一种Mz型光泵磁强计输出信号处理系统

技术领域

本发明涉及地磁测量传感器领域，具体涉及一种Mz型光泵磁强计输出信号处理系统。

背景技术

光泵磁强计(OPM)是一种高灵敏度的磁场测量仪器，它利用激光激发原子或离子的电子状态，然后通过检测其光学性质的变化来测量周围磁场的强度。OPM的工作原理基于原子或离子在磁场中的光学响应，磁场会影响它们的电子跃迁频率，并且与磁场强度成正比。这种技术具有较高的灵敏度，可测量微弱磁场如地磁场，广泛应用于科学研究、地质勘探、医学诊断等领域。与传统电子磁强计相比，OPM抗外部干扰的能力更强，因此在高噪声环境中表现更为出色。在Mz型光泵磁强计系统的测量过程中，射频磁场的频率与相位必须严格对应才能确保测量精度，所以常见的Mz型光泵磁强计输出信号处理方法是使用锁相放大器对磁强计的输出光强信号进行处理，提取出光强信号的最低点，此时射频磁场的频率即可以表征外界磁场的频率。

发明内容

本发明在上述背景的基础之上，提出了一种新型的Mz型光泵磁强计输出信号处理系统，利用频率-电压转换电路和采样保持电路，将表征磁场强度的频率信号转换为直流电压信号直接输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种Mz型光泵磁强计输出信号处理系统，包括：射频模块、F-V转化模块、锁定模块和光电转换模块；

所述射频模块用于施加射频磁场；

所述F-V转化模块用于将所述射频磁场的射频信号转化为第一电压信号，并搜索光强信号最弱的时刻；

所述锁定模块用于锁定所述光强信号最弱的时刻；

所述光电转换模块用于将光强信号以电压信号的方式表示。

优选的，所述射频模块采用射频信号激励线圈的方式来施加垂直于抽运光方向的所述射频磁场。

优选的，所述F-V转换模块包括F-V转换电路，所述F-V转换电路包括：积分器、比较器和单稳态电路；所述F-V转换电路的工作流程包括：输入信号连接至所述比较器的负端，与零电压进行比较，控制所述单稳态电路的工作状态；当输入信号电压值下降至小于0时，所述比较器输出高电平，所述单稳态电路被触发；所述单稳态电路的输出控制着所述积分器负输入端的开关，开关闭合时，1mA电流源接入电路，通过所述积分器改变输出端的电压。

优选的，所述F-V转换电路中的输入信号在每个周期内电压值小于的时间不能大于所述单稳态电路的周期，并满足：

t＝0.1T

其中，T表示信号周期；t表示信号每周期内电压值小于0的时间。

优选的，通过对输入与输出之间进行校准，来提升频率测量精度；设定扫频信号的下限频率为a，上限频率为b，当输入下限频率时F-V转换电路输出的电压值为x，输入上限频率时F-V转换电路输出的电压值为y，建立输入频率F

完成将所述射频磁场的射频信号转化为第一电压信号。

优选的，所述光电转换模块通过光电二极管将输出光强转换为电压信号，输出方向向下的序列型尖峰信号，尖峰的最低点即代表磁共振频率的时刻点。

优选的，所述锁定模块包括采样保持电路，所述采样保持电路的工作流程包括：通过触发信号V

优选的，所述锁定模块还包括：调偏电路和调幅电路，用于依次对所述光电转换模块的输出信号进行调理，使序列尖峰信号的最低点电压刚好低于阈值电压V

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明利用频率-电压转换电路和采样保持电路，将表征磁场强度的频率信号转换为直流电压信号直接输出，确保测量精度的同时非常方便于后续的信号测量及处理，并且能够降低系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例系统处理输出信号的工作流程图；

图2为本发明实施例系统电路的示意图；

图3为本发明实施例Mz型光泵磁强计工作过程中的输出光强信号示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在进行说明之前，首先介绍一下Mz型光泵磁强计的工作原理。

Mz型光泵磁强计主要由激光光源、原子气室、光学检测系统和信号处理电路构成。其利用被特定频率圆偏振抽运光极化的高密度热原子来进行测量。在与抽运光方向一致的外磁场作用下，热原子会进行拉莫尔进动，其进动频率与外磁场成正比，具体关系为：

ω＝γB

其中，γ是原子的旋磁比，对特定种类的原子而言是一个常量。

射入气室的圆偏振光会与原子发生抽运作用，将所有原子的状态抽运到某个特定的能级上。此时，在外界磁场导致的塞曼能级分裂跃迁频率，即原子的拉莫尔进动频率附近，通过外加线圈扫描射频频率，当射频频率与塞曼跃迁频率越来越接近时，碱金属原子即会吸收一部分射频能量从而导致部分原子回到初始状态上，进而导致透射过原子气室的激光光强减弱，该现象称为磁共振。若通过光电二极管探测光强，即可以得到该磁共振信号，其表现为时序上的系列吸收峰。在实际测量时，会在垂直于抽运光的方向施加射频磁场，当磁场频率与原子拉莫尔进动频率一致时发生磁共振，此时输出光强达到最低，从而达到测量外界磁场的目的。

磁共振信号吸收峰的质量对光泵磁强计的测量性能至关重要。吸收峰的线宽Δf

其中，γ是原子的旋磁比，γ

其中，M

基于上述Mz型光泵磁强计工作原理，本实施例设计了一种Mz型光泵磁强计输出信号处理系统，包括：射频模块、F-V转化模块、锁定模块和光电转换模块。其中，射频模块用于施加射频磁场；F-V转化模块用于将所述射频磁场的射频信号转化为第一电压信号，并搜索光强信号最弱的时刻；锁定模块用于锁定光强信号最弱的时刻；光电转换模块用于将光强信号以电压信号的方式表示。

下面将结合本实施例，详细说明本发明如何解决实际生活中的技术问题。

具体工作流程如图1所示。由于需要在垂直于抽运光的方向施加射频磁场，所以射频模块采用射频信号激励线圈的方式来施加射频磁场，因此射频信号的频率即射频磁场的频率。在测量过程中，若以地磁场为测量目标，则磁场值在50000nT左右。以钾原子气室作为敏感元件，其旋磁比γ＝7Hz/nT，则预期的Mz型光泵磁强计磁共振频率约为350KHz。

由于信号的频率是难以直接测量的，所以利用F-V转化模块将信号的频率值转换为第一电压信号便可以大大降低测量难度。F-V转换模块具体为一个F-V转换电路，如图2中F-V转换部分所示，其主要由三部分构成，分别为积分器、比较器和单稳态电路。将射频磁场的输入信号连接至比较器的负端，与零电压进行比较，控制单稳态电路的工作状态。当输入信号电压值下降至小于0时，比较器输出高电平，单稳态电路被触发。单稳态电路的输出控制着积分器负输入端的开关，开关闭合时，1mA电流源接入电路，通过积分器改变输出端的电压。而单稳态电路的周期T

T

C

因此，在设计电路时，首先要选择合适的电容C

V

由于电容C

通过上述描述可知，F-V转换电路对输入信号在每个周期内电压值小于0的时间是有要求的，其不能大于单稳态电路的周期T

t＝0.1T

在实际工作过程中，输入线圈的是频率值线性改变的扫频信号，信号频率在上下限之间来回线性变化，因此在F-V电路的输出端将得到三角波信号。另外，由于电路输出端必然存在误差，为进一步提升频率测量精度，需要对输入与输出之间进行校准。若扫频信号的下限频率为a，上限频率为b，当输入下限频率时F-V转换电路输出的电压值为x，输入上限频率时F-V转换电路输出的电压值为y，则可以建立输入频率F

至此便将输入信号的频率值(射频磁场的射频信号)转换为了模拟电压信号(第一电压信号)，非常方便于后续采集与处理。

Mz型光泵磁强计工作过程中的输出光强信号如图3所示。根据光泵磁强计的测量原理，需要测量磁强计的磁共振频率，即输出光强最低点时刻的射频磁场频率。因此采用锁定模块来实现这一功能，具体的，锁定模块为一个采样保持电路。首先，光电转换模块采用光电二极管(PDA)将光泵磁强计的输出光强转换为电压信号，由于在磁共振频率附近，光强会开始下降，因此会得到序列型的尖峰信号，方向向下，尖峰的最低点即代表磁共振频率的时刻点。

将扫频方式设置为来回扫频，通过F-V转换电路后即可得到能够表征输入频率的三角波信号，将其作为采样保持电路的输入信号。采样保持电路的工作模式是通过触发信号V

为进一步检测磁强计的磁共振频率，实现磁场测量功能，还需要通过调偏电路和调幅电路依次对PDA的输出信号进行调理，使序列尖峰信号的最低点电压刚好低于阈值电压V

ω＝γB

即可实现对外部磁场的测量。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。