原子磁强计线宽在线测控系统及方法与流程

1.本发明涉及原子磁强计技术领域，尤其涉及一种原子磁强计线宽在线测控系统及方法。


背景技术：

2.磁探测技术利用多种磁传感器对环境和目标磁场进行探测，以获得目标的异常磁场特征，进而进行目标识别。原子磁强计利用原子自旋进动检测待测磁场，适用于地磁场环境，其检测精度高，能测量磁场总场强度，在磁探领域应用广泛。原子磁强计的线宽是原子核磁共振时的谱线宽度，可以表征原子磁强计的灵敏度高低。然而，现有的测试系统较复杂且测试效率较低。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统及方法，能够解决现有技术中线宽测试系统复杂、测试效率较低且测量精度低的技术问题。
4.根据本发明的一方面，提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，原子磁强计线宽在线测控系统包括信号处理组件和测控组件，信号处理组件包括激励控制模块、信号预处理模块、指令解析模块和第一数据收发模块，激励控制模块用于产生设定幅度及频率的正弦电压激励信号，信号预处理模块用于对采集到的核磁共振电压信号进行预处理以获取共振信号的幅度和相位，指令解析模块用于对测控组件输出的指令进行解析，第一数据收发模块用于实现信号处理组件与测控组件之间的数据传输；测控组件包括第二数据收发模块、数据处理及存储模块和控制模块，第二数据收发模块用于测控组件与信号处理组件之间的数据传输，数据处理及存储模块用于根据第一数据收发模块发送的处理后的核磁共振信号幅度和当前激励信号频率计算获取原子磁强计线宽并进行存储，控制模块用于根据共振信号的幅度和相位实时调整控制激励信号的幅度和扫频范围。
5.进一步地，测控组件还包括指令模块，指令模块用于实现完成连接设置、磁强计个数选择、数据协议选择、光源参数设置、激励信号幅度设置、磁强计工作流程及参数设置以及文本文件存储功能设置。
6.进一步地，测控组件还包括显示模块，显示模块用于实现数据处理及存储模块的数据处理结果的实时显示。
7.根据本发明的又一方面，提供了一种原子磁强计线宽在线测控方法，原子磁强计线宽在线测控方法使用如上所述的原子磁强计线宽在线测控系统进行线宽在线测控。
8.进一步地，原子磁强计线宽在线测控方法包括：计算获取参考信号的第一频率点、第二频率点和第三频率点的粗略频率值；基于参考信号的第一频率点、第二频率点和第三频率点的粗略频率值计算获取第一频率点、第二频率点和第三频率点的实部和虚部；根据第一频率点、第二频率点和第三频率点的实部和虚部计算获取参考信号的精确频率和相位；基于参考信号精确频率和相位计算获取共振信号的幅度和相位。
9.进一步地，参考信号的第一频率点的粗略频率值可根据fra_0_1＝1000*n_zero*n/l计算获取，参考信号的第二频率点的粗略频率值可根据fra_0_2＝1000*(n_zero-1)*n/l计算获取，参考信号的第三频率点的粗略频率值可根据fra_0_3＝1000*(n_zero+1)*n/l计算获取，其中，n_zero为正过零点，n为各个窗口的采样点个数，l为各个周期内的信号长度。
10.进一步地，各个周期内的信号长度l可根据l＝(l_int-l_int_lst)+(l_res_lst-l_res)计算获取，其中，l_int＝index_zero-index_zero_lst，l_res＝a_pos/(a_pos-a_neg)，l_int为任一周期内的信号长度的整数部分，l_res为任一周期内的信号长度的小数部分，l_int_lst为任一周期的上一周期的信号长度的整数部分，l_res_lst为任一周期的上一周期的信号长度的小数部分，index_zero为最后一个过零点处的采样点计数值，index_zero_lst为上一周期的最后一个过零点处的采样点计数值，a_pos为最后一个过零点处的采样点信号的正幅值，a_neg为最后一个过零点处的采样点信号的负幅值。
11.进一步地，基于参考信号精确频率和相位计算获取共振信号的幅度和相位具体包括：根据参考信号精确频率和相位生成标准的正余弦信号；基于标准的正余弦信号计算获取正余弦分量；对正余弦分量进行积化和差公式分解以获取差频分量与和频分量；对差频分量与和频分量进行低通滤波处理以保留差频分量；根据差频分量计算获取共振信号的幅度和相位。
12.进一步地，标准的正余弦信号可根据sin_ref＝sin(2*pi*freq_ref+phase_ref)，cos_ref＝cos(2*pi*freq_ref+phase_ref)计算获取，其中，freq_ref为参考信号的精确频率，phase_ref为参考信号的相位。
13.进一步地，共振信号的幅度a_sig可根据a_sig＝sqrt(r_sin*r_sin+r_cos*r_cos)计算获取，共振信号的相位phase_sig可根据phase_sig＝arcsin(r_sin/a_sig)计算获取，其中，r_sin和r_cos为差频分量。
14.应用本发明的技术方案，提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，该系统通过测控组件完成原子磁强计线宽实时解算显示、发送控制指令等功能，通过信号处理电路完成核磁共振信号采集预处理、扫频激励信号生成输出以及与上位机测控组件通信等功能，能够实现在任意环境下实时进行原子磁强计线宽测试及控制，此种方式测试简单、测试效率高且测量精度高。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的原子磁强计线宽在线测控系统的示意图；
17.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的测控组件的示意图；
18.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的信号处理组件的示意图。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
22.如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，该原子磁强计线宽在线测控系统包括信号处理组件和测控组件，信号处理组件包括激励控制模块、信号预处理模块、指令解析模块和第一数据收发模块，激励控制模块用于产生设定幅度及频率的正弦电压激励信号，信号预处理模块用于对采集到的核磁共振电压信号进行预处理以获取共振信号的幅度和相位，指令解析模块用于对测控组件输出的指令进行解析，第一数据收发模块用于实现信号处理组件与测控组件之间的数据传输；测控组件包括第二数据收发模块、数据处理及存储模块和控制模块，第二数据收发模块用于测控组件与信号处理组件之间的数据传输，数据处理及存储模块用于根据第一数据收发模块发送的处理后的核磁共振信号幅度和当前激励信号频率计算获取原子磁强计线宽并进行存储，控制模块用于根据共振信号的幅度和相位实时调整控制激励信号的幅度和扫频范围。
23.应用此种配置方式，提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，该系统通过测控组件完成原子磁强计线宽实时解算显示、发送控制指令等功能，通过信号处理电路完成核磁共振信号采集预处理、扫频激励信号生成输出以及与上位机测控组件通信等功能，能够实现在任意环境下实时进行原子磁强计线宽测试及控制，此种方式测试简单、测试效率高且测量精度高。
24.进一步地，在本发明中，测控组件还包括指令模块，指令模块用于实现完成连接设置、磁强计个数选择、数据协议选择、光源参数设置、激励信号幅度设置、磁强计工作流程及参数设置以及文本文件存储功能设置。具体地，指令模块将前面板指令按钮、数据参数等组帧，形成指令帧，可完成连接设置、磁强计个数选择、数据协议选择、光源参数设置、激励信号幅度设置、磁强计工作流程及参数设置、文本文件存储功能设置，每个功能通过参数框和
按钮实现。
25.此外，在本发明中，测控组件还包括显示模块，显示模块用于实现数据处理及存储模块的数据处理结果的实时显示，包括数值框、图形显示。控制模块可根据显示模块中显示的色散曲线的形状实时调整控制激励信号的幅度和扫频范围，使测量精度最大化，即得出合适的扫频范围和激励信号幅度。具体地，当色散曲线形状为中心对称的图形时，表示激励信号幅度、扫频范围设置合理，若不对称，需调整激励信号幅度和扫频范围；调整激励信号幅度可使色散曲线的波峰波谷差值变化，当差值最大时，表示线宽测量精度最高，此时的测量结果较可信。
26.为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对本发明所提供的原子磁强计线宽在线测控系统进行详细说明。
27.如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，该原子磁强计线宽在线测控系统包括信号处理组件和测控组件，测控组件包括测控终端及上位机测控软件，测控终端运行上位机测控软件，完成原子磁强计线宽实时解算显示、发送控制指令等功能。信号处理组件包括信号处理电路和信号处理软件，信号处理电路运行信号处理软件，完成核磁共振信号采集预处理、扫频激励信号生成输出以及与上位机测控软件通信等功能。
28.测控终端可以是台式机、笔记本或平板电脑，运行操作系统，上位机测控软件可由labview实现，包括流程控制模块、指令模块、数据收发模块、数据处理及存储模块和显示模块。流程控制模块将上述模块按照顺序进行执行，数据收发模块与信号处理电路交互，指令模块将前面板指令按钮、数据参数等组帧，形成指令帧，可完成连接设置、磁强计个数选择、数据协议选择、光源参数设置、激励信号幅度设置、磁强计工作流程及参数设置、文本文件存储功能设置，每个功能通过参数框和按钮实现，其中，连接设置包括选择串口、设置波特率；磁强计个数选择包括可以连接多个磁强计，并选择当前测控的磁强计；数据协议选择包括选择输出传输的频率(20hz或200hz)，传输的内容(信号幅度、测量磁场值、产品温度、产品参数等)；光源参数设置包括可以更改原子磁强计的激光器的温度、电流及pid控制参数；激励信号幅度设置包括可以更改激励信号的幅度，此幅度可影响测量精度；磁强计工作流程及参数设置包括：可选择磁强计工作在自动模式或手动模式，是否启动磁场测量、线宽测量等功能；文本文件存储功能设置包括选择存储文件夹、更改文件名、是否重新存储、是否停止存储等。
29.数据处理及存储模块完成数据处理及存储，完成线宽实时计算功能，线宽计算取核磁共振信号幅度波峰波谷值所对应的的频率点之差，即线宽＝|波峰对应的频率值-波谷对应的频率值|，同时将数据处理结果实时存储至文本文件，并传递至显示模块，实时显示色散曲线。显示模块完成数据处理结果的实时显示，包括数值框、图形显示。上位机测控软件为控制模块，测控软件可根据色散曲线形状实时调整控制激励信号的幅度和扫频范围使测量精度最大化，即得出合适的扫频范围和激励信号幅度。
30.信号处理电路运行信号处理软件，数据收发模块以固定频率(1khz)向上位机发送数据预处理结果，并可实时接收上位机发送的指令帧。信号处理电路软件由c语言实现，包括流程控制模块、数据收发模块、指令解析模块、激励控制模块和信号预处理模块，信号处理电路可以传输核磁共振信号幅度值、相位、当前激励信号的频率及相位，上位机以幅度值
为纵坐标、频率值为横坐标画出色散曲线。流程控制模块将上述模块按照顺序进行执行，信号处理电路可根据指令完成相应功能；数据收发模块与上位机测控软件交互，指令解析模块完成主机控制指令解析，激励控制模块产生设定幅度、频率的正弦电压激励信号，输出至原子磁强计表头；信号预处理模块完成核磁共振信号锁相解算与滤波等处理。信号预处理模块可将采集到的核磁共振电压信号进行预处理，包括前置带通滤波、参考信号频率相位计算、核磁共振信号相关解算、后置低通滤波。前置带通滤波一是对采集的磁强计原始共振信号进行滤波，二是对回采的激励信号进行滤波；滤波后只保留扫频范围内的信号。
31.测控终端与信号处理电路使用rs232或rs422串口进行通讯，rs232串口波特率为115200bps，rs422串口波特率为921600bps；两者按照规定的数据传输协议进行握手；测控软件可实时接收解析信号处理电路发送的数据帧，得到预处理后的核磁共振信号幅度值，并可根据测试结果发送控制指令。
32.根据本发明的另一方面，提供了一种原子磁强计线宽在线测控方法，该原子磁强计线宽在线测控方法使用如上所述的原子磁强计线宽在线测控系统进行线宽在线测控。该原子磁强计线宽在线测控方法包括：计算获取参考信号的第一频率点、第二频率点和第三频率点的粗略频率值；基于参考信号的第一频率点、第二频率点和第三频率点的粗略频率值计算获取第一频率点、第二频率点和第三频率点的实部和虚部；根据第一频率点、第二频率点和第三频率点的实部和虚部计算获取参考信号的精确频率和相位；基于参考信号精确频率和相位计算获取共振信号的幅度和相位。
33.应用此种配置方式，提供了一种原子磁强计线宽在线测控方法，该方法通过测控组件完成原子磁强计线宽实时解算显示、发送控制指令等功能，通过信号处理电路完成核磁共振信号采集预处理、扫频激励信号生成输出以及与上位机测控组件通信等功能，能够实现在任意环境下实时进行原子磁强计线宽测试及控制，此种方式测试简单且测试效率高。此外，通过此种测控方法实现磁强计线宽计算，能够有效提高线宽计算的精准度和计算效率。
34.具体地，前置带通滤波器带宽为扫频激励信号范围，设为[f1,f2]，激励控制模块产生设定幅度及频率的正弦电压激励信号，激励信号用于使原子磁强计产生共振，参考信号就是回采的激励信号，需要实时计算出参考信号的真实频率和相位，设为freq_ref，phase_ref；核磁共振信号相关解算就是基于参考信号，再解算出原始共振信号的幅度和相位，设为a_sig，phase_sig，设原始共振信号为sin_sig＝a_sig*sin(2*pi*freq_ref+phase_sig)。
[0035]
参考信号经带通滤波后，进行频率相位计算。作为本发明的一个具体实施例，以1ms为时间窗口进行计算，每窗口采样点设为n。首先对采样数据点进行计数，设为index；计算出1ms时间窗口内的正过零点，设为n_zero，正过零点表示：前一时刻原始共振信号的值小于零，当前时刻原始共振信号的值大于等于零。记录最后一个过零点处的采样点计数值，设为index_zero，最后一个过零点处的采样点信号的正负幅值，设为a_pos、a_neg。则每周期(在本实施例中，每周期为1ms)内的信号长度可记为：
[0036]
l＝(l_int-l_int_lst)+(l_res_lst-l_res)
[0037]
l_int＝index_zero-index_zero_lst
[0038]
l_res＝a_pos/(a_pos-a_neg)
[0039]
其中，l_int为任一周期内的信号长度的整数部分，l_res为任一周期内的信号长度的小数部分，l_int_lst为任一周期的上一周期的信号长度的整数部分，l_res_lst为任一周期的上一周期的信号长度的小数部分，index_zero为最后一个过零点处的采样点计数值，index_zero_lst为上一周期的最后一个过零点处的采样点计数值，a_pos为最后一个过零点处的采样点信号的正幅值，a_neg为最后一个过零点处的采样点信号的负幅值。
[0040]
参考信号的第一频率点的粗略频率值可根据fra_0_1＝1000*n_zero*n/l计算获取，参考信号的第二频率点的粗略频率值可根据fra_0_2＝1000*(n_zero-1)*n/l计算获取，参考信号的第三频率点的粗略频率值可根据fra_0_3＝1000*(n_zero+1)*n/l计算获取，其中，n_zero为正过零点，n为各个窗口的采样点个数，l为各个周期内的信号长度。
[0041]
根据以上三个频率点的频率值分别计算获取各个频率点的实部和虚部，分别为：
[0042]
dr1＝sqrt(re_1*re_1+im_1*im_1)；
[0043]
dr2＝sqrt(re_2*re_2+im_2*im_2)；
[0044]
dr3＝sqrt(re_3*re_3+im_3*im_3)；
[0045]
q＝(dr2/dr3-2)/(dr2/dr3+1)+fra_0_1。
[0046]
其中，re_1为第一频率点的实部，im_1为第一频率点的虚部，re_2为第二频率点的实部，im_2为第二频率点的虚部，re_3为第三频率点的实部，im_3为第三频率点的虚部。
[0047]
由此，基于三个频率点的频率值即可计算获取参考信号的精确频率为：
[0048]
freq_ref＝fs*q/n，其中，fs为采样频率，n为1ms时间内的采样点。
[0049]
参考信号的相位为：phase_ref＝atan(im_1/re_1)。上述计算是通过对三个频率点进行fft运算，得到参考信号精确的频率和相位，三个频率点的运算是为了进行估计以提高频率的计算精度。
[0050]
进一步地，在计算获取了参考信号的精确频率和相位后，即可基于参考信号精确频率和相位计算获取共振信号的幅度和相位。在本发明中，基于参考信号精确频率和相位计算获取共振信号的幅度和相位具体包括：根据参考信号精确频率和相位生成标准的正余弦信号；基于标准的正余弦信号计算获取正余弦分量；对正余弦分量进行积化和差公式分解以获取差频分量与和频分量；对差频分量与和频分量进行低通滤波处理以保留差频分量；根据差频分量计算获取共振信号的幅度和相位。
[0051]
具体地，首先根据参考信号的真实频率和相位freq_ref，phase_ref生成标准的正余弦信号，其中，标准的正余弦信号可根据sin_ref＝sin(2*pi*freq_ref+phase_ref)，cos_ref＝cos(2*pi*freq_ref+phase_ref)计算获取，其中，freq_ref为参考信号的精确频率，phase_ref为参考信号的相位。
[0052]
然后，基于标准的正余弦信号，进行相关运算，得出正余弦分量，设为rx_sin，rx_cos。
[0053]
rx_sin＝sin_ref*sin_sig＝sin(2*pi*freq_ref+phase_ref)*a_sig*sin(2*pi*freq_ref+phase_sig)
[0054]
rx_cos＝cos_ref*sin_sig＝cos(2*pi*freq_ref+phase_ref)*a_sig*sin(2*pi*freq_ref+phase_sig)
[0055]
上式经过积化和差公式分解后，可得差频分量与和频分量，对差频分量与和频分量使用低通滤波处理保留差频分量，记为r_sin，r_cos，基于差频分量，计算原始共振信号
的幅度和相位。其中，共振信号的幅度a_sig可根据a_sig＝sqrt(r_sin*r_sin+r_cos*r_cos)计算获取，共振信号的相位phase_sig可根据phase_sig＝arcsin(r_sin/a_sig)计算获取，其中，r_sin和r_cos为差频分量。
[0056]
综上所述，本发明提供了一种原子磁强计线宽在线测控系统，该系统通过测控组件完成原子磁强计线宽实时解算显示、发送控制指令等功能，通过信号处理电路完成核磁共振信号采集预处理、扫频激励信号生成输出以及与上位机测控组件通信等功能，能够实现在任意环境下实时进行原子磁强计线宽测试及控制，此种方式测试简单、测试效率高且测量精度高。
[0057]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0058]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0059]
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。