激光共振光泵磁力儀共振信號的研究

激光共振光泵磁力儀共振信號的研究

1磁力儀測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀磁體測量是研究和使用磁體物理過程的重要手段。隨著其的發(fā)展和改進，不同的磁體測量設(shè)備相繼出現(xiàn)。氦光泵磁力儀(4Heopticallypumpedmagnetometer,4HeOPM)是以氦元素原子的能級在磁場中產(chǎn)生塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ),利用光泵作用和磁共振技術(shù)研制而成的一種高靈敏度的磁測設(shè)備,它具有靈敏度高、磁測范圍大、可連續(xù)測量等特點,目前在地球物理研究、宇宙空間磁測、軍事國防、礦藏探測等方面均獲得廣泛應(yīng)用。氦光泵磁力儀測量發(fā)生磁共振時,即透過氦吸收室的光線最弱時射頻場的頻率,通過該頻率與被測磁場間的線性關(guān)系來實現(xiàn)測磁功能。其檢測控制回路是利用低頻調(diào)制信號來實現(xiàn)系統(tǒng)的磁測及對磁場的跟蹤。在氦光泵磁力儀測磁的共振區(qū)內(nèi),基頻調(diào)制信號和二倍頻信號是同時存在的,但在目前國內(nèi)外所研制的氦光泵磁力儀中只應(yīng)用基頻調(diào)制信號對磁場進行跟蹤,二倍頻信號是作為無用信號而被抑制的,此時如果外磁場的變化超出磁共振的正常跟蹤區(qū),基頻調(diào)制信號就會迅速變小致使系統(tǒng)難以重新快速地找到共振點。針對此問題,本文著重研究了氦光泵磁力儀基頻調(diào)制信號和二倍頻信號的特征及關(guān)系,并將二倍頻信號應(yīng)用到氦光泵磁力儀的檢測控制回路中,利用其幅值特性實現(xiàn)了共振點的快速定位,為光泵磁力儀性能的提升提供了有效方法。2共振區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)學(xué)模型曲線氦光泵磁力儀通過測量光敏元件上的光強度最弱時(即磁共振時)的射頻頻率來得到被測磁場值,當(dāng)外磁場變化時,快速地改變射頻磁場的頻率,使之始終維持透過吸收室的光線最弱,這樣就可達到跟蹤外磁場的目的。光泵磁力儀磁共振光學(xué)吸收信號的表達式為:JZ=J0(1?γ2H12τ1τ21+γ2H12τ1τ2+(ω?γH0)2τ22)(1)JΖ=J0(1-γ2Η12τ1τ21+γ2Η12τ1τ2+(ω-γΗ0)2τ22)(1)式中:γ為氦原子的旋磁比,τ1為縱向馳豫時間,τ2為橫向馳豫時間,H1為射頻場,H0為被測磁場,ω為射頻場的頻率。圖1為共振曲線的數(shù)學(xué)模型曲線,其為洛倫茲線形,曲線的最低點為磁共振點,此時光敏元件上接收到的光強最弱,共振線寬越窄,中心頻率就確定的越準(zhǔn),對外磁場的變化也就越敏感。在共振區(qū)外部,由于氦光泵磁力儀中的氦吸收室對氦泵浦光的吸收作用較弱,故透過吸收室的光強很強,光敏元件上接收到的光強較大且較為平穩(wěn),如圖1所示。氦光泵磁力儀檢測控制回路是利用低頻調(diào)制信號來完成系統(tǒng)的磁測及對磁場的跟蹤。在整個共振區(qū)范圍內(nèi),起主要作用的低頻調(diào)制信號是基頻調(diào)制信號和二倍頻信號。對磁共振光學(xué)信號進行一階導(dǎo)處理,得到基頻調(diào)制信號的模型曲線,如圖2所示。從圖中可見,基頻信號幅值曲線呈對稱狀分布;在共振區(qū)外部,基頻信號幅值很小,趨近于零;在共振區(qū)內(nèi)部,基頻信號幅值變化明顯,有2個對稱的峰值點,分別位于共振曲線正、負(fù)斜率最大處;在共振點處,基頻信號幅值變?yōu)榱?基頻信號消失。這說明,在磁共振點處和共振區(qū)外部時,基頻信號幅值都為零,這使得外磁場的變化一旦超出共振區(qū)范圍,系統(tǒng)需要在大范圍內(nèi)對共振區(qū)進行重新搜索,即系統(tǒng)難以重新快速的定位共振點。對磁共振光學(xué)信號進行二階導(dǎo)處理,得到二倍頻信號的模型曲線,如圖3所示。從圖中可見,二倍頻信號幅值曲線以共振點處呈對稱分布;在共振區(qū)外部,二倍頻信號幅值非常小,趨近于零;在共振區(qū)內(nèi)部,二倍頻信號幅值有1個主峰值點和2個對稱的零值點,2個零值點分別位于共振曲線的正、負(fù)斜率最大處,與基頻調(diào)制信號曲線的2個峰值相對應(yīng);在共振點處,二倍頻信號幅值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他處值,達到最大。由于在共振點處和共振區(qū)外部,二倍頻信號的幅值完全不同,可以利用二倍頻信號的這一特性來實現(xiàn)共振點的快速定位。圖4將磁共振曲線、基頻信號幅值曲線及二倍頻信號幅值曲線、結(jié)合到同一坐標(biāo)下,從中可以更好地觀察到各個曲線之間的對應(yīng)關(guān)系。其中最為顯著的特征是:在共振區(qū)外,基頻信號和二倍頻信號幅值都為零;在共振點處,基頻信號為零,二倍頻信號幅值達到最大。3相敏檢測系統(tǒng)的設(shè)計本文設(shè)計的氦光泵磁力儀信號檢測系統(tǒng)如圖5所示。光敏器件接收到的透射光信號首先經(jīng)程控增益放大器進行放大,后分別送至基頻和二倍頻選頻器選擇出基頻調(diào)制信號和二倍頻信號,兩路信號經(jīng)進一步放大后由相敏檢波器提取出其幅值,送入A/D進行處理,相關(guān)的參考信號、控制信號以及射頻輸出信號由FPGA提供(見圖5)。系統(tǒng)中設(shè)計的程控放大器如圖6所示,其是由低噪聲儀用放大器AD620和數(shù)控電位器X9319組成的,該數(shù)字電位器由包含99個電阻單元的電阻陣列和一個滑動開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成,在氦光泵磁力儀信號檢測系統(tǒng)中采用程控增益放大器的優(yōu)點在于可以在光敏元件的輸出端對信號的大小做出及時調(diào)整,方便信號的后續(xù)處理。選頻器完成對基頻調(diào)制信號和二倍頻信號的選頻工作,是系統(tǒng)中的主要單元,可通過帶通濾波器來實現(xiàn)此功能。本系統(tǒng)采用高性能雙通道濾波模塊LTC1060來進行設(shè)計。系統(tǒng)中所采用的基頻調(diào)制信號頻率為1kHz、二倍頻頻率為2kHz,故將該雙通道選頻器的中心頻率分別設(shè)計為1kHz和2kHz,其中基頻選頻器的帶寬為50Hz,二倍頻選頻器的帶寬為100Hz,均為2階,如圖7所示。相敏檢測器是系統(tǒng)的核心部分,其功能是提取信號的幅值,它能從較強的噪聲中提取有用信號,從而使測量精度大幅提高。考慮到由分離式元件和運放搭建的開關(guān)式相敏檢測器性能一般,本文采用專用芯片-高精度平衡調(diào)制器AD630對相敏檢測器進行設(shè)計,如圖8所示。相敏檢測器提取出基頻調(diào)制信號和二倍頻信號的幅值,送入A/D進行處理,A/D采用20位∑-△型AD7703,相敏檢測器的參考信號,A/D的控制信號以及系統(tǒng)的射頻輸出信號由FPGA提供,這樣即可完成對氦光泵磁力儀信號的有效檢測。4共振狀態(tài)下的磁場為了驗證光泵磁力儀信號的理論分析,深入研究信號之間的關(guān)系,需對上述的各種信號進行測試。所用測試儀器為RIGOL-DS1102CD數(shù)字示波器,Tektronix-TDS2012示波器。圖9給出了系統(tǒng)的實測共振曲線。其中圖9(a)為用大掃頻法測得的氦光泵磁力儀的共振曲線,由于共振信號非常弱,這里將其放大約1600倍。所用頻偏為10kHz,步進為100Hz。共振曲線的最低點即為磁共振處,此時該處對應(yīng)的磁場值約為45392nT,共振曲線的共振線寬約為200nT。圖9(b)為在該共振區(qū)域附近對共振曲線進行連續(xù)掃描,掃描的頻率范圍為1.2～1.4MHz,可見對于當(dāng)時所測磁場值,該共振曲線始終在此范圍內(nèi)。圖10為該系統(tǒng)檢測到的在共振區(qū)內(nèi)外基頻(1kHz)與二倍頻(2kHz)信號幅值的變化情況,圖中分別顯示出基頻與二倍頻信號。圖10(a)為在共振區(qū)外部,此時基頻與二倍頻信號的幅值都非常小,近于零值。圖10(b)為共振曲線的負(fù)斜率最大處,此時基頻信號的幅值最大,二倍頻信號的幅值近于零,經(jīng)放大200倍后基頻信號的峰峰值達15.2V。圖10(c)為共振曲線的正斜率最大處,此時與圖10(b)相同,基頻信號的幅值最大,二倍頻信號的幅值近于零。圖10(d)為在共振區(qū)內(nèi)部的共振點處,此時基頻信號的幅值接近于零,二倍頻信號的幅值最大,二倍頻信號經(jīng)放大100倍后其峰峰值達12.6V,此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài),磁力儀所顯示的磁場值就是該共振態(tài)下的磁場大小。從以上對圖10中實測信號的分析,可看出該檢測系統(tǒng)對基頻和二倍頻信號的檢測結(jié)果與理論分析中的模型曲線是一致的。這進一步說明利用二倍頻信號在共振區(qū)外幅值為零、在共振點處幅值達到最大的這一特性來實現(xiàn)共振點的快速定位是可行的。5實際檢測結(jié)果本文研究了氦光泵磁力儀中共振曲線,基頻調(diào)制信號和二倍頻信號的特征及關(guān)系,繪制出其數(shù)學(xué)模型曲線。利用鎖