[發明專利]一種鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統

在審

• 申請號: 201910129239.1
• 申請日: 2019-02-21
• 公開（公告）號: CN110554333A
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 楊穎;李醒飛;辛晨明;任淑艷;耿麗清
• 申請（專利權）人: 天津職業技術師范大學(中國職業培訓指導教師進修中心)
• 主分類號: G01R33/26
• 分類號: G01R33/26;G01R35/00
• 代理公司: 12214 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 王海濱

1.一種鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統，其特征在于：包括光電探測器、信號預處理模塊、數據采集模塊、數字控制器模塊以及射頻驅動模塊；

信號預處理模塊由I/V變換、放大及濾波電路組成，信號預處理模塊對光電探測器的輸出的光電流信號進行I/V變換和放大濾波處理；

數據采集模塊包括全差分放大器OPA1632和24位的ADS1271，全差分放大器OPA1632將信號預處理模塊的輸出信號由單端輸入變為雙端輸入至ADS1271；

數字控制器模塊在DSP中實現，其包括數字鎖相器、數字控制器以及數字調頻器，數字鎖相器的輸入信號為數據采集模塊的AD采集信號，數字鎖相器的參考信號是數字調頻器產生的一對正交信號，輸入信號分別與一對正交的參考信號做乘法運算之后得到混頻信號，再通過低通濾波器輸出同相分量I和正交分量Q，I作為數字控制器的輸入信號；

數字調頻器包括相位累加器和波形存儲器兩部分，在一個時鐘周期內，K位頻率控制字與N位相位累加器累加一次；相位累加器的N位加法器實現相位的累加，N位相位寄存器存儲累加結果，當產生溢出時完成一個周期，即數字調頻器的一個頻率周期；波形存儲器包括一對正交序列查找表，所存儲的數據是每一個相位所對應的二進制數字正弦和余弦信號幅值，在每一個時鐘周期內相位累加器輸出的高M位對波形存儲器進行尋址，最后波形存儲器輸出一對正交序列，用于數字鎖相器的參考信號；

數字控制器包括掃頻控制模塊、鎖頻模塊和模式選擇模塊，數字控制器有兩個模式A和B，模式A是開環控制，由掃頻控制模塊生成頻率控制字，每隔一定時間步進一次，控制數字調頻器輸出一定頻率范圍內的信號，監測系統在此模式下可得到同相分量幅值和正交分量幅值的共振線型，用于研究磁力儀系統參數對儀器性能的影響；模式B是閉環控制，采用數字粒子群算法將同相信號幅值保持在零值以完成頻率鎖定，此時磁測系統處于光磁共振點，根據磁測公式直接將鎖定的頻率控制字計算得到磁場值，計算的磁場值經后續處理進行顯示、存儲；

射頻驅動模塊用于進行功率放大以驅動射頻線圈，使其產生交變磁場以發生光磁共振作用。

2.根據權利要求1所述的鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統，其特征在于：光電探測器的功能是將吸收室中經過光磁共振效應的出射光信號轉變為光電流信號，選用的是Thorlabs公司的PDA36A，波長響應范圍從350nm到1100nm，在λ＝894.6nm波段具有較高的響應度，最大輸出電流100mA，輸出電壓0-5V。

3.根據權利要求1所述的鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統，其特征在于：信號預處理模塊包括運放A5、運放A6、運放A7、運放A8，運放A5的“-”輸入端和輸出端之間連接取樣電阻R9，取樣電阻R9并聯濾波電容C1，運放A5的輸出端經過隔直電容C2和電阻R10連接運放A6的“-”輸入端，運放A6的輸出端連接至運放A7和運放A8構成的四階巴特沃斯低通濾波器；工作時，光電探測器輸出的光電流信號通過取樣電阻R9轉換為電壓信號，取樣電阻R9和濾波電容C1構成低通濾波器可初步地濾除高頻噪聲，隔直電容C2用于濾除信號的直流分量，運放A6構成反相放大器，對前級轉換得到的電壓信號進一步放大，放大后的信號經由運放A7和運放A8構成的四階巴特沃斯低通濾波器，實現濾波和抗混疊。

4.根據權利要求1所述的鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統，其特征在于：射頻驅動模塊選用CMOS反相器CD4069，在其輸入輸出端接反饋電阻時可構成模擬放大器，反相器放大后的調頻信號在電容隔直后通過電阻分壓的方式驅動射頻線圈產生射頻磁場。

5.根據權利要求1所述的鉀光泵磁力儀的光磁共振信號數字化檢測系統，其特征在于：所述粒子群算法，將射頻頻率作為粒子，在f_min和f_max之間隨機分布，這樣每個粒子就代表一個該頻率；之后按照一定的規律進行迭代，并設定第i代粒子表示為X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_in)，其中，n是粒子個數，測量不同頻率點下的磁力儀探頭輸出，如果代表某頻率的粒子能夠取得更小值，則稱該粒子更優；每個粒子迭代過程中最優的記為P_i＝(p_i1,p_i2,…p_in)，所有粒子最優值記為P_ig，同時，每個粒子給定初始化的速度，記為V_i＝(v_i1,v_i2,…v_in)，每個粒子的速度也會在每次迭代中進行更新，使粒子當前位置與歷史最優進行靠近，然后把更新后的速度疊加到粒子位置上，對粒子的位置進行更新，第i代中第j個粒子更新公式為：

其中，c_1j和c_2j自我認知系數和社會認知系數，r_1j和r_2j是兩個0-1范圍內的隨機 數，用以平衡自我認知系數和社會認知系數的權重。通過上面的迭代方式，設定的粒子保留自身迭代過程中自身最小的位置，并且能夠識別所有粒子中令磁力儀探頭輸出二倍頻信號最小的粒子然后其他粒子向該粒子靠近；經過多次迭代，最終所有的粒子將聚攏在全局最小點處，從而達到尋找全局最小點的目的，也就找到了共振點。