一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,包括光电探测器，光电探测器连接信号放大电路，信号放大电路连接可控移相器和滞回比较器，信号放大电路对光电探测器输入的拉莫尔频率信号进行放大处理得到电压信号，并将电压信号分为第一路电压信号和第二路电压信号，第一路电压信号输入可控移相器，第二路电压信号输入滞回比较器，滞回比较器和晶振电路的输出端均连接FPGA数字测频系统，FPGA数字测频系统连接控制器，控制器连接DA转换模块，DA转换模块连接可控移相器。本发明专利技术还公开了一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿方法。本发明专利技术的自动相位补偿克服了传统RC移相器移相频带窄、精度低的特点，性能稳定，无须手动调节。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统和方法
本专利技术涉及地球弱磁场测量
，尤其涉及一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统和方法。
技术介绍
铯光泵信号主要是基于塞曼效应和光磁共振的原理来实现对外磁场的测量，当发生光磁共振现象时，自激振荡回路中会产生拉莫尔频率信号，通过自激振荡回路对拉莫尔频率信号进行提取放大，并且调节射频线圈产生的射频场的频率与相位，待稳定工作后测量拉莫尔信号频率，利用旋磁比计算得到当前的地磁场强度，而在正常工作时，整个自激振荡回路中整体相位严格要求为零，其1°的相位差将会引起1Hz共振频率的变化，再通过共振频率与外磁场的关系，其1°的相位差将直接对外磁场测量造成0.3nT的测量误差，这也直接影响了对于外磁场的精确测量，铯光泵信号与其他种类信号相比，该信号具有无零点漂移，可连续测量，无须严格定向等优点，主要应用于空间探测、地球物理勘探以及磁异常探测，在探测未爆炸物(UXO)、考古研究以及其他基础科学领域也起着重要作用。目前，对外磁场的测量通常采用一种优化的铯光泵弱磁检测装置的设计，信号经前置放大电路器后，将自激振荡模块所对应的工作频率范围分为4个波段，再对不同频率的信号进行放大处理，接着经RC移相电路进行相位补偿后激励吸收室上的高频线圈产生射频场，使自激振荡回路处于稳定自激振荡状态并输出拉莫尔频率信号；或采用一种自激式铯-133元素光泵信号的设计，由低噪声前置放大电路器和后级驱动器共同构成自激振荡回路。第一种设计采用的是传统的RC移相电路，其相移随着信号频率的增加是逐渐递减的，需要手动调节电阻或电容的值来实现对不同频率的信号进行稳定的相位补偿，移相精度不高，并且移相频带非常窄，其1°的移相误差将会引起1Hz共振频率的变化，对共振频率的测量影响较大，最终影响对外磁场的精确测量，第二种设计没有采用相位补偿，对共振频率的测量精度不高，直接影响对外磁场的测量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种克服了传统RC移相电路移相频带窄、精度低以及不能自动调节的缺点，通过对信号频率的跟踪来自动对不同频率的信号进行稳定的相位补偿，极大程度提高了移相的精度，保证了对外磁场的精确测量的基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统和方法。本专利技术的实施例提供一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,包括光电探测器、信号放大电路、可控移相器、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频系统、控制器和DA转换电路，所述光电探测器连接信号放大电路，所述信号放大电路连接可控移相器和滞回比较器，所述信号放大电路对光电探测器输入的拉莫尔频率信号进行放大处理得到电压信号，并将电压信号分为第一路电压信号和第二路电压信号，所述第一路电压信号输入可控移相器，所述第二路电压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数字测频系统，所述第二路电压信号经滞回比较器整形后得到待测信号，所述待测信号输入FPGA数字测频系统，所述晶振电路输出时基信号，并将时基信号输入FPGA数字测频系统，所述FPGA数字测频系统连接控制器，所述控制器连接DA转换模块，所述DA转换模块连接可控移相器，所述FPGA数字测频系统对待测信号和时基信号进行数据处理，所述控制器读取数据处理结果，并根据数据处理结果计算拉莫尔频率信号的频率，所述控制器根据拉莫尔频率信号的频率控制DA转换模块输出控制电压信号至可控移相器，所述控制电压信号加载在所述第一路电压信号上，对所述第一路电压信号进行相位补偿。进一步，所述可控移相器包括一跨导放大器和一电流反馈运算放大器，所述跨导放大器连接DA转换模块，所述电流反馈运算放大器连接跨导放大器，所述跨导放大器的增益可控，所述DA转换模块将控制电压信号输入跨导放大器，所述跨导放大器和电流反馈运算放大器根据控制电压信号依次对所述第一路电压信号进行稳定的相位补偿。进一步，所述可控移相器连接射频线圈，所述可控移相器输出稳定的电压信号至射频线圈。进一步，所述信号放大电路包括前置放大电路和后级放大电路，所述前置放大电路连接光电探测器，所述后级放大电路连接前置放大电路，所述可控移相器和滞回比较器均连接后级放大电路；所述DA转换模块包括一能直接输出负电压的16位的DA转换芯片，所述控制器为STM32控制器。进一步，所述信号自动相位补偿系统还包括相位检测电路，所述相位检测电路包含两个精密匹配的宽带对数放大器，两个宽带对数放大器测量第一路电压信号输入和输出可控移相器时的相位差。进一步，所述相位检测电路的相位差检测范围是0°～180°，所述相位检测电路的相位差对应的输出电压范围0V～1.8V，所述相位检测电路的输出电压灵敏度为10mV/度，所述相位检测电路的测量误差小于0.5°，当所述第一路电压信号输入和输出可控移相器时的相位差在-180°～0°变化时，所述相位检测电路的相位差的检测结果通过0V～1.8V的电压值来表示的，所述电压值与相位差呈线性关系。一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿方法，包括以下步骤：(1)将拉莫尔频率信号进行调理放大，得到电压信号；(2)将电压信号分成第一路电压信号和第二路电压信号，所述第一路电压信号输入可控移相器，所述第二路电压信号经整形后得到拉莫尔频率信号的频率；(3)控制器根据步骤(2)得到的拉莫尔频率信号的频率控制DA转换模块输出的控制电压信号，所述控制电压信号输入可控移相器，并加载在第一路电压信号上，即实现对第一路电压信号的稳定相位补偿。进一步，所述步骤(1)中，拉莫尔频率信号先经前置放大电路，再经后级放大电路得到电压信号。进一步，所述步骤(2)中，第二路电压信号经滞回比较器整形后得到待测信号，将待测信号输入FPGA数字测频模块，同时，将时基信号经晶振电路输入FPGA数字测频模块，所述FPGA数字测频模块通过多周期同步测频法对待测信号和时基信号进行数据处理，并将数据处理结果输入控制器，所述控制器对数据处理结果进一步处理后得到拉莫尔频率信号的频率，所述控制器根据拉莫尔频率信号的频率控制DA转换模块输出控制电压信号至可控移相器。进一步，FPGA数字测频模块通过多周期同步测频法对待测信号和时基信号进行数据处理的方法为：所述控制器给出闸门开始信号后，所述FPGA数字测频模块检测到待测信号的上升沿时，FPGA数字测频模块的第一计数器和第二计数器分别开始对待测信号和时基信号的脉冲个数进行计数，当控制器给出闸门关闭信号后，所述FPGA数字测频模块检测到待测信号的下降沿时，结束计数，完成一次测量过程，参考闸门时间与实际闸门时间相等，则可得到待测频率为：式中：fx为拉莫尔频率信号的频率，Nx为待测信号的脉冲个数，Ns为时基信号的脉冲个数，fs为时基信号的频率。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的自动相位补偿克服了传统RC移相器移相频带窄、精度低的特点，并且结构简单，性能稳定；2、本专利技术的自动相位补偿能自动跟踪待测信号的频率，对不同频率的信号进行稳定的相位补偿，无须手动调节；3、本专利技术自动相位补偿的移相精度能够根据实际情况对相应的软件搭接及芯片选择做出调整，降低了后期升级改造成本。附图说明图1是本专利技术一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统的结构示意图。图2是本专利技术一种基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，包括光电探测器、信号放大电路、可控移相器、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频系统、控制器和DA转换电路，所述光电探测器连接信号放大电路，所述信号放大电路连接可控移相器和滞回比较器，所述信号放大电路对光电探测器输入的拉莫尔频率信号进行放大处理得到电压信号，并将电压信号分为第一路电压信号和第二路电压信号，所述第一路电压信号输入可控移相器，所述第二路电压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数字测频系统，所述第二路电压信号经滞回比较器整形后得到待测信号，所述待测信号输入FPGA数字测频系统，所述晶振电路输出时基信号，并将时基信号输入FPGA数字测频系统，所述FPGA数字测频系统连接控制器，所述控制器连接DA转换模块，所述DA转换模块连接可控移相器，所述FPGA数字测频系统对待测信号和时基信号进行数据处理，所述控制器读取数据处理结果，并根据数据处理结果计算拉莫尔频率信号的频率，所述控制器根据拉莫尔频率信号的频率控制DA转换模块输出控制电压信号至可控移相器，所述控制电压信号加载在所述第一路电压信号上，对所述第一路电压信号进行相位补偿。...

【技术特征摘要】
1.一种基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，包括光电探测器、信号放大电路、可控移相器、滞回比较器、晶振电路、FPGA数字测频系统、控制器和DA转换电路，所述光电探测器连接信号放大电路，所述信号放大电路连接可控移相器和滞回比较器，所述信号放大电路对光电探测器输入的拉莫尔频率信号进行放大处理得到电压信号，并将电压信号分为第一路电压信号和第二路电压信号，所述第一路电压信号输入可控移相器，所述第二路电压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数字测频系统，所述第二路电压信号经滞回比较器整形后得到待测信号，所述待测信号输入FPGA数字测频系统，所述晶振电路输出时基信号，并将时基信号输入FPGA数字测频系统，所述FPGA数字测频系统连接控制器，所述控制器连接DA转换模块，所述DA转换模块连接可控移相器，所述FPGA数字测频系统对待测信号和时基信号进行数据处理，所述控制器读取数据处理结果，并根据数据处理结果计算拉莫尔频率信号的频率，所述控制器根据拉莫尔频率信号的频率控制DA转换模块输出控制电压信号至可控移相器，所述控制电压信号加载在所述第一路电压信号上，对所述第一路电压信号进行相位补偿。2.根据权利要求1所述的基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，所述可控移相器包括一跨导放大器和一电流反馈运算放大器，所述跨导放大器连接DA转换模块，所述电流反馈运算放大器连接跨导放大器，所述跨导放大器的增益可控，所述DA转换模块将控制电压信号输入跨导放大器，所述跨导放大器和电流反馈运算放大器根据控制电压信号依次对所述第一路电压信号进行稳定的相位补偿。3.根据权利要求1所述的基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，所述可控移相器连接射频线圈，所述可控移相器输出稳定的电压信号至射频线圈。4.根据权利要求1所述的基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，所述信号放大电路包括前置放大电路和后级放大电路，所述前置放大电路连接光电探测器，所述后级放大电路连接前置放大电路，所述可控移相器和滞回比较器均连接后级放大电路；所述DA转换模块包括一能直接输出负电压的16位的DA转换芯片；所述控制器为STM32控制器。5.根据权利要求1所述的基于频率跟踪的铯光泵信号自动相位补偿系统,其特征在于，所述信号自动相位补偿系统还包括相位检测电路，所述相位检测电路包含两个精密匹配的宽带对数放大器，两个宽带对数放大器测量第一路电压信号输入和输出可控移相器时的相位差。6.根据权利要求5所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：董浩斌，黄跃飞，葛健，郭培培，罗望，胡舒婷，邱香域，李瑞鹏，
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