专利名称：高精度铯光泵信号处理器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种精密测磁用途的高精度航空铯光泵信号处理器。
背景技术：
在弱磁探测领域，铯光泵探头作为国际上最通用的磁传感器被广泛应用。应用于地面或航空的物探测量，如资源勘探、水下打捞、考古发掘等等。铯光泵探头国内尚属空白， 全部为进口，主要有加拿大Sinitrix公司的CS-3，美国Geometrix公司的G-838，G-858。 铯光泵探头工作时输出一个与外界磁场成比例的频率信号，频率与外部磁场的关系为f = 3. 498577Hz/nT，外部磁场变化InT，光泵探头输出的频率信号变化3. 498577Hz。铯光泵探头对外磁场的响应速度很快，在航空磁探等应用领域，可以不考虑磁传感器探头本身的响应时间，整个磁探系统的信息带宽只取决于后面的信号处理系统，即光泵信号器的响应时间。目前国外主流的商用铯光泵探头的静态噪声峰峰值可达到优于0. 002nT，这就要求与之配套的信号处理器能够检测出这一数量级的频率变化，才能发挥出探头的作用。例如地球磁场的分布规律是两级较强，赤道较弱，平均约50000ηΤ，合0. 5高斯，此时铯光泵探头输出的频率信号约为50000*3. 498577 = 175kHz，要检测0. 002nT的变化量，也就是后续信号处理器要能够可靠检测175kHz士0.007Hz的频率信号。此外，还要求信号处理器有一定的带宽，至少要有IOHz的采样率，用于航空装备的信号处理器还要求具有更高的采样率。这对配套的光泵信号处理器有很高的要求。在弱磁探测领域，目前国内航测单位都是全套引进国外的整套磁探设备，如加拿大pcio公司的MM4型航磁测量设备，包括铯光泵探头、光泵信号处理器、GPS接收机、无线电高度表等等。
实用新型内容本实用新型为国内首个与国际上通用铯光泵磁力仪配套的光泵信号处理器。本实用新型要解决的技术问题是与铯光泵磁力仪配套的航空装备光泵信号处理器要求有高精度以及高采样率，国内还没有与铯光泵配套使用的光泵信号处理器。本实用新型铯光泵信号处理器精度达到了国外同类产品水平(0.005nT)，且达到较高的采样率 (200Hz)，国外同类产品都在几十Hz，采样率优于国外同类产品，在航空应用领域填补了国内空白。本实用新型的技术方案是针对铯光泵而设计的一种基于大规模可编程逻辑器件 FPGA的高精度光泵信号鉴频电路。如说明书附图1所示，其鉴频电路布置在光泵信号处理板上，光泵信号1、2、3经信号解调和差频/整形，输入连接至可编程逻辑器件，再由可编程逻辑器件输出连接至PC104ISA总线接口，同时还有高稳定度恒温晶振模组和在线升级接口与可编程逻辑器件连接，可编程逻辑器件由差频计数器、采样控制器、主计数器、采样计数器、中断控制器、机内自检BIT接口、ISA总线接口连接组成。设计要求它具有很好的灵活性、宽频带测量范围(200Hz)、很高的测量精度(0. 005nT)，最多可同时处理3路探头输入信号，整机具有加固的航空机箱和可靠的结构设计。由于在弱磁环境下，铯光泵探头输出频率的变化很小，在50000nT的背景磁场下， 外部磁场变化0. OlnT，输出频率的变化只有175kHz士0. 03Hz，相当于检测要直接这样一个频率变化是很困难的，为此采用了差频技术。系统先将输入的光泵频率信号与一个频率接近的固定频率信号相乘，结果产生了和频和差频2种频率的信号，将频率较高的和频信号用滤波器滤除，对差频信号进行计数，就能够较精确地测量信号的频率。例如，设探头输出信号A= sin(6 1+Δ θ), Δ θ是由于外界磁场变化引起的频率变化量，基准的差频频率为B = sin ( θ 2)，经过模拟乘法器后输出信号AxB = sin( θ 1+ Δ θ )x sin( θ 2) = (cos ( θ 1- θ 2+ Δ θ ) +cos ( θ 1+Δ θ + θ 2))/ 2。由此可见，差频过程只是降低了基频，对频率变化量并无损失。如果Θ1，Θ2在 175kHz左右，相差kHz，则经过模拟乘法器后的2个信号频率为350kHz，1kHz，差别是很大的，很容易用滤波器进行分离。差频后的信号，相当于提高了信号变化的比率，相对更容易检测出。例如原先的175kHz 士0. 03Hz的频率变化，频率变化率为1. 7 X 10_7，如果差频后的信号为IKHz士0. 03Hz，则变化率为3X10-5，提高了 2个数量级，相比差频前更容易用电路检测。系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要部件是以可编程逻辑电路FPGA为核心的光泵信号处理板，完成主要的鉴频算法，光泵信号处理板与工控机接口，工控机连接显示设备。软件部分主要完成从光泵信号处理板读取数据，进行必要的数字滤波，完成记录禾口显不。本实用新型的有益效果是与铯光泵磁力仪配套的航空装备光泵信号处理器达到采样率200Hz (优于国外同类水平)下对铯光泵探头输出信号分辨率0. 005nT (同国外同类水平)，本实用新型的设备已经过实际的航空飞行试验，达到了设计指标。填补了国内在这一领域的空白。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是光泵信号处理板系统框图。图1中，各部分功能关系如下光泵信号1、2、3经信号解调和差频/整形，输入连接至可编程逻辑器件，再由可编程逻辑器件输出连接至PC104ISA总线接口，同时还由高稳定度恒温晶振模组和在线升级接口配合连接提供频率基准和在线升级，可编程逻辑器件由差频计数器、采样控制器、主计数器、采样计数器、中断控制器、机内自检BIT接口、ISA总线接口连接组成，完成主要的鉴频算法和接口。图2是标准信号源输入下的连续采样信号。它是设计完成的光泵信号处理板首先用美国斯坦福研究系统的延迟/脉冲信号发生器DG535进行了测试。DG535输出信号RMS 抖动< 50pS+10_8X延迟，可以认为是一个频率非常准确的信号源，实测在60Khz 300Khz 的输入频率范围内，电路分辨率达到了 0. 015Hz，采样率最高200Hz。
具体实施方式
1、硬件设计在图1中，差频电路以可编程逻辑器件为核心，配合信号解调、差频/整形构成，由高稳定度恒温晶振模组提供频率基准光泵探头输出的频率信号1、2、3是调制在电源上的，经过信号解调解调出正弦信号，再经过由乘法器，滤波器和整形电路组成的差频/整形后，信号输入可编程逻辑器件， 进行计数。可编程逻辑器件中有如下模块和功能1)差频计数器差频计数器的功能是根据输入频率信号，产生与输入信号差IKHz 左右的信号，送给前端的差频/整形。由于磁场的变化一般不太剧烈，差频信号1分钟更新一次即可。由于差频信号与探头信号的差很小，经过模拟乘法器后产生的和频信号和差频信号频率相差很大，2)采样控制器按照设定的采样频率发信号。3)主计数器主计数器自由运行，对差频后的信号进行计数。4)采样计数器当采样控制发出采样信号后，主计数器的值锁存进入采样计数器，由ISA总线接口以及外部PC104ISA总线接口读取。5)中断控制器每次采样结束后，中断控制器发出中断请求，由外部总线读取采样计数器中的采样数值。6)BIT接口 监测各逻辑模块的工作状态。2、软件设计为满足光泵信号处理板采样的实时性，系统的操作系统采用μ C/0S-II实时操作系统，uC/OS-II是基于优先级调度的抢占式的实时内核，专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200 行的汇编语言部分被压缩到最低限度。uC/OS-II中最多可以支持64个任务，分别对应优先级0 63，其中0为最高优先级。63为最低级，在光泵信号处理器的软件设计了 4个任务1)光泵信号数据读取任务。该任务优先级最高，保证了从光泵数据处理板中采样的实时性。2)串口数据读取任务。该任务的优先级第二，系统设计从串口中可读入GPS或其他导航仪的位置信息和时间信息，与任务1中的数据合成1个数据包，记录某一时刻和地理坐标下的磁场数据。3)数字滤波任务。该任务的优先级第三。对磁场数据进行数字滤波，去除无关频带的噪声干扰。4)数据存储和显示任务。该任务优先级最低。功能为实时纪录光泵探头数据和进行显不。
权利要求1. 一种高精度铯光泵信号处理器，其特征是基于大规模可编程逻辑器件FPGA的高精度光泵信号鉴频电路，其鉴频电路布置在光泵信号处理板上，光泵信号1、2、3经信号解调和差频/整形，输入连接至可编程逻辑器件，再由可编程逻辑器件输出连接至PC104ISA总线接口，同时还有高稳定度恒温晶振模组和在线升级接口与可编程逻辑器件连接，可编程逻辑器件由差频计数器、采样控制器、主计数器、采样计数器、中断控制器、机内自检BIT接口、ISA总线接口连接组成。
专利摘要一种高精度铯光泵信号处理器，基于大规模可编程逻辑器件FPGA的高精度信号鉴频电路，光泵信号经信号解调和差频/整形，输入至可编程逻辑器件，再由其输出至PC104ISA总线接口，另由高稳定度恒温晶振模组等配合。可编程逻辑器件由差频计数器、采样控制器、主计数器、采样计数器、中断控制器、机内自检BIT接口、ISA总线接口连接组成，完成主要的鉴频算法和接口。软件采用μC/OS-II实时操作系统，完成信号读取、数字滤波、数据存储及显示。本实用新型达到采样率200Hz(优于国外同类水平)下对铯光泵探头输出信号分辨率0.005nT(同国外同类水平)，可输入3路信号，该设备用于航空精密测磁，已经过航空飞行试验，达到设计指标，填补国内该领域空白。
文档编号G01V3/08GK202177705SQ20112013706
公开日2012年3月28日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者周捷, 姚奇, 许庆丰, 郭梦华, 马凯 申请人:上海通用卫星导航有限公司