跟踪式铯原子激光磁力仪电子学系统设计

论文摘要

得益于光物理领域的快速发展,高精度的磁场测量技术得到极大的发展,其被广泛应用于地质调查、矿藏勘探、生物磁场测量、军事监测、磁共振成像等领域。铯原子激光光泵磁力作为一种高精度的磁场测量仪器,具有灵敏度高、频率响应快、采样率高、功耗低等多种优点,成为当今世界各国磁力仪领域的研究热点。跟国外发达国家相比,我国对于光泵磁力仪的研究在一些技术指标上仍有很大的差距,且暂无成熟的产品。因此研究高性能指标的铯光泵磁力仪具有重要意义。本文首先介绍了跟踪式激光光泵磁力仪的研究背景及其原理,阐述了该磁力仪电子学系统的设计思想及整体设计方案。其次,针对电子学系统中的关键电路和信号处理中的关键技术进行了详细探讨。最后,论文还分析了跟踪式激光光泵磁力仪各功能模块和整机性能的测试方法和测试结果。该款磁力仪的电子学系统主要由激光器控制回路、射频场扫描控制回路、以及信号的检测与处理几个部分组成,其中关键部分为激光器温度控制电路、基于FPGA的多路相干信号源、数字锁相处理算法等。论文的主要研究工作也体现在这些方面,具体研究内容为:1)设计并优化了激光器温度控制电路,实现了激光器波长的稳定、提高了磁力仪灵敏度。温度直接影响激光器的输出波长,激光器温度的稳定与控制是磁力仪的关键技术之一。以MAX1978温度控制芯片为核心,对其外围核心元器件、PID电路参数、电路板布局、激光器保护电路等做出了大量优化,实现了控温快、体积小、安全性高的温控电路单元。经11小时长时间测试,该温控单元温度漂移低于0.003°C,VCSEL波长变化量小于0.14pm,温度步进连续可调。2)提出了基于FPGA的多路相干信号源方案,解决了跟踪式激光光泵磁力仪需四路相干信号的特殊需求,且体积小、易控制。信号分别提供给射频场扫描的扫描信号以及用于解调的相位相关的参考信号、提供给激光器稳频的控制信号以及由于解调的相位相关的参考信号。该单元采用基于FPGA的DDS设计方案实现,编写关键FPGA逻辑设计各路信号输出相位差精确可调、具有频率调制的扫描波形,设计了合适的硬件电路使输出频率达70KHz-350KHz,分辨率达0.35mHz。3)提出了数字锁相信号检测方案,设计了磁共振信号的数字锁相解调算法,实现了磁场的精确测量。使用MATLAB仿真分析了数字锁相器和滤波器的核心算法,并通过STM32实现了数字锁相功能,通过磁场信号和频率之间相应的拉莫尔系数是3.49857Hz/nT得到所测磁场的值,该方案能解调磁场对应的信号频率达到350KHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 磁测量的意义
•   1.2 磁力仪研究现状
•   1.3 光泵磁力仪概述
•   1.4 论文结构安排
• 第二章 铯原子磁力仪工作原理
•   2.1 铯原子磁力仪物理基础
•     2.1.1 铯原子的能级结构
•     2.1.2 光泵浦过程
•     2.1.3 塞曼分裂和原子自旋进动
•   2.2 跟踪式铯原子激光磁力仪整体系统组成
• 第三章 高精度激光器温度控制单元
•   3.1 激光器波长控制单元的方案
•   3.2 激光器温度控制器单元整体方案
•     3.2.1 电源控制电路
•     3.2.2 温度控制电路
•     3.2.3 模拟PID参数优化
•   3.3 温度控制电路的性能优化
•     3.4.1 核心元器件参数优化
•     3.4.2 电路板布局布线
• 第四章 基于FPGA的多路相干信号源
•   4.1 DDS信号源的基本原理
•   4.2 磁力仪对相干信号源技术指标要求
•   4.3 多路相干信号源总体方案
•   4.4 多路相干信号源模块设计
•     4.4.1 单片机与FPGA的信息交互
•     4.4.2 DDS波形输出电路
•     4.4.3 通道滤波器的设计
•     4.4.4 通道放大电路
•     4.4.5 相位精确调整模块
• 第五章 数字锁相的信号检测算法
•   5.1 信号的检测与处理模块方案
•   5.2 数字锁相技术的基本原理
•   5.3 数字锁相关键技术研究
• 第六章 测试与结果分析
•   6.1 激光器温度控制单元性能评估
•     6.1.1 激光器温度控制器性能评估方法
•     6.1.2 目标温度变化分析法
•     6.1.3 谱线平移分析法
•   6.2 多路相干信号源性能测试
•   6.3 跟踪式铯原子激光磁力仪整体性能测试
• 第七章 总结与展望
•   7.1 工作总结
•   7.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 毛惊涛

导师: 黄光明

关键词: 磁场测量,磁力仪,温度控制,多路相干源,信号检测

来源: 华中师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 华中师范大学

分类号: P631.23

总页数: 65

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