一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法，其中，所述装置包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振。本发明专利技术可以在解除因使用GPS授时所带来的测量地点限制的同时，很方便地通过多路协同计数方法提高频率测量的精度。此外，按本方法构建的高精度计频装置实现简单、适应性强、灵活度高、电磁兼容好，非常适合于光泵磁力仪等以频率输出测试结果的传感器。

A high precision optical pump magnetometer frequency meter and method based on GPS timing

The invention relates to a high precision optical pumping magnetometer based on GPS timing frequency device and method, wherein, the device comprises successively connected for providing a GPS second pulse signal of GPS receiver, a FPGA board, a frequency calculation module and a correction module and a crystal oscillator, and the FPGA card connection a multiplexer and with the multiplexer and the crystal correction module connected for providing OXCO clock pulse signal. The invention can relieve the limitation of the measuring place caused by the time service of GPS, and conveniently increase the accuracy of frequency measurement by multiplex cooperative counting method. Besides, the high-precision frequency measuring device constructed by this method is simple, adaptable, flexible and well compatible. It is very suitable for optical pump magnetometer and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法
本专利技术涉及一种高精度计频技术，尤其涉及一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法。
技术介绍
高精度的频率测量在计量标定、信号识别以及信号测量等领域一直是各国相关领域专家研究的热点课题，其中对于某些测量结果以频率信息给出的传感器而言，高精度的频率测量方法至关重要，例如目前在磁测量领域应用极广的光泵磁力仪。光泵磁力仪是以原子在磁场作用下的塞曼效应为基础，结合光泵浦作用和磁共振技术精确测量磁场强度的磁力仪，其具有精度高、可小型化的特点，被广泛应用于地球物理勘探、航空磁测绘、军事探测等领域。光泵磁力仪的工作原理为：由光泵作用排列好的原子磁矩，在特定频率的交变电磁场的作用下，又将产生共振吸收作用，打乱原子的排列情况。发生共振吸收现象的电磁场的频率与样品所在点的外磁场强度为比例关系，故测定这一电磁场的频率就可以得到外磁场的值。现有的频率测量装置通常由参考时钟和计数器组成，其中，参考时钟用于提供计频的闸门时间，而计数器则用于在闸门时间内对被测信号和参考时钟计数，从而通过获得的计数值即可经计算获知被测信号的频率，通常基于FPGA来实现。可见，频率测量装置的准确性取决于参考时钟提供闸门时间的准确性以及计数器的分辨率。目前市场上绝大多数的高精度频率计的参考时钟均由高精度的晶振提供，比如恒温晶振、原子钟。但是受成本和体积所限，通常的工程项目中配置原子钟级别的参考时钟是不太现实的，而可选的高精度晶振，其性能则会在相对较短的时间内随工作时间的增加而发生老化，从而导致频率计测量精度下降。此外，在某些特定应用领域，比如航空超导全张量磁梯度测量，用于提供辅助信息的光泵磁力仪，如果其读出电路中存在功耗不低的恒温晶振，会给系统的电磁兼容设计带来诸多设计难题。申请号为201710113556.5的专利技术专利申请提供了一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，该方法在被测时间段的开始与结束点，均由GPS授时信号进行校正，使用了GPS授时信号对频率计的参考频率源进行修正，将频率源误差大幅降低，进而得出由GPS授时信号校正后的准确输出时间，然后再通过计数信息计算精确的频率值，由于GPS授时信号的精度大大超过普通晶振的精度，所以利用该方法实现的频率计，其精度大大超越一般的频率计精度。然而，虽然上述方法能通过GPS授时实现频率测量，但在实际使用时容易受测量地点限制，并且其测量精度也并不理想，原因如下：其一，该测量方法在无法接收到GPS信号的地方或者在GPS信号偶尔丢失时将无法正常工作，而且按该方法设计的频率计输出速率受GPS接收机中秒脉冲最大输出率的影响，这将极大限制其使用范围；其二，受FPGA的架构和性能影响，使用单一来源的参考采样时钟无法满足高精度光泵的测量需求，即，其频率计的测量分辨率低于光泵的测量分辨率。综上所述，现有高精度的频率测量方法在磁测量领域，尤其是光泵磁力仪的测量信息读出方面，无法满足被测信号的测量精度需求，同时安装使用地点也容易受限，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术旨在提供一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置及方法，以提高频率测量的精度，并解除因使用GPS授时、尤其是在GPS信号接收受影响的情况下所带来的测量地点限制。本专利技术之一所述的一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振，其中：所述FPGA板卡配置为：根据一内部本地时钟信号输出N路同频不同相的采样时钟信号；在GPS工作模式下，根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在所述标定时基内根据所述N路采样时钟信号对所述恒温晶振提供的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；所述频率计算模块配置为：一方面，根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；另一方面，根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；所述晶振修正模块配置为：根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振提供的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置中，所述FPGA板卡包括：一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生所述N路采样时钟信号；N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及一与所述N个数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据所述N路采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。在上述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置中，所述多路选择器配置为：当所述GPS接收机正常工作时，向所述FPGA板卡输出所述倍频信号，以使其工作在所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，先向所述FPGA板卡输出所述时基信号，再向所述FPGA板卡输出所述时钟脉冲信号，以使其工作在所述GPS与恒温晶振混合工作模式。本专利技术之二所述的一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频方法，其包括：在GPS工作模式下，执行步骤S1至步骤S2；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，执行步骤S3至步骤S7，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振，其中：所述FPGA板卡配置为：根据一内部本地时钟信号输出N路同频不同相的采样时钟信号；在GPS工作模式下，根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在所述标定时基内根据所述N路采样时钟信号对所述恒温晶振提供的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；所述频率计算模块配置为：一方面，根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；另一方面，根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；所述晶振修正模块配置为：根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振提供的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。...

【技术特征摘要】
1.一种基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述装置包括：依次连接的一用于提供GPS秒脉冲信号的GPS接收机、一FPGA板卡、一频率计算模块和一晶振修正模块，以及一与所述FPGA板卡连接的多路选择器以及一与所述多路选择器和所述晶振修正模块连接的用于提供时钟脉冲信号的恒温晶振，其中：所述FPGA板卡配置为：根据一内部本地时钟信号输出N路同频不同相的采样时钟信号；在GPS工作模式下，根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率可调的倍频信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述倍频信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述GPS秒脉冲信号向所述多路选择器输出一与该GPS秒脉冲信号同相且频率为其整数分之一的时基信号，根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时基信号进行采样和计数以获取标定时基，并在所述标定时基内根据所述N路采样时钟信号对所述恒温晶振提供的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；另一方面根据所述N路采样时钟信号对所述多路选择器输出的所述时钟脉冲信号进行采样和计数以获取计频闸门时间，并在所述计频闸门时间内根据所述N路采样时钟信号对被测信号进行采样和计数以获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；所述频率计算模块配置为：一方面，根据所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率；另一方面，根据所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位计算获得所述恒温晶振的实际工作频率；所述晶振修正模块配置为：根据所述恒温晶振的实际工作频率以及所述恒温晶振提供的标称工作频率获取所述恒温晶振的修正系数，并在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，根据该修正系数对所述被测信号在所述计频闸门时间内的频率进行修正。2.根据权利要求1所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述FPGA板卡包括：一与所述GPS接收机以及所述多路选择器连接的GPS数字锁相环，其接收所述GPS秒脉冲信号，并在所述GPS工作模式下，产生所述倍频信号，在所述GPS与恒温晶振混合工作模式下，产生所述时基信号；N个本地数字锁相环，其同时接收所述内部本地时钟信号并产生所述N路采样时钟信号；N个与所述N个本地数字锁相环一一对应地连接的数字IO端口；以及一与所述N个数字IO端口以及所述多路选择器连接的采样计数模块，其在GPS工作模式下，根据所述N路采样时钟信号和所述倍频信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位；在GPS与恒温晶振混合工作模式下，一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时基信号，获取所述标定时基内所述时钟脉冲信号的整数周期数和不满一个周期的小数位，另一方面根据所述N路采样时钟信号和所述时钟脉冲信号，获取所述计频闸门时间内所述被测信号的整数周期数和不满一个周期的小数位。3.根据权利要求1所述的基于GPS授时的高精度光泵磁力仪计频装置，其特征在于，所述多路选择器配置为：当所述GPS接收机正常工作时，向所述FPGA板卡输出所述倍频信号，以使其工作在所述GPS工作模式；当所述GPS接收机工作异常时，先向所述FPGA板卡输出所述时基信号，再向所述FPGA板卡输出所述时钟脉冲信号，以使其工作在所述GPS与恒温晶振混合工作模式。4.一种基于GPS授时的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍俊，李俊杰，荣亮亮，邱隆清，裴易峰，黎旭东，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31