CN117741529A - 一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电学量子传感技术领域，具体公开了一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，根据系统测量ODMR谱线的分布特性和待测场的范围，完成范围内的扫频，获得离散ODMR谱线中部分点信息，再结合光的强度和分布函数分析，实现快速分布函数波形反演，获得中心频率点，进而获得能表征磁场强度的关键参量，实现量子测量。

Description

一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法

技术领域

本发明属于电学量子传感技术领域，具体涉及一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法。

背景技术

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性提出了更高的要求。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、微波信号等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。

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。

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为T_L+T_W+T_D+T_S，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；T_S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，从上述分析可以可以看到，扫频法的测量耗时中Tw占比最大，达到s量级。而随着应用场景的不同，对于磁测量的采样率要求不一样.对于电力系统而言，交流情况下电流的采样率至少为4kHz，直流采样率至少为10kHz，目前，一般的连续光学探测磁技术中的扫频受限于扫频的速度，其采样率仅能做到几个Hz，限制了其在电力或者其他对采样率要求场景中的应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，将量子技术更好的应用在电力系统，本发明对连续光学探测磁共振的微波扫频方式进行优化，通过分析ODMR谱的拟合函数，提出一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，来实现快速的量子调控和测量，从而极大的提高微波调制的时间，从而提高整个量子测量的采样率。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，根据系统测量ODMR谱线的分布特性和待测场的范围，完成范围内的扫频，获得离散ODMR谱线中部分点信息，再结合光的强度和分布函数分析，实现快速分布函数波形反演，获得中心频率点，进而获得能表征磁场强度的关键参量，实现量子磁测量。

进一步地，所述基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，包括以下步骤：

S1、自旋激化阶段：在外加磁场、激光和微波的共同作用下发出荧光信号，荧光信号中包含待测磁场的信息；

S2、根据待测磁场的信息，给出ODMR谱的待测估算范围；

S3、估算待测磁场值对应的波谷频率，然后在波峰覆盖范围内开展两个微波频率点的切换，并测量得到对应的荧光值；

S4、ODMR谱快速拟合：对测量的两个微波频率点的荧光值，进行拟合，获得一阶微分曲线线性段的核心参数，即斜率值，同时对指定的ODMR谱的曲线进行拟合，反演ODMR谱分布函数的关键参数，进而可以从函数中直接获取ODMR谱的中心频率，进而获得能表征磁场强度的关键参量。

进一步地，所述步骤S1中采用532nm的激光作为激励源。

进一步地，所述步骤(2)中是通过结合第一次的电流大小测量以及待测电流的特性，快速计算下一个电流的大致范围，并根据该电流的大致范围确定ODMR谱的待测估算范围。

进一步地，所述步骤(3)中估算待测磁场值对应的波谷频率的步骤为：

S31、微波调制阶段：获取区域频率定位部件反馈的初步定位频率，以初步定位频率为中心，乘以拓展系数确定扫频的频率范围，以确定的步长对拓展的频率范围内进行扫频；

S32、扫频后采集获得微波频率-光强对应点的值，微波频率为横坐标，纵坐标为荧光强度，通过收集不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得波谷频率。

进一步地，所述ODMR谱满足高斯或者泊松分布。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

在一般的量子测量场景中，对于采样率有一定的要求，例如在电力系统，交流情况下电流的采样率至少为4kHz，直流采样率至少为10kHz，而一般的连续光学探测磁共振技术受限于扫频的速度，其采样率仅为Hz级别，限制了其在电力或者其他对采样率要求场景，本发明提供了一种快速的实现量子测量的方法，通过在OMDR谱分布函数分析的前提下对函数进行一次微分，只需要测量两个微波频率点，就可实现对微分函数线性拟合，能够快速确定中心频率的值，极大的提高微波调制的时间，从而提高整个量子测量的采样率，相较于传统的扫频方法的采样率，本发明中不仅扫频耗时为传统耗时的0.00178％，采样率也提高了10⁴倍，且未增加任何硬件，测量精度与传统方法保持一致。

附图说明

图1为本发明中ODMR谱分布及待测点表征；

图2为本发明中ODMR谱调制解调曲线；

图3为本发明中微波调制耗时对比图。

具体实施方式

下面结合较佳实施例对本发明做进一步的说明，在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值；对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本实施例提供一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，根据系统测量ODMR谱线的分布特性和待测场的范围，完成范围内的扫频，获得离散ODMR谱线中部分点信息，再结合光的强度和分布函数分析，实现快速分布函数波形反演，获得中心频率点，进而获得能表征磁场强度的关键参量，实现量子磁测量，包括以下步骤：

S1、自旋激化阶段：在外加磁场、激光和微波的共同作用下发出荧光信号，荧光信号中包含待测磁场的信息，为了使NV色心量子态的极化，一般采用532nm的激光作为激励源，由532nm的激光源发出波长为532nm的激光，激光照射在金刚石上，在激光传输的过程中可采用偏振方式，也可不采用偏振方式，自旋激化阶段的时间为T_L；

S2、根据待测磁场的信息，给出ODMR谱的待测估算范围；本发明中测量对象为电流产生的磁场，因此，通过磁场的高速测量实现电流的高速测量，根据电流至即可获得ODMR谱的待测估算范围，具体方式为：通过结合第一次的电流大小测量以及待测电流的特性，快速计算下一个电流的大致范围，并根据该电流大致范围确定ODMR谱的待测估算范围，如图3中ODMR谱分布及待测点表征示意图中出现的两个峰；

S3、估算待测磁场值对应的波谷频率，然后在波峰覆盖范围内开展两个微波频率点的切换，并测量得到对应的荧光值，如图1和图2；

其中，波谷频率的估算方式如下：

S31、微波调制阶段：获取区域频率定位部件反馈的初步定位频率，初步定位频率获取的方式多种多种，例如，通过待测波形的正弦特点，结合时间因素，可以计算出待测的定位频率，也可通过霍尔片进行快速测量反馈；以初步定位频率为中心，乘以拓展系数确定扫频的频率范围，以确定的步长对拓展的频率范围内进行扫频；拓展系数根据测量需求进行确定，例如初步定位频率精度高，可以选择较小的扩展系数，如果初步定位频率精度低，可以选择较大的扩展系数；

S32、扫频后采集获得微波频率-光强对应点的值，微波频率为横坐标，纵坐标为荧光强度，通过收集不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得波谷频率。

在现有的扫频法中，通过微波源在初步定位频率中心频率f_c附近一定微波频率范围f_n内作为一个工作周期进行循环扫频工作，其中f_n与待测磁场的最大值相关，乘以扩展系数后扫频的步长为f₀，每一个步长所需要时间为t₀，则完成一个扫频工作周期的时间为T_W＝t₀×(f_n-f_c)/f₀；

将收集到的不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得波谷的频率值，该频率值与上述中心频率f_c的插值即可直接求得对应的磁场强度，所需时间为T_D；通过对该过程的分析，一次磁测量的总时间T为：

T＝T_L+T_w+T_D

一般T_L和T_D相较于T_w均可忽略，而扫频过程中，一个步长及频率切换所需要的时间在几十us量级，一次扫频所需步数几千次，因此，现有的扫频法采样率一般为Hz，无法满足高速采样的需求；

假设待测磁场的变化范围为0-100Gs，取t₀＝10us，f₀＝10kHz，按照一般的调制方案，一次微波阶段的测量时间为：

T₂＝t₀×(f_n-f_c)/f₀＝10us×2.8MHz/Gs×100Gs/10kHz＝280ms；

即采样率为3Hz，极大的限制了其在各场景的应用；

从微波调制阶段分析可以看到，实际有用的信号值仅与波谷的频率值相关，而大量扫频的步骤是可以省略的，因此，本发明在分析OMDR谱的函数分布的前提下，通过极少数点的扫描，通过函数拟合的方式，则可快速实现中心频率的确定，进而极大的压缩微波调制阶段的耗时，从而提高采样率是完全可行的；

S4、ODMR谱快速拟合：对测量的两个微波频率点的荧光值，进行拟合；对于满足高斯或者泊松分布的ODMR谱来说，做一次微分，在一个较广的范围内，微分曲线是一条直线，如图2d所示，因此，本实施例中利用测量的两个微波频率点的荧光值完成直线段的拟合，获得一阶微分曲线线性段的核心参数，即斜率值；同时对指定的待拟合的ODMR谱曲线进行拟合，反演ODMR谱线分布函数的关键参数，进而可以从函数中直接获取ODMR谱的中心频率，进而获得能表征磁场强度的关键参量。

利用本实施例的方法实现量子磁测量，首先，通过待测场的最大值100Gs，确定频率的最大值，计算得到为f_n＝3.15GHz，根据如下公式(1)：

ω＝2.87GHz±2.8MHz/Gs×B×cosθ(1)

其中，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；

在本实施例中，指定ODMR谱曲线满足高斯或者泊松分布，其一次微分曲线在一定范围内是直线，因此，根据两点确定一条直线的原理，只需要分布曲线中2个点即可完成拟合。则对与一个频谱曲线的波谷进行测量所需要的时间为：

T＝N×t₀(2)

N为2，则一次测量所需要的时间为25us，同时考虑到相较于传统测量，本发明中还有另外两个耗时，即判断在哪个区域扫描耗时T1以及拟合曲线耗时T2，一般T1由FPGA速度决定，可以控制在1us以内，T2可以采用硬件拟合的方式，时间也可以控制在1us以内，则本发明中一次测量所需要时间可近似为T。

本发明的扫频耗时与传统耗时比为：

＝T/T₂＝2/((f_n-f_c)/f₀) (3)

还是以100Gs的最大磁场范围为例，f_n-f_c为280MHz，f₀＝10kHz，N取2，通过式(3)可以看到，本发明的扫频耗时仅为传统耗时的0.00178％，采样率提高了104倍，且未增加任何硬件，测量精度与传统方法保持一致。

磁场测量范围从1Gs到1000Gs(光探测磁共振的量子测量技术的理论最大值)本发明的扫频耗时在不同λ下与传统耗时的占比如图3所示，可以看到本发明的耗时与待测磁场的大小有关。当磁场强度高于1Gs后，测量速度已经提升了约100倍，且随着磁场范围的增加，测量速度优势更加明显。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，其特征在于，根据系统测量ODMR谱线的分布特性和待测场的范围，完成范围内的扫频，获得离散ODMR谱线中部分点信息，再结合光的强度和分布函数分析，实现快速分布函数波形反演，获得中心频率点，进而获得能表征磁场强度的关键参量，实现量子测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、自旋激化阶段：在外加磁场、激光和微波的共同作用下发出荧光信号，荧光信号中包含待测磁场的信息；

S2、根据待测磁场的信息，给出ODMR谱的待测估算范围；

S3、估算待测磁场值对应的波谷频率，然后在波峰覆盖范围内开展两个微波频率点的切换，并测量得到对应的荧光值；

S4、ODMR谱快速拟合：对测量的两个微波频率点的荧光值，进行拟合，获得一阶微分曲线线性段的核心参数，即斜率值，同时对指定的ODMR谱的曲线进行拟合，反演ODMR谱分布函数的关键参数，进而可以从函数中直接获取ODMR谱的中心频率，进而获得能表征磁场强度的关键参量。

3.根据权利要求2所述的一种基于双点测磁共振谱拟合的量子磁测量方法，其特征在于，所述步骤S1中采用532nm的激光作为激励源。

4.根据权利要求2所述的一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中是通过结合第一次的电流大小测量以及待测电流的特性，快速计算下一个电流的大致范围，并根据该电流的大致范围确定ODMR谱的待测估算范围。

5.根据权利要求2所述的一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中估算待测磁场值对应的波谷频率的步骤为：

S31、微波调制阶段：获取区域频率定位部件反馈的初步定位频率，以初步定位频率为中心，乘以拓展系数确定扫频的频率范围，以确定的步长对拓展的频率范围内进行扫频；

S32、扫频后采集获得微波频率-光强对应点的值，微波频率为横坐标，纵坐标为荧光强度，通过收集不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得波谷频率。

6.根据权利要求2所述的一种基于双点测磁共振谱拟合的量子测量方法，其特征在于，所述ODMR谱满足高斯或者泊松分布。