SU793134A1 - Квантовый вариометр - Google Patents

Description

Изобретение оттноситс  к области геомагнитных измерений и может быть использовано дл  измерени  вариаций магнитного пол  естественного и искусственного происхождени  при магниторазведочных работах. В основе известных вариометров лежит применение квантовых датчиков автоколебательного типа с оптической накачкой, вариации частоты которых представл ют значение вариаций магнитного пол . Известен квантовый вариометр с оптической накачкой, содержащий спектраль ную лампу, генератор возбуждени  спект ральной лампы, линзы, круговой пол ризатор ,  чейку поглощени , фотоприемник, усилитель, радиочастотную катушку и частотноизмерительный блок 1. Недостатком известного устройства  вл етс  необходимость применени  р да высокостабильных кварцевых генераторов или сетки кварцованных частот дл  демодул ции сигнала датчика при работе в широком диапазоне посто нных магнитных полей . Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  квантовый вариометр, содержащий спектральную лампу , генератор возбуждени  спектральной лампы, расположенные на одной оптической ОСИ линзы, круговой пол ризатор,  чейку поглощени  и фотоприемник, радиочастотную катушку, окружающую  чейку поглощени , частотноизмерительный блок, усилитель , вход которого соединен с фотодетектором , а выход - со входом синхронного детектора и узкополосного след щего фильтра, выход последнего соединен со вторым входом синхронного детектора, выход синхронного детектора соединен со входом фильтра помехи и выходом спектроанализатора , а выход узкополосного фильтра подключен к радиочастотной катушке 2. В известном устройстве дл  демодул ции сигнала квантового датчика самогенерирующего типа используетс  фазовый детектор , на входы которого подаютс  сигналы с выхода датчика и с выхода узкополосного след щего фильтра. Подобна  система  вл етс  интегрирующим звеном при демодул ции частотно-модулированного сигнала датчика и, следовательно, имеет ограниченную полосу пропускани  (пор дка 40 Гц). Целью изобретени   вл етс  повышение информативности за счет увеличени  полосы частот регистрируемых вариаций. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в квантовый магнитометр, содержащий

спектральную лампу, генератор возбуждени  спектральной лампы, размещенные на одной оптической оси линзы, круговой пол ризатор ,  чейку поглощени  и фотоприемник , усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, радиочастотную катушку , окружающую  чейку поглощени , фильтр помехи и регистратор, введены последовательно соединенные автокоррел ционный демодул тор и фильтр нижних частот, подключенные между выходом усилител  и входом радиочастотной катущки, при этом фильтр помехи подключен параллельно фильтру нижних частот, а выход демодул тора соединен с входом регистратора; а также тем, что автокоррел ционный демодул тор выполнен в виде умножител  частоты, линии задержки и перемножающего блока, причем выход умножител  частоты соединен с входом линии задержки и одним из входов перемножающего блока, выход линии задержки соединен с другим входом перемножающего блока, выход которого соединен с входами регистратора и .фильтров. Кроме того автокоррел ционный демодул тор может быть выполнен в виде регистра сдвига, имеющего п  чеек, стробирующего блока и кварцевого генератора, лричем вход регистра сдвига соединен с выходом усилител , выход кварцевого генератора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы первой и л-ой  чеек .которого соединены с выходами СтрО би1рующего блока, ооединавнопо выходом с входами ipenHicrpaTOipa и фильт1ро1в.

Практическа  реализаци  предлагаемого технического рещени  может быть представлена с различным конструктивным выполнением схемы автокоррел ционного демодул тора . Две наиболее удачных, с точки зрени  авторов, схемы описаны ниже.

На фиг. 1 представлена блок-схема квантового вариометра с первым вариантом выполнени  автокоррел ционного демодул тора; на фиг. 2 представлена блок-схема квантового вариометра со вторым вариан-. том выполнени  автокоррел ционного демодул тора .

Вариометр содержит  чейку поглощени  1, спектральную лампу 2, генератор возбуждени  спектральной лампы 3, фокусирующие линзы 4 и 5, круговой пол ризатор 6, фотоприемник 7, усилитель 8, подключенный через сопротивление 9 к радиочастотной катущке 10. Усилитель 8 подключен также к автокоррел ционному демодул тору , состо щему из умножител  частоты 11, линии задержки 12 и перемножающего блока 13. Выход демодул тора подключен к регистратору 14 и параллельно соединенным фильтру нижних частот 15 и фильтру помехи 16, выходы которых также соединены с радиочастотной катущкой 10.

Устройство работает следующим образом .

Генератор возбуждени  спектральной лампы 3 возбуждает разр д в спектральной лампе 2. Свет от спектральной лампы 2 проходит через линзу 4, циркул рный пол ризатор 5,  чейку поглощени  1, линзу 6 и детектируетс  фотоприемником 7. Сигнал с выхода фотоприемника 7 усиливаетс  усилителем 8 и через сопротивление 9, а также через автокоррел ционный демодул тор,

фильтр нижних частот 15 и фильтр помех 16 подаетс  в радиочастотную катушку 10. При выполнении баланса фаз и амплитуд в кольце обратной св зи датчика возникает генераци  на частоте магнитного резонанса,

котора  св зана через гиромагнитное отнощение атомов использованного рабочего вещества с внещним магнитным полем. Информаци  о вариаци х переменного магнитного пол  содержитс  в выходном колебании датчика в виде частотной модул ции. Известно, что датчик автоколебательного типа имеет полосу пропускани  в несколько дес тков кГц. , Выходной сигнал датчика через умножцтель частоты, вводимый дл  увеличени  индекса частотной модул ции, поступает на перемножающий блок и линию задержки. Задержанный в линии задержки сигнал поступает ко второму входу перемножающего

блока.

Статическа  характеристика перемножающего блока представл ет собой периодическую функцию от изменени  частоты датчика с переходами через нулевое значение , определ емую соотношением

(ЙТ

- rat, д : о, 1, 2,. . . .

где О) - частота генерации датчика;

т - врем  задержки. В окрестности нулевого перехода выходной сигнал перемножающего блока имеет значение

..„ е,(/ - -) - б.(0

f/BK,. + Ки sin

вых -

коэффициент пропорциональности;

амплитуда колебаний сигнала на входе перемножающего блока;

текущее значение фазы колебани  сигнала;

задержанное на врем  т значение фазы колебани  сигнала.

индексах частотной модул KUsm 2-тАсо(0,

С/) - величина девиации частоты; Л - гиромагнитное отно шение дл  атомов рабочего вещества датчика; H(t) - текущее значение напр женности маг нитного пол . При малых значени х аргумента синусо идальной функции U,:,±KU2ntf H(i) Т. е. демодул ци  сигнала осуществл етс  без искажений. Полоса пропускани  определ етс  только временем задержки и лежит в пределах от О до V2T Гц. Так как статическа  характеристика демодул тора имеет вид периодической симме-причной функции, то дл  обеспечеин  нормального функционировани  необходимо выведение частоты генерац.и1и «а линейный участок демодул тора. Эта операци  осуществл етс  посредством введени  отрицательной обратной св зи на датчик через фильтр нижних частот с выхода перемножающего блока. Подавление помех, в част .ности, с частотой электросети производитс  также цепью отрицательной обратной св зи с выхода перемножающего блока через полосовой фильтр на датчик. Экспериментальные исследовани  пока .зали, что квантовый вариометр на основе цезиевого датчика с оптической накачкой имеет полосу пропускани  около 8 кГц при использовании умножител  частоты на 20 и линии задержки около 65 мкс, что сущеСтвенно превышает значение полосы пропускани  известных вариометров на основе квантовых датчиков с оптической накачкой. При этом чувствительность остаетс  посто нной и не зависит от значени  магнитного пол  в пределах полосы пропускани  линии задержки. Крутизна преобразовани  частотно-модулированного сигнала состав-л ет в макетном образце 50мВ/нТ. Введение отрицательной обратной св зи на частоте помехи позвол ет уменьшить ее уровень не менее, чем на 20 дБ. Эта величина зависит от исполнени  полосового фильтра на частоту помехи. На фиг. 2 показан квантовый варио .метр, в котором автокоррел ционный де .модул тор выполнен в виде регистра сдвига , имеющего п  чеек, стробированного блока и кварцевого генератора. Ячейка поглощени  1 облучаетс  спектральной лампой 2, возбуждаемой генера-тором 3, через линзу 4 и круговой пол ризатор 6. Свет, прошедший через  чейку поглощени  1 и вторую линзу 5, регистрируетс  фотоприемником 7, выход которого подключен к усилителю 8. Выход усилител  8 соединен через сопротивление 9 с ра .диочастотной катушкой 10 и входом регистра сдвига 17. Выходы первой и п-ой,  чейки регистра соединены со входами стробирующего блока 18. К тактовому входу регистра сдвига 17 подключен кварцевый генератор 19. Выход стробирующего блока 18 соединен со входом регистратора 14 и параллельно соединенные фильтр нижних частот 15 и фильтр помехи 16 с радиочастотной катушкой 10. При выполнении баланса фаз и амплитуд в кольце обратной св зи датчика возникает генераци  на частоте магнитного резонанса. Частота генерации св зана через гиромагнитное отношение атомов рабочего вещества с внешним магнитным полем. Сигнал с частотой генерации поступает на вход регистра сдвига 17, а на тактовый вход - сигнал от кварцевого генератора 19, частота /кв которого выбираетс  больше самой высокой частоты генерации. Последовательность импульсов с выхода п-ой  чейки регистра сдвига 17 сдвинута во времени относительно последовательности импульсов с выхода первой  чейки на врем  тз где п - число  чеек регистра сдвига. Статическа  характеристика стробирующего блока 18 при подаче на его входы смещенных во времени последовательностей импульсов  вл етс  периодической. Период изменени  характеристики составл ет 1/тз Гц. Следовательно, раствор статической характеристики определ ет динамический диапазон вариометра. Дл  измерени  вариаций магнитного пол  при любом значении посто нного магнитного пол  необходимо введение на датчик отрицательной обратной св зи по посто нному току , что производитс  подключением выхода стробирующего блока 18 к радиочастотной катушке 10 через параллельно соединенные фильтр нижних частот 15 и фильтр помехи 16. Описанный вариометр обладает полосой пропускани , равной 0,45/тз Гц. Долговременна  стабильность кварцевого, генератора допускаетс  небольшой, кратковременна  стабильность за врем  тд определ етс , исход  из допустимого уровн  флюктуации сигнала. Экспериментальна  проверка показала, чтю вариометр с о тичеокой накачкой в парах цери  ic регистром сдвига на манросхемах сарии К 590 и тажтовой частоте 250 кГц имеет врем  задержки - 0,8 мс, полосу пропускани  560 Гц и крутизну преобразовани  около 30 мВ/нТ. Переклюени  выхода регистра сдвига с га-ой  чейки на любой другой выход позвол ет в шиоких пределах измен ть крутизну преобраовани , динамический диапазон и полосу пропускани  вариометра.

Claims (3)

1.Квантовый вариометр, содержащий спектральную лампу, генератор возбуждени  спектральной лампы, размещенные на одной оптической оси линзы, круговой пол ризатор ,  чейку поглощени  и фотоприемник , усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, радиочастотную катущку , окружающую  чейку поглощени , фильтр помехи и регистратор, отличающийс  тем, что, с целью повыщени  информативности за счет увеличени  полосы частот регистрируемых вариаций, в него введены последовательно соединенные автокоррел ционный демодул тор и фильтр нижних частот, подключенные между выходом усилител  и входом радиочастотной катущки, при этом фильтр помехи подключен параллельно фильтру нижних частот, а выход демодул тора соединен с входом регистратора.

2.Вариометр по п. 1, отличающийс   тем, что автокоррел ционный демодул тор выполнен в виде умножител  частоты линии задержки и перемножающего блока.

причем выход умножител  частоты соеди-нен со входом линии задержки и одним из. входов перемножающего блока, выход линии задержки соединен с другим входом

перемножающего блока, выход которого соединен с входами регистратора и фильтров .

3. Вариометр по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс   тем, что автокоррел ционный дёмодул тор выполнен в виде регистра сдвига, имеющего п  чеек, стробирующего блока и кварцевого генератора, причем вход регистра сдвига, соединен с выходом усилител , выход кварцевого генератора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы первой и п-ой  чеек которого соединены с входами стробирующего блока, соединенного выходом с входами регистратора и фильтров .

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе:

1.Патент США № 3252081, кл. 324-0.5, опублик. 1966.

2.Авторское свидетельство СССР по за вке 2187410/18-25, кл. G 01 V 3/14,..

06.11.75 (прототип).