Квантовый вариометр Советский патент 1982 года по МПК G01V3/14 

Изобретение оттносится к области геомагнитных измерений и может быть использовано для измерения вариаций магнитного поля естественного и искусственного происхождения при магниторазведочных работах. В основе известных вариометров лежит применение квантовых датчиков автоколебательного типа с оптической накачкой, вариации частоты которых представляют значение вариаций магнитного поля. Известен квантовый вариометр с оптической накачкой, содержащий спектраль ную лампу, генератор возбуждения спект ральной лампы, линзы, круговой поляризатор, ячейку поглощения, фотоприемник, усилитель, радиочастотную катушку и частотноизмерительный блок 1. Недостатком известного устройства является необходимость применения ряда высокостабильных кварцевых генераторов или сетки кварцованных частот для демодуляции сигнала датчика при работе в широком диапазоне постоянных магнитных полей. Наиболее близким к изобретению техническим решением является квантовый вариометр, содержащий спектральную лампу, генератор возбуждения спектральной лампы, расположенные на одной оптической ОСИ линзы, круговой поляризатор, ячейку поглощения и фотоприемник, радиочастотную катушку, окружающую ячейку поглощения, частотноизмерительный блок, усилитель, вход которого соединен с фотодетектором, а выход - со входом синхронного детектора и узкополосного следящего 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 для демодуляции сигнала квантового датчика самогенерирующего типа используется фазовый детектор, на входы которого подаются сигналы с выхода датчика и с выхода узкополосного следящего фильтра. Подобная система является интегрирующим звеном при демодуляции частотно-модулированного сигнала датчика и, следовательно, имеет ограниченную полосу пропускания (порядка 40 Гц). Целью изобретения является повышение информативности за счет увеличения полосы частот регистрируемых вариаций. Поставленная цель достигается тем, что в квантовый магнитометр, содержащий

спектральную лампу, генератор возбуждения спектральной лампы, размещенные на одной оптической оси линзы, круговой поляризатор, ячейку поглощения и фотоприемник, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, радиочастотную катушку, окружающую ячейку поглощения, фильтр помехи и регистратор, введены последовательно соединенные автокорреляционный демодулятор и фильтр нижних частот, подключенные между выходом усилителя и входом радиочастотной катущки, при этом фильтр помехи подключен параллельно фильтру нижних частот, а выход демодулятора соединен с входом регистратора; а также тем, что автокорреляционный демодулятор выполнен в виде умножителя частоты, линии задержки и перемножающего блока, причем выход умножителя 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 автокорреляционный демодулятор может быть выполнен в виде регистра сдвига, имеющего п ячеек, стробирующего блока и кварцевого генератора, лричем вход регистра сдвига соединен с выходом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы первой и л-ой ячеек .которого соединены с выходами СтрО би1рующего блока, ооединавнопо выходом с входами ipenHicrpaTOipa и фильт1ро1в.

Практическая реализация предлагаемого технического рещения может быть представлена с различным конструктивным выполнением схемы автокорреляционного демодулятора. Две наиболее удачных, с точки зрения авторов, схемы описаны ниже.

На фиг. 1 представлена блок-схема квантового вариометра с первым вариантом выполнения автокорреляционного демодулятора; на фиг. 2 представлена блок-схема квантового вариометра со вторым вариан-. том выполнения автокорреляционного демодулятора.

Вариометр содержит ячейку поглощения 1, спектральную лампу 2, генератор возбуждения спектральной лампы 3, фокусирующие линзы 4 и 5, круговой поляризатор 6, фотоприемник 7, усилитель 8, подключенный через сопротивление 9 к радиочастотной катущке 10. Усилитель 8 подключен также к автокорреляционному демодулятору, состоящему из умножителя частоты 11, линии задержки 12 и перемножающего блока 13. Выход демодулятора 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 возбуждения спектральной лампы 3 возбуждает разряд в спектральной лампе 2. Свет от спектральной лампы 2 проходит через линзу 4, циркулярный поляризатор 5, ячейку поглощения 1, линзу 6 и детектируется фотоприемником 7. Сигнал с выхода фотоприемника 7 усиливается усилителем 8 и через сопротивление 9, а также через автокорреляционный демодулятор,

фильтр нижних частот 15 и фильтр помех 16 подается в радиочастотную катушку 10. При выполнении баланса фаз и амплитуд в кольце обратной связи датчика возникает генерация на частоте магнитного резонанса,

которая связана через гиромагнитное отнощение атомов использованного рабочего вещества с внещним магнитным полем. Информация о вариациях переменного магнитного поля содержится в выходном колебании датчика в виде частотной модуляции. Известно, что датчик автоколебательного типа имеет полосу пропускания в несколько десятков кГц. , Выходной сигнал датчика через умножцтель частоты, вводимый для увеличения индекса частотной модуляции, поступает на перемножающий блок и линию задержки. Задержанный в линии задержки сигнал поступает ко второму входу перемножающего

блока.

Статическая характеристика перемножающего блока представляет собой периодическую функцию от изменения частоты датчика с переходами через нулевое значение, определяемую соотношением

(ЙТ

- rat, д : о, 1, 2,. . . .

где О) - частота генерации датчика;

т - время 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 колебания сигнала;

задержанное на время т значение фазы колебания сигнала.

индексах частотной модуляKUsm 2-тАсо(0,

С/) - величина девиации частоты; Л - гиромагнитное отно шение для атомов рабочего вещества датчика; H(t) - текущее значение напряженности маг нитного поля. При малых значениях аргумента синусо идальной функции U,:,±KU2ntf H(i) Т. е. демодуляция сигнала осуществляется без искажений. Полоса пропускания определяется только временем задержки и лежит в пределах от О до V2T Гц. Так как статическая характеристика демодулятора имеет вид периодической симме-причной функции, то для обеспечеиня нормального функционирования необходимо выведение частоты генерац.и1и «а линейный участок демодулятора. Эта операция осуществляется посредством введения отрицательной обратной связи на датчик через фильтр нижних частот с выхода перемножающего блока. Подавление помех, в част.ности, с частотой электросети производится также цепью отрицательной обратной связи с выхода перемножающего блока через полосовой фильтр на датчик. Экспериментальные исследования пока.зали, что квантовый вариометр на основе цезиевого датчика с оптической накачкой имеет полосу пропускания около 8 кГц при использовании умножителя частоты на 20 и линии задержки около 65 мкс, что сущеСтвенно превышает значение полосы пропускания известных вариометров на основе квантовых датчиков с оптической накачкой. При этом чувствительность остается постоянной и не зависит от значения магнитного поля в пределах полосы пропускания линии задержки. Крутизна преобразования частотно-модулированного сигнала состав-ляет в макетном образце 50мВ/нТ. Введение отрицательной обратной связи на частоте помехи позволяет уменьшить ее уровень не менее, чем на 20 дБ. Эта величина зависит от исполнения полосового фильтра на частоту помехи. На фиг. 2 показан квантовый варио.метр, в котором автокорреляционный де.модулятор выполнен в виде регистра сдвига, имеющего п ячеек, стробированного блока и кварцевого генератора. Ячейка поглощения 1 облучается спектральной лампой 2, возбуждаемой генера-тором 3, через линзу 4 и круговой поляризатор 6. Свет, прошедший через ячейку поглощения 1 и вторую линзу 5, регистрируется фотоприемником 7, выход которого подключен к усилителю 8. Выход усилителя 8 соединен через сопротивление 9 с ра.диочастотной катушкой 10 и входом регистра сдвига 17. Выходы первой и п-ой, ячейки 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 связи датчика возникает генерация на частоте магнитного резонанса. Частота генерации связана 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 выбирается больше самой высокой частоты генерации. Последовательность импульсов с выхода п-ой ячейки регистра сдвига 17 сдвинута во времени относительно последовательности импульсов с выхода первой ячейки на время тз где п - число ячеек регистра сдвига. Статическая характеристика стробирующего блока 18 при подаче на его входы смещенных во времени последовательностей импульсов является периодической. Период изменения характеристики составляет 1/тз Гц. Следовательно, раствор статической характеристики определяет динамический диапазон вариометра. Для измерения вариаций магнитного поля при любом значении постоянного магнитного поля необходимо введение на датчик отрицательной обратной связи по постоянному току, что производится подключением выхода стробирующего блока 18 к радиочастотной катушке 10 через параллельно соединенные фильтр нижних частот 15 и фильтр помехи 16. Описанный вариометр обладает полосой пропускания, равной 0,45/тз Гц. Долговременная стабильность кварцевого, генератора допускается небольшой, кратковременная стабильность за время тд определяется, исходя из допустимого уровня флюктуации сигнала. Экспериментальная проверка показала, чтю вариометр с оятичеокой накачкой в парах церия ic регистром сдвига на манросхемах сарии К 590 и тажтовой частоте 250 кГц имеет время задержки - 0,8 мс, полосу пропускания 560 Гц и крутизну преобразования около 30 мВ/нТ. Переклюения выхода регистра сдвига с га-ой ячейки на любой другой выход позволяет в шиоких пределах изменять крутизну преобраования, динамический диапазон и полосу пропускания вариометра.

Формула изобретения

1.Квантовый вариометр, содержащий спектральную лампу, генератор возбуждения спектральной лампы, размещенные на одной оптической оси линзы, круговой поляризатор, ячейку поглощения и фотоприемник, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, радиочастотную катущку, окружающую ячейку поглощения, фильтр помехи и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повыщения информативности за счет увеличения полосы частот регистрируемых вариаций, в него введены последовательно соединенные автокорреляционный демодулятор и фильтр нижних частот, подключенные между выходом усилителя и входом радиочастотной катущки, при этом фильтр помехи подключен параллельно фильтру нижних частот, а выход демодулятора соединен с входом регистратора.

2.Вариометр по п. 1, отличающийс я тем, что автокорреляционный демодулятор выполнен в виде умножителя частоты линии задержки и перемножающего блока.

причем выход умножителя 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 я тем, что автокорреляционный дёмодулятор выполнен в виде регистра сдвига, имеющего п ячеек, стробирующего блока и кварцевого генератора, причем вход регистра сдвига, соединен с выходом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы первой и п-ой ячеек которого соединены с входами стробирующего блока, соединенного выходом с входами регистратора и фильтров.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

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

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

06.11.75 (прототип).