一种基于DDS的原子磁强计相位闭环控制方法与流程

本发明属于信号控制技术领域，特别涉及一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法。

背景技术：

原子磁强计利用电子自旋或核自旋在磁场中的进动来测量磁场，具有精度高，体积小等优势，主要应用于地球磁场观测站与基准、水下目标探测以及航空物探等领域，在国民经济建设、国防发展等方面具有重要意义。当原子磁强计气室内的原子工作在共振状态时，磁共振激励信号与参考信号的相位差为常值，控制该相位差保持不变，即可维持气室内原子的共振状态，提高原子磁强计磁场测量能力。因此，为保证原子磁强计磁场测量精度，提高磁场操控性能，首先需要实现磁共振激励信号的高精度的相位闭环控制。

针对共振激励信号相位闭环控制过程中精度高、实时性强等特点，传统的pll等方法频率转换时间长、分辨率低，很难满足要求。dds是一种从相位概念出发，直接全数字的频率合成技术。相较于pll等方法，其具有频率转换速率快、频率分辨率高、相位连续、相位噪声低和漂移小等优势，适应于原子磁强计的需求。

传统的相位提取过程中，模拟方法中的锁相环等技术虽然能实时提取系统相位信息，但可操控性不强。数字方法中的fft算法虽然速度较快，但抗干扰能力有限；整周期截断dft法对硬件要求高，而且难以保证采样点数为周期的整数倍。而基于互相关检测原理的数字锁相算法，大幅降低了系统相位解算算法的运算量，有效抑制了干扰噪声，提高了相位提取并闭环控制的操纵性。

技术实现要素：

针对目前存在的问题，提出一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法,对磁共振激励信号相位闭环控制的硬件及软件进行搭建与设计，提高原子磁强计磁场测量性能。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法，本方法包括步骤一dds频率信号的产生、步骤二磁共振激励信号的相位信息提取和步骤三闭环控制算法。

一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法，所述步骤一dds频率信号的产生，dds频率信号的产生主要由fpga和dac来实现，其主要包括相位累加器，正弦rom查找表和dac等部分组成，输出频率表示为：

由上式可知，输出频率f0与频率控制字k、参考时钟fc和相位累加器的位数n有关，而dds就是通过改变频率控制字k的大小来实现频率的调整。

一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法，所述步骤二磁共振激励信号的相位信息提取，磁共振激励信号的相位信息提取，使用双通道高速同步采样ad芯片，对磁共振激励信号及参考信号进行同步采样，并利用dsp实现数字锁相算法；

设同频输入信号和参考信号的表达式分别为：

xa＝asin(ωt+θa)

xb＝bsin(ωt+θb)(2)

则两路信号相关检测的结果可表示为：

式中：xa为输入信号，xb为参考信号，a为输入信号幅值，b为参考信号幅值，ω为角速度，t为时间，θa为输入信号相位，θb为参考信号相位,t为积分时间；

对输入路信号和参考路信号进行自相关检测，其表达式为：

式中，ya为输入信号自相关检测结果，yb为参考信号自相关检测结果，则两路信号的相位差δθ可由下式求解：

假设参考信号相位信息已知，则磁共振激励信号的相位信息可由公式(5)求解，本步骤降低了幅值的不确定性对系统带来的噪声。

一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法，所述步骤三、闭环控制算法，闭环控制算法在dsp中实现，将步骤二中由数字锁相算法求解出的磁共振激励信号的相位信息与期望值相比较，把差值带入到闭环控制算法中，得出频率的变化量，并改变dds的输出频率，由此实现系统的相位闭环控制。

本发明的有益效果为：

实现了磁共振激励信号的相位闭环控制，与传统采用的pll技术和模拟闭环控制相比，其频率转换速率快、频率分辨率高；相位提取方法具有较高的噪声抑制能力，结构简单，易于实现；提高了原子磁强计的磁场操控性能和磁场测量能力。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施例如下：

一种基于dds的原子磁强计相位闭环控制方法，包括dds频率信号的产生、磁共振激励信号的相位信息提取和闭环控制算法。

其中：

步骤一、dds频率信号的产生；

dds频率信号的产生主要由fpga和dac来实现，其主要包括相位累加器，正弦rom查找表和dac等部分组成，输出频率表示为：

由上式可知，输出频率f0与频率控制字k、参考时钟fc和相位累加器的位数n有关，而dds就是通过改变频率控制字k的大小来实现频率的调整。

步骤二、磁共振激励信号的相位信息提取；

磁共振激励信号的相位信息提取，使用双通道高速同步采样ad芯片，对磁共振激励信号及参考信号进行同步采样，并利用dsp实现数字锁相算法。

本发明基于相关检测原理设计数字锁相算法，具有较高的噪声抑制能力，结构简单，易于实现。

设同频输入信号和参考信号的表达式分别为：

xa＝asin(ωt+θa)

xb＝bsin(ωt+θb)(2)

则两路信号相关检测的结果可表示为：

式中：xa为输入信号，xb为参考信号，a为输入信号幅值，b为参考信号幅值，ω为角速度，t为时间，θa为输入信号相位，θb为参考信号相位,t为积分时间。

由上式可以看出，相关检测后的输出仅与两信号的幅值和相位差有关。若两信号幅值已知，则可提取其相位差信息。

但实际应用中，信号的幅值也在不停的抖动，仅由互相关检测结果，无法确定噪声来源。因此，本发明对输入路信号和参考路信号进行自相关检测，其表达式为：

式中，ya为输入信号自相关检测结果，yb为参考信号自相关检测结果，则两路信号的相位差δθ可由下式求解：

假设参考信号相位信息已知，则磁共振激励信号的相位信息可由公式(5)求解，本步骤降低了幅值的不确定性对系统带来的噪声。

步骤三、闭环控制算法；

闭环控制算法在dsp中实现。将步骤二中由数字锁相算法求解出的磁共振激励信号的相位信息与期望值相比较，把差值带入到闭环控制算法中，得出频率的变化量，并改变dds的输出频率，由此实现系统的相位闭环控制。