一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法及电路技术

本发明专利技术提出了一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，测频方法利用等精度测频的原理，采取“粗测+细测”精密测量的方式，“细测”的方式利用量化时延法对标准时钟边沿与待测信号边沿的不同步进行了时间补偿，所述量化延时法采用数字时间内插的方法，克服了模拟内插器硬件复杂的缺陷，测频模块中的各个子系统集成于FPGA中，使得电路易于实现且可靠性高，并且测频的分辨率取决于单位延时单元的延时量，极大程度上提高了磁力仪的测频精度，还可以在既定目标基础上选用相应的器件，降低了改造成本。本发明专利技术还包括一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的电路。

Method and circuit for improving frequency measuring precision of FID signal based on quantizing time delay method

The present invention provides a method to improve the accuracy of frequency measurement of FID signal quantized time delay method based on the principle of frequency measurement method based on precision frequency measurement, adopt the \coarse + fine\ precision measurement, \fine test\ approach using quantized time delay method of clock edge and the signal edge to be measured do not synchronize the time compensation, a method of digital time interpolation of the quantized time delay method overcomes the shortcomings of analog interpolator complex hardware, measuring various subsystems in frequency module integrated in FPGA, the circuit is easy to realize and high reliability, delay time and frequency resolution depends on the unit delay unit that greatly improves the precision of frequency measurement magnetometer, also can choose the corresponding device in the target based on the reduced cost of renovation. The invention also comprises a circuit for improving the frequency measuring accuracy of the FID signal based on the quantized time delay method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法及电路
本专利技术涉及地球弱磁场测量
，特别是涉及一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法及电路。
技术介绍
动态核极化磁力仪具有功耗低、无死区、灵敏度高等特点，在地球物理磁法勘探、地球科学研究、反潜、卫星磁测这些领域得到了普遍应用。动态核极化磁力仪通常包括两种共振系统：电子自旋共振和核磁共振，该仪器利用射频电磁场产生的电子自旋共振和两个共振系统的耦合弛豫作用，将电子自旋共振的能量转移到核磁共振，从而提高了传感器中质子自旋的宏观磁矩，并在偏转磁场的作用下输出FID信号(FreeInductionDecaySingal，自由感应衰减信号)，动态核极化磁力仪通过测量FID信号频率，利用旋磁比计算得到当前的地磁场强度，因此其测频精度直接决定了磁场的测量精度。但在实际应用中，动态核极化磁力仪直接测得的FID信号频率并不高。目前，通常采用基于CPLD(ComplexProgramableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)的多周期同步法提高动态核极化磁力仪FID信号测频精度，或将两种测量功能的磁力仪设计利用单刀双掷开关、配谐电容及不同的极化电路，实现了静态极化测量和动态极化测量的统一，或采用FFT算法(FastFourierTransformAlgorithm，快速傅氏变换算法)和CZT算法(ChirpZ-transform，线性调频Z变换算法)相结合的测频方法，利用FFT算法得到频率粗略值，再由CZT算法进行频谱细化，将传统的时域测量转换到频域测量。但，第一个方法采用的是比较器和CPLD进行测量，没有考虑对时钟边沿不同步的部分进行误差补偿；第二个方法采用的是传统的硬件测量方法，因后期FID信号衰减到后期，信噪比过低，不可避免的会有计数误差；第三个方法采用ADC+FFT+CZT的算法，消除了信噪比过低的计数误差，却也会因信号质量变差，影响测频精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种基于量化时延法提高动态核极化磁力仪FID信号测频精度的电路和方法。本专利技术的实施例提供：一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的电路，包括动态核极化弱磁传感器、高频振荡电路、信号调理电路、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频模块(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)、控制器和存储单元，所述动态核极化弱磁传感器的输入端连接高频振荡电路，所述高频振荡电路激励动态核极化弱磁传感器产生FID信号，所述动态核极化弱磁传感器的输出端连接信号调理电路，所述信号调理电路连接滞回比较器，所述信号调理电路调理动态核极化弱磁传感器输出的FID信号，并将调理后的FID信号输入滞回比较器，所述滞回比较器和晶振电路的输出端均连接FPGA数字测频模块，所述晶振电路输出时基信号，所述滞回比较器输出待测信号，所述FPGA数字测频模块连接控制器，所述控制器连接存储单元，所述FPGA数字测频模块对时基信号和待测信号进行处理，所述控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，并计算FID信号的频率，所述存储单元存储计算结果。进一步，所述FPGA数字测频模块包括控制信号部分、计数部分和误差补偿部分，所述控制信号部分、计数部分和误差补偿部分相互连接，所述控制信号部分、计数部分和误差补偿部分相互连接，所述控制信号部分包括可编程分频器和两个D触发器，所述可编程分频器能够根据实际测试情况调整分频比，所述计数部分包括第一计数器和第二计数器，所述误差补偿部分包括两个时间间隔测量单元，每一时间间隔测量单元均由若干单位延时单元、若干D触发器和锁存器构成，所述单位延时单元连接D触发器，所述D触发器连接锁存器。一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，包括以下步骤：(1)将动态核极化弱磁传感器产生的FID信号经过调理和整形，转换为待测信号；(2)将时基信号和步骤(1)得到的待测信号分别输入FPGA数字测频模块，所述FPGA数字测频模块通过等精度测频法对时基信号和待测信号进行处理；(3)通过控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，并对步骤(2)处理后的数据进行频率计算和误差补偿，得到FID信号的频率。进一步，所述步骤(1)中，动态核极化弱磁传感器通过高频振荡电路的激励产生FID信号，所述FID信号输入信号调理电路，所述信号调理电路对FID信号进行调理，并将调理后的信号输入滞回比较器，经过滞回比较器的整形后得到待测信号。进一步，所述高频振荡电路产生射频磁场，所述射频磁场使动态核极化弱磁传感器中的电子自旋系统共振，所述动态核极化弱磁传感器内有自由基，通过自由基完成电子系统能量到质子系统能量的转移，再将质子系统能量通过直流脉冲激励以产生FID信号。进一步，所述信号调理电路对动态核极化弱磁传感器输出的FID信号进行放大和滤波调理。进一步，所述步骤(2)中，时基信号由晶振电路输出，所述FPGA数字测频模块的控制信号部分将时基信号通过可编程分频器得到参考闸门信号，所述参考闸门信号通过D触发器同步待测信号得到实际闸门信号，所述实际闸门信号通过另一D触发器同步时基信号得到时基闸门信号，所述时基闸门信号为控制信号；所述FPGA数字测频模块的计数部分将时基信号和实际闸门信号送入第一计数器中，由实际闸门信号脉冲上升沿之后的时基信号的第一个脉冲启动第一计数器计数，实际闸门信号下降沿之后的时基信号的脉冲关闭第一计数器，得到时基信号的脉冲个数；将待测信号和实际闸门信号送入第二计数器中，由实际闸门信号脉冲上升沿之后的待测信号的第一个脉冲启动第二计数器计数，实际闸门信号下降沿之后待测信号的脉冲关闭第二计数器，得到待测信号的脉冲个数；所述FPGA数字测频模块的误差补偿部分的两个时间间隔测量单元均以实际闸门信号作为启动信号，控制信号作为结束信号，一个时间间隔测量单元的D触发器选用上升沿触发，另一时间间隔测量单元的D触发器选用下降沿触发，通过量化时延法计算实际闸门时间。进一步，所述实际闸门信号的边沿与时基信号的边沿不同步的部分采用量化时延法计算误差补偿时间，所述实际闸门信号的边沿与时基信号的边沿同步的部分直接采用第一计数器对时基信号进行测量，第二计数器对待测信号进行测量。进一步，所述量化时延法计算实际闸门时间包括以下步骤：确定启动脉冲信号在传播过程中经过的延迟链中的延迟单元和延时量；启动脉冲信号经过每一延迟单元后对停止脉冲信号进行实时采样，当停止脉冲信号从低电平变为高电平时，在有效上升沿下D触发器便锁存了启动脉冲信号到达的具体位置，得到一条n+1位序列码并锁存；对测得的序列码进行分析，测量结果取决于序列码中发生低电平跳变为高电平的最低位所在的位置，此时的数值即为延时单元的个数，可以计算得到时间间隔测量单元的误差补偿时间；通过第一计数器测得的时基信号的脉冲数值和量化延时法测得的信号边沿不同步部分的误差补偿时间得到实际闸门时间，计算公式如下：t＝n1×Tc+(n3-n4)τ式中：t为实际闸门时间，n1为时基信号的脉冲个数，Tc为时基信号周期，n3、n4分别为两个时间间隔测量单元的延时单元个数，τ为延时量。进一步，所述步骤(3)中，FID信号的频率计算公式为：式中：f0为FID信号的频率，n2为待测信号的脉冲个数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的电路，其特征在于，包括动态核极化弱磁传感器、高频振荡电路、信号调理电路、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频模块、控制器和存储单元，所述动态核极化弱磁传感器的输入端连接高频振荡电路，所述高频振荡电路激励动态核极化弱磁传感器产生FID信号，所述动态核极化弱磁传感器的输出端连接信号调理电路，所述信号调理电路连接滞回比较器，所述信号调理电路调理动态核极化弱磁传感器输出的FID信号，并将调理后的FID信号输入滞回比较器，所述滞回比较器和晶振电路的输出端均连接FPGA数字测频模块，所述晶振电路输出时基信号，所述滞回比较器输出待测信号，所述FPGA数字测频模块连接控制器，所述控制器连接存储单元，所述FPGA数字测频模块对时基信号和待测信号进行处理，所述控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，并计算FID信号的频率，所述存储单元存储计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于量化时延法提高FID信号测频精度的电路，其特征在于，包括动态核极化弱磁传感器、高频振荡电路、信号调理电路、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频模块、控制器和存储单元，所述动态核极化弱磁传感器的输入端连接高频振荡电路，所述高频振荡电路激励动态核极化弱磁传感器产生FID信号，所述动态核极化弱磁传感器的输出端连接信号调理电路，所述信号调理电路连接滞回比较器，所述信号调理电路调理动态核极化弱磁传感器输出的FID信号，并将调理后的FID信号输入滞回比较器，所述滞回比较器和晶振电路的输出端均连接FPGA数字测频模块，所述晶振电路输出时基信号，所述滞回比较器输出待测信号，所述FPGA数字测频模块连接控制器，所述控制器连接存储单元，所述FPGA数字测频模块对时基信号和待测信号进行处理，所述控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，并计算FID信号的频率，所述存储单元存储计算结果。2.根据权利要求1所述的基于量化时延法提高FID信号测频精度的电路，其特征在于，所述FPGA数字测频模块包括控制信号部分、计数部分和误差补偿部分，所述控制信号部分包括可编程分频器和两个D触发器，所述可编程分频器能够根据实际测试情况调整分频比，所述计数部分包括第一计数器和第二计数器，所述误差补偿部分包括两个时间间隔测量单元，每一时间间隔测量单元均由若干单位延时单元、若干D触发器和锁存器构成，所述单位延时单元连接D触发器，所述D触发器连接锁存器。3.根据权利1或2所述的基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将动态核极化弱磁传感器产生的FID信号经过调理和整形，转换为待测信号；(2)将时基信号和步骤(1)得到的待测信号分别输入FPGA数字测频模块，所述FPGA数字测频模块通过等精度测频法对时基信号和待测信号进行处理；(3)通过控制器读取FPGA数字测频模块的处理结果，并对步骤(2)处理后的数据进行频率计算和误差补偿，得到FID信号的频率。4.根据权利要求3所述的基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，动态核极化弱磁传感器通过高频振荡电路的激励产生FID信号，所述FID信号输入信号调理电路，所述信号调理电路对FID信号进行调理，并将调理后的信号输入滞回比较器，经过滞回比较器的整形后得到待测信号。5.根据权利要求4所述的基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，其特征在于，所述高频振荡电路产生射频磁场，所述射频磁场使动态核极化弱磁传感器中的电子自旋系统共振，所述动态核极化弱磁传感器内有自由基，通过自由基完成电子系统能量到质子系统能量的转移，再将质子系统能量通过直流脉冲激励以产生FID信号。6.根据权利要求4所述的基于量化时延法提高FID信号测频精度的方法，其特征在于，所述信号调理电路对动态核极化弱磁传感器输出的...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛健，董浩斌，邱香域，刘欢，罗望，李晗，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42