Квантовый вариометр

 

ОПИСАНИЕ

ИЗО6РЕТЕН И Я

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< >793)34

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 17.04.79 (21) 2754931/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 30.01.82. Бюллетень № 4 (45) Дата опубликования описания 30.01.82 (51) М.Кл.з б 01 V 3/14 государственный комитет

СССР аа делам изобретений и открытий (53) УДК 550.838.08 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ю. М. Абрамов и А. Н. Козлов

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (71) Заявитель (54) КВАНТОВЪ|й ВАРИОМЕТР

Изобретение о;пносится 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 представляютзначение вариаций магнитного поля.

Известен квантовый вариометр с оптической накачкой, содержащий спектральную лампу, генератор возбуждения спектральной лампы, линзы, круговой поляризатор, ячейку поглощения, фотоприемник, усилитель, радиочастотную катушку и частотноизмерительный блок (Ц.

Недостатком известного устройства является необходимость применения рида 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 ка риКе (21.

В известном устройстве для демодуляции сигнала квантового датчика самогенерирующего типа используется фазовый детектор, на входы которого подаются сигналы с.выхода датчика и с выхода узкополос20 ного следящего фильтра. Подобная система является интегрирующим звеном при демодуляции частотно-модулированного сигнала датчика и, следовательно, имеет ограниченную полосу пропускания (порядка

25 40 Гц).

Целью изобретения является повышение информативности за счет увеличения полосы частот регистрируемых вариаций.

Поставленная цель достигается тем, что в квантовый магнитометр, содержащий

793134 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 катушки, 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 и ячеек, строби;рующего блока и кварцевого генератора, ;причем вход регистра сдвига соединен с выходом усилителя, выход кварцевого генератора соединен с тактовым входом регистра сдвига, выходы первой и и-ой ячеек .которого соединены с выходами стробщрующаго блока, соединеннюпо выходом с входами репистрато ра и фильтров.

Практическая реализация предлагаемого техничвского решения 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 автокор реляционного 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 катушке 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 катушкой 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 отношение атомов использованного рабочего вещества с внешним 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 умножи25 тель частоты, вводимый для увеличения индекса частотной модуляции, поступает на перемножающий блок и линию задержки.

Задержанный в линии задержки сигнал поступает ко второму входу перемножающего

ЗО блока.

Статическая характеристика перемножающего блока представляет собой периодическую функцию от изменения частоты датчика с переходами через нулевое значеЗ5 ние, определяемую соотношением

40 где ю — частота генерации датчика; т — время задержки.

В окрестности нулевого перехода выходной сигнал перемножающего блока имеет. значение где К вЂ” коэффициент пропорцио50 нальности;

U — амплитуда колебаний сигнала на входе перемножающего блока;

6 (t) — текущее значение фазы ко55 лебания сигнала;

9,(t — т) — задержанное на время т значение фазы колебания сигнала.

При малых индексах частотной модуля60 ции

U,, = KU sin 2-.тЛв(/), где Ла® =AH(t) — величина девиации

65 частоты;

793134

U,, = КУ 2лтЛН(/) 30

36

А — гиромагнитное относ шение для атомов рабочего вещества датчика;

Н (t) — текущее значение напряженности магнитного поля.

При малых значениях аргумента синусоидальной функции т. е. демодуляция сигнала осуществляется без искажений.

Полоса пропускания определяется только временем задержки и лежит в пределах от 0 до /2т Гц.

Так как статическая характеристика демодулятора имеет вид периодической симметричной функции, то для обвспечвния нормального функционирования необходимо

:выведение частоты генерацни на 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 составляет 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 и 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, вь.ход которого подключен к усилителю 8. Выход усилите.ля 8 соединен через сопротивление 9 с ра.диочастотной катушкой 10 и входом регистра сдвига 17. Выходы первой и и-ок 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 f,, которого выбирается больше самой высокой частоты генерации. Последовательность импульсов с выхода и-ой ячейки регистра сдвига 17 сдвинута во времени относительно последовательности импульсов с выхода первой ячейки на время тз и — 1 з — ь где n — число ячеек регистра сдвига.

Статическая характеристика стробирующего блока 18 при подаче на его входы смещенных во времени последовательностей импульсов является иериодической.

Период изменения характеристики составляет I/ò3 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 тз определяется, исходя из допустимого уровня флюктуаций сигнала.

Экспериментальная проверка показала, что вариометр с оптичвыой на качкой впа,рах цврия с регистром сдвига на микросхемах серии К 590 п=200 и та ктовой частоте

250 кГц имеет время задержки — 0,8 мс, полосу пропускания 560 Гц и крутизну преобразования около 30 мВ/нТ. Переключения -..ûõoäà регистра сдзига с и-ой ячейки на любой другой выход позволяет в широких пределах изменять крутизну преобразования, динамический диапазон и полосу пропускания вариометра.

793134 г,1

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 катушку, окружающую ячейку поглощения, 1п фильтр помехи и регистратор, о тл и ч а юшийся тем, что, с целью повышения информативности за счет увеличения полосы частот регистрируемых вариаций, в него введены последовательно соединенные 16 автокорреляционный демодулятор и фильтр нижних частот, подключенные между выхо-. дом усилителя и входом радиочастотной катушки, при этом фильтр помехи подключен параллельно фильтру. нижних частот, 20 а выход демодулятора соединен с входом регистратора.

2. Вариометр по п. 1, о тл ич а ю щи йс я тем, что автокорреляционный демодулятор выполнен в виде умножителя частоты 25 линии задержки и перемножающего блока, причем выход умножителя частоты соединен 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, отл и ч а ю щи йс я тем, что автокорреляционный демодулятор выполнен в виде регистра сдвига, имею-щего и 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 и-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 Ко 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) . Редактор Vi. Коляда

Составитель Л. Василевская

Техред Л. Куклина

Корректор С. Файн

Заказ 24/39 Изд. № 102 Тираж 718 Подписное

НПО cIIoacK» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Хауьн. фил. пред. сНатеит»