[发明专利]一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法。包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块，PC上位机与FPGA模块进行通信，由PC上位机配置FPGA模块的相应寄存器，FPGA模块连接微波源模块进行通信，通过FPGA配置微波源的工作模式及微波扫频区间，FPGA模块连接磁共振系统获得磁共振模拟信号，微波源模块连接磁共振系统提供微波输出。相对于传统实验系统的仪器组合，该装置具备功能集成化、体积小型化、电子学噪声低的优点，该装置可以通过多块板卡级联扩展输入输出通道并保持高精度同步，从而提高应用于不同实验系统的可扩展性。

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，具体涉及一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法。

背景技术

磁共振技术是一门关于电磁波操控自旋的科学方法，通过微波场激励样品产生共振现象，从而实现对样品的无损探测。近年来，磁共振技术在信息科学、材料、化学、生物和医疗等诸多领域得到重要而广泛的运用。

以基于NV色心的光学磁共振实验系统为例，在外部磁场作用下，NV色心自旋体系中的电子自旋能级会分裂为若干子能级，该分裂被称为塞曼分裂。在微波场激励信号的作用下，电子自旋能够在某两个子能级之间跃迁，该过程被称为自旋磁共振现象，该激励信号的频率则被称为自旋磁共振频率。由此，可利用自旋磁共振吸收谱反推出外部磁场的变化，以此实现磁共振系统的矢量磁探测。

然而在实践中，现有矢量磁探测系统普遍是由多种商用仪器组合而成，主要包含波源，脉冲发生器，锁相放大器以及采集卡等。这种方式通过PC上位机控制整个系统的进程，往往需要编写多套商用仪器的通信指令，增加了整个指令系统的复杂度，并且属于软件层次的进程控制大大增加了时间开销。另外，还要确保不同仪器之间的精确同步以及对单个仪器的电子学噪声的评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置及方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于磁共振系统的集成化矢量磁探测装置，包括PC上位机、FPGA模块、微波源模块；PC上位机与FPGA模块进行通信，由PC上位机配置FPGA模块的相应寄存器，FPGA模块连接微波源模块进行通信，通过FPGA配置微波源的工作模式及微波扫频区间，FPGA模块连接磁共振系统获得磁共振模拟信号，微波源模块连接磁共振系统提供微波输出；

FPGA模块实现多种仪器功能的集成化设计，包括信号预处理模块、数据采集卡模块、信号发生器模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；

信号预处理模块连接所述数据采集卡模块、锁相放大器模块、PID控制器模块和示波器模块；所述数据采集卡模块连接所述示波器模块；信号发生器模块连接所述锁相放大器模块和示波器模块；所述锁相放大器模块连接所述PID控制器模块和示波器模块。

作为优选的，磁共振系统是基于金刚石氮空位色心的光学磁共振系统，系统输入为所述微波源提供的微波输出，系统输出为磁共振模拟信号。

作为优选的，信号预处理模块包含带通滤波子模块、直流偏移子模块、数字放大子模块；其中，带通滤波子模块用于抑制干扰噪声，获得模数转换芯片带宽范围内的可测信号；直流偏移子模块用于去除可测信号中的直流分量或补偿仪器本身的噪声偏移；数字放大子模块用于按照设定的放大倍数放大待测信号，避免FPGA中因定点数运算产生截断效应而引入的较大误差。

作为优选的，数据采集卡模块包含触发子模块、序列关键子模块和乒乓存储子模块；其中，触发子模块用于选择内触发或外触发采集模式，并在数据中记录下触发源的信息；序列关键子模块用于将采集到的可测信号送入FIFO或RAM中分组缓存；乒乓存储子模块用于依照采集卡的工作模式读取缓存中的数据，并通过以太网接口传输给PC上位机。