一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头的制作方法

本发明属于含四极矩核的固态物质探测装置技术领域，具体涉及一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头。

背景技术：

当今社会正面临许多反恐安全问题，主要与爆炸物有关，爆炸物呈现出隐蔽性和各异性，对其探测带来了巨大挑战。常规爆炸物探测方法通常存在缺陷，例如，金属探测器在磁性土壤、低金属含量的矿山、粘土、潮湿和导电性土壤以及与地表非常接近的矿井中都存在高虚警率的问题；再如金属探测器和探地雷达(gpr)的虚警率较高，这是因为它们的检测都基于次要特征，而不是基于炸药的本质成分；nqr是一种原子核物理现象，是指原子核的非球对称部分因与核外电场梯度相互作用引起能级分裂，在外加射频场作用下，产生能级跃迁的过程。由于nqr技术只检测爆炸物的物质分子本身，不受金属材料、外壳、形状等其它因素的影响，所以nqr技术对物质识别具有唯一性，在鉴别物质方面具有广泛应用，是一种理想的固态物质探测技术。

然而在利用nqr方法进行爆炸物探测时，存在各种干扰信号，对nqr探测信号的影响较大，其中激励脉冲在探头上产生的拖尾信号引起的干扰最为严重，由于激励脉冲本身信号较强，在激励脉冲过后，系统感应探头中的储能不能得到立刻释放，使得激励脉冲结束后感应探头中仍存在一段时间的振铃拖尾信号，而被检测样品受激而产生的nqr信号衰减速率非常快且其本身又很微弱，拖尾信号在减小的过程中，nqr信号已衰减大半，这使得采集到的nqr信号非常微弱，信噪比极低，需要多次重复采集，因此提高探头天线灵敏度和信噪比是nqr探测系统的主要研究方向。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头，具有可有效抑制振铃拖尾信号特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头，包括调谐匹配电路、q值开关电路和滤波电路，所述调谐匹配电路、q值开关电路和滤波电路电性连接；所述调谐匹配电路包括并联连接的支路一和支路二，所述支路一包括串联的探头线圈电感lo、等效电阻ro和调谐电容co，所述支路二包括等效电感l1；所述q值开关电路包括两个对称布置的三极管开关电路以及通过变压器连接的信号电路；所述滤波电路的输入和输出端连接有限幅电路，所述滤波电路还包括三个并联的滤波支路。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述探头线圈电感lo为3μh，等效电阻ro为0.3ω，调谐电容co为382pf，等效电感l1为134.4nh。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述三极管开关电路包括三极管，该三极管的e极接地，该三极管的b极串接1kω电阻连接在ttl端，三极管的e极和b极还并联有2kω电阻，所述三极管的c极依次连接有变压器和相互并联的电容、电阻，然后连接至vcc端。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述相互并联的电容、电阻,电阻值为120ω、电容值为0.1μf。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述三极管开关电路和所述信号电路之间的变压比为1：8。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述三个并联的滤波支路分别为滤波支路一、滤波支路二和滤波支路三，所述滤波支路一包括一个134.3nh的电感，所述滤波支路二包括串接的3μh的电感、0.3ω的电阻以及382pf的电容，所述滤波支路三包括一个692pf的电容，所述滤波支路二和滤波支路三之间还连接有1.73μh的电感，所述滤波支路三和限幅电路之间连接有1.73μh电感。

作为本发明的一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头优选技术方案，所述限幅电路为两个反向并联的二极管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：设有调谐匹配电路、q值开关电路和滤波电路，调谐匹配电路可以在使探头线圈获得最大的射频激励功率，并且在特征频率下谐振，以激励样品产生nqr信号；q值开关电路可以根据探头的工作状态切换q值，以获得最优的nqr信号和检测信噪比，滤波电路可以滤除激励和其它环境中产生的噪声，该电路具有提高信号采集效率和提高输出信号的信噪比的优势，该电路具有对称性q值切换电路，可使探头的振铃恢复时间从390μs降低到12.127μs，可有效抑制振铃拖尾信号。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的调谐匹配电路图；

图3为本发明中的q值开关电路图；

图4为本发明中的滤波电路图；

图5为本发明中的探测系统原理图；

图6为本发明中的探头天线等效示意图；

图7为本发明中的归一化三阶低通原型示意图；

图8为本发明中的变换后的滤波器示意图；

图9为本发明中的multisim软件进行仿真图；

图中：1、调谐匹配电路；2、q值开关电路；3、滤波电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种有效抑制拖尾振铃的核四极矩共振探头，包括调谐匹配电路、q值开关电路和滤波电路，调谐匹配电路、q值开关电路和滤波电路电性连接；调谐匹配电路包括并联连接的支路一和支路二，支路一包括串联的探头线圈电感lo、等效电阻ro和调谐电容co，支路二包括等效电感l1；q值开关电路包括两个对称布置的三极管开关电路以及通过变压器连接的信号电路；滤波电路的输入和输出端连接有限幅电路，滤波电路还包括三个并联的滤波支路。

本实施方案中，第一部分为调谐匹配电路，这部分电路的作用就是在射频激励来临后使探头线圈获得最大的功率，并且在特征频率下谐振以激励样品产生nqr信号；第二部分为q值开关电路，这部分电路的作用就是根据探头的工作状态切换q值，以获得最优的nqr信号和检测信噪比(snr)；第三部分为滤波器部分，这部分的作用是滤除激励和其它环境中产生的噪声，主要目的是提高信号采集效率，提高输出信号的信噪比。

具体的，探头线圈电感lo为3μh，等效电阻ro为0.3ω，调谐电容co为382pf，等效电感l1为134.4nh。

本实施例中，此次nqr探头电路实际设计的匹配网络采用π型网络，为了简化设计步骤，便于实现最优化阻抗匹配，在计算过程中采用如下思想进行设计过程的改进：

(1)吸收思想：把寄生电抗纳入阻抗匹配计算中，得到一个等效的电抗来代替总的电抗。

(2)谐振思想：用电抗特性相反的元件构成谐振电路，谐振状态下，电路呈现纯阻性，阻抗匹配即电阻匹配，此为调谐匹配。

电路参数及设计如下：探头线圈采用空心螺旋管线圈，等效电路如图6所示：

电容c可表示插入损耗，由于其值很小，可以不予考虑。设探测物质的频率为f0，调谐匹配电路如图2所示，其中，mn两端的输入导纳为:

令gmn实部为1/z0，可以得到：

其中，已知z0为50ω，发射机与输出机的阻抗为纯阻，探头线圈电感l0为3μh，等效电阻r0为0.3ω，由式(1、2)、(1、3)可得c0为382pf，l1为134.4nh。

具体的，三极管开关电路包括三极管，该三极管的e极接地，该三极管的b极串接1kω电阻连接在ttl端，三极管的e极和b极还并联有2kω电阻，三极管的c极依次连接有变压器和相互并联的电容、电阻，然后连接至vcc端。

具体的，相互并联的电容、电阻的电阻值为120ω、电容值为0.1μf。

具体的，三极管开关电路和信号电路之间的变压比为1：8。

本实施例中，请参考图3：q值开关电路2采用对称型双三极管作为开关电路，两个变压器初级到次级的变压比都是1:8，假定变压器是理想的，则左侧q值电路与右侧调谐匹配电路的q值相等，若集电极上不加电阻(图中的r)，探头的q值可由施加到晶体管b极的门控信号控制：

其中rce是三极管c级和e级之间的有效电阻。当门控信号接入高电平(5v)时，三级管导通，rce很小，此时电路呈现低q值，使得探头在强射频脉冲后快速恢复；当门控信号接入低电平(0v)时，三极管处于截止状态，rce很大，电路呈现高q值。若在集电极上加入电阻r，则可用r的值来代替rce，即：

这样不仅可通过改变r值来获得q值，而且可以得到引入电阻与振铃响应恢复时间的关系，此外，从该式可以看出，采用两个三极管并联构成的对称电路能进一步减小r值，从而降低探头电路的q值。

具体的，三个并联的滤波支路分别为滤波支路一、滤波支路二和滤波支路三，滤波支路一包括一个134.3nh的电感，滤波支路二包括串接的3μh的电感、0.3ω的电阻以及382pf的电容，滤波支路三包括一个692pf的电容，滤波支路二和滤波支路三之间还连接有1.73μh的电感，滤波支路三和限幅电路之间连接有1.73μh电感。

具体的，限幅电路为两个反向并联的二极管。

本实施例中，定义则有：

再进行特性阻抗变换，有：

其中，归一化低通原型参数为：z0为1ω，l0＝1h，c0＝1f，f0＝1/2πhz。如图7所示。本次设计谐振频率f＝4.6mhz，则带入式可以计算出l2的理论值为1.73μh，c0为692pf，新的低通滤波器节如图8所示(变换后的)。

在探头电路中加入巴特沃斯低通滤波器后，电路如图4所示。因为nqr信号必须在典型的多脉冲序列出现时，每毫秒采集一次，而典型的pc软件添加操作通常需要更多时间，因此有必要添加硬件来采集nqr信号。

本发明的工作原理及使用流程：请参考图5，本发明安装好后，第1步，计算机发送脉冲控制序列给信号发生器，信号发生器产生与待测样品特征频率相同的射频脉冲，此射频脉冲经过大功率发射机放大后加载到探头线圈上，探头线圈向外辐射电磁场，待测爆炸物中的核四极矩不为零的氮原子(¹⁴n)在吸收天线线圈辐射出的能量后产生能级跃迁(假定样品中含有待测物质)；第2步，当计算机控制射频脉冲停止工作时，随后待测物质中的¹⁴n由高能态恢复到平衡态，在此过程中释放出包含特征频率的能量，即nqr信号；第3步，nqr信号经过前置放大器放大后，通过接收装置进行模数转换等相关处理后，并将结果送给主控计算机进行处理，据此判别样品中是否含有待测爆炸物。采用multisim软件进行仿真，图9(a)是无振铃信号抑制电路时射频脉冲的波形图，图9(b)是有振铃信号抑制电路时射频脉冲的波形图。由图9(a)和图9(b)可以看出，图9(a)中标尺1所在位置时间为526.505μs，波形电压值为862.409v，标尺2所在位置时间为891.244μs，波形电压值为3.269μv，所以图9(a)中标尺1到标尺2所用时间为364.739μs；图9(b)中标尺1所在位置时间为224.788μs，波形电压值为841.533v，标尺2所在位置时间为236.915μs，波形电压值为-2.054μv，所以图9(b)中标尺1到标尺2所用时间为12.127μs，由此可以看出有振铃拖尾抑制电路消除天线拖尾效果非常明显。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。