CN206618849U - 一种光泵磁力仪磁梯度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，本实用新型中磁力仪探头输出信号首先经过阻抗匹配网络，对信号进行阻抗匹配，滤波整形之后输入FPGA。通过FPGA采集两路磁力仪探头输出的信号，以相同闸门时钟控制信号采样，保证两路信号的同步。通过GPS输出PPS信号与恒温晶振配合的方式，对采集磁场信号增加时间戳获得与经纬度坐标信息对齐。本实用新型实现了磁梯度信息的采集与记录，重点解决了多通道数据的同步采集。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁力探测技术领域，尤其涉及一种光泵磁力仪磁梯度测量装置。
背景技术
现有技术中多为光泵磁总场探测方法，该方法受背景场干扰较大，且光泵磁测量程有限，当测区磁场变化较大时，光泵易失锁。随着地质勘探、军事国防等领域对磁探测的精度、速度、稳定性要求的逐渐提高，现有的磁力探测***已不能满足要求。
磁梯度探测技术具有分辨率高、不受地磁日变和磁暴干扰等影响，能有效的压制磁背景场干扰，从而获得磁异常信息，并且磁梯度探测可以清晰的分辨磁异常体的位置和边界。
磁梯度探测需要对多个磁力仪探头数据做差，而磁场梯度探测平台通常是运动的，这就需要保证多通道数据采集的同步性。光泵磁力计的输出为频率信号，高精度的频率采集需要使用FPGA完成，而GPS经纬度坐标的存储是在单片机上完成的，两部分之间通过串口进行数据传输，但是时钟是相互独立的，需要完成两个时钟***下的数据同步对准。
可见在磁梯度测量过程中有两个重要问题需要解决，一个就是多探头数据的同步采集，另一个就是探头数据与GPS坐标的对准。
发明内容
本实用新型的目的在于在现有铯光泵磁力仪探头的基础上，设计采集***，构建一套高精度、高稳定性的磁梯度测量装置。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，关键是：包括光泵磁力仪探头、阻抗匹配网络、由FPGA及与FPGA连接的恒温晶振组成的FPGA频率测量电路、存储显示电路以及GPS；
光泵磁力仪探头经阻抗匹配网络后与FPGA的信号输入端连接；
所述存储显示电路中包括与FPGA连接的ARM单片机，以及分别与ARM单片机连接的LCD显示屏及SD卡；
GPS分别与FPGA及ARM单片机的信号输入端连接，FPGA接收GPS的PPS秒脉冲信号及恒温晶振输出的频率信号，ARM单片机接收GPS发送的时标信息。
其中铯光泵磁力仪探头为主要传感部件，输出当前位置磁场信号。
阻抗匹配网络对光泵探头输出信号进行匹配整形，输入到频率测量电路。
频率测量电路以FPGA为主要测量器件，使用恒温晶振为频率测量电路提供时钟信号，保证测量的准确性与稳定性。
存储与显示电路使用单片机为主控制元件，接收FPGA采集的磁场信息以及GPS时间与坐标，采用LCD显示器进行显示并利用SD卡进行存储。
GPS为梯度采集***提供标准时间与经纬度坐标。
进一步的，所述ARM单片机是STM32。
更进一步的，所述FPGA接收恒温晶振的频率信号，进行分频处理后将固定频率的脉冲信号作为测频模块的闸门脉冲。此闸门脉冲即作为上一次测量的结束信号也是下次测量的开启信号。以固定闸门脉冲控制采样时间，在保证精度的同时实现了稳定连续的信号输出。
更进一步的，所述FPGA接收到GPS的PPS秒脉冲信号作为起始脉冲，对恒温晶振脉冲进行计数，测量闸门时间作为结束脉冲，停止计数。FPGA将此计数值与测量频率值一起发送到STM32单片机，可以通过此计数器值与PPS秒脉冲计算采样完成的相对时刻。在STM32中根据记录的相对时间和GPS时标信息可以计算对应频率的采集绝对时刻。利用STM32单片机对GPS的时间与坐标信息进行过采样。之后以时间信息作为标准，将采集到的频率值与坐标相对应。
更进一步的，所述FPGA的型号是EP4CE6E22。
更进一步的，所述光泵磁力仪探头至少设有两组，分别为光泵磁力仪探头一、光泵磁力仪探头二。
本实用新型中磁力仪探头输出信号首先经过阻抗匹配网络，对信号进行阻抗匹配，滤波整形之后输入FPGA。通过FPGA采集两路磁力仪探头输出的信号，以相同闸门时钟控制信号采样，保证两路信号的同步。通过GPS输出PPS信号与恒温晶振配合的方式，对采集磁场信号增加时间戳获得与经纬度坐标信息对齐。本实用新型实现了磁梯度信息的采集与记录，重点解决了多通道数据的同步采集。
为更清晰的描述本实用新型的技术实现过程，下面对描述中使用的附图做简要介绍。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理框图。
图2是基于本实用新型的同步采集时序图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
如图1所示，本实施方式由光泵探头1、光泵探头2、阻抗匹配网络3、恒温晶振4、FPGA芯片5、GPS6、STM32控制器7、SD卡8以及LCD显示屏9组成。
其中光泵探头1与光泵探头2输出的是拉莫尔频率信号，经过阻抗匹配网络3之后输入到FPGA5中进行频率测量。为保证测量结果的长期稳定，选用恒温晶振4作为FPGA5的时钟源。同时FPGA频率计5采集GPS6信号的PPS秒脉冲作为时标信号。FPGA将测量计算后的频率值经过串口发送到STM32单片机7。STM32单片机7将接收到的频率值与GPS位置时间信息一起封装写入SD卡8进行存储。LCD显示屏9实时显示当前两通道磁场信息，用以判断光泵磁力仪探头是否锁定。
FPGA频率计5采用数字插值的方式进行频率测量，对恒温晶振4的输出脉冲进行分频形成闸门脉冲信号，每个闸门脉冲即是上一次测量的结束信号，也是下一次测量的开始信号，以此固定间隔，连续稳定的输出测量信息。
FPGA频率计5以GPS6发出的PPS秒脉冲为时标信号，在秒脉冲时间间隔内，对恒温晶振4发出的高频脉冲进行累加细分计时。
如图2所示，在PPS秒脉冲到来时，开启计数器，对恒温晶振输出高频脉冲进行计数。当闸门信号脉冲到来时，对计数器值N进行存储。FPGA5将此N值和测量的磁场值一同发送给STM32单片机7进行显示存储。
STM32单片机7通过串口接收FPGA5发送的信息。同时另一串口通道以更高的采样率接收GPS6的时间与位置信息。
STM32单片机7可以根据t＝N/f计算FPGA频率计5测量的磁场值采样结束相对于PPS秒脉冲的相对时间，进而根据采集的GPS时间戳计算结束点绝对时间。其中f为高频脉冲的频率值。
根据采集到的磁场值带有的绝对时间戳在结合过采样的GPS时间和经纬度信息，即可将采集到的磁场值对应到经纬度坐标。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：包括光泵磁力仪探头、阻抗匹配网络、由FPGA及与FPGA连接的恒温晶振组成的FPGA频率测量电路、存储显示电路以及GPS；
光泵磁力仪探头经阻抗匹配网络后与FPGA的信号输入端连接；
所述存储显示电路中包括与FPGA连接的ARM单片机，以及分别与ARM单片机连接的LCD显示屏及SD卡；
GPS分别与FPGA及ARM单片机的信号输入端连接，FPGA接收GPS的PPS秒脉冲信号及恒温晶振输出的频率信号，ARM单片机接收GPS发送的时标信息。
2.根据权利要求1所述的一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：所述ARM单片机是STM32。
3.根据权利要求1所述的一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：所述FPGA接收恒温晶振的频率信号，进行分频处理后将固定频率的脉冲信号作为测频模块的闸门脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：所述FPGA接收到GPS的PPS秒脉冲信号作为起始脉冲，对恒温晶振脉冲进行计数，测量闸门时间作为结束脉冲，停止计数。
5.根据权利要求1所述的一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：所述FPGA的型号是EP4CE6E22。
6.根据权利要求1所述的一种光泵磁力仪磁梯度测量装置，其特征在于：所述光泵磁力仪探头至少设有两组，分别为光泵磁力仪探头一、光泵磁力仪探头二。
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| CN108562861A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-09-21 | 上海通用卫星导航有限公司 | 一种用于磁梯度测量的对称式铯光泵磁力仪 |
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