地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (5): 2346-2350   PDF    
0.1 nT灵敏度质子磁力仪设计
张语珊1, 许廷发2     
1. 信息与电子学院, 北京理工大学, 北京 100081
2. 光电信息学院, 北京理工大学, 北京 100081
摘要: 质子旋进磁力仪是根据拉莫尔旋进效应设计的精密静磁测量仪器,具有高精度、高灵敏度、携带方便等优点,广泛用于地质调查、矿产与油气勘探、考古、未爆炸物探测、沉船打捞等领域.灵敏度作为磁力仪的一个重要指标,对其性能具有决定作用.本文以一款新型质子旋进磁力仪为例,讨论高灵敏度质子旋进磁力仪的设计.在详细描述质子磁力仪的工作原理、仪器设计与测试之后,本文重点讨论了磁力仪灵敏度评价方法和测试结果.实验结果表明:在极化电流为0.8 A,极化时间为1.6 s时,新型质子磁力仪的信噪比可达27/1,灵敏度可达0.1 nT.
关键词质子磁力仪     灵敏度     本底噪声     信噪比    
Design of 0.1 nT sensitivity proton magnetometer
ZHANG Yu-shan1 , XU Ting-fa2     
1. School of Information and Electronics, BeiJingInstitute of Technology, BeiJing 100081, China
2. School of Optoelectronics, BeiJingInstitute of Technology, BeiJing 100081, China
Abstract: Proton precession magnetometer is a precision static magnetic measuring instrument designed on the Larmor precession effect. With the advantage of high precision, high sensitivity and easy to carry, it is widely used in geological survey, mineral oil, gas exploration, archeology, UXO detection, salvage and other fields. As an important index of the magnetometer, sensitivity has a decisive role on its performance. In this paper, we will take a new type of proton precession magnetometer as an example to discuss the design of high sensitivity proton precession magnetometer. After the detailed description of working principle and design of the precession magnetometer, we discuss the sensitivity evaluation methods and test results of the magnetometer. The experimental results show that when the polarization current is set as 0.8 A and the polarization time 1.6 s, the signal-to-noise ratio of new designed proton magnetometer can reach 27/1 and the sensitivity 0.1 nT.
Key words: proton magnetometer     sensitivity     back noise     single to noise ratio    
0 引言

地磁传感器被广泛用于地质结构调查、矿产资源勘察以及地质填图等传统领域(Nabighian M N,2005袁炳强,2015),同时还用于考古研究、未爆弹药探测等领域(张寅生,1999;Billings S D, 2004Lenz,2006).经过数十年发展,质子旋进磁力仪、磁通门等地磁测量传感器种类不断丰富,性能也不断提高.

其中,质子旋进磁力仪作为一种经典的精密地磁测量仪,由于其操作简单、可靠性强、价格适中等优点,在地磁测量中获得广泛应用.由于地磁场强度为20000~120000 nT,所以地磁测量属于弱磁测量(Ge J,2006),此时传感器的灵敏度对于测量结果的可靠性极为重要.国际上公认的性能最为优良的质子磁力仪为加拿大GEM公司的GSM-19T,该仪器灵敏度达到0.05 nT (谈昕,2015).国产质子磁力仪在性能、功能等方面都有较大的差距,尤其是灵敏度指标.因此,如何通过各种措施提高仪器的灵敏度是值得研究的问题.

质子旋进磁力仪的灵敏度主要取决于两个方面因素:信号信噪比,数频算法.为了提高信噪比,谭超(2007)等设计了低频μV级弱信号前置放大器,以降低前置放大器噪声对信号的影响;张爽(2014)则采用专门的窄带滤波器,降低信号带宽,以提高信噪比;赵志鹏(2007)通过多级放大,工频滤波等措施提高信号信噪比;Nelly Kernevez (1995)以及Ge J (2016)则对磁力仪探头进行屏蔽,以提高信噪比;王应吉(2014)通过优化磁力仪探头线圈设计以提高传感器性能.在信噪比确定的条件下,优化数频算法可以进一步提高仪器的灵敏度.王应吉(2006)以CPLD为基础,实现硬件数频,张爽(2014)则以DSP为基础,采用过零数频方法,将质子旋进磁力仪的灵敏度提高到0.27 nT,并指出,利用算法提高数频精度是未来磁力仪发展的方向.

终上所述,降低系统噪声、提高电磁兼容水平、提高信号强度以及优化数频算法等均可以提高系统的灵敏度.然而作为一个设计优良的磁力仪应均衡各种参数,如在增大极化电流、延长极化时间条件下虽然可以提高系统灵敏度,但同时增加系统功耗,限制仪器的采样率.本文以GSM-19T的极化参数为参照,在0.8 A极化电流和1.6 s极化时间的情况下,通过设计低噪声放大电路,得到信噪比为27/1的质子旋进信号,在此基础上,通过等精度数频算法,实现了0.1 nT灵敏度的质子磁力仪设计.

1 质子磁力仪的工作要点

质子旋进磁力仪是利用氢核在地磁场中的拉莫尔旋进现象制成的精密测磁仪器.质子旋进磁力仪工作原理如图 1所示,图 1a中氢核磁矩mp在极化磁场Bp的作用下沿着与地磁场BE垂直的方向排列;图 1b表示当极化场Bp撤除后,氢核磁矩mp围绕地磁场BE做拉莫尔旋进;图 1c表示氢核磁矩mp切割线圈感应出拉莫尔旋进信号.

图 1 质子旋进磁力仪的原理 Figure 1 The principle of proton precession magnetometer

拉莫尔信号的频率f与地磁场BE之间存在由(1)式表示的线性关系,公式为

(1)

通过对线圈中感应信号频率f的精确测量,就可以准确地计算出磁场值BE.基于这一原理,各种质子旋进磁力仪被设计、制作并得到广泛引用,下面本文将介绍一款以DSP+CPLD为主控核心的高灵敏度质子旋进磁力仪的设计与测试.

2 质子磁力仪的总体设计架构

此质子旋进磁力仪由探头、模拟电路、数字电路三部分构成,系统框图如图 2所示.

图 2 系统框图 Figure 2 Diagram block of the system

图 2中,探头溶液中富含氢质子,在极化时可以产生较大的氢核合磁矩mp;一对反向绕制的线圈为溶液提供极化磁场Bp,接收氢核合磁矩mp绕地磁场BE做拉莫尔旋进时的感应信号,同时还能极大的抵消外磁场对信号的干扰,提高信噪比.

质子旋进磁力仪模拟部分和数字部分电路可进一步细分为若干子电路,分别如图 34所示:

图 3 模拟板架构图 Figure 3 Diagram block of analog circuit

图 4 数字板架构图 Figure 4 Diagram block of digital circuit

图 3中,磁力仪的模拟电路又包括配谐电路、前置放大电路,信号调理电路、整形电路等.其中,配谐电路设计满足20~120 μT磁场测量范围;前置放大电路采用低噪声JFET以完成对μV级弱信号的放大;信号调理电路包括隔直和滤波电路.整形电路将正弦信号整形为方波信号.

图 4所示,数字电路包括DSP、CPLD、RAM、FLASH、AD等.CPLD作为DSP的外设完成数频、按键识别、显示等,RAM和FLASH完成数据存储,DSP作为主控系统同时负责对信号进行数频运算.

模拟电路作为系统重要部分之一,主要完成质子旋进信号的放大与调理,对信号信噪比起决定作用.由于质子旋进的感应信号为μV级,前置放大级是信号处理电路第一级,所以对前放电路噪声水平要求非常严格,要求低噪声、高增益和高稳定性.本文采用结型场效应管(JFET)2sk117作为前置放大器,放大倍数约20倍,噪声系数为NF=1.0 dB.

3 模拟信号的测试与评价

为了准确评价模拟板的性能,将2.5 kHz,500 mV的信号经串联电阻高倍分压,得到幅度约为11 μV的小信号,将该小信号输入到前置放大电路的输入端,观察整个模拟电路输出端信号如图 5所示:

图 5 模拟信号测试结果 Figure 5 Test results of analog signals

图 5所示,11 μV小信号经模拟电路放大,最终输出信号峰峰值约为2.5 V,整个电路增益约为11万倍.输出信号具有较高的信噪比,说明本设计所采用的模拟电路具有高增益、低噪声的良好性能.将此2.5 V信号经整形电路整形,输出的方波信号如图 6所示

图 6 整形信号 Figure 6 Shaping signal

图 6所示,整形后得到方波信号的周期、占空比均相似,进一步说明了模拟信号具有较高的信噪比,整形电路也具有一定的噪声抑制能力,整形后的方波信号将被送到CPLD中进行数频.

4 数字电路测频方法

本文采用测周法对图 6中整形产生的方波信号进行数频.为了提高测频精度,本设计采用温补晶振减小温度等参数对测频准确性的影响.测周法示意图如下图所示:

图 7所示,宽脉冲为整形后的方波信号,窄脉宽为温补晶振信号,Tx为整个测量时间.测量时间Tx可以分别表示为下面两种方式,公式为

(2)
(3)
图 7 测周法原理图 Figure 7 Schematic diagram of the measurement method

其中N为被测信号的周期数,n为基准时钟信号的周期数,Ts为被测信号周期,T0为基准信号周期,fs为待测信号频率,f0为基准信号频率.由(2)、(3)可得:

(4)

由(4)式可见,通过对基准时钟信号的精确计数,可以准确计算出待测频率.由于对基准时钟信号计数采用上升沿触发,导致±1个计数误差,实际测量频率为

(5)

由(4)、(5)两式可得测频的相对误差为

(6)

由(6)式可见,f0越大,n越大,数频误差越小.设f0=4 MHz,N=1000,fs=2 kHz,由(4)可知n=2×106,由(6)式得相对误差为0.5 ppm.因此,对于fs=2 kHz的磁场,测量精度可达到0.001 Hz,可以满足0.1 nT灵敏度质子磁力仪对测频精度的要求.

5 灵敏度测试与评价

如上文所述,灵敏度(sensitivity)是衡量仪器性能的重要指标.实际测试中由于各种因素的影响,如环境噪声、仪器的本底噪声等,即使测量地的磁场不随时间变化,测量结果也不可能完全相同.而灵敏度正是反映仪器测量同一磁场强度时,测量结果的不确定性,通常用测量结果的标准差来表示.

利用质子旋进磁力仪进行M次测量,测得磁场值为xi(i=0, 1…M-1),如果在整个测量过程中,地磁场的真值保持恒定,实际测量值则是真值加上测量误差,根据这些测量值就可以估计出磁场值的真值与测量误差,即仪器的灵敏度.

本文以这些磁场值的均值来估计磁场值的真值,即当测量点数M趋于无穷时,所有实测磁场值的均值μ即为磁场值的真值,这些磁场值的标准差σ即为仪器的灵敏度,公式为

(7)
(8)

实测磁场值数量有限,所有的计算结果均为估计值.根据(8)式估计出的标准偏差表示信号偏离其均值的程度.标准偏差越小,表示仪器的稳定性越好.利用这种方法给出系统的灵敏度在不同读数速率条件下会不同,所以应给出不同读数条件下系统的噪声水平,如:最短5 s测一个值为0.1 nT,可以表示为0.1 nT@5 s;最短3 s测一个值为0.1 nT,可以表示为0.1 nT@3 s;显然,后者性能更优良.

6 野外测试结果

在野外测量中,实测磁场值除了包含待测磁场外,还包含日变和各种干扰场,本文采用两个传感器同步测量,再将结果作差的方法,扣除日变对测量结果的影响,以准确评价仪器的灵敏度.两个传感器所测拉莫尔旋进信号的包络如图 8所示.

图 8 信号包络 Figure 8 Signal envelope

图 8中,两个信号初始幅度分别为1.64 V和1. 44 V,两路噪声幅度大约60 mV,故信噪比分别为27和24.每3 s为一个周期,共测量1100 s的结果如图 9所示.

图 9 两个传感器的测量结果 Figure 9 Measured results of two sensors

将两个传感器的测量结果分别减去各自的均值,结果见图 10.

图 10 扣除均值的测量结果 Figure 10 Measured results minus its mean

图 10中的两个信号相减,得到信号差值D_value,以扣除二者的日变影响,差值如图 11所示.

图 11 两组测量数据之差 Figure 11 D_value of the two measured results

依据公式(7~8),对图 11中所得差值进行处理,得到的标准偏差σ为0.1 nT,因此可以证明该磁力仪可以达到0.1 nT灵敏度.由于测量地点电磁环境较大,对灵敏度测量有影响,因此需要选择更好的测试地点,长时间测量.

7 小结

通过高信噪比放大电路、滤波电路等信号调理电路的设计,使质子磁力仪在0.8 A极化电流1.6 s极化时间的情况下,获得了最大幅度为1.64 V的质子旋进信号,信噪比达到27/1.通过测周法测频实现了0.1 nT的灵敏度.仅从灵敏度指标单独评价,该结果已经与加拿大GSM-19T的灵敏度相当,其它技术指标仍需研究评价方法和测试方法.作者认为,经过努力,国产磁力仪完全可以赶上和超过世界先进水平的GSM-19T.研究还发现,同一时间不同地点灵敏度差异较大,原因可能是环境噪声影响,因此选择低噪声的野外测试环境对测试灵敏度非常重要.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!
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