一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法及系统，其中方法包括：基于系统测量的频谱曲线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量；在每一个切片的中心位置的频率进行第一次扫描，获取扫描后的频率与光强的第一谱线，对所述第一谱线进行高斯拟合，获取第一拟合曲线，确定所述第一拟合曲线的第一中心点；以所述第一中心点为中心，在第一中心点左右各扩展1个展宽的宽度进行第二次扫描，获取扫描后的第二条频率与光强的第二谱线，对所述第二谱线进行高斯拟合，获取第二拟合曲线，确定所述第二拟合曲线的第二中心点，将第二中心点的频率作为波谷的中心频率；基于所述波谷的中心频率与指定中心频率的差值确定磁场值。频率与指定中心频率的差值确定磁场值。频率与指定中心频率的差值确定磁场值。

【技术实现步骤摘要】
一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及电学量子传感
，更具体地，涉及一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法及系统。

技术介绍

[0002]随着加速器物理、电力系统等领域的进一步发展，对电学精密测量和量值可靠提出了更高要求。重点仪器的自主化、国产化是支撑我国尖端科技、工业制造以及“质量强国”战略的重要手段。重点仪器的自主化、国产化离不开的核心技术之一就是精密磁场测量技术。在相关技术中，金刚石NV色心测量磁场强度多采用脉冲式测磁方式，此过程需要对激光、微波信号多路信号进行脉冲控制，步骤复杂，不易操作。此外，在磁场测量过程中，NV色心经激光极化、微波源和待测磁场激发后发出红色荧光信号，获取磁场信息核心的步骤是获取对荧光信号最小值时刻的微波源扫频频率。
[0003]微波的频率决定NV色心电子能级上的电子比例是否可以改变，而微波的功率则决定电子比例改变的速度。具体来说，NV色心的0能级电子在微波激发下可以跃迁到+1能级与
‑
1能级，而可以引发跃迁的微波频率与能级间的能量差有关，也就是用ms＝0和ms＝
±
1之间的频率差进行扫描，可以让ms＝0的电子吸收能量跃迁到+1能级与
‑
1能级，若频率刚好等于0到+1之间，满足共振频率的微波会引发NV色心电子能级间的跃迁，当能级上的电子数量不同时，这种跃迁会从电子较多的能级往电子较少的能级方向进行，从而减少能级电子数量的差异。当NV色心同时受到激光和微波的影响时，NV色心会放出荧光而不同能级上的电子放出的荧光强度也不相同，0能级上的电子会放出更强的荧光，而+1与
‑
1能级的电子放出荧光较弱。当微波频率与NV色心电子能级的能量差不匹配、也就是不再共振频率周围时，电子聚集在0能级上，此时NV色心的荧光强度保持在较高水平；而当微波频率接近共振频率、以致直接到达共振频率时，NV色心的0能级电子会有一部分跃迁到
‑
1能级与+1能级上，表现为NV色心的荧光强度降低。因此在扫频过程中，会发生两个峰值，对应+1和
‑
1的共振频率，而这个峰值的频率差就对应外加磁场频率，微波改变的是电子在0，
‑
1和+1之间的概率，在波形上表现的就是波谷，如图2所示，波谷处的频率与中心频率的分裂可用公式1表示。
[0004]ω＝2.87GHz
±
2.8MHz/Gs
×
B
×
cosθ
ꢀꢀꢀ
(1)
[0005]上述公式中，ω为NV色心的微波共振频率，及中心频率，B为外磁场强度，θ为外磁场与NV色心敏感方向的夹角。当外磁场与NV色心敏感方向夹角重合时，100Gs的磁场强度对应280MHz的频率分裂。
[0006]为了探测NV色心基态能级的共振频率或者零场劈裂大小，连续光学探测磁共振(cw
‑
ODMR)是广泛使用的方法。连续光探测磁共振技术，一般是通过对一定范围内的微波频率扫频的方式进行波谷与中心频率差之间的测量。一次完整采样率的时间T由如下公式表达：
[0007]T＝T
L
+T
W
+T
D
+T
S
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0008]其中T
L
是激光极化时间，根据测量方式不一样，激光极化可分为脉冲照射与长时
间照射，极化时间一般在us量级；T
W
为微波调制时间，在扫频法中，会以一定的步长为间隔对整个频率范围进行扫频，一般耗时在ms到s量级；T
D
为荧光探测时间，以光电探测器进行探测，一般探测耗时极短；Ts为荧光信号解调过程，该过程的时间与硬件电路相关，在整个时间过程中几乎可以忽略。从上述分析可以看到，扫频法的测量耗时中Tw占比最大，达到s量级。
[0009]然而，随着应用场景的不同，对于磁测量的采样率要求不一样，目前的扫频法仅能做到几个Hz，极大的限制了其应用。
[0010]因此，需要一种技术，以实现切片锁频的快速量子调控磁测量技术。

技术实现思路

[0011]本专利技术技术方案提供一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法及系统，以解决如何基于切片锁频进行快速量子调控磁测量的问题。
[0012]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法，所述方法包括：
[0013]基于系统测量的频谱曲线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量；
[0014]在每一个切片的中心位置的频率进行第一次扫描，获取扫描后的频率与光强的第一谱线，对所述第一谱线进行高斯拟合，获取第一拟合曲线，确定所述第一拟合曲线的第一中心点；
[0015]以所述第一中心点为中心，在第一中心点左右各扩展1个展宽的宽度进行第二次扫描，获取扫描后的第二条频率与光强的第二谱线，对所述第二谱线进行高斯拟合，获取第二拟合曲线，确定所述第二拟合曲线的第二中心点，将第二中心点的频率作为波谷的中心频率；
[0016]基于所述波谷的中心频率与指定中心频率的差值确定磁场值。
[0017]优选地，所述方法还包括：
[0018]通过磁敏感单元，在外加磁场、激光和微波的作用下发出荧光信号，所述荧光信号包括待测量的磁场信息；
[0019]所述磁敏感单元包括金刚石NV色心。
[0020]优选地，包括：所述激光的波长为532nm；所述激光的传输方式为偏振方式或非偏振方式。
[0021]优选地，所述基于系统测量的谱线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量，包括：
[0022]M＝(f
n
‑
f
c
)/λ
[0023]其中，M为切片数量，f
c
为指定中心频率，f
n
为待测量磁场的最大值，λ为频谱曲线的半高宽。
[0024]本专利技术提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述中的一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法。
[0025]本专利技术提供一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：处理器和存储器；其中，
[0026]所述存储器，用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
[0027]所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现上述中的一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法。
[0028]本专利技术提供一种切片锁频的快速量子调控磁测量系统，所述系统包括：
[0029]初始单元，用于基于系统测量的频谱曲线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量；
[0030]获取单元，用于在每一个切片的中心位置的频率进行第一次扫描，获取扫描后的频率与光强的第一谱线，对所述第一谱线进行高斯拟合，获取第一拟合曲线，确定所述第一拟合曲线的第一中心点；以所述第一中心点为中心，在第一中心点左右各扩展1个展宽的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切片锁频的快速量子调控磁测量方法，所述方法包括：基于系统测量的频谱曲线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量；在每一个切片的中心位置的频率进行第一次扫描，获取扫描后的频率与光强的第一谱线，对所述第一谱线进行高斯拟合，获取第一拟合曲线，确定所述第一拟合曲线的第一中心点；以所述第一中心点为中心，在第一中心点左右各扩展1个展宽的宽度进行第二次扫描，获取扫描后的第二条频率与光强的第二谱线，对所述第二谱线进行高斯拟合，获取第二拟合曲线，确定所述第二拟合曲线的第二中心点，将第二中心点的频率作为波谷的中心频率；基于所述波谷的中心频率与指定中心频率的差值确定磁场值。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：通过磁敏感单元，在外加磁场、激光和微波的作用下发出荧光信号，所述荧光信号包括待测量的磁场信息；所述磁敏感单元包括金刚石NV色心。3.根据权利要求2所述的方法，包括：所述激光的波长为532nm；所述激光的传输方式为偏振方式或非偏振方式。4.根据权利要求1所述的方法，所述基于系统测量的谱线展宽和待测量磁场的范围，确定切片数量，包括：M＝(f
n
‑
f
c
)/λ其中，M为切片数量，f
c
为指定中心频率，f
n
为待测量磁场的最大值，λ为频谱曲线的半高宽。5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行权利要求1
‑
4中任一项所述的方法。6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：处理器和存储器；其中，所述存储器，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周峰，李小飞，聂琪，余佶成，雷民，殷小东，胡浩亮，黄俊昌，雷耀武，陈昱卓，潘瑞，刘京，余也凤，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司武汉分院国家电网有限公司华中科技大学，
类型：发明
国别省市：