【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁探测，具体涉及一种磁场测量方法及装置。
技术介绍
1、磁场测量在地球物理勘探、航空航天、军事、和医疗成像等领域中具有重要意义。这些应用对磁场测量的准确性和可靠性有极高的要求。在众多磁场测量技术中，光泵原子磁力仪因其具有高灵敏度、小型化和低功耗等特点而被广泛应用。光泵原子磁力仪是一种基于塞曼效应和磁共振技术的精密测量设备。在外部磁场的作用下，原子能级会发生分裂。光泵原子磁力仪通过在外部磁场的垂直方向上施加射频场来激发这些原子。当原子在特定频率的射频场中被激发时，它们会吸收能量并发生共振，这一共振的性质可以精确地反映外部磁场的强度。通过测量磁共振频率，光泵原子磁力仪能够提供高精度的磁场测量结果。
2、尽管如此，目前在光泵原子磁力仪的磁场测量方法中普遍使用的pid算法仍然存在一些明显的不足。（1）pid算法依赖于通过主逐步逼近的方法来调整射频场的载波频率，以维持原子处于磁共振状态，这在动态磁场环境中会导致磁力仪的响应速度较慢。（2）当面对复杂的磁场变化时，pid算法由于无法有效捕捉磁场变化的所有细节，特别是在高变化频率的情况下，因此难以达到良好的测量效果。（3）pid算法的累计误差效应无法满足长时间的高精度测量需求，微小的误差累积有可能引起最终测量结果的显著偏差。（4）针对不同的磁场测量场景，pid算法需要设计不同的系统参数，不具有灵活性。综上这些缺点限制了光泵原子磁力仪在高精度磁场测量应用中的潜力和效率。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了解决上述背
2、本专利技术采用的技术方案是：一种磁场测量方法，包括以下步骤：
3、针对待测磁场，对处于其中的原子施加射频场以产生磁共振信号；
4、对调制后的磁共振信号分别使用不同的参考信号进行解调，对应得到磁共振信号的各阶导数；
5、基于磁共振信号的各阶导数和射频场的失谐频率之间的非线性函数关系，计算得到射频场的失谐频率；
6、根据射频场的载波频率和失谐频率计算得到磁场强度。
7、上述技术方案中，循环执行以下步骤以得到连续的磁场强度时序值：基于上一周期的射频场的失谐频率调整当前周期射频场的载波频率，以维持原子的磁共振状态；根据磁共振信号的各阶导数计算得到当前周期的射频场的失谐频率和磁场强度。
8、上述技术方案中，射频场的失谐频率的计算过程包括：将磁共振信号的各阶导数预处理并输入至多层感知器模型，多层感知器模型输出射频场的失谐频率；所述多层感知器模型用于映射磁共振信号的各阶导数和射频场的失谐频率之间的非线性函数关系。
9、上述技术方案中，所述多层感知器模型的构建过程包括：
10、基于不同强度的外部磁场施加不同载波频率的射频场以激发原子产生共振，并计算相应的磁共振信号的各阶导数；
11、以磁共振信号的各阶导数为模型输入，对应的外部磁场频率和射频场的载波频率的差值为训练标签，构建样本集；
12、采用样本集训练多层感知器模型。
13、上述技术方案中，多层感知器模型的使用和训练过程中，将磁共振信号的各阶导数进行归一化处理后，作为多层感知器模型的输入。
14、上述技术方案中，采用磁共振信号的1到5阶导数数值计算得到待测磁场的磁场强度。
15、上述技术方案中，采用fm信号驱动射频场，并施加至处于待测磁场的原子以产生磁共振信号；对磁共振信号所对应的fm信号，采用锁相放大的方法进行同步解调，得到fm信号的不同调制频率成分信号；将fm信号的不同调制频率成分信号所同步的各谐波信号作为参考信号，对磁共振信号进行乘法运算和滤波处理，解调得到磁共振信号的各调制频率成分信号的幅度信息；将磁共振信号的各调制频率成分信号的幅度信息作为磁共振信号的对应的各阶导数数值；其中，n倍的调制频率成分信号的信号幅度作为n阶导数数值；n为正整数。
16、上述技术方案中，在第一次检测到磁共振信号前，采用频率扫描的方式调整射频场频率；检测到磁共振信号后，根据计算得到的射频场的失谐频率调整射频场的载波频率，以匹配磁共振频率。
17、上述技术方案中，多层感知器模型的样本集构建过程中，通过lorentzian函数计算得到磁共振信号的各阶导数数值。
18、上述技术方案中，计算磁场强度的过程包括：将射频场的失谐频率和载波频率求和作为磁共振频率；将磁共振频率除以磁旋比作为磁场强度。
19、本专利技术还提供了一种磁场测量装置，用于执行上述技术方案所述的磁场测量方法，包括射频驱动模块、信号采集模块、多个锁相放大模块和信号处理模块；
20、射频驱动模块用于对处于待测磁场中的原子施加射频场以激发磁共振现象，并调制磁共振现象所产生的磁共振信号；
21、信号采集模块用于采集调制后的磁共振信号；
22、多个锁相放大模块并列设置，分别用于对调制后的磁共振信号使用相应的参考信号进行解调，得到磁共振信号的相应阶数的导数；
23、信号处理模块用于基于磁共振信号的各阶导数和射频场的失谐频率之间的非线性函数关系，计算得到射频场的失谐频率；根据射频场的载波频率和失谐频率计算得到磁场强度。
24、本专利技术的有益效果是：本专利技术基于失谐频率和磁共振各阶导数之间的非线性函数关系，求取射频场的失谐频率，进而计算得到磁场强度，实现快速精准测量磁场的功能。
25、进一步地，本专利技术通过计算得到的射频场的失谐频率，不断调整射频磁场的频率，以匹配磁共振频率，从而不断维持磁原子的磁共振状态，进而有效地获取磁场强度的变化信息，在磁场高频率变化的情况下，能捕捉磁场变化的所有细节，增强了面对复杂应用场景时的适应能力和稳定性，具有明显的技术优势和广泛的应用前景；同时有效保持磁共振状态，提高响应速度。本专利技术通过单次计算的结果调整射频场的载波频率，提高计算效率的同时，避免了累计误差效应造成的测量偏差，提高了磁场强度的测量精度。
26、进一步地，本专利技术将机器学习算法和磁共振技术相结合，通过训练完成的多层感知器模型直接输出射频场的失谐频率，不需要针对不同的应用场景调整系统参数，具有高精度、高响应速度、高稳定性等特点。
27、进一步地，本专利技术通过训练多层感知器模型获取射频场失谐频率与磁共振信号各阶导数的映射关系，该映射关系由于理论模型复杂而无法求得解析表达式，本专利技术利用神经网络具有高度非线性的特点，通过标准的数据集拟合获取该映射关系并用于后续计算，保证了失谐频率的计算精度，进而提高了磁场强度的计算精度。同时本专利技术通过控制外部磁场和射频场的频率，人工设置了大量的失谐频率的应用场景以获取对应的磁共振信号的各阶导数，提高样本的多样性，充分反映实际的应用场景，保证多层感知器模型的精度。
28、进一步地，本专利技术在多层感知器模型训练和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种磁场测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：循环执行以下步骤：基于上一周期的射频场的失谐频率调整当前周期射频场的载波频率，以维持原子的磁共振状态；根据磁共振信号的各阶导数计算得到当前周期的射频场的失谐频率和磁场强度。
3.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：射频场的失谐频率的计算过程包括：将磁共振信号的各阶导数预处理并输入至多层感知器模型，多层感知器模型输出射频场的失谐频率；所述多层感知器模型用于映射磁共振信号的各阶导数和射频场的失谐频率之间的非线性函数关系。
4.根据权利要求3所述的一种磁场测量方法，其特征在于：所述多层感知器模型的构建过程包括：
5.根据权利要求4所述的一种磁场测量方法，其特征在于：多层感知器模型的使用和训练过程中，将磁共振信号的各阶导数进行归一化处理后，作为多层感知器模型的输入。
6.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：采用FM信号驱动射频场；对磁共振信号所对应的FM信号，采用锁相放大的方法进行同步解调，得到FM
7.根据权利要求2所述的一种磁场测量方法，其特征在于：在第一次检测到磁共振信号前，采用频率扫描的方式调整射频场的频率；检测到磁共振信号后，根据计算得到的射频场的失谐频率调整射频场的载波频率，以匹配磁共振频率。
8.根据权利要求4所述的一种磁场测量方法，其特征在于：多层感知器模型的样本集构建过程中，通过Lorentzian函数计算得到磁共振信号的各阶导数数值。
9.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：计算磁场强度的过程包括：将射频场的载波频率和失谐频率求和作为磁共振频率；将磁共振频率除以磁旋比作为磁场强度。
10.一种磁场测量装置，其特征在于：用于执行权利要求1-9任一项所述的磁场测量方法，包括射频驱动模块、信号采集模块、多个锁相放大模块和信号处理模块；
...【技术特征摘要】
1.一种磁场测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：循环执行以下步骤：基于上一周期的射频场的失谐频率调整当前周期射频场的载波频率，以维持原子的磁共振状态；根据磁共振信号的各阶导数计算得到当前周期的射频场的失谐频率和磁场强度。
3.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：射频场的失谐频率的计算过程包括：将磁共振信号的各阶导数预处理并输入至多层感知器模型，多层感知器模型输出射频场的失谐频率；所述多层感知器模型用于映射磁共振信号的各阶导数和射频场的失谐频率之间的非线性函数关系。
4.根据权利要求3所述的一种磁场测量方法，其特征在于：所述多层感知器模型的构建过程包括：
5.根据权利要求4所述的一种磁场测量方法，其特征在于：多层感知器模型的使用和训练过程中，将磁共振信号的各阶导数进行归一化处理后，作为多层感知器模型的输入。
6.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于：采用fm信号驱动射频场；对磁共振信号所对应的fm信号，采用锁相放大的方法进行同步解调，得到fm信号的不同调制频率成分信号；...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐旺旺，王敏，黄光明，李高翔，吴少平，耿旭兴，金恺，
申请(专利权)人：华中师范大学，
类型：发明
国别省市：
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