CN113447863B - 面向高频交变磁场的金刚石nv色心磁力仪频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法。本发明针对脉冲操控速度的限制，采用将硬件上的限制转化为软件实现的方式，利用在相位积累为零时的时刻为交变磁场周期整数倍这一原理，将问题转化为一个求解有整数约束的优化模型；然后运用搜索算法对其中一个未知量进行赋值，有效解决未知量个数比方程个数多的问题，最终通过待测磁场的最小正周期得出待测交变磁场的频率。相比现有技术，本发明具有高普适性，可用于任意频率的交变磁场测量；耗时短，在几十毫秒的量级；可用于地磁场的精确测量，并在空间磁测、资源勘探、军事探潜以及地磁匹配导航都具有极重要的意义。

Description

面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，基于整数约束优化模型适用于高频测量。

背景技术

随着科技的进步，交变磁场运用的领域越来越广泛，诸多学科领域的发展都需要交变磁场测量技术：如生物科技、工业技术、通信技术、土木工程等领域。传统的交变磁场测量方法有电磁感应法、霍尔效应法、磁阻效应法、磁饱和法、磁共振法、磁光法等。但由于传统的测磁方法都存在一些问题：测磁系统分辨率不高，大部分系统都有严苛的外界环境要求，噪声的存在也对传统的方法造成了很大的干扰。为了改善传统的测磁方法中的这些缺陷，金刚石nitrogen-vacancy(NV)色心测磁法便逐渐被世人发觉并飞速发展，成为近年来的热门测磁法之一。

现有的NV色心测磁法同样存在一些缺陷。其缺陷具体体现在交变磁场的测量，在2008年Taylor首次提出的使用NV色心的自旋量子干涉仪进行磁场测量的过程中，交变磁场的测量是运用脉冲序列来实现的，由于交变磁场在一段时间内积累的相位较小，故在演化的过程中施加额外的π脉冲，使相位在半个周期内进行翻转，在此过程中交变场的相位不断积累，当积累的相位达到一定值时，脉冲速度与交变场的频率相匹配，即可得出待测交变磁场的频率。但当待测交变磁场频率增高时，例如达到GHz，由于脉冲操控速度的限制，该方法遇到瓶颈。可见当前缺乏一种可以操控高频段脉冲序列、并能够很好的解决上述现有交变磁场测量技术的缺陷的技术。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决现有金刚石NV色心测磁法存在的问题，本发明提供了一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，基于整数约束的搜索测磁法integer constraint based searching magnetic measurement method(ICSM)，以解决上述缺陷。

一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在不施加π脉冲的情况下测量相位叠加为零的各时刻点t₁，t₂…t_M，(即交变磁场周期整数倍的时刻点)，从初始时刻到上述时刻点经历的时间为待测交变磁场周期的整数倍，为零的各时刻点对应于待测磁场最小正周期倍数分别一一对应为n₁,n₂…n_M。设待测交变磁场的周期为T，上述三个参数有以下方程组：

t₁＝n₁T,

t₂＝n₂T,

......

t_m＝n_mT,

......

t_M＝n_MT,

其中M为测得的相位积累为零的时刻电总数量M≥7，m取1～M中任意一个。

步骤2、令n_m＝1，通过

求出交变磁场的最小正周期T。

步骤3、通过步骤1的方程组解出n₁,n₂,…,n_M。

步骤4、对于步骤3求解出的n₁,n₂,…,n_M如果有一个不为整数，则令n_m＝n_m+1，返回步骤2，直至n₁～n_M均为整数时结束，此时对应的T即为最终所得的最小正周期T。

步骤5、根据步骤4最终所得的T以及公式f_m＝1/T计算输出该f_m，即为最终待测交变磁场的频率f_m结果。

本发明针对脉冲操控速度的限制，采用将硬件上的限制转化为软件实现的方式，利用在相位积累为零时的时刻为交变磁场周期整数倍这一原理，将问题转化为一个求解有整数约束的优化模型。然后运用搜索算法对其中一个未知量进行赋值，有效解决未知量个数比方程个数多的问题，最终通过待测磁场的最小正周期得出待测交变磁场的频率。相比现有技术，本发明解决了在待测交变磁场频率增高过程中由于脉冲操控速度限制而导致方法失效的问题，突破了现有方法的瓶颈，且各方面性能明显优于现有技术。

本发明中步骤1为列出所需要求解的方程组，步骤2-4为整数约束问题的循环部分，通过给n_m赋值，使n_m从1取遍所有正整数，利用n_m求得T，解出n_m(m＝1，...，M)的值。当n_m(m＝1，...，M)均为整数时，即e(0即下述模型中的误差)恰好为0(最小)，满足要求。

本发明具体的优化模型为：

min:e

n_m＝1,2,......,N均为正整数

其中

为向下取整运算符。由上述模型可知，根据实际要求，只要满足误差e尽可能小(最好为零)，就能满足所有的n_m均逼近整数。求出在此条件下交变磁场的最小正周期T，最后根据公式f_m＝1/T求出待测交变磁场的频率f_m。

综上所述，本发明提出的基于整数约束的搜索测磁法，解决了在硬件上脉冲产生器无法实现对高精度时间把控的问题，通过多次测量(即测量数M大于一定值)可获得准确的测量结果。同时，该发明具有高普适性，可用于任意频率的交变磁场测量。另外，本发明耗时短，在几十毫秒的量级，属于简单快速的解决之法，可用于地磁场的精确测量，并在空间磁测、资源勘探、军事探潜以及地磁匹配导航都具有极重要的意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例测量准确率随M的变化图；

图3为实施例误差e随M的变化图；

图4为实施例仿真实验中平均收敛时间(秒)随M变化图；

图5为实施例测量准确率随交变磁场频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

针对交变磁场，常用的高频磁传感器就是感应式磁力仪，其基于法拉第电磁感应原理，频率响应在几赫兹以上，几十或几百kHz以下，MHz以上的交变磁场仍难以响应，难以满足地磁场高精度测量的需求。本发明可以改善现有NV色心测磁法存在的问题，由于本发明只需要运用整数约束来进行分析，所以本质上提高了测量精度，并且运用本发明的方法还可以有效减少交变磁场测量的时间，减小复杂度，解决了现有方法的一些缺陷。

本实施例中：仿真采用蒙特卡洛实验，先随机生成10⁴个T(即待测交变磁场的周期)，然后在每一个T的基础上，随机测得M个相位积累为0的时刻点。利用上文步骤1-5进行T的测量，通过判断每一次随机生成的T与最终算出的T的数值是否相等，便可以检验本发明的测量准确率。

图2为本实施例对T的测量准确率在M增大过程中的变化。可以看到，在M＝2时运算准确率只有60％左右。随着M的增大，测量准确率迅速提高，并在M＝7时达到99％，M>7后达到100％。同时，在M增大的过程中，我们还观察了优化模型中误差e的大小变化情况，如图3所示。从图中可以发现在M<5时，e随M单调递减的趋势非常明显。M>6之后误差e趋近于0。该图变化趋势与图2基本符合，都是在M<7时单调变化，M≥7时趋近于最优值。

图4为平均收敛时间在M增大过程中的变化。可以看到，当M<7时，随M增大，平均收敛时间也增大。而当M≥7后在0.04至0.05秒之间波动，可认为此时平均收敛时间达到了平稳。经过以上仿真实验可以看到，在M≥7后，测量准确率和误差e均达到最优值，此时平均收敛时间也达到平稳值。因此，为保证算法准确率，M值应取7以上，即至少应测量7个相位积累为零的时间点。此时算法耗时约为0.04至0.05秒，耗时较小，算法代价不大，可认为是快速测量。

最后，我们测试了不同T值下的情况，即待测磁场频率fm不同的情况，如图5所示。仿真实验测试了数个不同的频率值，从121.3MHz到4123.9MHz变化。由图表可见，当M不变时，测量准确率基本不随fm变化，可保持一个平稳值。当fm不变，但M变化时，测量准确率随M呈单调递增趋势，与图2相符合。因此可见本发明测量准确率与M有关，但基本与fm无关，说明该方法对待测磁场频率fm不敏感，可适用于任意频率的交变磁场，不受频率限制，方法具有普遍性。

Claims (1)

1.面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在不施加π脉冲的情况下测量相位叠加为零的各时刻点t₁,t₂…t_M，即交变磁场周期整数倍的时刻点，从初始时刻到上述时刻点t₁,t₂…t_M经历的时间为待测交变磁场周期的整数倍，为零的各时刻点对应于待测磁场最小正周期倍数分别一一对应为n₁,n₂…n_M，设待测交变磁场的周期为T，上述三个参数t、n和T有以下方程组：

t₁＝n₁T,

t₂＝n₂T,

......

t_m＝n_mT,

......

t_M＝n_MT,

其中M为测得的相位积累为零的时刻点总数量M≥7，m取1～M中任意一个；

步骤2、令n_m＝1，通过

求出交变磁场的最小正周期T；

步骤3、通过步骤1的方程组解出n₁,n₂,…,n_M；

步骤4、对于步骤3求解出的n₁,n₂,…,n_M如果有一个不为整数，则令n_m＝n_m+1，返回步骤2，直至n₁～n_M均为整数时结束，此时对应的T即为最终所得的最小正周期T；

步骤5、根据步骤4最终所得的T以及公式f_m＝1/T计算输出该f_m，即为最终待测交变磁场的频率f_m结果。

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