一种优化的铯光泵弱磁检测装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种优化的铯光泵弱磁检测装置，该装置中：无磁效应恒温控制器使铯光谱灯及铯样品吸收泡于恒温蒸汽状态，射频源激励铯光谱灯发光，并由光学部件变换成左旋圆偏振光照射铯样品吸收泡，透过凸透镜聚焦光电探测器；磁阻传感器测磁模块辅助测量所处点的地磁场值，通过嵌入式处理终端模块判断强度范围，分段控制自激振荡模块；低噪声光电转换电路检测铯样品吸收泡的光磁共振信号并经放大和移相后激励铯样品吸收泡上的高频线圈.构成自激振荡回路输出拉莫尔信号；拉莫尔信号测量模块与北斗/GPS定位模块精确测量所处点的地磁场值。本发明通过辅助磁场测量与分波段控制并结合精确测频及双模定位的方法，保证了装置的检测精度及可靠性。
【专利说明】—种优化的铯光泵弱磁检测装置
【技术领域】
[0001]本发明属于弱磁测量【技术领域】，具体涉及到一种优化的铯光泵弱磁检测装置。
【背景技术】
[0002]在弱磁测量领域，目前的磁力仪主要有以下类型:机械式磁力仪，磁通门磁力仪，质子旋进式磁力仪，光泵磁力仪，超导量子磁力仪等。机械型磁力仪由装在枢轴上的的磁铁构成，用来测量垂直或水平方向磁场，现已较少使用:磁通门磁力仪是利用高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金)作磁芯，以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理所研制的测磁装置，有效灵敏度为几个nT，目前仍得到广泛应用:质子磁力仪是基于质子在磁场中的旋进现象而设计的一种高灵敏磁场测量仪器，具有原理简单、仪器体积小、精度高的特点，但其只能点测。激发一次，测量一次。同时其容忍梯度低。且要求其有20000ηΤ以上的磁场强度才能提供稳定的读数:超导型磁力仪根据超导原理制造，是目前最灵敏的磁力仪，主要用于高精度的地磁场研究，但由于技术复杂，需要维持苛刻的温度环境，价格昂贵，应用较少。
[0003]光泵磁力仪是一种高灵敏度和高精度的磁测设备，它以元素的原子能级在磁场中产生塞曼分裂为基础，根据光泵作用原理研制的磁力仪，光泵磁力仪是目前科技工程实践应用中灵敏度最高的磁探测仪器，能测量总磁场强度，不存在方向误差，其受空间姿态的影响较小，具有采样速度高，梯度容忍度大的特点，广泛应用于地球物理勘探、宇宙磁场测量、地震监测与预测、地质勘探、航空磁测绘、考古、海事打捞等方面。也广泛应用于反潜、磁引信、磁导航等军事用途，反潜机上所装备的磁探测系统基本都是基于光泵原理的磁探测系统。
[0004]国外的铯光泵磁力仪精度已高于0.0OlnT，绝对精度更高。国内还没有一家单位具有研制生产铯光泵磁力仪的能力，故国内目前尚无成熟的铯光泵磁力仪产品。美国铯光泵磁力仪产品列为“敏感”技术，出口到中国的光泵磁力仪精度限于0.05ηΤ。我国国防领域很难获得高性能的铯光泵磁力仪产品。即便是民用领域，顶级的产品也是禁售的。故光泵磁力仪对工业和国防有着重要意义，需求量很大，急需尽快研制出来。
[0005]铯光泵磁力仪按技术设计的方案不同可以分为自激式和跟踪式，本发明设计的是自激式铯光泵磁力仪。它利用光抽运和磁共振现象，特定自旋在一定主磁场强度B下会具有的共振频率f。，也叫拉莫尔频率，这种现象叫做磁共振，二者的关系为:
[0006]/ο
2π
[0007]上式中，f0为拉莫尔频率，B为外界主磁场，λ = 3.498577为磁旋比。
[0008]故将地磁场的测量转化为光磁共振时对所输出的拉莫尔信号的测量，极大地提高了被测信号的分辨率。同时由于测量频率的方式可以达到很高的精度，故对磁场的测量转化为对自激时光磁共振拉莫尔信号的频率检测，可实现对磁场的精确测量。故其测量精度远高于传统的磁力仪。由铯光泵磁旋比λ = 3.498577，对于50000ηΤ的地磁场，铯光泵磁力仪的拉莫尔信号频率为174.5kHz，该频率较易测量，故铯光泵磁力仪的精度更易提高。
[0009]磁阻传感器是近年来以磁电子学为理论基础建立起来的一种新型磁传感器技术，它将玻莫合金薄膜附着在硅片上制成集成磁传感器。利用4个磁电阻组成惠斯顿电桥，其中将对边的两个电阻作为感应电阻放在两个磁场集中区的间隙中间。将另一对边的两个电阻作为参考电阻密封在磁场集中区内部，并使其与外部磁场隔绝，故阻值不随外部磁场变化。4个磁电阻由相同的材料制作，故其温度系数特性相同，温度漂移小。当施加外部磁场时，两个感应电阻的阻值会随着外部磁场的大小而改变，而参考阻值不变，必导致电桥不平衡，将磁场信号转换为电压信号输出。经处理可实现对弱磁场的准确测量。磁阻传感器具有体积小、功耗低、集成化、灵敏度较高、线性范围较宽、抗电磁噪声和干扰能力强、可靠性高、误差不随时间积累等特点。在弱磁场测量方面具有优越的性能。
[0010]磁阻传感器已成功用于地球磁场参量的测量，并具有简便易行、结果较为准确的优点。采用三轴磁阻传感器测量空间地磁场矢量，获得姿态角度信息，也已成功应用于体积小、重量轻、功耗低的中低精度姿态测量要求的皮卫星应用环境。
【发明内容】
[0011]本发明所要解决的技术问题是:提供一种优化的铯光泵弱磁测量电路，在已有高精度铯光泵物理系统的基础上，研制结构独特、技术新颖、指标先进的铯光泵弱磁测量装置。
[0012]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括铯光泵物理系统，无磁效应恒温控制器，射频源，磁阻传感器测磁模块，自激振荡模块，拉莫尔信号测量模块，北斗/GPS定位模块及嵌入式处理终端模块；其中无磁效应恒温控制器控制铯光谱灯及铯样品吸收泡处于恒温蒸汽状态，射频源激励铯光谱灯发光，由光学部件变换成左旋圆偏振光照射物理系统中的铯样品吸收泡，透过凸透镜聚焦在光电探测器上；磁阻传感器测磁模块辅助测量该装置所处点的地磁场值并判断其磁场强度范围，通过嵌入式处理终端模块分波段控制自激振荡模块中的参数，使其处于稳定自激振荡状态并输出拉莫尔频率信号；由拉莫尔信号测量模块与北斗/GPS定位模块及嵌入式处理终端模块一起测量，并精确计算该装置所处地理位置的地磁场值。
[0013]本发明采用磁阻传感器测磁模块辅助测量铯光泵弱磁检测装置所在地理位置的地磁场强度值，判断所处位置的磁场强度范围，根据测量的磁场强度通过嵌入式处理器将装置量程14292nT至100041nT测量范围分4段，将自激振荡模块所对应的工作频率范围50ΚΗζ至350ΚΗΖ分为4个波段，其波段覆盖系数由未分段前的7减至分为4个分波段后的
1.63，分波段缩小了每个波段待测地磁场的覆盖范围。分波段调整自激振荡模块中的无源带通滤波电路的通带频率范围及数控有源移相电路的相移量与数控衰减器的衰减值，以提高自激振荡模块的精度及稳定性。
[0014]所述的自激振荡模块由光电探测器、低噪声光电转换电路、前置放大与无源带通滤波器、数控有源移相器、放大器与数控衰减器及缓冲放大器组成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量装置所处点的地磁场值的强度范围，分段控制无源带通滤波器的通频带、数控有源移相器的移相量及数控衰减器的衰减值，通过低噪声光电转换电路检测铯样品吸收泡的光磁共振信号并经放大和移相后激励环绕在铯样品吸收室的高频线圈.构成自激振荡回路并输出拉莫尔频率信号。
[0015]所述自激振荡模块中的光电探测器和低噪声光电转换电路可以由峰值波长为900nm的大面积光电二极管与超低噪声场效应管构成，采取电路热隔离措施，减少热噪声的影响，根据磁阻传感器测磁模块辅助测量装置所处点的地磁场值，由嵌入式处理终端模块分4个波段选择无源带通滤波器的通频带抑制通外噪声。
[0016]所述的数控有源移相器可以由高速模拟开关与变容二极管及运算放大器构成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，选择控制高速模拟开关切换不同的移相网络参数，得到满足自激振荡相位条件的精确移相值。
[0017]所述数控衰减器可以由高速宽带衰减器构成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，输出对应的二进制数字量控制自激振荡模块中数控衰减器的衰减量，其最小步进衰减量为0.5dB，实现幅度补偿并调整回路的幅频特性，得到满足自激振荡振幅条件的放大器增益值。
[0018]所述的射频源激励环绕在铯光谱灯上的高频线圈，使铯光谱灯发光，光电传感器检测铯光谱灯的亮度大小，并通过负反馈方式由状态与电流控制、功率反馈与输出设置控制射频源的工作状态与电流值，使射频源输出的射频功率稳定，嵌入式处理终端模块监测射频输出功率，在开机瞬间控制射频源于大功率输出状态，铯光谱灯起辉后转入负反馈稳定工作状态。
[0019]所述的无磁效应恒温控制器由嵌入式处理终端模块合成正弦波，采样数字温度传感器检测铯光谱灯和铯样品吸收泡的加热温度、通过数模转换器压控放大器增益，调节采用无磁线双线并绕在铯光谱灯和铯样品吸收泡上的加热线的交流功率值，使它们的温度保持恒定并处于气化状态；在开机瞬间控制交流功率值于大功率加热状态，以减少预热时间。
[0020]所述的拉莫尔信号测量模块参考时钟由高稳恒温晶振经X20倍频获得，自激振荡模块输出的拉莫尔信号经滤波与整形后，由采用测频法的第一频率测量模块粗测，嵌入式处理终端模块对该频率值的百位以上进行截尾处理并计算出频率控制字送DDS模块，DDS模块产生正弦信号与原被测信号混频得到频差信号，经低通滤波与整形后，再由采用测周法的第二频率测量模块精确测量得到实际频差，该频差与第一频率测量模块的百位以上频率值相加，得到高精度的拉莫尔频率值，通过嵌入式处理终端模块计算得出对应磁场强度值。
[0021]所述的北斗/GPS定位模块采用两种模式定位有利于提高定位精度，降低了一种模式卫星信号波动时的影响；在测量地磁场时，默认采用GPS卫星定位信号，显示出铯光泵弱磁测量所处点的地理坐标，获得完整的地磁场信息；但遇到通过添加干扰信号使GPS定位信息失灵的紧急情况时，切换至北斗定位系统，保证了铯光泵弱磁测量装置定位信息的可靠性。
[0022]所述的嵌入式处理终端模块采用ARM处理器，它根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，分波段控制自激振荡模块中的相关参数，负责对测量点的地理坐标和地磁场测量值的存储和处理，监测恒温室温度及瞬间大功率加热起动和射频输出功率值及瞬间射频大功率起动，通信与显示终端方便地磁场测量信息的观测与传递。
[0023]本发明与现有技术相比具有以下主要的优点:
[0024]1.采用磁阻传感器粗测地磁场，充分利用了磁阻传感器功耗低、集成化、线性范围较宽、抗电磁噪声和干扰能力强、可靠性高、误差不随时间积累的优点。以磁阻传感器辅助测量的地磁场值为参考，将装置量程14292nT至100041ηΤ的测量范围分为4段，分波段大大减小了自激振荡回路的波段覆盖系数及波段对应的待测地磁场的覆盖范围。
[0025]2.分波段调整自激振荡模块中的无源带通滤波电路的通带频率范围，通带频率范围外的噪声功率被有效抑制，所选用峰值波长为900nm的大面积光电二极管及超低噪声场效应管构成低噪声光电转换电路，并采取电路热隔离措施，以减少热噪声的影响。
[0026]3.通过分波段数控，使自激振荡回路中的有源移相器的移相量及数控衰减器的衰减值的精度提高，使得自激振荡回路的相移特性和幅频特性得到极大改善，更好的满足了自激振荡回路的振幅与相位条件，提闻了自激振荡|旲块的精度及稳定与可罪性。
[0027]4.开机瞬间射频振荡器大功率激励铯光谱灯的功能，缩小了铯光泵弱磁测量装置的准备时间，通过光电传感器检测负反馈控制射频振荡器输出的方式，使铯光谱灯亮度稳定。
[0028]5.无磁效应恒温加热控制器的开机瞬间大功率加热功能，减少了预热时间。交流驱动无磁加热线双线并绕在铯光谱灯和铯样品吸收泡上的恒温加热方式，避免了附加磁效应的影响。
[0029]6.拉莫尔信号检测模块采用测频法与测周法的结合，其参考时钟由高稳恒温晶振经X20倍频提供，提高了拉莫尔信号的检测高精度，相应的提高了磁场检测的分辨率。
[0030]7.北斗/GPS定位模块两种模式定位降低了一种模式卫星信号波动的风险。北斗定位系统保证了装置定位信息的可靠性。
[0031]8.ARM处理器，提高了铯光泵弱磁测量装置的处理速度，增强了该装置的智能功能，方便了地磁场测量信息的观测与传递。
[0032]对己研制的原理样机进行了初步测试:
[0033]其中:采样率为I秒时，灵敏度〈0.0lnT/Hz;;供电电压24V ;供电启动电流，环境温度为20°C时，启动电流〈0.8A ;预热时间，环境温度为20°C时，预热时间〈6分钟。
[0034]使用己研制的铯光泵弱磁测量装置原理样机，在武汉理工大学鉴湖校区室外测得一组地磁场总强度数据如表I所示，该数据与武汉地磁台测量数据吻合。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图。
[0036]图2是自激振荡模块结构框图。
[0037]图3是铯光谱灯射频源结构框图。
[0038]图4是无磁效应恒温加热控制器结构框图。
[0039]图5是拉莫尔信号检测模块结构框图。
[0040]图6是恒温控制和铯光谱灯激励控制任务程序流程图。
[0041]图7是磁阻传感器、移相和增益控制任务程序流程图。
[0042]图8是拉莫尔信号测量任务程序流程图。
[0043]图9是GPS/北斗模块信号接收任务程序流程图。
[0044]图10是嵌入式终端程序总体流程图。【具体实施方式】
[0045]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本
【发明内容】
。
[0046]光泵磁力仪的物理理论基础是光磁共振，利用光抽运和磁共振原理来实现对弱磁的测量。因气体原子塞曼子能级能量差极小，故磁共振信号极弱，难于探测，为了获得了磁共振信号，采用光电探测器探测原子对入射光的吸收来间接探测光磁共振信号。光磁共振技术将探测磁场灵敏度提高了几个数量级的同时，还保持了磁共振高分辨率的特点。
[0047]本发明基于光抽运和磁共振的基本原理，提供了如图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置，该装置主要由物理系统，无磁效应恒温控制器，射频源，磁阻传感器测磁模块，由光电探测器、低噪声光电转换电路、分段无源带通滤波器、数控有源移相器、放大器与数控衰减器及缓冲放大器组成的自激振荡模块，拉莫尔信号检测模块、北斗/GPS定位模块、嵌入式处理终端模块等部分组成。无磁效应恒温控制器使铯光谱灯及铯样品吸收泡处于恒温蒸汽状态，射频源激励铯光谱灯发光，然后该光通过物理系统中的透镜、滤光片和四分之一玻片等光学部件处理后变成左旋圆偏振光后，照射到铯样品吸收泡上，再透过凸透镜聚焦在光电探测器上。磁阻传感器辅助测量本发明装置所处点的地磁场值，根据磁阻传感器测磁模块测量出的地磁场值，嵌入式处理终端模块判断当前地磁场值的强度范围，分段控制自激振荡模块中的无源带通滤波器的通频带、数控有源移相电路的移相量及数控衰减器的衰减值，由低噪声光电转换电路检测铯样品吸收泡的光磁共振信号并经过放大和移相后激励环绕在铯样品吸收泡的高频线圈.构成自激振荡回路。此时输出的拉莫尔信号频率与外界的地磁场成正比，通过拉莫信号测量装置精确测量自激振荡回路的输出频率，北斗/GPS定位模块精确定位所处地理位置，获得所处地理位置的地磁场值。
[0048]所述铯光泵物理系统的结构如图1、图2所示，其由铯光谱灯、干涉滤光片、偏振片、1/4波片和凸透镜组成。物理系统各部分器件功能如下:
[0049]铯光谱灯:铯光谱灯是一种高频无极气体放电泡，将铯光谱灯置于射频振荡回路中，由电感线圈环绕铯光谱灯上，射频振荡器为铯光谱灯提供IOOMHz射频功率。射频场产生一个对应的共振光辐射，即铯光谱灯受激发光。电子从一个轨道跃迁到另一轨道所需的光子频率必须是合适的频率。铯光谱灯发出的光波长为894.35nm，则频率为3.3 X IO14Hz。
[0050]干涉滤光片:铯灯发出的光带有很多我们不需要的频率分量，如D2(852nm)线，它会极大地影响信号的检测。在到达吸收泡之前，干涉滤光片能很好地滤除D2光，而只让Dl谱线(894.35nm)的光通过。
[0051]第一凸透镜:将铯光谱灯发出的分散的光变成平行光束。
[0052]偏振片:让光线选择性的通过，让纵向光或横向光其中的一种透过，另一种遮蔽。虽然其中一种方向的偏振光都能做成磁力仪，但测得的磁场强度会因偏振的方向不同而有5nT的差别。这必会导致磁力仪有5ηΤ的方位误差。为防止该现象的发生，故沿着直径分离偏振片，一边做成右旋偏振光，一边做成左旋偏振光。通过这种技术手段来消除方位误差。其代价就是使信号强度降低。
[0053]1/4波片:它使两相互垂直的光产生λ/4光程差,而出射光为圆偏振光。
[0054]铯样品吸收泡:铯样品吸收泡室区的中心是充以天然铯和惰性缓冲气体的玻璃吸收泡(其中铯元素为气态，无辐射，不会造成健康危害，吸收室用密闭玻璃制成)。铯泡的温度维持在50摄氏度，铯样品吸收泡内装有的铯蒸汽和惰性气体维持在恒温气化状态。[0055]第二凸透镜:该凸透镜将透过吸收室的光聚集到光电检测器上。
[0056]光电检测器:采集透过铯样品吸收泡的光强信号，并将光信号转换成电信号。光检测器可以检测到透过吸收室的光最弱。此时，通过测量共振频率即可得出外磁场的值。显然，共振线越窄，中心频率就越准，对外磁场的变化也越敏感，则分辨率越高。
[0057]铯光泵弱磁检测装置通过测量光磁共振时输出的拉莫尔频率来测量环境磁场，且拉莫尔频率与环境磁场有着精确的比例关系，故铯光泵磁力仪应具很高的灵敏度和分辨率。若将铯光泵弱磁测量装置的量程定为14300至ΙΟΟΟΟΟηΤ，则振荡电磁场的拉莫尔频率范围约为50ΚΗζ至350ΚΗζ，其覆盖系数等于7。自激式铯光泵弱磁检测装置的自激振荡模块在如此宽的覆盖系数范围内满足最佳的振幅和相位条件十分困难。需采取特殊改进措施使自激振荡回路处于良好的工作状态，最有效的措施之一是将自激振荡模块所对应的工作频率范围分段，这将大大减小自激振荡回路的频率覆盖系数，易于满足最佳振幅和相位条件，提高自激振荡模块的精度与可靠性。
[0058]减小自激振荡回路的频率覆盖系数应依据装置所处环境磁场的变化，因磁阻传感器具有功耗低、集成化、线性范围较宽、抗电磁噪声和干扰能力强、可靠性高等弱磁场测量方面的卓越性能。根据高精度磁阻传感器辅助测量所在地理位置的地磁场强度值对自激振荡回路进行分段是一个很好的解决方案。虽然磁阻传感器的测磁精度远不及铯光泵弱磁检测装置，但它地球磁场参量的测量及皮卫星空间地磁场姿态角度信息的获取方面已得到成功的应用，依据其辅助磁测信息对铯光泵弱磁检测装置进行初始分段是完全可行的，测磁精度、分辨率及灵敏度不受磁阻传感器辅助测量信息的影响，只取决铯光泵弱磁检测装置自激振荡回路的拉莫尔频率与环境磁场精确的比例关系。
[0059]自激振荡回路如图2所示，参考图1所示的高精度磁阻传感器测磁模块的结构图，它辅助测量铯光泵弱磁检测装置所在地理位置的地磁场强度值，送嵌入式处理终端模块并由其判断所处位置的磁场强度范围，根据测量的磁场强度，嵌入式处理终端模块将本发明装置量程14292ηΤ?100041ηΤ的测量范围分为4段，则自激振荡模块所对应的工作频率范围应为50ΚΗζ?350ΚΗζ，也分为对应的4个波段，其波段覆盖系数由未分段前的7减至分为4个分波段后的1.63，无源带通滤波器为亚倍频程，分波段大大减小了待测地磁场的覆盖范围。嵌入式处理终端模块分波段调整自激振荡模块中巴特沃斯型的无源带通滤波器的通带频率范围，通带频率范围外的噪声功率被有效抑制；有源移相电路采用高精度高速运算放大器与变容二极管构成，具有优良的幅频特性和相移控制特性，嵌入式处理器终端模块分波段数控自激振荡模块中的有源移相电路的相移量，获得满足自激振荡相位条件的精确移相值；采用高精度高速六位数控衰减器，数控衰减器的频率响应为DC至射频段，具有极佳的幅频特性，其控制切换时间低至nS级，最小衰减值为0.5dB，最大衰减量为31dB，嵌入式处理器终端模块分波段数控自激振荡模块中的数控衰减器的衰减值，得到满足自激振荡振幅条件的放大器增益值。通过这些技术措施大大提高了自激振荡模块的精度与可靠性。
[0060]射频激励源如图3所示，主要由环绕在铯光谱灯上的高频线圈、射频振荡器、光电传感器、电压跟随与滤波、状态与电流控制器、功率反馈与输出设置及激励线圈等部分组成，射频振荡器由射频场效应管构成，铯光谱灯射频源激励环绕在铯光谱灯上的高频线圈，使铯光谱灯发光，光电传感器检测铯光谱灯的亮度大小，经过嵌入式处理终端判断亮度后，通过状态与电流控制、功率反馈与输出设置电路控制射频振荡器的工作状态与电流值，使射频振荡器输出的射频功率稳定，嵌入式处理终端模块监测铯光谱灯射频源输出功率的大小，并在开机瞬间控制射频振荡器于大功率状态，缩小了铯光泵弱磁测量装置的准备时间，铯光谱灯起辉后转入负反馈稳定状态。这部分软件设计被包含在任务一中，程序流程图如图6所示。
[0061]无磁效应恒温控制器如图4所示，它由数模转换器、低通滤波器、功率放大器、力口热线圈、数字温度传感器、电压跟随与滤波及温度设置与温控叠加等部分组成，嵌入式处理终端模块经数模转换器与低通滤波器合成IkHz的正弦波，嵌入式处理终端通过采样数字温度传感器检测到的铯光谱灯和铯样品吸收室的加热温度、通过数模转换器压控放大器增益，调节控制加至无磁加热线双线并绕在铯光谱灯和铯样品吸收室上的加热器的交流功率值，使它们的温度保持恒定并处于气化状态。在开机瞬间控制交流功率值于大功率加热状态，减少了预热时间。功率放大器采用BTL电路结构，降低了对电源电压的要求。这部分软件设计也被包含在任务一中，程序流程图如图6所示。
[0062]图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图中的磁阻传感器测磁模块是一种单轴的可用来粗测地磁场的磁阻传感器装置，其精度在地磁场测量范围内可以达到IOOnT水平，测量范围远大于地磁场范围。该磁阻传感器装置由磁阻传感器，差动输入的仪表放大器，电压基准模块，模数转换器构成。磁阻传感器是由电压Vb供电的惠斯顿电桥，当施加外磁场时，电桥输出差动电压，该电压由仪表放大器进行低噪声放大，再经过高精度模数转换器转换后，由嵌入式处理终端模块测量出电压再按照经校正好的公式和参数算出地磁场强度值。通过对地磁场粗测，由嵌入式处理终端模块根据当前地磁场所处的范围，选择相应频率段的带通滤波器降低波段覆盖系数，控制数控移相器的移相值及数控衰减器的衰减量。使得自激回路的的相移比较稳定，改善自激振荡回路的幅频特性，有利于自激振荡模块稳定可靠地工作。该部分的程序在任务二中，程序流程图如图7所示。
[0063]图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图中的自激振荡模块由光电检测器、低噪声光电转换电路、前置放大与带通滤波电路、数控有源移相电路、放大器与数控衰减器及缓冲放大器等组成，具体结构如图2所示。其中光电探测器和低噪声光电转换电路由峰值波长为900nm的大面积光电二极管与超低噪声场效应管构成,提高了光电转换电路的信噪比，采取了电路热隔离措施，减少热噪声的影响。带通跟踪滤波电路主要由无源带通滤波网络和可高速切换的模拟开关组成，其中的无源带通滤波器为巴特沃斯型的亚倍频程滤波器，通带平坦，阻带衰减大。根据磁阻传感器测磁模块辅助测量装置所处点的地磁场值，由嵌入式处理终端模块分4个波段负责切换选择不同频率特性的带通滤波器并抑制带外噪声。以适应不同的拉莫尔频率范围，即适应不同的地磁场测量范围。数控有源移相电路则由有源移相网络和模拟开关组成。根据事先分配好的测量范围，设置每个测量范围对应的移相网络参数，然后由模拟开关再根据测量范围进行切换。数控衰减器主要是根据不同的地磁场测量范围负责自激振荡回路的幅度控制，改善电路的幅频特性。该部分的程序也在任务二中，程序流程图如图7所不。
[0064]图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图中的高精度拉莫尔信号测量模块，其结构框图如图5所示，它由滤波与整形、高稳恒温晶振、X20倍频器、采用测频法的第一频率测量模块、DDS模块、混频器及采用测周法的第二频率测量模块等组成。自激振荡模块输出的拉莫尔信号经滤波与整形后，由第一频率测量模块粗测，嵌入式处理终端模块对该频率值的百位以上进行截尾处理并计算，获得频率控制字送DDS模块，由DDS模块产生正弦信号送混频器与原被测信号混频后得到频差信号，经低通滤波与整形后，再由第二频率测量模块采用测周法精确测量得到实际频差，该频差与第一频率测量模块的百位以上频率相加，得到高精度的拉莫尔频率值。通过嵌入式处理终端模块计算得出对应磁场强度值。DDS模块由高速CPLD构成，200MHz的参考时钟源由高稳恒温晶振源经高精度X20倍频器获得，提高了拉莫尔信号检测模块的测频分辨率，也保证了弱磁场检测的高精度。该任务的程序流程图如图8所示。
[0065]图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图中的北斗/GPS定位模块由GPS信号接收模块和北斗信号接收模块组成。嵌入式终端在该任务中先读取GPS模块接收到的数据，然后解算出测量点的经纬度，高度等地理坐标信息，默认采用GPS卫星定位信号。如果读取的GPS信号有误，则定位的信号源再切换到备用的北斗信号接收模块，这样可以避免如遇GPS系统通过添加干扰信号使GPS定位信息失灵的紧急情况时，对测量定位造成的影响。该任务程序流程图如图9所示。
[0066]图1所示的优化的铯光泵弱磁检测装置总体框图中的嵌入式处理终端模块是由ARM为核心组成的控制模块，该嵌入式处理终端模块采用了 UCOSII实时操作系统，它具有内核小，占用内存小，反应速度快等特点，非常适合于面向应用的量身定制。通过裁剪不必要功能，可在满足使用要求的情况下，将资源消耗降到最低，同时加上ARM最新Cortex-M3内核可以实时处理北斗/GPS模块测量的地理坐标信息，磁阻传感器测量数据，以及高精度拉莫信号测量装置测得的拉莫信号频率和地磁场强度信息。它根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，分波段控制自激振荡模块中的相关参数，负责对测量点的地理坐标和地磁场测量值的存储和处理，监测恒温室温度及瞬间大功率加热起动和射频输出功率值及瞬间射频大功率起动，通信与显示终端方便地磁场测量信息的观测与传递。整个嵌入式终端处理模块的程序流程图如图9所示，首先是液晶，芯片系统时钟，外设等的初始化，然后建立初始任务，在初始任务中进入任务调度器，然后利用UCOSII内核的调度机制，在六个任务之间进行切换。通过这种方式，提高了芯片的利用效率和对每个任务的响应速度。这个终端界面友好，操作方便适应`现代仪器发展趋势。整个嵌入式处理终端模块的程序流程图如图10所示。
[0067]附表
[0068]表1
[0069]
【权利要求】
1.一种优化的铯光泵弱磁检测装置，其特征在于该装置包括铯光泵物理系统，无磁效应恒温控制器，射频源，磁阻传感器测磁模块，自激振荡模块，拉莫尔信号测量模块，北斗/GPS定位模块及嵌入式处理终端模块；其中:无磁效应恒温控制器控制铯光谱灯及铯样品吸收泡处于恒温蒸汽状态，射频源激励铯光谱灯发光，由光学部件变换成左旋圆偏振光照射物理系统中的铯样品吸收泡，透过凸透镜聚焦在光电探测器上；磁阻传感器测磁模块辅助测量该装置所处点的地磁场值并判断其磁场强度范围，通过嵌入式处理终端模块分波段控制自激振荡模块中的参数，使其处于稳定自激振荡状态并输出拉莫尔频率信号；由拉莫尔信号测量模块与北斗/GPS定位模块及嵌入式处理终端模块共同测量，并精确计算该装置所处地理位置的地磁场值。
2.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁检测装置，其特征在于:采用磁阻传感器测磁模块辅助测量铯光泵弱磁检测装置所在地理位置的地磁场强度值，判断所处位置的磁场强度范围，根据测量的磁场强度通过嵌入式处理器将装置量程14292nT至100041nT测量范围分4段，将自激振荡模块所对应的工作频率范围50ΚΗζ至350ΚΗζ分为4个波段， 其波段覆盖系数由未分段前的7减至分为4个分波段后的1.63，分波段缩小了每个波段待测地磁场的覆盖范围，以提高自激振荡模块的精度及稳定性。
3.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁检测装置，其特征在于:所述的自激振荡模块由光电探测器、低噪声光电转换电路、前置放大与分波段无源带通滤波器、数控有源移相器、放大器与数控衰减器及缓冲放大器组成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量装置所处点的地磁场值的强度范围，分段控制无源带通滤波器的通频带、数控有源移相器的移相量及数控衰减器的衰减值，通过低噪声光电转换电路检测铯样品吸收泡的光磁共振信号并经放大和移相后激励环绕在铯样品吸收室的高频线圈.构成自激振荡回路并输出拉莫尔频率信号。
4.根据权利要求2或3所述的优化的铯光泵弱磁检测装置，其特征在于:自激振荡模块中的光电探测器和低噪声光电转换电路由峰值波长为900nm的大面积光电二极管与超低噪声场效应管构成，采取电路热隔离措施，减少热噪声的影响，根据磁阻传感器测磁模块辅助测量装置所处点的地磁场值，由嵌入式处理终端模块分4个波段选择无源带通滤波器的通频带抑制带外噪声。`
5.根据权利要求2或3所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:所述的数控有源移相器由高速模拟开关与变容二极管及运算放大器构成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，选择控制高速模拟开关切换不同的移相网络参数，得到满足自激振荡相位条件的精确移相值。
6.根据权利要求2或3所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:所述数控衰减器由高速宽带衰减器构成，嵌入式处理终端模块根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，输出对应的二进制数字量控制自激振荡模块中数控衰减器的衰减量，其最小步进衰减量为0.5dB，实现幅度补偿并调整回路的幅频特性，得到满足自激振荡振幅条件的放大器增益值。
7.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:所述的射频源激励环绕在铯光谱灯上的高频线圈，使铯光谱灯发光，光电传感器检测铯光谱灯的亮度大小，并通过负反馈方式由状态与电流控制、功率反馈与输出设置控制射频源的工作状态与电流值，使射频源输出的射频功率稳定，嵌入式处理终端模块监测射频输出功率，在开机瞬间控制射频源于大功率输出状态，铯光谱灯起辉后转入负反馈稳定工作状态。
8.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:无磁效应恒温控制器由嵌入式处理终端模块合成正弦波，采样数字温度传感器检测铯光谱灯和铯样品吸收泡的加热温度、通过数模转换器压控放大器增益，调节采用无磁线双线并绕在铯光谱灯和铯样品吸收泡上的加热线的交流功率值，使它们的温度保持恒定并处于气化状态；在开机瞬间控制交流功率值于大功率加热状态，以减少预热时间。
9.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:拉莫尔信号测量模块参考时钟由高稳恒温晶振经X20倍频获得，自激振荡模块输出的拉莫尔信号经滤波与整形后，由采用测频法的第一频率测量模块粗测，嵌入式处理终端模块对该频率值的百位以上进行截尾处理并计算出频率控制字送DDS模块，DDS模块产生正弦信号与原被测信号混频得到频差信号，经低通滤波与整形后，再由采用测周法的第二频率测量模块精确测量得到实际频差，该频差与第一频率测量模块的百位以上频率值相加，得到高精度的拉莫尔频率值，通过嵌入式处理终端模块计算得出对应磁场强度值。
10.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:北斗/GPS定位模块采用两种模式定位有利于提高定位精度，降低了一种模式卫星信号波动时的影响；在测量地磁场时，默认采用GPS卫星定位信号，显示出装置所处点的地理坐标，获得完整的地磁场信息；但遇到通过添加干扰信号使GPS定位信息失灵的紧急情况时，切换至北斗定位系统，保证了铯光泵弱磁测量装置定位信息的可靠性。
11.根据权利要求1所述的优化的铯光泵弱磁测量装置，其特征在于:嵌入式处理终端模块采用ARM处理器，它根据磁阻传感器测磁模块辅助测量的地磁场值，分波段控制自激振荡模块中的相关参数，负责对测量点的地理坐标和地磁场测量值的存储和处理，监测恒温室温度及瞬间大功率加热起动和射频输出功率值及瞬间射频大功率起动，通信与显示终端方便地磁场测量信息的观·测与传递。
【文档编号】G01V3/40GK103852737SQ201410093721
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】陈永泰, 彭俊杰, 冯芒, 陈亮, 唐静, 程龙, 臧滨, 黄杨, 孙长景 申请人:武汉理工大学