張嘯陽，姚守權(quán)，徐俊成，蔣 瑜

華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

引 言

永磁型磁共振儀器廣泛應(yīng)用在醫(yī)療成像、能源地礦、食品農(nóng)業(yè)中．磁體作為儀器的重要組成部分，通常采用釹鐵硼（Nd-Fe-B）材料制成，該材料的缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性較差，通常1 ℃的溫度變化會(huì)導(dǎo)致磁場強(qiáng)度變化1 000 ppm（Parts per Million，百萬分之一）[1]．除此以外，磁體會(huì)受到附近大型鐵磁性物體移動(dòng)和電流變化等因素影響，包括50 Hz 交流電、電梯升降、地鐵列車運(yùn)行等[2,3]．磁場的穩(wěn)定性分為長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性：影響長期穩(wěn)定性的因素主要是由溫度變化造成的慢速磁場偏移；而影響短期穩(wěn)定性的因素主要是由環(huán)境干擾引起的瞬態(tài)磁場波動(dòng)．在醫(yī)療成像中，磁場不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致每次采集信號(hào)的相位出現(xiàn)波動(dòng)，造成圖像模糊、圖像錯(cuò)位甚至產(chǎn)生偽影[4,5]；而在食品等檢測領(lǐng)域，磁場偏移會(huì)導(dǎo)致樣品檢測的一致性變差，影響檢測結(jié)果的重復(fù)性和可靠性．

為解決慢速磁場偏移，現(xiàn)有技術(shù)主要是在磁體外側(cè)加裝隔熱棉等保溫材料，并外加恒溫控制裝置[1]．但由于保溫材料效果有限，且恒溫控制裝置存在溫控精度不夠和反饋滯后等問題，只能將磁場穩(wěn)定在57 ppm/天[6]的程度．為了避免瞬態(tài)磁場波動(dòng)帶來的影響，現(xiàn)有技術(shù)主要采用主動(dòng)和被動(dòng)磁屏蔽裝置．被動(dòng)磁屏蔽裝置是采用高導(dǎo)磁材料，安裝在磁體周圍或儀器所在房間的各個(gè)墻面上；而主動(dòng)屏蔽裝置則是在磁體周圍加裝主動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備，主要包括磁傳感器、三維磁場線圈和電流源．屏蔽裝置可以有效穩(wěn)定磁場，但存在成本高昂、裝置繁瑣等缺點(diǎn)．除了以上兩類方法外，還可以采用核磁共振傅里葉變換方法[7,8]來對(duì)磁場進(jìn)行鎖定，即對(duì)鎖樣品射頻激發(fā)后，將得到的磁共振信號(hào)經(jīng)過放大、正交檢波、低通濾波和采樣后，再通過傅里葉變換計(jì)算核磁共振信號(hào)頻率，從而計(jì)算磁場偏移并進(jìn)行補(bǔ)償．但此方法電路比較復(fù)雜，同時(shí)傅里葉變換也需要一定時(shí)間，會(huì)造成產(chǎn)生補(bǔ)償磁場的延遲，因此它通常用于慢速磁場偏移的測量和補(bǔ)償．

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，利用了磁通門傳感器的高靈敏性和核磁共振測量頻率方法的高精確度，并結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的高速處理性能，設(shè)計(jì)了基于磁通門和時(shí)域數(shù)字鑒頻的磁場鎖定系統(tǒng)，包括（1）磁通門鎖場方法[9]，擬解決因環(huán)境干擾所造成的瞬態(tài)磁場波動(dòng)（其頻率在1 kHz 以下）；（2）時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法，旨在解決磁場慢速波動(dòng)的問題．時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法在現(xiàn)有恒溫控溫裝置的基礎(chǔ)上，首先對(duì)鎖樣品進(jìn)行射頻激發(fā)，然后將產(chǎn)生的磁共振信號(hào)放大，通過混頻、低通濾波獲取差頻信號(hào)，接著采用過零比較器將差頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字方波直接送入FPGA 進(jìn)行高速鑒頻，不需要進(jìn)行采樣和傅里葉變換．通過簡單的電路和數(shù)字處理，就能夠測得磁場的變化量．將兩種鎖場方法同時(shí)使用，即使磁通門傳感器放置在磁體附近，但由于磁體本身具有較好的磁屏蔽特性，溫度引起的主磁場變化也不會(huì)對(duì)磁通門鎖場方法造成影響．

1 理論與方法

1.1 磁通門鎖場方法

常見的環(huán)境干擾會(huì)造成主磁場的瞬態(tài)波動(dòng)，而0.2 μT 以上的磁場變化就會(huì)對(duì)磁共振實(shí)驗(yàn)造成影響[3]．為了檢測并補(bǔ)償磁場波動(dòng)，首先需要確定測量磁場的方法．常見方法主要有以下幾種：（1）無定向磁強(qiáng)計(jì)，通過檢測磁場與磁化物體間的作用力來測量磁場；（2）感應(yīng)線圈磁強(qiáng)計(jì)，通過檢測線圈中磁通變化來獲得表征磁場強(qiáng)弱的電信號(hào)；（3）磁通門磁強(qiáng)計(jì)，根據(jù)軟磁芯材料的磁化飽和特性來檢測磁場強(qiáng)度[10]．磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲系數(shù)低、靈敏度高，且分辨率可以達(dá)到nT[11]，能夠滿足微弱波動(dòng)磁場的檢測需求．因此本文采用磁通門傳感器，對(duì)環(huán)境的瞬態(tài)波動(dòng)磁場進(jìn)行高靈敏探測．

圖1為磁通門鎖場方法的原理框圖，將磁通門傳感器放置在磁體附近，所測磁場以模擬電壓形式輸出，同時(shí)包含磁體在該處產(chǎn)生的靜態(tài)逸散磁場、地磁場和外界干擾造成的瞬態(tài)磁場，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后送入FPGA 進(jìn)行高速數(shù)值計(jì)算．計(jì)算處理后得到的補(bǔ)償量通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）轉(zhuǎn)為補(bǔ)償電壓，驅(qū)動(dòng)電流放大器產(chǎn)生補(bǔ)償電流，然后送入磁體兩極繞制的B0補(bǔ)償線圈，從而產(chǎn)生補(bǔ)償磁場，以達(dá)到穩(wěn)定磁場的目的．

圖1 磁通門鎖場方法的原理框圖Fig.1 Block diagram of field locking method based on fluxgate sensor

由于磁通門鎖場方法只考慮對(duì)波動(dòng)的磁場部分進(jìn)行補(bǔ)償，因此在FPGA 的邏輯設(shè)計(jì)中，首先需要對(duì)靜態(tài)磁場和瞬態(tài)磁場進(jìn)行分離．將一段時(shí)間的數(shù)字測量信號(hào)取平均，其結(jié)果作為靜態(tài)磁場，并從測量數(shù)值中去除，剩下的就是瞬態(tài)磁場值．當(dāng)有外界瞬態(tài)磁場干擾時(shí)，為了準(zhǔn)確測量靜態(tài)磁場，可以適當(dāng)延長測量時(shí)間，以盡可能消除靜態(tài)磁場的影響．不過，即使不能從測量值中準(zhǔn)確去除靜態(tài)磁場，在一定程度上造成補(bǔ)償電流的小幅度增加，導(dǎo)致測得的核磁共振信號(hào)頻率出現(xiàn)一定偏移，也不會(huì)影響瞬態(tài)磁場的補(bǔ)償效果．在磁通門測量磁場并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，會(huì)存在測量電路內(nèi)部噪聲造成的測量電壓毛刺和量化誤差等的影響．為了減少這些因素造成的測量偏差，我們將瞬態(tài)磁場值采用通頻帶較為平坦的巴特沃斯（Butterworth）數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波處理．本文擬解決頻率在1 kHz 以內(nèi)的環(huán)境干擾，根據(jù)軟件模擬仿真，將濾波器的截止頻率（?3 dB 點(diǎn)）設(shè)為1.2 kHz，階數(shù)設(shè)為4 階，可以保證具有較高的帶外抑制性能，濾波器的幅頻響應(yīng)如圖2所示．

圖2 巴特沃斯低通濾波器幅頻響應(yīng)Fig.2 Amplitude-frequency response of Butterworth low pass filter

瞬態(tài)磁場值經(jīng)過濾波后，再做均值化處理，可以進(jìn)一步減少噪聲的影響，提高測量精度．以最大環(huán)境干擾頻率1 kHz 為例，假設(shè)單個(gè)周期滿足20 個(gè)抽樣點(diǎn)數(shù)，就可以對(duì)瞬態(tài)磁場有較好的補(bǔ)償效果，這樣至少需要20 k/s 的采樣率，本文使用最大采樣速率為1 M/s 的ADC 采集模擬信號(hào)，則最多可以每50 個(gè)點(diǎn)數(shù)做一次均值化處理．經(jīng)過上述處理后，基于PID（Proportion Integral Differential）算法[12]的思想，采用調(diào)節(jié)比例的方法計(jì)算出補(bǔ)償值．在軟件仿真中，根據(jù)磁通門檢測電壓與磁場的關(guān)系（100 mV/μT），同時(shí)測量并擬合出DAC 輸出電壓與磁場強(qiáng)度變化的線性關(guān)系，以此確定補(bǔ)償比例系數(shù)．在磁通門鎖場的實(shí)際測試中，可以進(jìn)一步手動(dòng)微調(diào)補(bǔ)償比例系數(shù)，以保證產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場可以更好地反相抵消瞬態(tài)波動(dòng)磁場．

本文的設(shè)計(jì)中采用高靈敏度磁通門傳感器（Mag670，Bartington），量程為±100 μT，精度為0.1 nT，量程和精度能夠滿足磁場波動(dòng)檢測要求．將磁場檢測值送至FPGA 中進(jìn)行高速計(jì)算，從開始分離磁場到輸出補(bǔ)償電壓值的總時(shí)間小于1 μs，具有較快的實(shí)時(shí)補(bǔ)償性能，由于采用了高速數(shù)字補(bǔ)償計(jì)算，整個(gè)磁場鎖定方法性能穩(wěn)定，重復(fù)性較好．圖1中提及的“時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法”將在下文進(jìn)行介紹，將磁共振信號(hào)轉(zhuǎn)為方波后同樣送入FPGA 處理，并將兩種方法計(jì)算出的磁場補(bǔ)償值進(jìn)行疊加，一并送入DAC 產(chǎn)生補(bǔ)償電壓．

1.2 時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法

永磁磁體的溫度穩(wěn)定性較差，溫度的微小變化都會(huì)造成主磁場漂移，從而影響到磁共振實(shí)驗(yàn)的一致性和可靠性．為了解決這一問題，首先需要對(duì)磁場的這一變化進(jìn)行高精度測量．采用核磁共振方法能夠精確測量磁場，通常是將脈沖激發(fā)后的磁共振信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和正交檢波等處理，然后采用傅里葉變換計(jì)算出磁場偏移值，但這種方法電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜．本文則采用時(shí)域數(shù)字鑒頻方法測量樣品共振頻率的偏移．在磁體已經(jīng)采用保溫、控溫裝置的基礎(chǔ)上，采用較為簡單的電路設(shè)計(jì)，將線圈感應(yīng)的磁共振信號(hào)經(jīng)過混頻、低通濾波和過零比較后，轉(zhuǎn)為數(shù)字方波送入FPGA，直接精確測量磁共振方波信號(hào)的周期，計(jì)算出鎖樣品的共振頻率偏移．進(jìn)而可對(duì)磁場的變化進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到磁場鎖定的目的．我們以本課題組正在研制的食品快檢磁共振分析儀中采用0.5 T 永磁材料設(shè)計(jì)的磁體部分為例，來說明本文如何采用時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場技術(shù)，對(duì)因環(huán)境溫度改變引起的慢變化磁場進(jìn)行精確測量．鎖樣品采用硫酸銅溶液，1H 共振頻率約為21.375 MHz．

1.2.1 采用混頻技術(shù)提高鑒頻精度

將磁共振鎖場信號(hào)轉(zhuǎn)為方波后，采用FPGA 時(shí)鐘對(duì)數(shù)字方波的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值可以計(jì)算鎖信號(hào)的周期和頻率．假設(shè)FPGA 采用100 MHz 時(shí)鐘對(duì)數(shù)字方波的周期（計(jì)數(shù)周期為10 ns）進(jìn)行計(jì)數(shù)．直接測量時(shí)，被測信號(hào)頻率過高，測得的計(jì)數(shù)值僅為4．且由于被測信號(hào)與FPGA 時(shí)鐘之間無關(guān)聯(lián)，所以該計(jì)數(shù)值還會(huì)存在±1 的計(jì)數(shù)誤差[13,14]，這將導(dǎo)致計(jì)數(shù)值的誤差過大，不能滿足對(duì)鎖共振信號(hào)頻率的測量精度（±1 μT）要求．為了解決這個(gè)問題，可將鎖共振信號(hào)與本振參考信號(hào)先進(jìn)行混頻處理并取出差頻信號(hào)，然后采用FPGA 對(duì)差頻信號(hào)的周期進(jìn)行測量，就可以提高周期檢測的精確度，但具體能達(dá)到的精度水平還與差頻信號(hào)的頻率選取有關(guān)．

差頻信號(hào)的頻率選取，需要同時(shí)考慮最大的磁場波動(dòng)和鎖共振信號(hào)的衰減情況．首先，混頻后的差頻信號(hào)頻率必須大于不同時(shí)間測量的鎖共振信號(hào)頻率的最大偏差，即鎖共振信號(hào)的頻率必須始終大于本振參考信號(hào)的頻率，因?yàn)閮H僅通過對(duì)差頻信號(hào)的周期測量，無法判定鎖共振信號(hào)的頻率是大于還是小于本振參考信號(hào)頻率．在差頻信號(hào)的頻率選取之前，首先對(duì)磁體的波動(dòng)情況進(jìn)行測量，12 h 測得的鎖共振信號(hào)最大頻率波動(dòng)約為2 kHz，再考慮可能出現(xiàn)的溫度異常等情況，我們將溫度引起的鎖共振信號(hào)的頻率偏差選取在大于5 kHz 的范圍．其次，需要對(duì)鎖樣品共振信號(hào)的弛豫情況進(jìn)行分析，以評(píng)估鎖信號(hào)能夠用于周期測量的時(shí)間范圍．本文采用單脈沖序列，磁共振信號(hào)經(jīng)過約90 dB 放大后，利用示波器（DSOX1204A，Keysight Technologies）同時(shí)觀察射頻振蕩信號(hào)[15]和自由感應(yīng)衰減信號(hào)．在射頻脈沖結(jié)束后，射頻振蕩信號(hào)持續(xù)時(shí)間約為40 μs．另外，鎖共振信號(hào)最大峰的峰值約為2 V，持續(xù)約400 μs 后，信號(hào)變得越來越弱．因此為了提高對(duì)鎖信號(hào)周期測量的準(zhǔn)確性，我們選擇在射頻脈沖結(jié)束后等待50 μs 開始對(duì)鎖信號(hào)的周期進(jìn)行測量，并且測量持續(xù)時(shí)間不超過300 μs，避免因電路、磁體性能變差等原因，造成鎖信號(hào)變?nèi)鹾统谠r(shí)間縮短，進(jìn)而無法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測量．但另外，在條件允許的前提下，差頻信號(hào)的頻率越低，對(duì)其周期測量的精確度就會(huì)越高．因此為了保證測量精度，差頻信號(hào)的頻率也不能設(shè)置過高．

假設(shè)選取的差頻信號(hào)的頻率為fIF（對(duì)應(yīng)周期為TIF），采用的FPGA 時(shí)鐘頻率為fclk，F(xiàn)PGA 對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行n個(gè)周期測量，周期計(jì)數(shù)值為N，那么：

根據(jù)(1)式可知，通過測量計(jì)數(shù)值N，可以計(jì)算差頻信號(hào)的頻率．將其與本振參考信號(hào)頻率相加，即可得到鎖共振信號(hào)的頻率．通過對(duì)不同時(shí)間鎖共振信號(hào)頻率的測量，從而獲得磁場的波動(dòng)情況．

假設(shè)將磁場鎖定在差頻信號(hào)頻率為fIF,0的位置（稱作鎖定頻率），此時(shí)對(duì)應(yīng)的差頻信號(hào)n個(gè)周期的計(jì)數(shù)值為N0，則每次測得的頻率偏差ΔfIF為：

根據(jù)(2)式，當(dāng)頻率偏差ΔfIF＞0 時(shí)，測得的計(jì)數(shù)值N小于N0，說明此時(shí)測得的頻率高于鎖定頻率fIF,0.

本文使用的FPGA 測量時(shí)鐘為100 MHz，每次測量的鎖信號(hào)方波周期數(shù)固定不變，信號(hào)測試時(shí)間介于100～300 μs 之間，那么不同測量周期n時(shí)計(jì)算的差頻信號(hào)頻率如表1所示．如果將測試時(shí)間為200 μs 時(shí)計(jì)算得到的差頻信號(hào)頻率設(shè)置為鎖定頻率，從表1可以看出，當(dāng)只對(duì)1 個(gè)周期的鎖方波信號(hào)進(jìn)行測量、測試時(shí)間為300 μs 時(shí)，測得的頻率與鎖定頻率的偏差僅為1.667 kHz，不能滿足上文分析溫度引起的鎖共振信號(hào)頻率偏差大于5 kHz 要求．測量5 周期和10 周期的兩種方法，都能夠滿足因溫度引起的鎖共振信號(hào)頻率偏差大于5 kHz 要求．同時(shí)，將測量時(shí)間為200 μs 所對(duì)應(yīng)的測量計(jì)數(shù)值N加1，根據(jù)(2)式計(jì)算得到5 周期和10 周期時(shí)最小頻率測量精度分別為1.25 Hz（對(duì)應(yīng)磁場0.029 4 μT）和2.5 Hz（對(duì)應(yīng)磁場0.058 7 μT），均滿足±1 μT 的測量精度要求．從表1也能看出，測量信號(hào)周期越長，測量精度會(huì)越高．本文選取鎖定頻率為25 kHz，連續(xù)測量5 個(gè)周期，對(duì)時(shí)域數(shù)字鑒頻效果進(jìn)行驗(yàn)證．當(dāng)對(duì)全部實(shí)驗(yàn)參數(shù)反復(fù)驗(yàn)證確認(rèn)后，可以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)差頻頻率進(jìn)行優(yōu)化，以便進(jìn)一步提高測量精度．

表1 不同測量周期數(shù)下，計(jì)算得到的差頻信號(hào)的頻率Table 1 The frequency measurement corresponding to different measurement periods of difference frequency signal

1.2.2 磁場補(bǔ)償

根據(jù)上述方法，首先測量獲得鎖方波信號(hào)周期的計(jì)數(shù)值N，然后計(jì)算得到鎖共振信號(hào)的實(shí)際頻率，并進(jìn)一步計(jì)算該頻率與目標(biāo)鎖定頻率的偏差；其次，采用主動(dòng)補(bǔ)償方法，在B0補(bǔ)償線圈中注入補(bǔ)償電流，使之產(chǎn)生反方向的頻率偏移，以抵消計(jì)算得到的鎖信號(hào)頻率偏差，從而達(dá)到鎖定磁場的目的．補(bǔ)償電流由電流放大器產(chǎn)生，其輸入電壓由DAC 進(jìn)行設(shè)置，因此需要知道DAC 設(shè)置的補(bǔ)償電壓值與鎖信號(hào)頻率偏差之間的關(guān)系．本文采用FPGA 可重配置的數(shù)據(jù)采集卡（USB-7856R，National Instruments），其DAC 輸出電壓范圍為?10 ～ +10 V，測試不同輸出補(bǔ)償電壓U（V）所產(chǎn)生的頻率偏移fΔ（Hz）．為了減少因測試時(shí)間較長，由環(huán)境溫度變化引起的鎖共振頻率偏移的影響，每次都先后分別設(shè)置補(bǔ)償電壓為0 V 和不同電壓值，將測得的鎖共振信號(hào)頻率相減即可得到頻率偏移fΔ.在?10 ～ +10 V 全量程范圍進(jìn)行測試．其中，在?1 ～ +1 V 范圍，每隔0.1 V 測試一次頻率偏移；在其他電壓范圍，每隔0.5 V 測試一次頻率偏移，一共測得56 組數(shù)據(jù)．然后通過線性擬合，得到輸出補(bǔ)償電壓U和產(chǎn)生的頻率偏移fΔ之間關(guān)系：

擬合優(yōu)度值R2為0.999 1，說明擬合度較好．

通過(2)式計(jì)算得到頻率偏差ΔfIF后，由B0補(bǔ)償線圈產(chǎn)生fΔ?，對(duì)磁場偏移進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到磁場鎖定的目的．即有：

結(jié)合(2)～(4)式，即可得出計(jì)數(shù)值N與DAC 輸出電壓U的關(guān)系：

本文同時(shí)測量5 個(gè)周期，鎖定頻率設(shè)置為25 kHz，此時(shí)測量計(jì)數(shù)值為20 000，F(xiàn)PGA 時(shí)鐘頻率設(shè)為100 MHz，帶入(5)式，得到該測試條件下計(jì)數(shù)值N和DAC 設(shè)置輸出電壓U之間的關(guān)系：

將利用數(shù)字鑒頻方法測得的計(jì)數(shù)值N代入(6)式，即可計(jì)算輸出補(bǔ)償電壓U，從而達(dá)到鎖定磁場的目的．

1.2.3 鎖場激發(fā)與接收電路

針對(duì)時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法，我們?cè)O(shè)計(jì)了相關(guān)的鎖場電路．如圖3所示，主要包括探頭、發(fā)射鏈路、接收鏈路三個(gè)部分．為了避免鎖樣品與磁場中心核磁共振樣品之間的射頻干擾，在探頭盒體內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立腔體，放置用于鎖場的發(fā)射/接收（Transmit/Receive，T/R）開關(guān)電路、自發(fā)自收線圈[16]和樣品．選用硫酸銅溶液作為鎖樣品，對(duì)其中的氫核進(jìn)行脈沖核磁共振探測．經(jīng)測試，即使鎖樣品和磁體中心位置氫樣品間的共振頻率相差較小，但由于采用了不同的腔體設(shè)計(jì)，屏蔽性能較好，因此也能較好地解決兩個(gè)探測線圈之間的射頻干擾問題．鎖場線圈需要盡量靠近磁場的中心位置，這樣在測量鎖共振信號(hào)頻率并對(duì)磁場進(jìn)行鎖定時(shí)，中心位置核磁共振樣品所在位置磁場也同樣達(dá)到鎖定狀態(tài)．

圖3 時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法的電路框圖Fig.3 Electrical block diagram of time domain digital frequency discrimination and field locking method

射頻源采用直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)產(chǎn)生兩路射頻信號(hào)，分別作為發(fā)射鏈路的激發(fā)信號(hào)和接收鏈路的本振參考信號(hào)．FPGA 產(chǎn)生門控信號(hào)驅(qū)動(dòng)射頻開關(guān)，將射頻源輸出的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)為射頻脈沖信號(hào)，經(jīng)過射頻放大器放大后，送入探頭中激發(fā)鎖樣品．

在接收鏈路中，由于線圈感應(yīng)的鎖共振信號(hào)比較微弱，首先采用低噪聲前置放大器進(jìn)行放大，接著由二級(jí)放大器放大至峰峰值2 V 左右，再通過帶通濾波器進(jìn)行選頻濾波，抑制帶外噪聲．在現(xiàn)有0.5 T 磁場中，鎖樣品的共振頻率約為21.375 MHz，將其與21.350 575 MHz 的本振信號(hào)混頻，通過低通濾波取出差頻信號(hào)，由過零比較器轉(zhuǎn)為數(shù)字方波后送入FPGA 計(jì)算得到補(bǔ)償電壓．在FPGA中，將磁通門鎖場方法和時(shí)域鑒頻鎖場方法計(jì)算的磁場補(bǔ)償電壓值相加，由同一路DAC 進(jìn)行輸出并產(chǎn)生補(bǔ)償磁場，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場偏移的鎖定．

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本文涉及的兩種鎖場方法，采用同一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制，同時(shí)具有16 bit 的ADC 和16 bit的DAC，其中的FPGA 可以重配置并進(jìn)行數(shù)字算法設(shè)計(jì)和邏輯控制．為了更便捷地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，使用LabVIEW 圖形編程環(huán)境，對(duì)上位機(jī)界面控制程序和FPGA 終端程序進(jìn)行設(shè)計(jì)．上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)以下幾方面功能：（1）控制DDS 射頻源，設(shè)置激發(fā)信號(hào)與本振參考信號(hào)的頻率、相位和幅度；（2）通過DAC 輸出補(bǔ)償電壓，驅(qū)動(dòng)電流放大器，產(chǎn)生磁場補(bǔ)償電流及勻場調(diào)節(jié)電流；（3）磁通門傳感器采集數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償，包括磁場分離、低通濾波、均值化處理、數(shù)字波形實(shí)時(shí)顯示、補(bǔ)償比例系數(shù)設(shè)置等；（4）時(shí)域數(shù)字鑒頻方法中的頻率偏移測量和計(jì)算等．

上位機(jī)程序和FPGA 終端的數(shù)據(jù)傳輸采用RT 輪詢（Real Time Polling）和先進(jìn)先出存儲(chǔ)器（First In First Out，F(xiàn)IFO）傳遞方式．RT 輪詢主要用于傳輸靜態(tài)磁場設(shè)定值、測量周期計(jì)數(shù)值等對(duì)速度要求不高的參數(shù)；而FIFO 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通門瞬態(tài)測量波形的實(shí)時(shí)顯示．FPGA 終端中主要包括磁通門鎖場、時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場和補(bǔ)償疊加輸出三部分功能，經(jīng)過邏輯設(shè)計(jì)并編譯下載至采集卡后，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鎖場系統(tǒng)的控制．

2 測試結(jié)果與討論

將磁通門鎖場方法和時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法整合到一起，研制了一套磁場鎖定系統(tǒng)，如圖4所示．?dāng)?shù)據(jù)采集卡采用NI 公司的USB-7856R，發(fā)射鏈路與接收鏈路用于獲得時(shí)域數(shù)字鑒頻方法中的鎖共振方波信號(hào)，穩(wěn)壓電源為各個(gè)模塊提供直流電壓．

圖4 磁場鎖定系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Magnetic field locking system

2.1 磁通門鎖場方法測試

磁通門鎖場方法是對(duì)環(huán)境干擾造成的瞬態(tài)磁場波動(dòng)進(jìn)行鎖定，比如地鐵、電梯和50 Hz 大交流干擾源．這些干擾源一般都來源于儀器所在實(shí)驗(yàn)室的外面，距離儀器通常都在10 米以外甚至更遠(yuǎn)的地方，磁通門傳感器探測到的瞬態(tài)磁場波動(dòng)能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)磁體中心的磁場波動(dòng)．

為了測試對(duì)瞬態(tài)磁場波動(dòng)的鎖場效果，首先需要產(chǎn)生一個(gè)模擬的干擾磁場．我們將函數(shù)發(fā)生器（33250A，Agilent）輸出的正弦波信號(hào)通過音頻功率放大器（Micro-tech 600，Crown）進(jìn)行放大，以便在磁體附近產(chǎn)生交變磁場．現(xiàn)有音頻功放的驅(qū)動(dòng)功率較弱，干擾源因此只能放在離磁體較近的位置，干擾源、磁通門傳感器和磁體中心兩兩之間距離都為30 cm 左右，這樣磁通門傳感器檢測到的磁場波動(dòng)與磁場中心的磁場波動(dòng)有一定偏差，因此磁通門傳感器方法的磁場鎖定效果不太理想，并且模擬干擾場的頻率也不能設(shè)置太高．

我們對(duì)本課題組研制的食品快檢分析儀進(jìn)行了磁場鎖定功效測試，利用指紋譜分析軟件的穩(wěn)定性測試功能，對(duì)磁場中心的礦泉水樣品進(jìn)行磁共振采樣，然后通過傅里葉變換計(jì)算氫的共振頻率，每次測量間隔約為2 s，采樣帶寬為10 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096，共振頻率的測量精度為2.4 Hz．利用上文介紹的函數(shù)發(fā)生器和音頻功率放大器，產(chǎn)生干擾場的頻率為1 Hz、函數(shù)發(fā)生器的輸出幅度為400 mVpp．將磁通門傳感器固定在磁體外罩的合適位置，在沒有產(chǎn)生干擾場情況下，測量得到靜態(tài)磁場對(duì)應(yīng)的電壓值為?9.118 V．通過測量干擾場所產(chǎn)生的瞬態(tài)磁場波動(dòng)電壓，利用1.1 節(jié)介紹的方法計(jì)算補(bǔ)償比例系數(shù)，并根據(jù)實(shí)際的磁場補(bǔ)償效果進(jìn)行微調(diào)，確定補(bǔ)償比例系數(shù)為?1.197 2，連續(xù)測量約2 min，測得鎖場開啟前后共振頻率的變化如圖5所示．可以看出，在沒有開啟鎖場的情況下，氫共振頻率的波動(dòng)最大達(dá)到了64.31 Hz；在開啟磁場鎖定后，共振頻率變化穩(wěn)定在±4 Hz（對(duì)應(yīng)磁場為±0.093 9 μT）的范圍內(nèi)，與頻率測量精度基本保持一致，說明基于補(bǔ)償?shù)拇艌鲦i定效果比較理想．

圖5 磁場共振頻率在鎖場前后的波動(dòng)情況Fig.5 Magnetic resonance frequency fluctuation with and without field locking control

2.2 時(shí)域數(shù)字鑒頻方法檢測頻率偏移

對(duì)磁場變化進(jìn)行高精度測量是對(duì)永磁磁體磁場進(jìn)行鎖定的前提．在不外加瞬態(tài)干擾磁場的情況下，本文采用時(shí)域數(shù)字鑒頻方法測量由環(huán)境溫度引起的磁場頻率的偏移．在對(duì)磁通門鎖場和時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場相關(guān)的FPGA 邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)及編譯后，顯示最高工作頻率為120 MHz，為了方便計(jì)算，本文設(shè)計(jì)采用100 MHz 作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，此頻率能夠滿足鑒頻測量的精確度．為了采用時(shí)域數(shù)字鑒頻方法對(duì)鎖共振信號(hào)頻率測量進(jìn)行驗(yàn)證，儀器自動(dòng)進(jìn)行了長達(dá)12 h 的連續(xù)測試，每隔5 s 對(duì)鎖樣品進(jìn)行一次射頻激發(fā)和差頻信號(hào)周期測量．脈沖寬度30 μs，激發(fā)中心頻率21.375 575 MHz，本振參考頻率21.350 575 MHz，每次檢測5 個(gè)鎖差頻信號(hào)方波的周期，根據(jù)FPGA 測量周期計(jì)數(shù)值并計(jì)算出差頻信號(hào)頻率偏移．圖6顯示了不同時(shí)間測量的差頻信號(hào)頻率，將其與本振參考信號(hào)頻率相加即可得到實(shí)際的鎖信號(hào)共振頻率．從圖中可以看出，12 h 的共振信號(hào)頻率偏差為2 085.8 Hz，繼續(xù)測量的話，頻率偏移還會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)增大．在開始階段頻率有所增加，之后頻率逐步減小，這個(gè)慢速的頻率變化，就是由環(huán)境溫度變化引起的（整個(gè)過程磁體控溫溫度始終設(shè)置在32 ℃）．對(duì)相鄰測試數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，采用相鄰10 點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)平均處理，每一點(diǎn)數(shù)據(jù)與平均數(shù)據(jù)相減得到殘差，其最大的殘差約為±40 Hz（對(duì)應(yīng)磁場為±0.939 4 μT），求得均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）約為10.1 Hz（對(duì)應(yīng)磁場為0.237 2 μT），滿足±1 μT 的測量精度要求，相對(duì)于激發(fā)中心頻率來說，最大的頻率測量誤差為1.87 ppm．

圖6 時(shí)域數(shù)字鑒頻方法測得12 h 差頻信號(hào)偏移情況Fig.6 12 hour difference frequency signal offset by time domain digital frequency discrimination method

3 總結(jié)

本文針對(duì)0.5 T 永磁型食品快檢磁共振分析儀中出現(xiàn)的瞬態(tài)磁場波動(dòng)和慢速磁場偏移問題，整合了磁通門鎖場和時(shí)域鑒頻鎖場兩種方法，并設(shè)計(jì)了相關(guān)電路，基本解決了永磁磁體的磁場穩(wěn)定性問題．當(dāng)存在模擬的瞬態(tài)干擾磁場情況下，共振信號(hào)頻率能夠穩(wěn)定在±4 Hz（對(duì)應(yīng)磁場為±0.093 9 μT）范圍內(nèi)；而時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法可以快速、精確地測量磁場偏移，經(jīng)計(jì)算處理后可以進(jìn)一步補(bǔ)償由溫度變化造成的磁場偏移．由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件所限，磁通門鎖場方法僅采用模擬干擾源進(jìn)行測試，下一步是尋找真實(shí)的自然干擾環(huán)境對(duì)鎖場效果進(jìn)行驗(yàn)證；而時(shí)域數(shù)字鑒頻方法僅測試了對(duì)鎖共振信號(hào)頻率的測量，最大的頻率測量誤差為1.87 ppm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場偏移的精確測量，將在下一階段對(duì)磁場偏移的鎖定效果進(jìn)行測試驗(yàn)證；在后續(xù)的測試中，會(huì)同時(shí)測試瞬態(tài)磁場波動(dòng)和溫度引起的慢速磁場波動(dòng)的鎖定效果，并另文討論．

此外，現(xiàn)階段時(shí)域數(shù)字鑒頻鎖場方法還存在優(yōu)化空間，可以從減少放大器噪聲、提高濾波器性能、改善過零比較器滯后參數(shù)等角度著手，進(jìn)一步減小鑒頻誤差．未來的目標(biāo)是解決上述問題和測試補(bǔ)償效果，并希望通過優(yōu)化脈沖序列參數(shù)，縮短測量間隔時(shí)間，爭取將該方法同時(shí)用于對(duì)環(huán)境造成的瞬態(tài)磁場波動(dòng)進(jìn)行鎖定，這樣可以進(jìn)一步簡化磁場鎖場系統(tǒng)，提高磁場穩(wěn)定的效果．

利益沖突

無