引言

核四极矩共振（Nuclear Quadrupole Resonance，NQR）^[1-3]是一种非接触式的固态射频谱分析技术，可用于检测含氮元素（¹⁴N）的高危爆炸物与违禁物品.实验中通常使用脉冲方法检测NQR信号，即被测物质在射频脉冲信号的激励下发出特定的响应信号，通过采集和检测该信号来分析其频谱特性^[4].目前有多种NQR激励脉冲序列类型^[5-9]，如单脉冲序列、随机（或噪声）脉冲序列、自旋锁定自旋回波（Spin Locking Spin Echo，SLSE）脉冲序列、稳态自由振荡（Steady-State-Free Precession，SSFP）脉冲序列、强偏共振（Strong Off Resonance Comb，SORC）脉冲序列^[10]、CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）型多脉冲序列等，对不同的物质进行检测需采取不同的脉冲序列才能得到最佳信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）的NQR信号.常规方法中通过直流脉冲斩波连续射频波的方式来产生所需的射频脉冲，该脉冲具有相位相干性，而每个脉冲激励所产生的NQR信号具有不同的初始相位，需增加相敏检波（Phase-Sensitive Detection，PSD）模块才能进行后续的信号处理及相参积累^[11].鉴于此，本文采用STM32与直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）技术设计了一种相位可控的射频激励脉冲发生器，其具有参数配置灵活、相位可控和输出参数精确度高且稳定等特点.

1 相位可控的射频脉冲发生器的设计 1.1 NQR探测原理

NQR是指原子核的非球对称部分在外加电磁场的作用下产生能级跃迁的过程.与核外电场梯度相互作用引起自旋量子数I > 1/2的原子核发生能级分裂，在外加电磁场的作用下，当电磁场的频率与普朗克常量的乘积（hv）与原子核四极矩能级的能量差（ΔE）相等时，会发生能级跃迁^[1-3].目前已知的一些主要爆炸物，如黑索今（Cyclotrimethylene Trinitramine，RDX）和梯恩梯（Trinitrotoluene，TNT）等，氮元素（¹⁴N，自然丰度99.63%）含量较高.¹⁴N核自旋量子数I=1，且电四极矩不为0，因此NQR技术常用于含氮违禁品（如爆炸物）的检测，且在石油（地热）钻井、石油资源勘探、药剂配制及矿物质元素检测等领域也得到了广泛应用^[12].对于自旋量子数I=1的原子核，允许的能级跃迁如图 1所示.

对应的能级频率可表示为：

$ v_{\pm}=\frac{e^{2} q Q}{4 h}(3 \pm \eta), \quad v_{0}=\frac{e^{2} q Q}{2 h} \eta $

(1)

其中, e²qQ/h为四极耦合常数，η为不对称参数.核四极矩eQ是描述原子核中电荷分布的物理参数.对于给定的核，核四极矩是恒定的，因此NQR频率取决于物质的晶体结构.不同的原子核或相同的原子核在不同的物质结构中会有不同的NQR频率，这一波谱特性成为判别不同物质的有效手段.所以一旦检测到NQR信号，不但可判定是哪种原子核，而且可以判定是何种物质^[1-3].

NQR信号通常有两种类型：一种是单脉冲激励产生的自由感应衰减（Free Induction Decay，FID）信号，另一种是复合脉冲序列激励产生的自旋回波（Spin-Echo，SE）信号，它是FID信号再次重聚的结果.NQR信号类型由采用的激励脉冲序列决定，而激励脉冲序列的设计是以自旋-晶格弛豫时间（T₁）和自旋-自旋弛豫时间（T₂）为依据.对于同一种爆炸物，其T₁和T₂并不相同，其中T₁决定两次测量之间的等待时间，T₂决定一次测量所得信号的持续时间.对于具有T₁≈T₂特性的化合物（例如RDX），一般采用单脉冲激励序列和复合脉冲激励序列采集其FID信号；对于具有T₁ > > T₂特性的化合物（如TNT），一般使用SLSE脉冲序列获得其SE信号^[1].

NQR本身信号十分弱，通常为纳伏级信号；且易受外界电磁场和测量设备内部噪声的干扰，这制约了NQR技术的应用范围.在实际应用中，通常通过对每个脉冲之后的NQR信号进行积累来提高其SNR^[13].积累又分为相参积累和非相参积累^[14].相参是指脉冲之间存在确定的相位关系.相参积累是最理想的积累，因为它保存了相位信息，即对n个信号进行累加，理想状态下积累后的SNR可提高n倍；而非相参积累时不包含相位信息，直接利用模值信息进行多个脉冲信号的累加，由于没有利用有用的相位信息，其SNR改善程度不如相参积累效果好，通常增益小于n，而大于$\sqrt{n}$.

1.2 相位可控的射频脉冲发生器的电路设计

相位可控的射频脉冲发生器的参数指标如下：共振频率范围0.5~6 MHz，脉冲最小宽度为10 μs，脉冲形式可选择，脉冲个数可设置，初始相位可控.

常规脉冲式NQR探测系统原理框图如图 2(a)所示，通过直流脉冲斩波连续射频波的方式来产生所需的射频脉冲.被测样品置于探测线圈中，发射射频脉冲，经功率放大后输出至探测线圈.脉冲停止发射后，被探测物质释放包含NQR特征频率的回波信号.探测线圈接收此信号，经前置放大器和主放大器进行放大，通过滤波器滤出其中的有效信息，经PSD后进行后续的信号处理，最后对整个脉冲序列所得到的信号进行相参积累以提高SNR.常规方法存在的问题是射频脉冲具有相位相干性，而每个脉冲激励所产生的NQR信号具有不同的初始相位，需通过PSD模块后才能进行相参积累.

本文结合STM32与DDS技术，利用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）软件平台设计了一种初始相位可控的射频激励脉冲发生器，方案如图 2(b)所示.基于STM32和DDS芯片AD9910完成调制射频脉冲输出.STM32通过串口通信接收上位机波形指令数据（脉冲幅度、频率、相位等），并进行解析，再通过串口将该指令数据写入AD9910.AD9910根据指令地址，将该指令数据存储在I/O缓冲区中，当检测到I/O口有更新数据就会启动AD9910的自动更新功能，此时I/O_UPDATE是有效的上升沿脉冲信号.用上位机LabVIEW设计脉冲参数设置界面，同时在微控制器STM32和计算机之间完成串口通信，实现上位机与下位机通信，进而精准控制脉冲参数.液晶屏幕（Liquid Crystal Display，LCD）显示当前输出脉冲序列参数，如共振频率等信息，以便实时观察和调整.该方法无需PSD模块，实际应用中可直接获取每个脉冲之后的NQR信号并进行相参积累以提高SNR.且所提方法可实现交替反相激励脉冲序列，为消除频带内射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）提供了条件.依据常见待测物的参数T₁和T₂预设其激励脉冲参数，在测试时可选择相应待测物的激励脉冲序列参数，以实现射频脉冲参数的配置.

AD9910支持4种工作模式：单频调制模式、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）调制模式、数字斜波调制模式、并行数据端口调制模式，本设计采用单频调制模式控制共振频率、初始相位及幅度等参数.DDS的信号控制参数由Profile寄存器控制，通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）将不同频率、相位及幅度的参数分别写入不同的Profile寄存器，结合Profile外部引脚电平组合选择不同寄存器，实现不同波形的切换^[15].

（1）若要产生确定的共振频率、相位、幅度的信号，需要计算出对应的频率调谐字（Frequency Tuning Word，FTW）、相位偏移字（Phase Offset Word，POW）和振幅比例因子（Amplitude Scale Factor，ASF）.

AD9910有32位FTW，表示为：

$FTW = \frac{{{2^{32}}}}{{{f_{CLK}}}} * {f_{OUT}}$

(2)

其中，${f_{CLK}}$为系统时钟；${f_{OUT}}$为输出频率.例如${f_{CLK}} = 1$ GHz，即FTW = 4.294 967 296*${f_{OUT}}$，AD9910的频率分辨率为${f_{CLK}}/{2^{32}} = 0.23$ Hz.

AD9910具有16位POW，可表示为：

$POW = \frac{{ \mathit \Delta \theta }}{{{{360}^{\rm{^\circ }}}}} * {2^{16}} = 182.04444*\mathit \Delta \theta $

(3)

Δθ为相位增量.AD9910的相位分辨率为2π/2¹⁶=0.005 5˚.

AD9910具有14位ASF，可表示为：

$ASF =\mathit \Delta \lambda * {2^{14}}$

(4)

其中，Δλ为相对振幅范围.(4)式中的结果是整数，计算结果需要四舍五入.

将FTW、POW和ASF送入AD9910就能得到对应的信号.

（2）通过STM32定时器实现对激励脉冲脉宽和脉冲间隔的控制^[16].STM32定时器包括计数器TIMx_CNT、自动重装寄存器TIMx_ARR、捕获/比较寄存器TIMx_CCRx和预分频器TIMx_PSC.对一定宽度的脉冲进行计数，到达预设值则会溢出使得电平翻转，通过设定定时器溢出时间与CCRx寄存器值即可控制输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波的周期和占空比.STM32中定时器溢出时间，即计数器更新周期${T_{OUT}}$可表示为：

${T_{OUT}} = [(arr + 1) * (psc + 1)]/{T_{CLK}}$

(5)

其中，arr为自动重装溢出值，设为9；psc为时钟预分频系数，设为71；${T_{CLK}}$为时钟频率，默认使用内部时钟，即72 MHz.因此由(5)式可得，${T_{OUT}}$为10 μs，即以10 μs为基准延时，最小脉冲宽度为10 μs.时钟频率一定，通过改变arr和psc来控制PWM波的周期.将计数器设置为向上计数模式，每10 μs计数一次，当计数器当前值小于CCRx寄存器值时，输出低电平，否则输出高电平.将产生的PWM波形输出到AD9910的OSK（Output Shift Keying）管脚，以控制激励脉冲脉宽和脉冲间隔，当OSK管脚为0时，输出0幅度波形；否则，输出正常波形.

1.3 相位可控的射频脉冲发生器的软件设计

相位可控的射频脉冲发生器的软件控制流程如图 3所示，首先对AD9910和STM32端口初始化，通过上位机界面输入所需的脉冲参数，将指令数据封包发送给STM32，STM32接收到命令后对数据进行解析，将其转换为相应的控制字送入AD9910.一个通信周期包括指令周期和数据周期，指令周期包括发送一个包含寄存器地址的字节；数据周期包括在指令周期中选择的寄存器中存储的位元.通过STM32输出PWM波形到AD9910的OSK脚控制AD9910输出射频脉冲的脉宽和脉冲间隔，最后输出所需的射频脉冲.

上位机主要是实现人机交互界面以及与STM32的通信，使用者可以通过应用界面设置波形参数，调整数据类型，选择串口、波特率和校验位等，以实现下位机的控制^[17].基于LabVIEW所设计的应用界面如图 4所示，界面右边为脉冲参数设置：激励脉冲波形的共振频率、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数和初始相位；界面左边为串口通讯设置.将波形数据转化成16进制数并进行编码，按照通信协议封包，将其发送给STM32，STM32接收到后进行解包.通信协议的每一帧长度为16位，由命令帧和数据帧组成，帧头和帧尾作为校验码，用于判断数据包的完整性.STM32解析协议要首先判断数据包的完整性和正确性，将接收数据放入缓冲区中，读取数据后进行解析，将其转换为相应的控制字通过串行通信写入AD9910.

2 结果与讨论

文中STM32默认使用内部时钟72 MHz，使用40 MHz信号作为DDS的参考时钟，经内部锁相环25倍频至1 GHz作为运行时钟.所产生的射频脉冲信号采用GWinstek GDS-1022数字示波器进行测量.AD9910频率分辨率为0.23 Hz，相位分辨率为0.005 5°.

2.1 脉冲序列测试结果

根据NQR信号的类型，测试单脉冲序列和复合脉冲序列的输出波形，输出频率均为500 kHz，周期为2 μs.单脉冲输出测试实现了脉冲宽度和频率的控制，如图 5(a)所示，脉宽为200 μs（周期数为10），初始相位为0°.复合脉冲输出测试实现了脉冲宽度、脉冲间隔、频率和脉冲个数的控制，如图 5(b)所示.上方波形为脉冲序列，第一个脉宽为10 μs（周期数为5），脉冲间隔为10 μs，初始相位为0°，之后脉宽和脉冲间隔均为首个脉冲的两倍，均为20 μs，脉冲个数为2；下方波形是控制AD9910输出的PWM波形.PWM波上升沿斜率会使射频初始相位存在一定程度的后延.

2.2 输出相位测试

为验证相位控制的有效性，设计产生了4个初始相位依次增加90°（0°、90°、180°、270°）以及交替相位的射频脉冲，输出频率均为500 kHz，周期2 μs.为了观察初始相位，截取脉冲中的一部分并放大显示.如图 6(a)~(d)所示，初始相位均为所设置的相位值.图 6(e)给出了交替相位脉冲的产生情况，初始相位分别设置为90°和270°，脉冲宽度为10 μs，脉冲间隔为20 μs.测试结果表明，其波形平滑且初始相位具有良好的可控性.

2.3 输出频率测试

典型炸药对应的NQR频率在0.5~6 MHz之间，为了观察该激励脉冲发生器的输出频率，以正弦波为例进行输出波形频率测试.在全频率范围内选择典型值测试：图 5和图 6为频率值500 kHz的波形图，共振频率为890 kHz和5 192 kHz的波形图分别如图 7(a)和7(b)所示.实验结果表明，可实现0.5~6 MHz范围内输出频率可调.

3 结论

本文结合STM32、DDS和LabVIEW设计了一种相位可控的NQR激励脉冲发生器.测试结果表明，该方法能够实现NQR激励脉冲序列参数的灵活配置、控制激励脉冲初始相位，相位控制精度满足系统设计要求，这为后续的NQR信号处理和提高SNR提供了条件；同时也可实现脉冲宽度可控，其最小脉冲宽度为10 μs，具有精确度高且稳定的特点.