CN112782774A - 一种自动调谐快速锁定频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调谐快速锁定频率的方法，该方法采用全新的自动调谐方式，并对硬件进行了适应性的改进，在不借助全球磁场强度图，在环境干扰较大区域，通过采集背景磁场信号与实际磁场信号的对比，经过FFT运算，提取最大有效频率幅值，匹配谐振频率，可达到快速、强抗干扰能力、高可靠性、全自动的以最大谐振幅度获取当前区域磁场的目的。

Description

一种自动调谐快速锁定频率的方法

技术领域

本发明涉及地质微弱磁场测量技术领域，尤其涉及一种自动调谐快速锁定频率的方法。

背景技术

质子磁力仪为测量大地磁场的一种仪器，磁探头中的质子通过拉莫尔旋进将磁场信号转换为频率信号，测量时为测量频率值。大地磁场信号非常弱小，因此在测量电路中，需引入多档电容组成RC调谐电路对磁场频率信号幅值进行谐振放大，以利于后续电路能最大信噪比采集可靠磁场频率值。谐振电路具备共振频率，如输入频率与共振频率相同，即可共振，且对输输入信号幅值以一定倍数的关系增强输出，而如输入频率与共振频率不相同，输入信号不但不会增强，反而会极大衰减。在实际测量中需将有效频率信号进行谐振放大，同时又需将无效频率信号进行衰减，因此谐振频率尤为重要，但在实际初始测量中，对不同地域不同地质环境所产生的大地磁场均具有差异性，因此需针对当前磁场值对调谐电路中的电容进行调整，以匹配谐振频率。

传统的调谐方式有两种，一种为手动调谐，即根据查看全球磁场强度图，查看对应区域磁场值，在仪器中手动输入磁场值，匹配对应谐振频率。另一种为自动调谐，即将多档调谐电路进行逐档匹配，再通过测幅检测信号强度，判断最佳调谐频率，此方法的优点在于自动调谐，可减少对测量人员的要求，在环境干扰较小情况下，能比较准确匹配调谐频率。第一种方式虽然在一定条件下可有效匹配谐振频率，但由于全球磁场强度图中区域过大，位置磁场精细程度低，因此需有大量经验专业测量人员才能有效匹配谐振频率，且对于磁场变化较大测量地域需进行多次人工谐振频率调整，影响测量效率与测量精度。

第二种方式在调谐档位较多时，如需进行逐档匹配，需大量的匹配时间，特别是在磁场变化较大的测量环境中，需进行多次匹配，因此耗费大量时间进行匹配，且在环境干扰频率幅值较大时，可能匹配出错，从而测量无效磁场值。

例如专利申请“CN201910578198-提高质子旋进类传感器调谐精度和信噪比的***及方法”中就公开了一种调谐快速锁定频率的，其使用PCA算法与SVD算法相结合的方式对质子旋进类传感器输出的感应FID信号分别进行主成分分析和奇异值分解处理，可以进一步抑制未知噪声，提高FID信号信噪比；采用三次调谐的方式得到最终调谐中心频率，然而，其***的测量计算回路中需要设置迟滞比较回路和窄带滤波电路，图3所示的测量方法计算复杂，对处理器的运算能力和建模的精度要较求高，计算量也大，对测量的精度和效率提高有一定限制。

因此，急需设计一种频率测算方法，以克服传统的自动调谐时间长，锁定偏差较大，未能有效剔除干扰频率的缺陷，并能降低计算的复杂度和时长。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，针对现有技术的不足，本发明提供一种自动调谐快速锁定频率的方法，通过采用全新的自动调谐方式，在不借助全球磁场强度图，在环境干扰较大区域，通过采集背景磁场信号与实际磁场信号的对比，经过FFT运算，提取最大有效频率幅值，匹配谐振频率，达到了快速、强抗干扰能力、高可靠性、全自动的以最大谐振幅度获取当前区域磁场的目的。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的主要技术方案包括：

一种自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，质子磁力仪的测量回路包括由探头和多档调谐电容组构成的谐振电路、多级放大电路、ADC采集电路、整形电路、频率测量电路、测幅电路和MCU处理器，所述谐振电路连接多级放大电路的输入端，所述多级放大电路的输出端分别与ADC采集电路、整形电路、测幅电路连接，所述频率测量电路与整形电路连接，所述MCU处理器分别与频率测量电路、ADC采集电路、测幅电路相连接，所述MCU处理器执行所述自动调谐快速锁定频率的方法包括如下步骤1-5：

步骤1：探头未极化时，将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，再通过ADC采集电路对背景信号进行采集，且记录幅值；

步骤2：将探头极化，同样将多档调谐电容组的容值调整为最小，且再次通过ADC采集电路对信号进行采集，区别在于初次为背景信号，此次为包含背景信号与磁场信号采集，且记录幅值。

步骤3：将两次ADC采集电路的采集信号进行相减，以消除背景信号干扰，对相减信号再通过快速FFT运算，得到第一幅值净值，并计算出频谱图；

步骤4：由于多档调谐电容组不同档位容值对应不同谐振频率，将计算出频谱图中幅值最大频率即为有效磁场频率，即为调谐频率，因此根据此调谐频率的值快速设置调谐电容值；

步骤5：设置多档调谐电容组的容值为调谐电容值后，再次极化，最终测量磁场值，且记录幅值，并得到第二幅值净值，第二幅值净值与第一幅值净值相比，如两个幅值净值的变化有明显增加，则此频率值即为当前环境大地磁场值。

进一步的，所述探头为特制质子磁场测量探头，所述质子磁场测量探头与多档调谐电容组构成RC谐振电路，所述MCU处理器能调节所述多档调谐电容组的容值和开关信号，以控制质子磁场测量探头进行极化。

进一步的，所述多档调谐电容组采用8组并联的电容组，所述多级放大电路使用四级放大。

进一步的，所述ADC采集电路使用ADS1271对放大后信号进行采集，所述MCU处理器采用STM32F4系列单片机。

进一步的，步骤1具体包括：在每一次测量过程中，首先将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，然后通过多通道的ADC采集电路采集探头未极化时，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V1。

进一步的，步骤2具体包括：保持多档调谐电容组的容值不变，将探头极化，再次通过多通道的ADC采集电路采集探头第一次极化后，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V2。

进一步的，步骤3具体包括：计算极化后的第一幅值净值V1’＝V2-V1，将第一次极化、滤波后的时域波形数据进行FFT运算，计算出第一次极化后的响应信号频谱。

进一步的，所述步骤4中根据调谐频率快速设置调谐电容值具体包括：

1)通过二分法找出所述频谱图中最大幅值所对应的频率值；

2)通过查表法，在预先存储的“频率-电容值”数据表中找出对应的调谐电容值，并将调谐电容调整至相应档位。

进一步的，步骤5具体包括：经磁场频率识别算法识别出磁场频率，并将调谐电容调整至相应档位后，再次将探头极化，第三次通过多通道高速AD采集探头第二次极化后，经过测幅电路后全波整流、积分后的时域波形数据，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V3，计算此次极化后的第二幅值净值V2’＝V3-V1。

进一步的，步骤5还包括：求解幅值变化率k＝V2’/V1’，根据测频电路的灵敏度及实践效果，当k>N时，达到了调谐的目的，其中,其中N≥50；否则重复此过程，重新执行极化。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的自动调谐快速锁定频率的方法具有如下有益效果：.

1.首先，本发明有效地利用了各个硬件子模块的硬件特性，通过极化前与极化后的背景信号与实际磁场信号的两次ADC采集，可有效滤除环境干扰磁场频率，有效提高真实磁场识别能力；对两次ADC采集数据处理后进行快速FFT计算，可快速计算出信号频谱，且根据最大幅值频率，可准确识别磁场频率，并快速调谐电容值匹配调谐频率；对三次测幅幅值记录的对比，可有效观测调谐电路是否匹配，继而可有效确定所调谐电容档位是否与实际磁场频率相匹配，且为真实磁场频率值；通过极化前极化后与再极化，三个流程即可快速可靠的获知调谐频率，有效节约时间与提高效率，且在磁场变化较大区域能自动再次进行自动调谐，大大节约施工成本与测量时间，且保证数据的稳定可靠性；此外，将微弱磁场信号，进行多级低噪放大，提高信噪比与动态范围，保证ADC的可靠采集与频率的稳定测量。

2.另外，本发明的方法是根据极化前与极化后的磁场信号连续采集，再经过采集后的数据进行数据处理，得出有效频谱图，继而快速确定调谐频率。经过实验证明，在外部具备强干扰频率，且此干扰频率幅值比实际磁场频率幅值更大的情况下，如进行传统自动调谐逐档匹配，则会匹配上干扰频率，而采用本发明方法后，将极化前与极化后的采集信号比较处理后，能将强干扰频率直接减弱或者消除，从而得到有效磁场频率。本发明实际只需两次采集就能稳定可靠获取当前环境实际磁场值，快速锁定调谐电容值，可忽略调谐电容组数的限制，锁定时间极大的缩小，且对操作人员要求极低，只需一键操作即可，因此不管是在测量效率上还是测量数据质量上有具备较强优势，能够保证测量的精度和快速性。

3.最后，本发明的方法计算方式简单，且计算量小，无需进行复杂的建模等工作，只需增加常规的整形电路、测幅电路等硬件就能够实现该方案，软硬件改进成本低。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明中自动调谐快速锁定频率***的***框图。

图2为本发明中自动调谐快速锁定频率***的细节设计实例方框图。

图3为本发明中自动调谐快速锁定频率的方的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1-2所示，本发明的自动调谐快速锁定频率方法的所使用的***在原有质子仪的测量回路基础上做了改进，该改进的质子磁力仪的测量回路主要包括：由探头和多档调谐电容组构成的谐振电路、多级放大电路、ADC采集电路、整形电路、频率测量电路、测幅电路和MCU处理器，所述谐振电路连接多级放大电路的输入端，所述多级放大电路的输出端与ADC采集电路、整形电路、测幅电路连接，所述频率测量电路与整形电路连接，所述MCU处理器与频率测量电路、ADC采集电路、测幅电路相连接，所述MCU处理器能调节所述多档调谐电容组的容值和开关信号，以控制质子磁场测量探头进行极化。

以下为各个模块的功能说明：

1、探头

探头使用特制质子磁场测量探头，其基本参数为内阻10Ω，电感量为30mH，经过直流电源极化后，内部质子以拉莫尔旋进效应将产生微弱的逐渐衰减的单频交流信号。

2、多档调谐电容组

多档调谐电容组和质子磁场测量探头连接组成谐振电路，通过调节多档调谐电容组的容值，使有效频率能够谐振放大，无效频率衰减。

如图2所示，由质子磁场测量探头(简称“探头”)与多档可编程调谐电容组(简称“多档调谐电容组”)组成RC谐振电路对磁场频率信号幅值进行谐振放大。优选地，电容组采用8组电容组，可组成256种档位电容值，选择不同容值与探头组合即可产生不同谐振频率。如需提高谐振频率精细程度，可增加电容组数，组数与容值档位关系为：容值档位＝2ⁿ(n为组数)。多档调谐电容组中包括S0～S7开关，S0为极化开关，在极化时处理器控制S0与VCC连接，极化探头，探头极化完成后，通过控制将S0与多档调谐电容组连接，接收极化后所产生信号。S1～S7为档位开关，由于现有技术中已经有此电路的诸多说明，故不再赘述。

3、多级放大电路

探头所产生信号微弱，即便经过谐振也依然很小，因此为将磁场微弱电压信号进行放大，提高信噪比与动态范围，需经过多级放大，本实例优先配合256种档位电容值的多档调谐电容组使用四级放大，共放大100000倍。

4、ADC采集电路

使用ADS1271对放大后信号进行采集，以采集磁场所产生电压模拟信号，此ADC为24位分辨率，最高采样率为128ksps，可对模拟信号进行高精度采集。

5、整形电路

探头对于磁场所产生为单频交流信号，为测量频率，需将放大后交流信号进行整形，整形之后输出方波信号，其电路实现方式为使用自比较电路与施密特触发器对信号进行整形。由于自比较电路与施密特触发器均为成熟电路，不再赘述。

6、测幅电路

为测量被放大信号幅度，以判别所测信号是否正确，因此需测幅电路。测幅电路为通过有源放大器将交流信号进行全波整流，再经过积分电路将交流转换为直流，以便后续电压幅值的采集。

7、频率测量电路

将整形电路所输出方波信号，输入至频率测量电路。频率测量本实例使用等精度频率测量，是以CPLD为载体对频率进行高精度测量，同时将测量数值输出至MCU处理器。如现有技术中的频率计也可以替代此频率测量电路。

8、MCU处理器

为整个发明的统筹控制器，负责逻辑控制与数据处理，MCU处理器采用STM32F4系列单片机，对所有电路部分进行控制，同时对ADC采集数据、信号幅度、信号频率进行采集，以能有效自动调谐快速锁定频率。

为了统筹各个子硬件模块的运行并实现高精度快速的频率自动锁定，可在MCU处理器中实现本发明的自动调谐快速锁定频率方法。由于探头极化后有效磁场信号幅值经过谐振电路放大后，由于信号幅值为uV级，因此需经过多级放大电路对幅度进行放大，放大后信号通过不同功能电路最终由处理器集中控制与采集，从而快速匹配谐振频率。其中对已放大信号进行三方面处理，第一方面使用高采样率ADC进行模拟信号采集，第二方面为使用测幅电路将模拟信号进行测幅输出幅度值，第三方面为将模拟信号进行整形输出方波，以测量信号频率。

为了快速自动锁定调谐频率，MCU处理器中运行以下所述自动调谐快速锁定频率方法，所述方法包括如下步骤1-5：

步骤1：探头未极化时，将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，再通过ADC采集电路对背景信号进行采集，且记录幅值。

进一步的，步骤1具体包括：在每一次测量过程中，首先将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，然后通过多通道的ADC采集电路采集探头未极化时，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V1。

步骤2：将探头极化，同样将多档调谐电容组的容值调整为最小，且再次通过ADC采集电路对信号进行采集，区别在于初次为背景信号，此次为包含背景信号与磁场信号采集，且记录幅值。

进一步的，步骤2具体包括：保持电容组的容值不变，将探头极化，再次通过多通道的ADC采集电路采集探头第一次极化后，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t。将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V2。

步骤3：将两次ADC采集电路的采集信号进行相减，以消除背景信号干扰，对相减信号再通过快速FFT运算，得到第一幅值净值，并计算出频谱图。

进一步的，步骤3具体包括：计算极化后的第一幅值净值V1’＝V2-V1，将上述第一次极化、滤波后的时域波形数据进行FFT运算，计算出第一次极化后的响应信号频谱。

由于第一次采集为包含噪声的背景信号，第二次采集为包含背景信号与磁场信号的混合信号，将两次采集的时域数据相减，即可最大限度的削弱或消除干扰信号，从而提取出干净的磁场信号所对应的第一幅值净值，达到滤波的目的，无需如现有技术一样设置迟滞比较回路和窄带滤波电路等电路。经过实践验证，这种滤波方法效果好，且算法简单，易于理解，对硬件平台要求不高。

步骤4：由于多档调谐电容组不同档位容值对应不同谐振频率，将计算出频谱图中幅值最大频率即为有效磁场频率，也为调谐频率，因此根据此频率值快速设置调谐电容值。

进一步的，步骤4具体包括：所述根据调谐频率快速设置调谐电容值具体包括：

1)通过二分法找出所述频谱图中最大幅值所对应的频率值；

2)通过查表法，在预先存储的“频率-电容值”数据表中找出对应的调谐电容值，并将调谐电容调整至相应档位；

步骤5：设置多档调谐电容组的容值为调谐电容值后，再次极化，最终测量磁场值，且记录幅值，并得到第二幅值净值，第二幅值净值与第一幅值净值相比，如两个幅值净值的变化有明显增加，则此频率值即为当前环境大地磁场值。

进一步的，步骤5具体包括：

经磁场频率识别算法识别出磁场频率，并将调谐电容调整至相应档位后，再次将探头极化，第三次通过多通道高速AD采集探头第二次极化后，经过测幅电路后全波整流、积分后的时域波形数据，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V3，计算此次极化后的第二幅值净值V2’＝V3-V1；

求解幅值变化率k＝V2’/V1’，根据测频电路的灵敏度及实践效果，当k>100时(上述100也可以为其它人工设置阈值N，N≥50)，达到了调谐的目的，否则重复此过程，重新极化。实际的评估成功率达到99.5％以上。

由以上实例进行试验可知，本发明通过对质子磁力仪的软硬件简单进行综合改进即可实现，其锁定频率方法的谐振效果评估主要是通过测幅电路及测幅评估算法来实现的，其运算量低且方法简单，有效地利用了极化情况下多档调谐电容组不同档位容值对应不同谐振频率的特性，在不同地域不同磁场环境下，连续进行自动调谐，均能快速锁定频率，并以最大信号幅值进行频率测量。因此在质子磁力仪的磁场测量中，能够快速有效的锁定当前环境磁场频率。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (10)

1.一种自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，质子磁力仪的测量回路包括由探头和多档调谐电容组构成的谐振电路、多级放大电路、ADC采集电路、整形电路、频率测量电路、测幅电路和MCU处理器，所述谐振电路连接多级放大电路的输入端，所述多级放大电路的输出端分别与ADC采集电路、整形电路、测幅电路连接，所述频率测量电路与整形电路连接，所述MCU处理器分别与频率测量电路、ADC采集电路、测幅电路相连接，所述MCU处理器中执行的所述自动调谐快速锁定频率的方法包括如下步骤1-5：

步骤1：探头未极化时，将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，再通过ADC采集电路对背景信号进行采集，且记录幅值；

步骤2：将探头极化，同样将多档调谐电容组的容值调整为最小，且再次通过ADC采集电路对信号进行采集，区别在于初次为背景信号，此次为包含背景信号与磁场信号采集，且记录幅值。

步骤3：将两次ADC采集电路的采集信号进行相减，以消除背景信号干扰，对相减信号再通过快速FFT运算，得到第一幅值净值，并计算出频谱图；

步骤4：由于多档调谐电容组不同档位容值对应不同谐振频率，将计算出频谱图中幅值最大频率即为有效磁场频率，即为调谐频率，因此根据此调谐频率的值快速设置调谐电容值；

步骤5：设置多档调谐电容组的容值为调谐电容值后，再次极化，最终测量磁场值，且记录幅值，并得到第二幅值净值，第二幅值净值与第一幅值净值相比，如两个幅值净值的变化有明显增加，则此频率值即为当前环境大地磁场值。

2.根据权利要求1所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，所述探头为特制质子磁场测量探头，所述质子磁场测量探头与多档调谐电容组构成RC谐振电路，所述MCU处理器能调节所述多档调谐电容组的容值和开关信号，以控制质子磁场测量探头进行极化。

3.根据权利要求1所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，所述多档调谐电容组采用8组并联的电容组，所述多级放大电路使用四级放大。

4.根据权利要求1所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，所述ADC采集电路使用ADS1271对放大后信号进行采集，所述MCU处理器采用STM32F4系列单片机。

5.根据权利要求1所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，步骤1具体包括：在每一次测量过程中，首先将多档调谐电容组的容值调整为最小，以将调谐电路带宽调整为最大，然后通过多通道的ADC采集电路采集探头未极化时，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V1。

6.根据权利要求5所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，步骤2具体包括：保持多档调谐电容组的容值不变，将探头极化，再次通过多通道的ADC采集电路采集探头第一次极化后，经过测幅电路全波整流、积分后的时域波形数据，并进行保存，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V2。

7.根据权利要求6所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，步骤3具体包括：计算极化后的第一幅值净值V1’＝V2-V1，将第一次极化、滤波后的时域波形数据进行FFT运算，计算出第一次极化后的响应信号频谱。

8.根据权利要求1或7所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，所述步骤4中根据调谐频率快速设置调谐电容值具体包括：

1)通过二分法找出所述频谱图中最大幅值所对应的频率值；

2)通过查表法，在预先存储的“频率-电容值”数据表中找出对应的调谐电容值，并将调谐电容调整至相应档位。

9.根据权利要求7所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，步骤5具体包括：经磁场频率识别算法识别出磁场频率，并将调谐电容调整至相应档位后，再次将探头极化，第三次通过多通道高速AD采集探头第二次极化后，经过测幅电路后全波整流、积分后的时域波形数据，采集时间为t，将采集的时域波形数据求和后除以采样点数，得到电压幅值V3，计算此次极化后的第二幅值净值V2’＝V3-V1。

10.根据权利要求9所述的自动调谐快速锁定频率的方法，其特征在于，步骤5还包括：求解幅值变化率k＝V2’/V1’，根据测频电路的灵敏度及实践效果，当k>N时，达到了调谐的目的，其中,其中N≥50；否则重复此过程，重新执行极化。

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