CN106814249A - 一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，所述的频率测量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，所以利用本方法实现的频率计，其精度大大超越一般的频率计精度。

Description

一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法

技术领域

本发明涉及频率测量技术领域，具体涉及一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法。

背景技术

高精度磁场检测在空间探测、地面勘探、海洋勘探、人体生物磁场测量等方面发挥着重要的作用，所以一直是各个国家研究的热点领域。由于中国在磁场检测领域起步较晚，仍与发达国家有较大差距。

光泵磁力仪是利用某种元素原子在外磁场作用下的塞曼***、能级跃迁，以及磁共振原理制成的精密磁场测量仪器，已被广泛应用于地球物理勘探、地震监测与预测、航空磁测绘、海事打捞及军事用途等领域。

所述的光泵磁力仪一般可以分为两种，即跟踪式光泵磁力仪和自激式光泵磁力仪。其工作原理为：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成一比例关系，故测定这一频率就可以测出外磁场的值。

目前，市面上所使用的测量频率的频率计，其参考频率源都由晶振来提供，时间计数也是由晶振来提供，但是在实际情况中，晶振的精度想当有限，而且受环境温度及供电质量的影响，晶振的精度会有下降，误差较为随机，因此会导致频率计的输出精度不高。

发明内容

本发明的目的在于，为克服光泵磁力仪频率计因采用晶振作为参考频率源，导致频率测量误差较大的技术问题，本发明提供一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，利用本发明的方法实现的频率计，其精度大大超越一般的频率计精度。

为实现上述目的，本发明提供的一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，包括：

步骤1)选择GPS授时信号作为频率测量的基准信号，并以频率计的晶振提供参考频率信号；

步骤2)在GPS授时信号的整个输出周期内累计获得参考频率信号和被测信号的时钟计数，利用GPS授时信号校正参考频率信号的时钟计数，进一步获得修正后的实际输出时间；

步骤3)将被测信号的时钟计数与实际输出时间之比，获得被测信号的频率值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2)具体包括：

步骤101)在基准信号上升沿来临后，开始监测被测信号的上升沿T1，在上升沿T1来临后，对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，当基准信号下降沿来临后，重新开始监测被测信号的上升沿T2，在上升沿T2来临后，停止对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，且上升沿T2所在的信号不计入计数内；

步骤102)利用下述公式计算获得修正后的实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数T：

其中，R为未修正前实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数，P为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的实际输出值，W为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的理论输出值；

步骤103)利用步骤102)中的时钟计数T，计算获得修正后的实际输出时间表示为T*N，其中，N表示参考频率信号的时钟周期。

本发明的一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法优点在于：

本发明提供的频率测量方法，在被测时间段的开始与结束点，均由GPS授时信号进行校正，得出由GPS授时信号校正后的实际时间，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，所以利用本方法实现的频率计，其精度大大超越一般的频率计精度。

附图说明

图1为本发明提供的用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法流程图。

图2为利用本发明的频率测量方法对各信号进行时钟计数的操作图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法进行详细说明。

所述的光泵磁力仪一般可以分为两种，即跟踪式光泵磁力仪和自激式光泵磁力仪。以跟踪式激光铯光泵磁力仪为例，铯光泵抽运以铯原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础，利用射频激励铯光谱灯，产生的光谱波长为894nm的D1线和852nm的D2线，当波长为894nm的光持续照射时，D1光作用到铯吸收泡里的铯原子上，将其抽运到F＝4能级，完成原子态制备过程。

此时，若有一个外加恒定磁场，F＝4的能级上将产生原子磁矩的空间量子化取向，塞曼能级***为9条子能级，这些子能级间的跃迁则为塞曼跃迁，其跃迁频率则为原子磁矩绕外加恒定磁场进动的拉莫尔频率，在忽略其高阶项时，该频率的大小与外加恒定磁场的大小呈线性关系，即

上式中:f₀为拉莫尔跃迁频率；B为被测外磁场强度；γ为磁旋比。

对于铯原子，γ/(2π)为3.49857Hz/nT，则被测外磁场强度B和拉莫尔跃迁频率f₀有如下关系：

B＝f₀/3.49857 (2)

故可以通过测量频率实现对磁场的测量。

为了实现拉莫尔跃迁频率的高精度测量，本发明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。

对于大多数的频率计使用的方法，都是将被测信号与参考信号进行对比得出被测信号的周期时间，具体方法为：在被测信号间隔约20毫秒(此时间可根据实际情况自由设定)的两个上升沿之间的时间段内，通过对参考频率信号进行计数，参考频率由频率计的晶振提供，并对被测信号周期数进行计数，得出被测信号周期所消耗的时间，从而计算出被测信号的频率。

而在本发明提供的频率测量方法中，在被测时间段的开始与结束点，均由GPS授时信号接收芯片接收到的授时信号进行校正，得出由GPS授时信号校正后的实际时间，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，所以利用本方法的频率计精度大大超越一般的频率计精度。

如图1所示，本发明提供的一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，该方法具体包括：

步骤1)选择GPS授时信号作为频率测量的基准信号，并以频率计的晶振提供参考频率信号；

步骤2)在GPS授时信号的整个输出周期内累计获得参考频率信号和被测信号的时钟计数，利用GPS授时信号校正参考频率信号的时钟计数，进一步获得修正后的实际输出时间；

步骤3)将被测信号的时钟计数与实际输出时间之比，获得被测信号的频率值。

基于上述频率测量方法，所述步骤2)具体包括：

步骤101)在基准信号上升沿来临后，开始监测被测信号的上升沿T1，在上升沿T1来临后，对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，当基准信号下降沿来临后，重新开始监测被测信号的上升沿T2，在上升沿T2来临后，停止对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，且上升沿T2所在的信号不计入计数内；

步骤102)利用下述公式计算获得修正后的实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数T：

其中，R为未修正前实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数，P为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的实际输出值，W为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的理论输出值；

步骤103)利用步骤102)中的时钟计数T，计算获得修正后的实际输出时间表示为T*N，其中，N表示参考频率信号的时钟周期。

实施例一

在本实施例中，以激光铯光泵磁力仪的输出频率为例，利用本发明提供的方法对Larmor进动频率实现高精度转换。将铯光泵输出频率经过光耦隔离后送入FPGA中，对输入信号进行高精度的计时和计数，并通过GPS接收芯片接收到的GPS时钟信号对参考时钟进行修正，以减少由于环境变化造成的时钟频率误差。具体的操作说明如下：

首先使用高精度晶振给FPGA提供高质量频率源。如图2所示，参考频率使用20M晶振来提供频率源，被测频率信号为30KHz–300KHz之间，基准信号为20Hz信号，其信号源为GPS信号。

在基准信号上升沿来临后，开始监测被测信号上升沿T1，被测信号上升沿来临后，对参考频率信号以及被测信号开始进行时钟计数，当基准信号下降沿来临后，重新开始监测被测信号上升沿T2，T2来临后，停止对参考频率信号以及被测信号的时钟计数，最后一个上升沿T2所在的信号不计入计数内。

由于20Hz信号源为GPS信号，在每个基准信号周期内，20M参考频率的信号数理论上为1M个，但由于环境变化和晶振自身精度限制等原因，晶振频率及长期漂移性能与GPS时钟精度还是有一定差距。所以使用GPS时间信号对参考频率信号的时钟计数进行修正，修正方法为式(3)。

其中，R为未修正前实际输出为1(高电平)时参考频率信号的时钟计数，P为GPS基准信号周期内参考频率时钟计数的实际输出值，T为修正后的实际输出为1时参考频率的时钟数。

然后计算T*50ns即为修正后的实际输出时间。所以实际得到的被测频率为：

其中，C为被测信号的时钟计数。

经过计算可得出，若GPS授时信号准确，晶振输出频率为线性，误差最大值为20Hz/20M，即1ppm。

本发明经过实际验证，使用FPGA对铯光泵输出频率进行高精度检测，并由GPS时间对***进行校时，可得到高精度的磁场测量数据。经过多次验证，本发明的频率测量方法能够达到预期性能，可以为铯光泵Larmor进动频率进行稳定高精度的转换，且使用FPGA芯片为A3P060，能够使得硬件电路结构更为简单，占用面积小，可靠性高，可以方便的集成到其他***中。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，其特征在于，包括：

步骤1)选择GPS授时信号作为频率测量的基准信号，并以频率计的晶振提供参考频率信号；

步骤2)在GPS授时信号的整个输出周期内累计获得参考频率信号和被测信号的时钟计数，利用GPS授时信号校正参考频率信号的时钟计数，进一步获得修正后的实际输出时间；

步骤3)将被测信号的时钟计数与实际输出时间之比，获得被测信号的频率值。

2.根据权利要求1所述的用于光泵磁力仪频率计的频率测量方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤101)在基准信号上升沿来临后，开始监测被测信号的上升沿T1，在上升沿T1来临后，对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，当基准信号下降沿来临后，重新开始监测被测信号的上升沿T2，在上升沿T2来临后，停止对参考频率信号以及被测信号进行时钟计数，且上升沿T2所在的信号不计入计数内；

步骤102)利用下述公式计算获得修正后的实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数T：

$T=\frac{R}{P/W}$

其中，R为未修正前实际输出为高电平时参考频率信号的时钟计数，P为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的实际输出值，W为GPS基准信号周期内参考频率信号时钟计数的理论输出值；

步骤103)利用步骤102)中的时钟计数T，计算获得修正后的实际输出时间表示为T*N，其中，N表示参考频率信号的时钟周期。