激光共振光泵磁力仪共振信号的研究

激光共振光泵磁力仪共振信号的研究

1磁力仪测量系统的现状磁体测量是研究和使用磁体物理过程的重要手段。随着其的发展和改进，不同的磁体测量设备相继出现。氦光泵磁力仪(4Heopticallypumpedmagnetometer,4HeOPM)是以氦元素原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础,利用光泵作用和磁共振技术研制而成的一种高灵敏度的磁测设备,它具有灵敏度高、磁测范围大、可连续测量等特点,目前在地球物理研究、宇宙空间磁测、军事国防、矿藏探测等方面均获得广泛应用。氦光泵磁力仪测量发生磁共振时,即透过氦吸收室的光线最弱时射频场的频率,通过该频率与被测磁场间的线性关系来实现测磁功能。其检测控制回路是利用低频调制信号来实现系统的磁测及对磁场的跟踪。在氦光泵磁力仪测磁的共振区内,基频调制信号和二倍频信号是同时存在的,但在目前国内外所研制的氦光泵磁力仪中只应用基频调制信号对磁场进行跟踪,二倍频信号是作为无用信号而被抑制的,此时如果外磁场的变化超出磁共振的正常跟踪区,基频调制信号就会迅速变小致使系统难以重新快速地找到共振点。针对此问题,本文着重研究了氦光泵磁力仪基频调制信号和二倍频信号的特征及关系,并将二倍频信号应用到氦光泵磁力仪的检测控制回路中,利用其幅值特性实现了共振点的快速定位,为光泵磁力仪性能的提升提供了有效方法。2共振区范围内的数学模型曲线氦光泵磁力仪通过测量光敏元件上的光强度最弱时(即磁共振时)的射频频率来得到被测磁场值,当外磁场变化时,快速地改变射频磁场的频率,使之始终维持透过吸收室的光线最弱,这样就可达到跟踪外磁场的目的。光泵磁力仪磁共振光学吸收信号的表达式为:JZ=J0(1−γ2H12τ1τ21+γ2H12τ1τ2+(ω−γH0)2τ22)(1)JΖ=J0(1-γ2Η12τ1τ21+γ2Η12τ1τ2+(ω-γΗ0)2τ22)(1)式中:γ为氦原子的旋磁比,τ1为纵向驰豫时间,τ2为横向驰豫时间,H1为射频场,H0为被测磁场,ω为射频场的频率。图1为共振曲线的数学模型曲线,其为洛伦兹线形,曲线的最低点为磁共振点,此时光敏元件上接收到的光强最弱,共振线宽越窄,中心频率就确定的越准,对外磁场的变化也就越敏感。在共振区外部,由于氦光泵磁力仪中的氦吸收室对氦泵浦光的吸收作用较弱,故透过吸收室的光强很强,光敏元件上接收到的光强较大且较为平稳,如图1所示。氦光泵磁力仪检测控制回路是利用低频调制信号来完成系统的磁测及对磁场的跟踪。在整个共振区范围内,起主要作用的低频调制信号是基频调制信号和二倍频信号。对磁共振光学信号进行一阶导处理,得到基频调制信号的模型曲线,如图2所示。从图中可见,基频信号幅值曲线呈对称状分布;在共振区外部,基频信号幅值很小,趋近于零;在共振区内部,基频信号幅值变化明显,有2个对称的峰值点,分别位于共振曲线正、负斜率最大处;在共振点处,基频信号幅值变为零,基频信号消失。这说明,在磁共振点处和共振区外部时,基频信号幅值都为零,这使得外磁场的变化一旦超出共振区范围,系统需要在大范围内对共振区进行重新搜索,即系统难以重新快速的定位共振点。对磁共振光学信号进行二阶导处理,得到二倍频信号的模型曲线,如图3所示。从图中可见,二倍频信号幅值曲线以共振点处呈对称分布;在共振区外部,二倍频信号幅值非常小,趋近于零;在共振区内部,二倍频信号幅值有1个主峰值点和2个对称的零值点,2个零值点分别位于共振曲线的正、负斜率最大处,与基频调制信号曲线的2个峰值相对应;在共振点处,二倍频信号幅值要远远大于其他处值,达到最大。由于在共振点处和共振区外部,二倍频信号的幅值完全不同,可以利用二倍频信号的这一特性来实现共振点的快速定位。图4将磁共振曲线、基频信号幅值曲线及二倍频信号幅值曲线、结合到同一坐标下,从中可以更好地观察到各个曲线之间的对应关系。其中最为显著的特征是:在共振区外,基频信号和二倍频信号幅值都为零;在共振点处,基频信号为零,二倍频信号幅值达到最大。3相敏检测系统的设计本文设计的氦光泵磁力仪信号检测系统如图5所示。光敏器件接收到的透射光信号首先经程控增益放大器进行放大,后分别送至基频和二倍频选频器选择出基频调制信号和二倍频信号,两路信号经进一步放大后由相敏检波器提取出其幅值,送入A/D进行处理,相关的参考信号、控制信号以及射频输出信号由FPGA提供(见图5)。系统中设计的程控放大器如图6所示,其是由低噪声仪用放大器AD620和数控电位器X9319组成的,该数字电位器由包含99个电阻单元的电阻阵列和一个滑动开关网络组成,在氦光泵磁力仪信号检测系统中采用程控增益放大器的优点在于可以在光敏元件的输出端对信号的大小做出及时调整,方便信号的后续处理。选频器完成对基频调制信号和二倍频信号的选频工作,是系统中的主要单元,可通过带通滤波器来实现此功能。本系统采用高性能双通道滤波模块LTC1060来进行设计。系统中所采用的基频调制信号频率为1kHz、二倍频频率为2kHz,故将该双通道选频器的中心频率分别设计为1kHz和2kHz,其中基频选频器的带宽为50Hz,二倍频选频器的带宽为100Hz,均为2阶,如图7所示。相敏检测器是系统的核心部分,其功能是提取信号的幅值,它能从较强的噪声中提取有用信号,从而使测量精度大幅提高。考虑到由分离式元件和运放搭建的开关式相敏检测器性能一般,本文采用专用芯片-高精度平衡调制器AD630对相敏检测器进行设计,如图8所示。相敏检测器提取出基频调制信号和二倍频信号的幅值,送入A/D进行处理,A/D采用20位∑-△型AD7703,相敏检测器的参考信号,A/D的控制信号以及系统的射频输出信号由FPGA提供,这样即可完成对氦光泵磁力仪信号的有效检测。4共振状态下的磁场为了验证光泵磁力仪信号的理论分析,深入研究信号之间的关系,需对上述的各种信号进行测试。所用测试仪器为RIGOL-DS1102CD数字示波器,Tektronix-TDS2012示波器。图9给出了系统的实测共振曲线。其中图9(a)为用大扫频法测得的氦光泵磁力仪的共振曲线,由于共振信号非常弱,这里将其放大约1600倍。所用频偏为10kHz,步进为100Hz。共振曲线的最低点即为磁共振处,此时该处对应的磁场值约为45392nT,共振曲线的共振线宽约为200nT。图9(b)为在该共振区域附近对共振曲线进行连续扫描,扫描的频率范围为1.2～1.4MHz,可见对于当时所测磁场值,该共振曲线始终在此范围内。图10为该系统检测到的在共振区内外基频(1kHz)与二倍频(2kHz)信号幅值的变化情况,图中分别显示出基频与二倍频信号。图10(a)为在共振区外部,此时基频与二倍频信号的幅值都非常小,近于零值。图10(b)为共振曲线的负斜率最大处,此时基频信号的幅值最大,二倍频信号的幅值近于零,经放大200倍后基频信号的峰峰值达15.2V。图10(c)为共振曲线的正斜率最大处,此时与图10(b)相同,基频信号的幅值最大,二倍频信号的幅值近于零。图10(d)为在共振区内部的共振点处,此时基频信号的幅值接近于零,二倍频信号的幅值最大,二倍频信号经放大100倍后其峰峰值达12.6V,此时系统处于共振状态,磁力仪所显示的磁场值就是该共振态下的磁场大小。从以上对图10中实测信号的分析,可看出该检测系统对基频和二倍频信号的检测结果与理论分析中的模型曲线是一致的。这进一步说明利用二倍频信号在共振区外幅值为零、在共振点处幅值达到最大的这一特性来实现共振点的快速定位是可行的。5实际检测结果本文研究了氦光泵磁力仪中共振曲线,基频调制信号和二倍频信号的特征及关系,绘制出其数学模型曲线。利用锁