子的测量和对比，不断优化传感器探头中溶液的掺杂方法，获得高DNP因子的溶液，以达到极化效率更高，共振谱线更窄，寿命更长的目的。

［1］DURET D，BONZOM J，BROCHIER M，et al.Overhauser Magnetometer for the Danish Oersted Satellite［J］.Transactions on Magnetics，1995，31(6):3197-3199.

［2］裴彦良，刘保华，张佳恩，等.磁法勘探在海洋工程中的应用［J］.海洋科学进展，2005，23(1):114-119.PEIYanliang，LIU Baohua，ZHANG Jiaen，etal.Application ofMagnetic Prospecting in Ocean Engineering［J］.Progress of Marine Science，2005，23(1):114-119.

［3］曲赞.高精度磁测考古的进展［J］.地质情报进展，1993，12(2):105-109. QU Zan. Progress of High Precision Magnetic Survey Archaeology［J］. Geological Information Progress，1993，12(2):105-109.

［4］吴天彪.我国地面重磁仪器的现状与前景［J］.地质装备，2007，8(2):11-16. WU Tianbiao.Present Situation and Prospects of Ground Gravity Magnetic Instrument in our Country［J］.Geological Equipment，2007，8(2):11-16.

［5］张昌达.量子磁力仪研究和开发近况［J］.物探与化探，2005，25(4):283-287. ZHANG Changda.Recent Research and Development of Quantum Magnetometers［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2005，25(4):283-287.

［6］谭超，董浩斌，葛自强.Overhauser磁力仪激发接收系统设计［J］.仪器仪表学报，2010，31(8):1867-1872. TAN Chao，DONG Haobin，GE Ziqiang.Design of Receiving System of Overhauser Magnetometer［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2010，31(8):1867-1872.

［7］石艳林，董浩斌.Overhauser磁力仪初步设计［J］.仪表技术与传感器，2008，18(2):18-19. SHIYanlin，DONG Haobin.Preliminary Design of Overhauser Magnetometer［J］.Instrument Technique and Sensor，2008，18(2):18-19.

［8］WANG Jiaoni，ZHOU Qianwei，ZHANG Shuang.A RF Circuit for Overhauser Magnetometer Excitation［C］∥ICICEE. Nagaoka，Japan:［s.n.］，2012:494-497.

［9］KERNEVEZ N，DURET D，MOUSSAVIM，et al，Weak Field NMR and ESR Spectrometers and Magnetometers［J］. Transactions on Magnetics，1992，28(5):3054-3059.

［10］ABRAGAM A.Overhauser Effect in Nonmetals［J］.Physical Review，1955，98(6):1729-1735.

［11］OVERHAUSER AW.Polarization of Nuclei in Metals［J］.Phys Rev，1952，92(2):411-415.

［12］KEMEVEZ N，GLENAT H.Description of a High Sensitivity CW Scalar DNP-NMR Magnetometer［J］.Transactions on Magnetics，1991，27(6):5402-5404.

［13］ZHAO Yifei，GUO Shuxu，ZHANG Shuang.Noise Calculation and Analysis of a Search CoilMagnetometer［J］.International Conference on Computer Application and System Modeling，2010，29(6):5306-5309.

［14］崔巍.TEM接收机低噪声前置放大器的研究与设计［D］.长春:吉林大学电子科学与工程学院，2010:15-27. CUIWei.The Research and Design of Low Noise Pre-Amplifier of TEM Receiver［D］.Changchun:College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，2010:15-27.

［15］DURETD，MOUSSAVIM，BERANGER M.Use of High Performance Electron Spin Resonance Materials for the Design of Scalar and Vectorial Magnetometers［J］.Transactions on Magnetics，1991，27(6):5405-5407.

(责任编辑:刘东亮)

Development of JOM-1 Model Overhauser Magnetometer

ZHANG Shuanga，HE Jialonga，CHEN Shudonga，WANG Jiaonia，GUO Xinb，LIHaiyingb

(a.College of Electronic Science and Engineering;b.College of Physics，Jilin University，Changchun 130012，China)

Overhauser magnetometer is a high sensitivity magnetostatic measuring instrument based on Overhauser effect.It has become a hot research topic in recent years，because it has high performance and is widely used.The working principle and hardware structure of JOM-1 Overhauser magnetometer are given and some key parts such as RF(Radio Frequency)excitation circuit，signal processing circuit，working sequence，

Overhauser magnetometer;proton magnetometer;sensitivity;radio frequency(RF)excitation; signal processing

P631;TN8

A

1671-5896(2015)04-0409-07

2014-01-02

吉林省产业技术研究与开发专项基金资助项目(2013C035-1)

张爽(1967— )，男，长春人，吉林大学教授，主要从事电磁传感理论与技术研究，(Tel)86-13504312310(E-mail) zhangshuang@jlu.edu.cn。

noise level and experimental results are introduced.Field tests indicate that JOM-1 Overhausermagnetometer has achieved basic functions such as data collection，display，storage，viewing and so on.0.14 nT sensitivity is obtained and initial signal-to-noise ratio can reach 96∶1，which is three times of the JPM-1 proton precession magnetometer fabricated by our lab.