一种多通道原子磁力计设备的制作方法

1.本发明涉及弱磁信号探测领域，尤其涉及一种适用于脑磁测量的多通道原子磁力计设备。


背景技术：

2.大脑内神经元的活动会产生磁场，对大脑磁场的探测有利于癫痫、自闭症、脑卒中等疾病诊断和病灶溯源，但是脑磁非常微弱，大约为地球磁场的亿分之一。因此，脑磁探测需要极高灵敏弱磁探测器。超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，squid)具有1ft/hz
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的超高灵敏度，自20世纪70年代问世以来，squid一直被用于脑磁图(magnetoencephalography，meg)设备研发并已有商业化产品，通过将传感器阵列排布覆盖患者整个头部，捕捉来自大脑内部微弱磁场信号并进行颅内溯源定位。但是由于squid需要液氦低温环境才能工作，导致其造价和使用成本极高，同时体积庞大笨重、测试时患者头部不可活动以及传感器与患者头皮距离过远等缺点限制了squid-meg的广泛应用。一种新型量子磁传感器-基于无自旋交换弛豫(spin exchange relaxation free region，serf)的原子磁力计(optically pumped magnetometers，opm)同样具有极高灵敏度，其理论极限灵敏度可达2at/hz
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，且serf原子磁力计可工作在室温环境，无需液氦，同时可小型化，使得成本大大降低。此外，与squid相比，小型serf原子磁力计可紧贴患者头皮探测，从而实现自然运动状态下穿戴式meg测量，为临床使用带来诸多便利。
3.多通道原子磁力计信号采集是meg测量的一个重要需求，相比于单通道原子磁力计，多通道原子磁力计可以同时采集患者多个位置的生物磁信号，便于病灶溯源和病情分析。目前，实现多通道读出方法是将多个单通道原子磁力计连接在一起，每个单通道原子磁力计分别有配套的电子学控制系统，并各自有独立的激光器提供泵浦光，通过软件对每个通道磁力计进行控制，以实现多通道信号采集。当多个传感器一起工作时，相距很近的传感器之间会互相影响，这种影响被称为串扰。串扰的存在使得一起工作的多个单通道原子磁力计的灵敏度比单独工作时有所降低，不利于传感器密集排布，延缓了多通道原子磁力计的meg临床应用进程。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多通道原子磁力计设备，其旨在解决现有的原子磁力计实现多通道读出时集成度低，且多通道原子磁力计工作容易出现串扰的问题。
5.为达到上述目的，本发明提供的方案是：
6.一种多通道原子磁力计设备，包括激光器模组、探头模组和信号处理模组，所述激光器模组用于生成多路激光束，所述探头模组包括多个探头，所述多个探头与所述多路激光束一一对应设置，每个所述探头均包括光学元件组件、原子气室、线圈和光电探测器，所述线圈绕设在所述原子气室外周，所述激光束经过光学元件组件调整后通过各自对应的所述原子气室，分别由各自的所述光电探测器探测光强的变化，所述信号处理模组用于输出
调制信号给各个所述线圈，以及用于接收并处理各个所述光电探测器输出的探测信号以得到被测信号，各个所述线圈的调制信号频率各不相同，且互相不为整数倍关系。
7.优选地，将其中一个线圈的调制频率表示为f0，调制信号频率变化的步长表示为δf，其他所述线圈的制信号频率在f0的基础上加减δf的倍数。
8.优选地，所述探头模组包括八个所述探头，则各个所述线圈的调制信号表示为f1、f2、
……
、f8，且f1＝f0，f2＝f0 δf，f3＝f0 2δf，f4＝f0 3δf，f5＝f0 4δf，f6＝f
0-δf，f7＝f
0-2δf，f8＝f
0-3δf。
9.优选地，所述信号处理模组包括多个跨阻放大器、fpga控制单元、多通道输入模数转换器和多通道输出数模转换器和计算模块，所述fpga控制单元包括驱动信号产生模块和多个锁相放大器，所述驱动信号产生模块用于输出所述调制信号，并经所述多通道输出数模转换器转换后对应施加给各个所述线圈，所述多个跨阻放大器、所述多个锁相放大器和所述多个探头一一对应设置，所述多通道输入模数转换器的通道数和所述多通道输出数模转换器的通道数与所述探头的数量相同，所述多个跨阻放大器用于接收所述多个光电探测器输出的探测信号，并转化为电压信号，所述多通道输入模数转换器用于接收转化的电压信号，并转换为多路数字信号输出至所述多个锁相放大器进行解调以得到解调信号，所述计算模块用于根据所述解调信号计算输入信号的幅度和参考信号的相位差，并输出被测信号。
10.优选地，每个所述锁相放大器均包括前置处理模块、锁相环、移相器、第一相敏检波模块、第二相敏检波模块和放大器，所述前置处理模块用于接收所述多通道输入模数转换器输出的数字信号，并对其进行初步放大和滤波处理，所述锁相环用于对参考信号进行处理以获取所需要的频率和相位，各个所述锁相放大器的参考信号分别对应于各个所述线圈的调制信号频率相同的正弦信号，所述移相器与所述锁相环连接，并用于输出频率相等、相位相差90
°
的正弦信号和余弦信号，所述第一相敏检波模块用于对正弦信号和所述多通道输入模数转换器输出的数字信号做互相关运算以得到sin输出信号r
srs
，所述第二相敏检波模块用于对余弦信号和所述多通道输入模数转换器输出的数字信号做互相关运算以得到cos输出信号r
src
，所述解调信号包括sin输出信号r
srs
和cos输出信号r
src
，所述放大器设置有两个，分别用于放大所述sin输出信号r
srs
和cos输出信号r
src
，并输出给所述计算模块。
11.优选地，所述前置处理模块包括依次连接的前置放大器、50hz陷波器、主放大器和抗混叠滤波器。
12.优选地，所述锁相环包括鉴相器、与所述鉴相器连接的环路滤波器和与所述环路滤波器连接的压控振荡器；所述第一相敏检波模块和所述第二相敏检波模块均包括乘法器和与所述乘法器连接的低通滤波器。
13.本发明提供的多通道原子磁力计设备能够实现自然运动状态下脑磁探测，对脑科学和临床疾病诊断具有重要价值。
14.本发明的多通道原子磁力计设备使用一个激光器同时为探头模组多路探头提供泵浦光，实现多通道原子磁力计控制系统的集成化，实现了激光器的复用，避免了多个激光器的使用，在有效降低激光器的成本的同时，也保证了多个通道中泵浦光的信号一致性。而且，信号处理模组输出给不同探头的线圈的调制信号频率各不相同，且互相不为整数倍关系，使得探头模组中相邻探头不存在同频以及n次谐波信号干扰，各个通道的磁场频率各不
相同，在解调过程中可以将其他频率的信号滤除，只保留待测磁场信号，因此相邻探头不会相互干扰，达到抑制串扰的目的，从而能够提高多通道原子磁力计设备的探测精度，实现高灵敏度的多通道磁信号测量。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例提供的多通道原子磁力计设备的结构框图；
17.图2是本发明实施例提供的锁相放大器的结构框图；
18.图3是本发明实施例提供的锁相放大器进行信号解调的流程图。
19.附图标号说明：
20.10、激光器模组；11、激光器；12、光纤耦合光路；13、光纤分束器；20、探头模组；21、探头；211、光学元件组件；212、原子气室；213、线圈；214、光电探测器；30、信号处理模组；31、跨阻放大器；32、fpga控制单元；321、驱动信号产生模块；322、锁相放大器；3221、前置处理模块；3222、锁相环；3223、移相器；3224、第一相敏检波模块；3225、第二相敏检波模块；3226、放大器；33、多通道输入模数转换器；34、多通道输出数模转换器；35、计算模块。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
23.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
24.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
25.如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的多通道原子磁力计设备，实现高灵敏度的多通道磁信号测量。原子磁力计是基于碱金属原子的自旋极化操控实现测量的。原子气室212是原子磁力计核心部件，内部包含碱金属原子气体、缓冲气体和淬灭气体。通过
极化后的碱金属原子之后，激光器11发射出的激光束的光强会发生变化并被光电探测器214探测，光强的变化反映了磁场的变化，因此可得到被测微弱磁场信号。
26.请参阅图1-图3，本发明实施例的多通道原子磁力计设备包括激光器模组10、探头模组20和信号处理模组30，激光器模组10用于生成多路激光束，对探头模组20中的原子气室212中的碱金属原子进行极化，探头模组20用于探测光强的变化并输出探测信号，信号处理模组30用于输出调制信号给探头模组20，以及用于处理探头模组20输出的探测信号以得到被测信号。
27.激光器模组10包括依次设置的激光器11、光纤耦合光路12和光纤分束器13，激光器模组10使用一个激光器11同时为探头模组20多路探头21提供泵浦光，激光器11输出泵浦光，泵浦光经过光纤耦合光路12和光纤分束器13之后，被分成多路激光束。
28.探头模组20包括多个探头21，多个探头21与多路激光束一一对应设置，每个探头21均包括光学元件组件211、原子气室212、线圈213和光电探测器(pd)214，光学元件组件211、原子气室212和光电探测器214依次设置，线圈213绕设在原子气室212外周，一路激光束进入一个探头21，对一个探头21中的原子气室212中的碱金属原子进行极化，这一过程实现了激光器11的多路复用，避免了多个激光器11的使用，在有效降低激光器11的成本的同时，也保证了多个通道中泵浦光的信号一致性。
29.可选地，线圈213为三轴线圈213，分别对应相互垂直的三个方向。
30.光学元件组件211包含沿光路依次设置的准直透镜、线偏振片、反射镜和1/4波片，激光器模组10射出的激光束经过准直透镜准直后射入线偏振片，由线偏振片射出的线偏振光经反射镜反射至1/4波片，并变为圆偏振光。
31.信号处理模组30用于输出调制信号给探头模组20，以及用于处理探头模组20输出的探测信号以得到被测信号，信号处理模组30输出给不同探头21的线圈213的调制信号的频率各不相同，且互相不为整数倍关系。这样设置使得探头模组20中相邻探头21不存在同频以及n次(n为正整数)谐波信号干扰，各个通道的磁场频率各不相同，在解调过程中可以将其他频率的信号滤除，只保留待测磁场信号，因此相邻探头21不会相互干扰，达到抑制串扰的目的。
32.优选地，将其中一个线圈213的调制频率表示为f0，调制信号频率变化的步长表示为δf，其他线圈213的制信号频率在f0的基础上加减δf的倍数，倍数从1开始变化。通过设置每个通道的调制信号幅度与频率的比值保持固定，以保证每个探头都工作在最优调制情况下。
33.信号处理模组30包括多个跨阻放大器(tia)31、fpga控制单元32、多通道输入模数转换器(adc)33、多通道输出数模转换器(dac)34和计算模块35，fpga控制单元32包括驱动信号产生模块321和多个锁相放大器(lia)322，驱动信号产生模块322输出线圈驱动信号，线圈驱动信号通过多通道输出数模转换器34转换为模拟信号作为调制信号施加给各个线圈213。多个跨阻放大器31、多个锁相放大器322和多个探头21一一对应设置，多通道输入模数转换器33的通道数和多通道输出数模转换器34的通道数与探头21的数量相同，调制状态下，多路激光束通过各自对应的原子气室212之后，分别由各自的光电探测器214探测光强的变化，并将这种光信号转换为电流信号输出，然后通过跨阻放大器31实现电流/电压转换，最终采集到的模拟电压信号反映了被测磁场的信息，通过多通道输入模数转换器33将
采集到的模拟信号转换为多路数字信号输出，送入锁相放大器322进行解调，得到解调信号，计算模块35用于根据解调信号计算输入信号的幅度和与参考信号的相位差，并输出被测信号。
34.优选地，锁相放大器322为双锁相放大器，每个锁相放大器322均包括前置处理模块3221、锁相环3222、移相器3223、第一相敏检波模块3224、第二相敏检波模块3225和放大器3226，前置处理模块3221用于接收多通道输入模数转换器33输出的数字信号，并对其进行初步放大和滤波处理，锁相环3222用于对参考信号进行处理以获取所需要的频率和相位，各个锁相放大器322的参考信号分别对应于各个线圈213的调制信号同频率的正弦信号，移相器3223与锁相环3222连接，用于输出频率相等、相位相差90
°
的正弦信号和余弦信号，第一相敏检波模块3224用于对正弦信号和多通道输入模数转换器33输出的数字信号做互相关运算，得到sin输出信号r
srs
，第二相敏检波模块3225用于对余弦信号和多通道输入模数转换器33输出的数字信号做互相关运算，得到cos输出信号r
src
，sin输出信号r
srs
和cos输出信号r
src
即为解调信号，放大器3226设置有两个，分别用于放大sin输出信号r
srs
和cos输出信号r
src
，并输出给计算模块35。
35.可以理解地，解调的过程在锁相放大器322内实现，是串扰抑制的关键步骤。锁相放大器322是基于互相关方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检波技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位的参考信号作为基准，滤除与其频率不同的噪声，从而提取有用信号成分。
36.双相锁相放大器322不需要反复调节参考信号和探测信号的相位关系，能够避免调节误差、相位漂移，节省测量时间，提高测量精准度。
37.可选地，前置处理模块3221包括前置放大器、50hz陷波器、主放大器和抗混叠滤波器，前置放大器和主放大器均用于放大探测信号的电压信号，50hz陷波器用于抑制工频信号的干扰，抗混叠滤波器相当于一个低通滤波器，用于抑制高频信号干扰，通过设置前置处理模块3221能够进一步提高测量精度。
38.可选地，锁相环3222包括鉴相器pd、与鉴相器pd连接的环路滤波器和与环路滤波器连接的压控振荡器，鉴相器检测压控振荡器的输出信号和输入参考信号之间的相位差并转化为电压，经过低通环路滤波器形成压控振荡器的控制电压，控制压控振荡器输出和输入参考信号有固定相位差的信号，实现输出信号频率对输入信号频率的自动追踪。
39.可选地，第一相敏检波模块3224和第二相敏检波模块3225结构一样，均包括乘法器和与乘法器连接的低通滤波器。
40.优选地，计算模块35根据解调信号计算探测信号的幅度us和与参考信号的相位差
[0041][0042][0043]
探测信号的频率与参考信号的频率相等，将幅度和相位、频率组合起来即可得被测信号。对多个探测信号进行上述相同操作，即可解调出与参考信号的频率相同的被测信号，解调信号中不存在由相邻探头21的调制信号引入的同频干扰信号，因此有效抑制了串
扰。
[0044]
本发明实施例的多通道原子磁力计设备能够实现自然运动状态下脑磁探测，对脑科学和临床疾病诊断具有重要价值。本发明的多通道原子磁力计设备使用一个激光器11同时为探头模组20多路探头21提供泵浦光，实现多通道原子磁力计控制系统的集成化，实现了激光器11的复用，避免了多个激光器11的使用，在有效降低激光器11的成本的同时，也保证了多个通道中泵浦光的信号一致性。而且，信号处理模组30输出给不同探头21的线圈213的调制信号的频率各不相同，且互相不为整数倍关系，使得探头模组20中相邻探头21不存在同频以及n次谐波信号干扰，各个通道的磁场频率各不相同，在解调过程中可以将与调制信号不同频率的信号滤除，只保留待测磁场信号，因此相邻探头21不会相互干扰，达到抑制串扰的目的，从而能够提高多通道原子磁力计设备的探测精度，实现高灵敏度的多通道磁信号测量。
[0045]
下面以八通道原子磁力计设备为例进行说明，八通道原子磁力计设备探头模组20包括八个探头21，使用一个激光器11同时为八路探头21提供泵浦光。对应地，跨阻放大器31设置有八个，锁相放大器322设置有八个，多通道输入模数转换器33为八通道输入模数转换器，多通道输出数模转换器34为八通道输出数模转换器。
[0046]
对于八通道原子磁力计设备而言，设置八个通道的线圈的调制频率分别为f1～f8(以单轴测量为例)，其中f0是其中一个通道的线圈的调制频率，在固定调制信号幅度的前提下，f0是使得传感器灵敏度最高的调制信号对应的频率，其余通道的调制频率围绕此最优调制频率发生微小的变化，δf为调制信号频率变化的步长，调制信号的幅度也随着频率发生相应的变化，通过设置每个通道的调制信号幅度与频率的比值保持固定，以保证每个传感器都工作在最优调制情况下。八个通道的调制频率f1～f8互不相等，且互相不为整数倍关系，分别为：f1＝f0，f2＝f0 δf，f3＝f0 2δf，f4＝f0 3δf，f5＝f0 4δf，f6＝f
0-δf，f7＝f
0-2δf，f8＝f
0-3δf。
[0047]
以其中一个通道的解调过程为例，在锁相放大器322内进行信号解调的流程如图3所示。跨阻放大器31输出的电压信号经过多通道输入模数转换器33后转化成数字化的离散信号序列，fpga控制模块产生正弦参考序列，经过移相器3223之后输出频率相等、相位相差90
°
的正弦信号和余弦信号。两路参考信号分别进入第一相敏检波模块3224和第二相敏检波模块3225与探测信号做互相关运算，得到两个输出sin输出信号r
srs
和cos输出信号r
src
，计算可得输入信号的幅度us和与参考信号的相位差
[0048][0049][0050]
探测信号的频率与参考信号的频率相等，将幅度和相位、频率组合起来即可得被测信号。对八个通道的探测信号进行上述相同操作，即可解调出与参考信号的频率相同的被测信号，解调信号中不存在由相邻探头21的调制信号引入的同频干扰信号，因此有效抑制了串扰。
[0051]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。