張 爽，何佳瀧，陳曙東，王嬌妮，郭 欣，李海英

(吉林大學a.電子科學與工程學院;b.物理學院，長春130012)

JOM-1型Overhauser磁力儀研制

張 爽a，何佳瀧a，陳曙東a，王嬌妮a，郭 欣b，李海英b

(吉林大學a.電子科學與工程學院;b.物理學院，長春130012)

為提高磁力儀的性能，給出了自主研發(fā)的JOM-1型Overhauser磁力儀的工作原理及系統(tǒng)硬件構(gòu)成，主要介紹了射頻激勵電路、信號調(diào)理電路、工作時序、儀器的噪聲水平及實驗結(jié)果。野外測試表明該儀器實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲和查看等基本功能，信號的初始信噪比為96∶1，約為自主研發(fā)的JPM-1型普通質(zhì)子旋進磁力儀的3倍，靈敏度可達0.14 nT。

Overhauser磁力儀;質(zhì)子旋進磁力儀;靈敏度;射頻激勵;信號調(diào)理

0 引 言

靜磁測量儀器廣泛用于空間測磁［1］、海洋工程［2］、地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)資源勘查、考古［3］、地震前兆預(yù)測等領(lǐng)域。標準質(zhì)子磁力儀利用恒定磁場極化氫核，通常需要1 A的電流產(chǎn)生30 mT的極化磁場。該方法功耗大、效率低，獲得的信號初始信噪比通常只有20∶1，嚴重影響頻率測量的精度，從而很難獲得0.1 nT絕對精度和0.01 nT靈敏度的指標。標準質(zhì)子磁力儀通常只能達到1 nT絕對精度和0.1 nT靈敏度的指標。

國外在Overhauser磁力儀研究方面一直處于領(lǐng)先地位［4，5］，目前加拿大GEM Systems公司研制的GSM系列和俄羅斯烏拉爾國立技術(shù)大學量子測磁學實驗室研制的POS系列已經(jīng)商業(yè)化量產(chǎn)，并已達到0.1 nT絕對精度和0.01 nT靈敏度的指標，且在梯度容限、工作溫度范圍、溫漂和壽命等綜合指標也處于領(lǐng)先地位。我國針對Overhauser磁力儀的研究起步較晚，仍處于引進和消化階段，相關(guān)研究較少，只有中國地質(zhì)大學(武漢)和吉林大學有相關(guān)文獻發(fā)表［6-8］。目前國內(nèi)使用的Overhauser磁力儀全部依靠進口。

筆者介紹了在Overhauser磁力儀研制方面所獲得的最新進展，主要包括JOM-1型Overhauser磁力儀的工作原理、設(shè)計方法和測量效果，對存在的問題也進行了分析。這些結(jié)果將有助于提高我國Overhauser磁力儀的自主研發(fā)能力，盡快實現(xiàn)Overhauser磁力儀的國產(chǎn)化。

1 工作原理

JOM-1型Overhauser磁力儀實物圖如圖1所示。Overhauser磁力儀是基于Overhauser效應(yīng)［9-11］(動態(tài)核極化原理或電子與核雙共振原理)的高精度靜磁測量儀器。圖2描述了氫核與未配對價電子構(gòu)成的四能級耦合系統(tǒng)的Solomen關(guān)系［12］。射頻激勵使電子產(chǎn)生順磁共振，通過四能級系統(tǒng)的Solomen關(guān)系將電子順磁共振的能量傳遞給溶劑中的氫核，使氫核發(fā)生共振。共振的氫核被強烈地取向，取向一致的氫核通過馳豫過程沿外界磁場方向做拉莫爾進動，由于拉莫爾旋進的頻率與外磁場成正比，通過精確測量拉莫爾旋進的頻率測定環(huán)境磁感應(yīng)強度。由于動態(tài)核極化的極化強度遠大于外加恒定磁場極化的極化強度，因此能產(chǎn)生較強的共振信號，明顯提高了信號的信噪比和測磁靈敏度。拉莫爾旋進信號的頻率與磁感應(yīng)強度的換算關(guān)系為ω =γpB0

(1)其中ω為拉莫爾進動的角頻率，γp為質(zhì)子的旋磁比，B0為待測磁場的磁感應(yīng)強度。

圖1 JOM-1型Overhauser磁力儀實物圖Fig.1 JOM-1 Overhausermagnetometer

2 磁力儀設(shè)計

2．1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

JOM-1型Overhauser磁力儀系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 JOM-1型Overhauser磁力儀系統(tǒng)硬件框圖Fig.3 Schematic of JOM-1 Overhausermagnetometer

控制單元采用DSP(Digital Signal Processor)，探頭由射頻激勵線圈、低頻接收線圈和溶液構(gòu)成。射頻激勵線圈采用磁共振成像中常用的鳥籠線圈，接收線圈由對稱、反向串聯(lián)的線圈組成，溶液為自主配制的自由基溶液。射頻激勵電路由信號發(fā)生器和C類功率放大電路構(gòu)成，一方面可以編程控制射頻激勵信號的頻率，實現(xiàn)掃頻功能;另一方面采用C類功率放大，降低儀器功耗，為長時間野外測試提供了可能。有自動配諧和手動配諧兩種模式可選。LCD(Liquid Crystal Display)液晶屏實時顯示測量曲線，測量結(jié)束后以nT為單位顯示地磁場值。儀器可通過RS-232串口與計算機通信。

2.2 射頻激勵

射頻激勵電路的框圖如圖4所示，射頻信號源的設(shè)計選用寬頻帶DDS(Direct Digital Synthesizer)器件，動態(tài)范圍為0～160 MHz，170 mW低功耗，0.1 Hz高頻率分辨率。20 MHz有源晶振為參考時鐘源?？删幊炭刂粕漕l信號源在65～75 MHz范圍內(nèi)實現(xiàn)掃頻功能，便于通過實驗尋找溶液的電子順磁共振頻率。射頻功率放大電路分為兩級。

第1級小信號功率放大采用集成功率放大模塊，與傳統(tǒng)的由三極管等分立元件搭建的功率放大電路相比，具有無需設(shè)置靜態(tài)工作點、靜態(tài)功耗低、性能穩(wěn)定、容易匹配等優(yōu)點。

圖4 射頻激勵電路框圖Fig.4 Schematic of RF excitation

第2級采用C類功率放大電路，只在小于激勵信號的半個周期內(nèi)電流導(dǎo)通，集電極電流的導(dǎo)通時間越短，消耗在放大管中的功率越小，集電極效率也越高，與傳統(tǒng)的A類功率放大相比功耗大大降低，C類放大器效率可達60%～80%，整機功耗不超過3W。實驗證明，自主配置的自由基溶液的激發(fā)頻率為70 MHz，該頻率在射頻信號發(fā)生芯片的線性工作頻率范圍內(nèi)，所以射頻信號源輸出信號畸變較小。此外，兩級功率放大電路的匹配電路的選頻作用，能有效抑制C類功率放大電路結(jié)構(gòu)本身特性決定的高次諧波，所以只需濾除二次和三次諧波的干擾即可，為此，設(shè)計一個截止頻率為110 MHz的π型LC濾波電路可得到高質(zhì)量、穩(wěn)定的正弦波射頻激勵信號。π型LC濾波電路的傳輸特性如圖5所示，射頻激勵系統(tǒng)的輸出信號如圖6所示。

圖5 LC濾波電路的傳輸特性仿真曲線Fig.5 Simulation curve of the transmissionproperties of LC filter circuit

圖6 射頻激勵系統(tǒng)輸出信號波形Fig.6 RF excitation system output signal waveform

2.3 前置放大

傳感器采集的信號十分微弱并包含環(huán)境噪聲，為便于準確計算旋進信號的頻率，先通過前置放大電路將接收信號放大到伏級。前置放大電路采用儀表放大器，采用差分輸入以抑制共模環(huán)境噪聲。由于前置放大電路靠近信號前端，其噪聲水平對信號質(zhì)量的影響十分突出，因此，對前置放大電路的噪聲進行建模分析十分必要。構(gòu)建前置放大電路噪聲模型如圖7所示，并計算各噪聲源在前放輸出端產(chǎn)生的噪聲［13，14］。

電壓噪聲ev在輸出端的噪聲

電流噪聲in經(jīng)線圈阻抗Z放大后在輸出端的噪聲

線圈等效串聯(lián)電阻r1的電阻熱噪聲er1在輸出端的噪聲

并聯(lián)匹配電阻R1的電阻熱噪聲eR1在輸出端的噪聲

前放輸出端的總噪聲

其中r1、R1的電阻熱噪聲分別為。前放輸入端各噪聲理論計算所得曲線及總噪聲的實測曲線如圖8所示。

圖7 前置放大電路噪聲模型Fig.7 Noisemodel of preamplifier circuit

圖8 前放輸入端各噪聲仿真曲線及實測曲線Fig.8 Simulation and measured curve of preamplifier input noise

實驗室實測的儀器本底噪聲與理論計算的結(jié)果基本一致，說明模型的建立及理論計算是正確的。儀器本底噪聲是nV級，電壓噪聲是個不隨頻率變化的值，匹配電阻的熱噪聲是儀器本底噪聲的主要來源，該計算結(jié)果為探頭的優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)元件參數(shù)的改進及儀器獲得更好的信噪比提供了依據(jù)。

2．4 信號調(diào)理

在保證軟件數(shù)頻算法精度的前提下，要提高儀器的測量精度，重點在于使接收信號獲得較高的信噪比。本設(shè)計中，為提高接收信號的信噪比，經(jīng)前置放大電路選頻放大后的輸出信號須經(jīng)過隔離、濾波和幅值、偏置調(diào)整后才能對其進行采樣和運算，信號調(diào)理電路由緩沖電路、寬帶濾波電路、窄帶濾波電路和衰減電路構(gòu)成，框圖如圖9所示。

緩沖電路由運放搭建的電壓跟隨器構(gòu)成，由于運放的輸入阻抗高，緩沖級的加入一方面可以減少信號在前級輸出阻抗上的損耗，提高電路的帶載能力;另一方面起到隔離作用，減小后級電路對前級電路的影響，增強電路的穩(wěn)定性。第2級為寬帶濾波電路，增益為50倍左右，由二階高通濾波器和二階低通濾波器兩個濾波電路構(gòu)成，寬帶濾波器傳輸特性仿真結(jié)果和實測結(jié)果如圖10所示，3 dB帶寬范圍為1.2～3.9 kHz，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。第3級為窄帶濾波部分，它由MAX260與阻容濾波衰減網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過編程設(shè)置中心頻率、帶寬、矩形系數(shù)等參數(shù)，使濾波器的特性滿足要求，從而實現(xiàn)窄帶濾波。窄帶濾波帶寬為80 Hz，系統(tǒng)的帶寬主要由這級決定。最后一級為偏置衰減電路，設(shè)計的主要目的是避免輸入到后級采樣電路的信號過沖，并對信號進行偏置調(diào)節(jié)。

圖9 信號調(diào)理電路框圖Fig.9 Schematic of signal processing circuit

2.5 工作時序

JOM-1型Overhauser磁力儀1個測量周期的工作時序如圖11所示，每個測量周期包括兩個階段。第1階段為極化，控制極化電路產(chǎn)生穩(wěn)恒電流，同時控制射頻激勵電路產(chǎn)生射頻信號用于溶液激勵，一段時間后，撤去穩(wěn)恒電流及射頻激勵信號。在極化階段中，通以穩(wěn)恒電流的接收線圈中將產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場即偏轉(zhuǎn)場。第2階段為信號采集，撤去穩(wěn)恒電流及射頻激勵信號后，接收線圈便可檢測到拉莫爾旋進信號，利用A/D(Analog to Digital Converter)對經(jīng)過前置放大、信號調(diào)理電路后的信號進行采樣，采樣數(shù)據(jù)自動保存在flash中并通過DSP內(nèi)部軟件算法計算采集信號的頻率，在液晶屏上實時顯示采集信號波形，采集完畢后顯示以nT為單位的實測當?shù)氐卮艌鲋怠?/p>

圖10 寬帶濾波器傳輸特性仿真結(jié)果和實測結(jié)果Fig.10 Simulation and measured results of the transmission characteristics of broadband filter

圖11 JOM-1型Overhauser磁力儀1個 測量周期的工作時序Fig.11 Working sequence of ameasuring cycle of JOM-1 Overhausermagnetometer

3 測量結(jié)果

JOM-1型Overhauser磁力儀與JPM-1型質(zhì)子磁力儀信號分別如圖12a、圖12b所示，系統(tǒng)增益相同時，噪聲水平相同，Overhauser磁力儀信噪比為96∶1，信號幅值約為質(zhì)子磁力儀的3倍，信號質(zhì)量優(yōu)于質(zhì)子磁力儀。

圖12 OVM與PPM信號Fig.12 Signal of OVM and PPM

為測量儀器的穩(wěn)定性、得到儀器的靈敏度，在忽略日變的情況下，短時間內(nèi)連續(xù)進行測量(40次為一組)，兩組實測數(shù)據(jù)如圖13所示。將Overhauser磁力儀與質(zhì)子磁力儀放置在相隔10m處，采樣間隔均設(shè)置為10 s，連續(xù)自動采集500個點，實測數(shù)據(jù)如圖14所示。其中，曲線的變化趨勢即反映當?shù)厝兆兓Ｓ蓪嶒灲Y(jié)果可知，儀器的實測信號質(zhì)量較高，信噪比優(yōu)于普通的質(zhì)子磁力儀，穩(wěn)定性較好，靈敏度可以達到0.14 nT。

溶液的激發(fā)頻率與溶劑的種類有關(guān)［15］，JOM-1型Overhauser磁力儀所采用的溶液的激發(fā)頻率約70 MHz左右，頻率寬度約800 kHz左右，如圖15所示。

圖13 兩組OVM短時間內(nèi)的實測數(shù)據(jù)Fig.13 Two groups of OVM datas in a short period of time

圖14 OVM與PPM長時間實測數(shù)據(jù)對比曲線Fig.14 Measured datas of OVM and PPM in a long time

溶液的極化時間與極化率有著指數(shù)關(guān)系，極化率可用信號的初始強度表示，自主配置的自由基溶液的相對極化率實測曲線和公式擬合曲線如圖16所示，極化2.5 s時，極化率可達80%，極化效率較高。通過實驗研究同一激發(fā)頻率下，溶液的極化度與溶液濃度之間的關(guān)系，射頻激勵系統(tǒng)產(chǎn)生70 MHz的激勵信號，分別對探頭中濃度比為0.75∶1∶1.5的自由基溶液進行激勵，測量接收信號的幅值，結(jié)果為溶液濃度正常時接收信號幅值最大，濃度偏大或偏小時接收信號幅值都會減小，表明溶液的激發(fā)頻率與溶液的濃度有關(guān)。

圖15 信號峰值隨射頻激勵頻率變化曲線Fig.15 Signal peak value vs.RF excitation frequency

圖16 OVM相對極化率實測曲線和擬合曲線Fig.16 Measured and fitting curve of OVM relative polarizability

4 結(jié) 語

JOM-1型Overhauser磁力儀實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、查看等基本功能。儀器的靈敏度為0.14 nT，信號的信噪比為96∶1，與相同系統(tǒng)增益的普通質(zhì)子旋進磁力儀相比，信號幅度約為其3倍，極化速度快，性能優(yōu)于普通質(zhì)子旋進磁力儀。自主配置的自由基溶液的激發(fā)頻率在70 MHz左右，激發(fā)頻率與溶液濃度有關(guān)，同一激發(fā)頻率下，濃溶液和稀溶液的接收信號的幅度均比正常濃度的溶液小?；贒SP的軟件方法進行頻率測量比硬件方法精度高，并可節(jié)省硬件資源，降低功耗。

但儀器仍需要改進和完善:開放式的射頻激勵線圈的磁場分布使探頭參數(shù)受環(huán)境變化影響大，以內(nèi)部磁場為圓極化的同軸諧振腔替代現(xiàn)有的鳥籠線圈，可提高探頭的穩(wěn)定性;研究地磁場中DNP因子的影響規(guī)律，通過對弱場中DNP因子的測量和對比，不斷優(yōu)化傳感器探頭中溶液的摻雜方法，獲得高DNP因子的溶液，以達到極化效率更高，共振譜線更窄，壽命更長的目的。

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(責任編輯:劉東亮)

Development of JOM-1 Model Overhauser Magnetometer

ZHANG Shuanga，HE Jialonga，CHEN Shudonga，WANG Jiaonia，GUO Xinb，LIHaiyingb

(a.College of Electronic Science and Engineering;b.College of Physics，Jilin University，Changchun 130012，China)

Overhauser magnetometer is a high sensitivity magnetostatic measuring instrument based on Overhauser effect.It has become a hot research topic in recent years，because it has high performance and is widely used.The working principle and hardware structure of JOM-1 Overhauser magnetometer are given and some key parts such as RF(Radio Frequency)excitation circuit，signal processing circuit，working sequence，

Overhauser magnetometer;proton magnetometer;sensitivity;radio frequency(RF)excitation; signal processing

P631;TN8

A

1671-5896(2015)04-0409-07

2014-01-02

吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)專項基金資助項目(2013C035-1)

張爽(1967— )，男，長春人，吉林大學教授，主要從事電磁傳感理論與技術(shù)研究，(Tel)86-13504312310(E-mail) zhangshuang@jlu.edu.cn。

noise level and experimental results are introduced.Field tests indicate that JOM-1 Overhausermagnetometer has achieved basic functions such as data collection，display，storage，viewing and so on.0.14 nT sensitivity is obtained and initial signal-to-noise ratio can reach 96∶1，which is three times of the JPM-1 proton precession magnetometer fabricated by our lab.