摘 要：针对磁力仪输出信号信噪比低的问题，同时为给Overhauser磁力仪的研制提供参考依据，提出一种低噪声信号处理技术。首先根据质子旋进信号（FID）特点，建立系统噪声模型，分析探头电阻热噪声和放大器等效输入噪声对测量造成的影响，提出LC谐振方案和低噪声放大电路以提高系统信噪比并通过实验测试仪器噪声水平。最后，将所研制的磁力仪与商用磁力仪进行对比测试，实验表明：提出的信号处理技术能有效降低系统噪声，FID信号信噪比>36 dB，研制的Overhauser磁力仪磁场测量精度0.2 nT，性能接近商用仪器水平，证明其在磁场测量中的有效性。
关键词：Overhauser效应；噪声模型；LC谐振；FID信号
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）06-0123-06
0 引 言
地磁场是非常微弱的矢量场，是由各个不同来源的磁场叠加构成，在全球不同位置不同高度的磁场信息也是不同的[1]。地磁场测量是人类开发矿产资源，了解地质结构的重要手段。因此，研究高精度的磁场测量装置具有现实意义。质子磁力仪由于其操作简易，体积小，稳定性出众，是当今使用最广泛的地磁勘测仪器之一[2-3]，但存在精度低、功耗大等问题。随后，经过改进后的Overhauser效应质子磁力仪降低了功耗，提高了精度和灵敏度[4-5]。然而改进后的信号仍然非常微弱，峰峰值最大仅2 μV，因此微弱信号的提取和处理是该类仪器的关键。目前国内投入使用的Overhauser磁力仪均通过国外进口，主要包括加拿大GEM公司GEM-19系列和俄罗斯POS系列，我国对Overhauser磁力仪的研究起步较晚，还处于实验研究阶段。
为提高磁力仪性能，相关学者主要从提高探头输出信号强度和频率测量精度两方面开展研究。文献[6-8]从频率测量角度入手，从时域和频域上设计了多通道测频算法和频谱分析算法，一定程度提高了测量精度，但没有根本解决FID信号信噪比的问题；文献[9-10]分析了探头噪声和仪器噪声来源，但没有提出降噪解决方案。文献[11-12]从射频激发角度入手，设计优化射频电路和提高溶液的极化程度来提高探头输出信号强度，但对于输出FID信号的处理没有给出具体的方案。
针对上述问题，本文首先介绍测量原理和系统结构，然后建立系统噪声模型，详细分析噪声对测量带来的影响，给出低噪声信号处理方案，并测试仪器噪声水平。通过实验，实现了地磁场测量，有效提高了磁场测量精度。
4 测试与分析
4.1 热噪声测试
根据所建立的噪声模型，仪器噪声主要来源于探头电感的电阻热噪声。为了验证模型的建立及理论分析的正确性，首先将放大器输入端接A端，测量电路本底噪声；然后断开A端接入B端，将探头接入放大器，测量探头引入噪声如图6所示。测量结果如表1所示。
通过表1实验数据可以看出，在高增益情况下，仪器接入探头后，总体噪声有明显增加。同时可知，仪器噪声在纳伏级，电压噪声不随频率变化的量，电感的电阻噪声是仪器噪声的主要来源，验证了理论分析的正确性，为调理电路的设计提供了依据。
4.2 放大器测试
通过上文分析，探头输出的拉莫尔信号在850～4 300 Hz頻带内不是固定值，而是处于2～35 μV之间。为了测试放大器自身噪声带宽限制能力，选取2 μV输入信号进行测量。利用信号源输出峰峰值为200 mV，频率范围850～4 300 Hz的正弦波，根据阻抗匹配原则[15]，选取图7所示测试方案，经过衰减网络后信号峰峰值为2 μV。首先接通图7中的A端，测出放大器增益特性，结果如图8所示。断开A端接通B端，测出放大器输出端噪声有效值，计算系统信噪比。
通过图8可以看出，在有效频带850～4 300 Hz内，放大器增益均大于92 dB，呈线性关系，与理论分析相符合；在频带外，放大增益有明显衰减，验证了所设计的放大器的选频放大特性，能够有效限制放大器自身噪声带宽。选取幅度为2 μV的信号，计算放大器信噪比，如图9所示。可以看出，放大器输出后信噪比在有效频带内大于36 dB。
4.3 室外对比测试
为更好地体现仪器的性能，将未采用本文提出的降噪处理技术的测量装置和采用本文提出的低噪声处理技术的测量装置与国外商用仪器在野外进行对比实验。使用加拿大GEM公司的GSM-19系列Overhauser磁力仪作为标准仪器，其绝对测量精度±0.1 nT，分辨率0.01 nT。实验时，3种仪器同时开机测试，避免由于时间不同造成的磁场强度偏差，传感器相隔一定距离，避免相互影响磁场的分布，保证测试的有效性。记录同一段时间内的磁场变化，结果如图10所示。
从图可以看出，3种测量装置在同一时间内测量曲线基本一致。为了更加充分地验证本文提出的降噪措施的有效性，选取图10（a）中局部点数进行观察，如图10（b）所示。当磁场存在微小变化时，采用本文提出的信号处理技术的测量装置能灵敏地跟踪到微小变化量，测量精度与商用仪器基本一致，而未采用低噪声处理技术的测量装置，无法准确检测出微小变化量，只能体现大体趋势以及较大异常变化。通过对整体测量数据分析与计算，本文设计的Overhauser磁力仪测量精度为0.2 nT，已经接近商用磁力仪，证明了在磁场测量中的可靠性。
5 结束语
低噪声信号处理是Overhauser磁力仪的关键技术。本文首先详细分析了系统噪声模型，针对不同来源噪声设计了低噪声信号调理方案包括LC谐振电路和低噪声放大器。然后选择超低噪声的JFET器件作为前置放大器，同时设计选频放大结构降低系统噪声，提高了测量精度。最后对比分析了本装置和商用仪器测量磁场的性能，通过实验数据验证了此设计方法的可行性。在今后Overhauser磁力仪研究中将采取低噪声信号处理技术和高精度频率测量算法结合的方案，进一步提高Overhauser磁力仪的测量精度和稳定性。