CN114137304A - 一种射频信号的频率测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种射频信号的频率测量系统及方法，其中频率测量系统，包括：磁场源模块、光源模块、激发模块、CMOS相机和信号处理模块；磁场源模块用于产生磁场；激发模块设置于磁场内；激发模块设置在光源模块的输出光路上；CMOS相机设置在激发模块的输出光路上；CMOS相机和信号处理模块连接；光源模块用于发出激光；CMOS相机用于捕捉激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；信号处理模块用于根据激发图像确定待测射频信号的频率。本发明通过设置磁场源模块和激发模块，能够通过射频信号的频率测量的抗干扰能力、测量带宽大和测量精度高。

Description

一种射频信号的频率测量系统及方法
技术领域
本发明涉及信号频率测量技术领域，特别是涉及一种射频信号的频率测量系统及方法。
背景技术
在现代生产生活中，电子产品的研发、生产以及检验测量，使得对射频信号进行测量成为了必要的手段。传统电子式测频信号方式中，考虑到测量的精确度以及测量系统的性能，所采用的电子元器件限制范围比较大，例如由于体积太大，电子元器件价格昂贵，易受到强电磁干扰，高温高压等极端环境条件，没有办法适应特殊环境下越来越严苛的测频需求。因此，亟需一种抗干扰能力强、维护成本低、可瞬时检测、可在极端环境下工作的测频系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频信号的频率测量系统及方法，具有抗干扰能力强、测量带宽大、测量精度高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种射频信号的频率测量系统，包括：
磁场源模块、光源模块、激发模块、CMOS相机和信号处理模块；
所述磁场源模块用于产生磁场；
所述激发模块设置于所述磁场内；所述激发模块设置在所述光源模块的输出光路上；所述CMOS相机设置在所述激发模块的输出光路上；所述CMOS相机和所述信号处理模块连接；
所述光源模块用于发出激光；
所述CMOS相机用于捕捉所述激光进入施加有待测射频信号的所述激发模块时的激发图像；
所述信号处理模块用于根据所述激发图像确定所述待测射频信号的频率。
可选的，所述光源模块，具体包括：
依次设置的激光源、半波片、偏振分光棱镜、第一凸透镜、声光调制器、第二凸透镜、反射镜和光束缩束器；
所述激发模块设置在所述光束缩束器的输出光路上。
可选的，所述激光源为532nm激光源。
可选的，所述磁场源模块，具体包括：
三轴位移台和磁场源；
所述磁场源设置在所述三轴位移台上；所述三轴位移台用于调节所述磁场源的位置。
可选的，所述磁场源为梯度磁场源。
可选的，所述激发模块，具体包括：
功率放大器、长条天线板和金刚石；
所述金刚石设置在所述长条天线板上；所述功率放大器与所述长条天线板连接；
所述功率放大器用于接收所述待测射频信号，并将所述待测射频信号进行功率放大处理后通过所述长条天线板传输至所述金刚石。
可选的，所述激发模块和所述CMOS相机之间设置有滤光片。
一种射频信号的频率测量方法，所述频率测量方法应用于上述的频率测量系统，所述频率测量方法：包括：
获取激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；所述激发图像为含有共振峰暗点的图像；
信号处理模块根据激发图像确定所述待测射频信号的频率。
可选的，所述获取激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像，具体包括：
CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像；
判断所述瞬时图像上是否存在共振峰暗点，得到判断结果；
若判断结果为否，则调整三轴位移台的角度并返回步骤“CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像”；
若判断结果为是，则将所述瞬时图像确定为激发图像。
可选的，所述信号处理模块根据激发图像确定所述待测射频信号的频率，具体包括：
根据所述激发图像确定所述共振峰暗点与金刚石的第一边缘的第一暗点偏移量；所述金刚石的第一边缘为最靠近所述功率放大器的边缘；
根据金刚石到磁场源的距离，以及所述暗点偏移量，确定共振峰暗点到磁场源的距离为第二暗点偏移量；
根据第二暗点偏移量，以及第二暗点偏移量与磁场梯度的关系，确定共振暗点处的磁场强度；
根据共振暗点处的磁场强度，利用公式Δf＝2γB得到频率偏移量；
根据所述频率偏移量和金刚石NV色心在零场下共振频率，利用公式f＝f0+Δf，确定所述待测射频信号的频率；
式中，Δf为频率偏移量，γ为旋磁比，γ＝2.8MHz/Gauss，B为共振暗点处的磁场强度，f为待测射频信号的频率；f0为金刚石NV色心在零场下共振频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种射频信号的频率测量系统及方法，其中频率测量系统，包括：磁场源模块、光源模块、激发模块、CMOS相机和信号处理模块；磁场源模块用于产生磁场；激发模块设置于磁场内；激发模块设置在光源模块的输出光路上；CMOS相机设置在激发模块的输出光路上；CMOS相机和信号处理模块连接；光源模块用于发出激光；CMOS相机用于捕捉激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；信号处理模块用于根据激发图像确定待测射频信号的频率。本发明通过设置磁场源模块和激发模块，能够通过射频信号的频率测量的抗干扰能力、测量带宽大和测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中射频信号的频率测量系统结构示意图；
图2为本发明实施例中梯度磁场源、天线和金刚石的相对位置示意图；图2(a)为本发明实施例中梯度磁场源、天线的相对位置示意图；图2(b)为本发明实施例中天线和金刚石的相对位置示意图；
图3为本发明实施例中磁场梯度示意图；
图4为本发明实施例中NV色心量子系统光路结构示意图；
图5本发明实施例中射频信号的频率测量方法流程图。
附图说明：1-待检测单元；1-1-三轴位移台；1-2-梯度磁场源；1-2-1-磁场梯度；1-3-待测射频信号；1-4-特制金刚石；1-5-长条天线板；1-5-1-长条天线；1-6-功率放大器；2-光路系统；2-1-激光源；2-2-半波片；2-3-偏振分光棱镜；2-4-凸透镜；2-5-声光调制器；2-6-反射镜；2-7-光束缩束器；2-8-滤波片；3-CMOS相机；4-数据处理单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种射频信号的频率测量系统及方法，具有抗干扰能力强、测量带宽大、测量精度高的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种射频信号的频率测量系统，包括：
磁场源模块、光源模块、激发模块、CMOS相机和信号处理模块；
磁场源模块用于产生磁场；
激发模块设置于磁场内；激发模块设置在光源模块的输出光路上；CMOS相机设置在激发模块的输出光路上；CMOS相机和信号处理模块连接；
光源模块用于发出激光；
CMOS相机用于捕捉激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；
信号处理模块用于根据激发图像确定待测射频信号的频率。
其中，光源模块，具体包括：
依次设置的激光源、半波片、偏振分光棱镜、第一凸透镜、声光调制器、第二凸透镜、反射镜和光束缩束器；
激发模块设置在光束缩束器的输出光路上。
具体的，激光源为532nm激光源。
具体的，磁场源模块，具体包括：
三轴位移台和磁场源；
磁场源设置在三轴位移台上；三轴位移台用于调节磁场源的位置。
磁场源为梯度磁场源。
其中，激发模块，具体包括：
功率放大器、长条天线板和金刚石；
金刚石设置在长条天线板上；功率放大器与长条天线板连接；
功率放大器用于接收待测射频信号，并将待测射频信号进行功率放大处理后通过长条天线板传输至金刚石。
此外，本发明提供的射频信号的频率测量系统，激发模块和CMOS相机之间设置有滤光片。
如图1，本发明提供的一种基于梯度磁场下的金刚石NV色心瞬时频率检测系统。该系统包括：待检测单元1、光路系统2、CMOS相机3和数据处理单元4。
参照图2-3，所述的梯度磁场源及天线作用于金刚石的示意图由三轴位移台1-1、梯度磁场源1-2、磁场梯度1-2-1、待测射频信号1-3、特制金刚石1-4、长条天线板1-5、长条天线1-5-1和功率放大器1-6组成。待测射频信号1-3通过长条天线板1-5作用于特制金刚石1-4时，磁场梯度1-2-1沿着激光方向呈下降趋势，待测射频信号1-3沿着长条天线1-5-1作用于特制金刚石，移动三轴位移台1-1改变金刚石中磁场梯度的下降趋势，直到探测到信号的共振峰，由CMOS相机3对其进行瞬时拍摄。其中，特制金刚石为经过氮离子注入及多级退火工艺等完成高浓度NV色心的制备的金刚石，尺寸规格长*宽*高为10mm*10mm*5mm。
参照图4，NV色心量子系统光路结构由激光源2-1、半波片2-2、偏振分光棱镜2-3、凸透镜2-4、声光调制器2-5、反射镜2-6、光束缩束器2-7、滤波片2-8组成。由激光源2-1产生532nm的激光，经过半波片2-2和偏振分光棱镜2-3得到一束强度可任意调整的垂直偏振激光，有利于更高效的极化NV色心，光路经过凸透镜2-4进行聚焦对准，通过声光调制器2-5产生衍射效应，利用光阑滤出一级衍射光用于提供脉冲光束进行NV色心的量子态调控，经反射镜2-6将激光射向光束缩束器2-7中进行聚焦，最终激光射入特制金刚石1-4中
待测射频信号经过功率放大器以及长条天线板作用于特制金刚石时，梯度磁场源在特制金刚石中沿天线方向产生梯度磁场，移动三轴位移台改变在金刚石中的磁场梯度，在光路系统中，由激光源产生532nm的激光，经过半波片和偏振分光棱镜得到一束强度可任意调整的垂直偏振激光，有利于更高效的极化NV色心，光路经过凸透镜进行聚焦对准，通过声光调制器产生衍射效应，利用光阑滤出一级衍射光用于提供脉冲光束进行NV色心的量子态调控，经反射镜将激光射向光束缩束器中进行缩束，最终激光射入特制金刚石中，梯度磁场源在特制金刚石中沿天线方向产生梯度磁场，CMOS相机对特制金刚石中产生的荧光信号进行瞬时拍照，若没有拍摄到共振峰产生的暗点，可以通过移动三轴位移台改变磁场梯度，再次对特制金刚石进行瞬时拍照，直到拍到共振峰所产生的暗点。根据梯度磁场源与特制金刚石的距离可以得到对应的磁场强度，由数据处理单元进行处理和计算，由共振峰的塞曼劈裂程度反推共振频率偏移量，由共振频率偏移量得到待测信号的频率。
具体的，CMOS相机对特制金刚石中产生的荧光信号进行瞬时拍照，若没有拍摄到共振峰产生的暗点，可以通过移动三轴位移台改变磁场梯度，再次对特制金刚石进行瞬时拍照，直到拍到共振峰所产生的暗点。根据梯度磁场源与特制金刚石的距离可以得到对应的磁场强度，由数据处理单元进行处理和计算，计算过程如下首先根据瞬时成像的结果得到共振暗部对应于金刚石块边缘偏移量Δx1，再与金刚石对于磁铁的位移量Δx2相加得到共振暗点与磁铁的总距离Δx，通过磁场梯度与位移量Δx得到在共振暗点处的实际磁场大小B，根据轴向磁场下NV色心的能级跃迁频率随磁场大小变化规律，即Δf＝2γB(其中γ为旋磁比大小为2.8MHz/Gauss)，根据测量得到的频率偏移量Δf以及NV色心在零场下共振频率2.87GHz(f0)得到未知射频信号频率f＝f0+Δf。由于金刚石沿磁场梯度方向的长度有限，为了尽可能充分利用整个磁场梯度以及提高测量频率范围，因此将磁场梯度以金刚石的长度沿x轴方向均匀的划分为多个档位的小的磁场梯度区间，并将对应区间的金刚石位置偏移量和对应的小的磁场梯度进行记录储存，方便后续处理数据时直接找到金刚石相对于磁场的位移量从而获得对应区间内的磁场梯度，再根据共振暗点在金刚石上的位置，最终可以更快解算出共振暗点处的磁场信息。将梯度磁场源的磁场梯度作为数据库上传到数据处理单元，当拍摄到信号的共振峰时，可以在计算机中快速定位到共振峰的偏移量。
如图5，本发明还提供了一种射频信号的频率测量方法，应用于上述频率测量系统，方法：包括：
步骤101：获取激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；激发图像为含有共振峰暗点的图像；
步骤102：信号处理模块根据激发图像确定待测射频信号的频率。
步骤101，具体包括：
CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像；
判断瞬时图像上是否存在共振峰暗点，得到判断结果；
若判断结果为否，则调整三轴位移台的角度并返回步骤“CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像”；
若判断结果为是，则将瞬时图像确定为激发图像。
步骤102，具体包括：
根据激发图像确定共振峰暗点与金刚石的第一边缘的第一暗点偏移量；金刚石的第一边缘为最靠近功率放大器的边缘；
根据金刚石到磁场源的距离，以及暗点偏移量，确定共振峰暗点到磁场源的距离为第二暗点偏移量；
根据第二暗点偏移量，以及第二暗点偏移量与磁场梯度的关系，确定共振暗点处的磁场强度；
根据共振暗点处的磁场强度，利用公式Δf＝2γB得到频率偏移量；
根据频率偏移量和金刚石NV色心在零场下共振频率，利用公式f＝f0+Δf，确定待测射频信号的频率；
式中，Δf为频率偏移量，γ为旋磁比，γ＝2.8MHz/Gauss，B为共振暗点处的磁场强度，f为待测射频信号的频率；f0为金刚石NV色心在零场下共振频率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述频率测量系统，包括：
磁场源模块、光源模块、激发模块、CMOS相机和信号处理模块；
所述磁场源模块用于产生磁场；
所述激发模块设置于所述磁场内；所述激发模块设置在所述光源模块的输出光路上；所述CMOS相机设置在所述激发模块的输出光路上；所述CMOS相机和所述信号处理模块连接；
所述光源模块用于发出激光；
所述CMOS相机用于捕捉所述激光进入施加有待测射频信号的所述激发模块时的激发图像；
所述信号处理模块用于根据所述激发图像确定所述待测射频信号的频率。
2.根据权利要求1所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述光源模块，具体包括：
依次设置的激光源、半波片、偏振分光棱镜、第一凸透镜、声光调制器、第二凸透镜、反射镜和光束缩束器；
所述激发模块设置在所述光束缩束器的输出光路上。
3.根据权利要求2所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述激光源为532nm激光源。
4.根据权利要求2所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述磁场源模块，具体包括：
三轴位移台和磁场源；
所述磁场源设置在所述三轴位移台上；所述三轴位移台用于调节所述磁场源的位置。
5.根据权利要求4所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述磁场源为梯度磁场源。
6.根据权利要求5所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述激发模块，具体包括：
功率放大器、长条天线板和金刚石；
所述金刚石设置在所述长条天线板上；所述功率放大器与所述长条天线板连接；
所述功率放大器用于接收所述待测射频信号，并将所述待测射频信号进行功率放大处理后通过所述长条天线板传输至所述金刚石。
7.根据权利要求1所述的射频信号的频率测量系统，其特征在于，所述激发模块和所述CMOS相机之间设置有滤光片。
8.一种射频信号的频率测量方法，其特征在于，所述频率测量方法应用于如权利要求1-7任一项所述的频率测量系统，所述频率测量方法：包括：
获取激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像；所述激发图像为含有共振峰暗点的图像；
信号处理模块根据激发图像确定所述待测射频信号的频率。
9.根据权利要求8所述的射频信号的频率测量方法，其特征在于，所述获取激光进入施加有待测射频信号的激发模块时的激发图像，具体包括：
CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像；
判断所述瞬时图像上是否存在共振峰暗点，得到判断结果；
若判断结果为否，则调整三轴位移台的角度并返回步骤“CMOS相机捕捉激发模块处的瞬时图像”；
若判断结果为是，则将所述瞬时图像确定为激发图像。
10.根据权利要求8所述的射频信号的频率测量方法，其特征在于，所述信号处理模块根据激发图像确定所述待测射频信号的频率，具体包括：
根据所述激发图像确定所述共振峰暗点与金刚石的第一边缘的第一暗点偏移量；所述金刚石的第一边缘为最靠近所述功率放大器的边缘；
根据金刚石到磁场源的距离，以及所述暗点偏移量，确定共振峰暗点到磁场源的距离为第二暗点偏移量；
根据第二暗点偏移量，以及第二暗点偏移量与磁场梯度的关系，确定共振暗点处的磁场强度；
根据共振暗点处的磁场强度，利用公式Δf＝2γB得到频率偏移量；
根据所述频率偏移量和金刚石NV色心在零场下共振频率，利用公式f＝f0+Δf，确定所述待测射频信号的频率；
式中，Δf为频率偏移量，γ为旋磁比，γ＝2.8MHz/Gauss，B为共振暗点处的磁场强度，f为待测射频信号的频率；f0为金刚石NV色心在零场下共振频率。
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