KR20170140156A - DNV magnetic field detector - Google Patents
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Abstract
자기 검출을 위한 시스템은 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질, RF 여기를 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스, 광학 여기를 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스, NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기, 및 제어기를 포함한다. 광학 신호는 NV 다이아몬드 물질의 초미세 상태들에 기초한다. 제어기는 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 초미세 상태들에 기초하여 광학 신호의 경사도를 검출하도록 구성된다.The system for magnetic detection includes a nitrogen vacancy (NV) diamond material comprising a plurality of NV centers, a radio frequency (RF) excitation source configured to provide an RF excitation to the NV diamond material, an optical configured to provide an optical excitation to the NV diamond material An excitation source, an optical detector configured to receive an optical signal emitted by the NV diamond material, and a controller. The optical signal is based on the ultrafine states of the NV diamond material. The controller is configured to detect an inclination of the optical signal based on ultrafine states emitted by the NV diamond material.
Description
본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 11월 20일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/257,988로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 7월 8일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/190,209로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 12월 1일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 62/261,643으로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 각각 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 1월 28일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/109,006 및 2015년 1월 29일에 출원한 62/109,551로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 9월 4일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/214,792로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 11월 20일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/258,003으로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 7월 8일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/190,218로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2015년 1월 23일에 출원한 미국 가특허 출원 번호 62/107,289로부터 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "APPARATUS AND METHOD FOR HYPERSENSITIVITY DETECTION OF MAGNETIC FIELD"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,558의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "IMPROVED LIGHT COLLECTION FROM DNV SENSORS"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,062의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "PRECISION POSITION ENCODER/SENSOR USING NITROGEN VACANCY DIAMOND"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,652의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "COMMUNICATION VIA A MAGNIO"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,677의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "METHOD FOR RESOLVING NATURAL SENSOR AMBIGUITY FOR DNY DIRECTION FINDING APPLICATIONS"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,678의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "HYDROPHONE"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,177의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MAGNETIC NAVIGATION METHODS AND SYSTEMS UTILIZING POWER GRID AND COMMUNICATION NETWORK"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 미국 출원 번호 15/003,206의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "RAPID HIGH-RESOLUTION MAGNETIC FIELD MEASUREMENTS FOR POWER LINE INSPECTION"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,193의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "IN-SITU POWER CHARGING"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,088에 또한 관련된다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "APPARATUS AND METHOD FOR CLOSED LOOP PROCESSING FOR A MAGNETIC DETECTION SYSTEM"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,519의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY OF THREE DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD FROM A MAGNETIC DETECTION SYSTEM"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,718의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DIAMOND NITROGEN VACANCY SNESED FERRO-FLUID HYDROPHONE"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,209의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "AC VECTOR MAGNETIC ANOMALY DETECTION WITH DIAMOND NITROGEN VACANCIES"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,670의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ABSOLUTE AXES' ORIENTATIONS FOR A MAGNETIC DETECTION SYSTEM"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,704의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "APPARATUS AND METHOD FOR HIGH SENSITIVITY MAGNETOMETRY MEASUREMENT AND SIGNAL PROCESSING IN A MAGNETIC DETECTION SYSTEM"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,590의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MAGNETIC BAND-PASS FILTER"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,176의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DEFECT DETECTOR FOR CONDUCTIVE MATERIALS"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,145의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR WITH DUAL RF SOURCES"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,309의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR WITH COMMON RF AND MAGNETIC FIELDS GENERATOR"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,298의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MAGNETOMETER WITH A LIGHT EMITTING DIODE"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,292의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MAGNETOMETER WITH LIGHT PIPE"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,281의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DIAMOND WITH CIRCUITRY FOR USE IN A DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,634의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MEASUREMENT PARAMETERS FOR QC METROLOGY OF SYNTHETICALLY GENERATED DIAMOND WITH NV CENTERS"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,577의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "HIGHER MAGNETIC SENSITIVITY THROUGH FLUORESCENCE MANIPULATION BY PHONON SPECTRUM CONTROL"이라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,256의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "MAGNETIC WAKE DETECTOR"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,396의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "GENERAL PURPOSE REMOVAL OF GEOMAGNETIC NOISE"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,617의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "REDUCED INSTRUCTION SET CONTROLLER FOR DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,336의 우선권을 주장한다. 본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, "DNV MAGNETIC FIELD DETECTOR"라는 명칭으로 2016년 1월 21일에 출원한 공동 계류 중인 미국 출원 번호 15/003,___, 의 우선권을 주장한다.This application claims priority benefit from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 257,988, filed November 20, 2015, the entirety of which is incorporated herein by reference. This application claims priority benefit from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 190,209, filed July 8, 2015, which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from co-pending U.S. Application No. 62 / 261,643, filed December 1, 2015, which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 62 / 109,006, filed January 28, 2015, and 62 / 109,551, filed January 29, 2015, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. . This application claims priority benefit from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 214,792, filed September 4, 2015, the entirety of which is incorporated herein by reference. This application claims priority from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 258,003, filed November 20, 2015, which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 190,218, filed July 8, 2015, which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 107,289 filed on January 23, 2015, the entirety of which is incorporated herein by reference. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,558, filed on January 21, 2016, entitled " APPARATUS AND METHOD FOR HYPERSENSITIVITY DETECTION OF MAGNETIC FIELD ", which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,062, filed on January 21, 2016, entitled " IMPROVED LIGHT COLLECTION FROM DNV SENSORS ", which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,652, filed on January 21, 2016, entitled " PRECISION POSITION ENCODER / SENSOR USING NITRROGEN VACANCY DIAMOND, " which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,677, filed on January 21, 2016, entitled " COMMUNICATION VIA A MAGNIO, " which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,678, filed on January 21, 2016, entitled " METHOD FOR RESOLVING NATURAL SENSOR AMBI- CHITY FOR DNY DIRECTION FINDING APPLICATIONS ", which is hereby incorporated by reference in its entirety do. This application claims priority from U.S. Serial No. 15 / 003,177, filed on January 21, 2016, entitled " HYDROPHONE, " which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application claims priority to U.S. Serial No. 15 / 003,206, filed on January 21, 2016, entitled " MAGNETIC NAVIGATION METHODS AND SYSTEMS UTILIZING POWER GRID AND COMMUNICATION NETWORK, " do. This application is related to co-pending U. S. Serial No. 15 / 003,193, filed January 21, 2016, entitled " RAPID HIGH-RESOLUTION MAGNETIC FIELD MEASUREMENTS FOR POWER LINE INSPECTION ", which is hereby incorporated by reference in its entirety Claim priority. This application is also related to copending U.S. Serial No. 15 / 003,088, filed on January 21, 2016, entitled " IN-SITU POWER CHARGING, " which is hereby incorporated by reference in its entirety. This application is related to co-pending U.S. Serial No. 15 / 003,519, filed January 21, 2016, entitled " APPARATUS AND METHOD FOR CLOSED LOOP PROCESSING FOR A MAGNETIC DETECTION SYSTEM ", which is hereby incorporated by reference in its entirety . This application is related to co-pending U. S. Application No. < / RTI > filed on January 21, 2016, entitled " APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY OF THREE DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD FROM A MAGNETIC DETECTION SYSTEM ", which is hereby incorporated by reference in its
본 개시는 일반적으로 자력계에 관한 것이다.This disclosure generally relates to a magnetometer.
다이아몬드 격자에서의 원자 크기의 질소 공석(NV)은 자기장 측정을 위한 우수한 감도를 갖고, 기존의 기술(예를 들어, 홀 효과, SERF, SQUID, 등)의 시스템들 및 디바이스들을 용이하게 교체할 수 있는 작은 자기 센서들의 제조를 가능하게 하는 것으로 보여져 왔다. 질소 공석 다이아몬드(DNV) 자력계들은, 발광 기능의 경사도(gradient)를 통해 주파수와, 그 후에 지맨 효과를 통한 자기장에 관련된 다이아몬드의 적색 광 발광에서의 변화에 의해 매우 작은 자기장 변화를 감지할 수 있다.Atomic-sized nitrogen vacancies (NV) in the diamond lattice have excellent sensitivity for magnetic field measurements and can easily replace systems and devices of existing technologies (e.g. Hall effect, SERF, SQUID, etc.) Lt; RTI ID = 0.0 > magnetic sensors. ≪ / RTI > Nitrogen vacancy diamond (DNV) magnetometers can detect very small changes in magnetic field due to changes in the red light emission of the diamond associated with the frequency through the gradient of the luminescent function and the magnetic field through the Zeman effect.
도 1은 다이아몬드 격자에서의 NV 중심의 하나의 배향을 도시한다.
도 1은 다이아몬드 격자에서의 NV 중심의 하나의 배향을 도시한다.
도 2는 NV 중심에 대한 스핀 상태들의 에너지 레벨들을 보여주는 에너지 레벨도이다.
도 3은 NV 중심 자기 센서 시스템을 도시한 개략도이다.
도 4는 제로 자기장에 대한 주어진 방향을 따라 NV 중심의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시한 그래프이다.
도 5는 비-제로 자기장에 대한 4가지 상이한 NV 중심 배향들에 대한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 검출 시스템을 도시한 개략도이다.
도 7은 비-제로 자기장에서의 NV 중심 배향에 대한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광과, 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광의 경사도를 도시한 그래프이다.
도 8은 NV 중심에 대한 스핀 상태들의 초미세 구조를 도시환 에너지 레벨도이다.
도 9는 초미세 검출을 이용한 비-제로 자기장에서의 NV 중심 배향에 대한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광과, 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광의 경사도를 도시한 그래프이다.
도 10은 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 갖는 반사기의 개요이다.
도 11은 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 갖는 타원체 반사기 및 광 검출기의 측면도이다.
도 12는 질소 공석을 갖는 타원체 다이아몬드 및 광 검출기의 측면도이다.
도 13은 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 갖는 파라볼라 반사기 및 광 검출기의 측면도이다.
도 14는 질소 공석을 갖는 파라볼라 다이아몬드 및 광 검출기의 측면도이다.
도 15는 파라볼라 반사기의 장축에 평행하게 삽입된 질소 공석을 갖는 평평한 다이아몬드를 갖는 파라볼라 반사기 및 광 검출기의 측면도이다.
도 16은 파라볼라 반사기의 단축에 평행하게 삽입된 질소 공석을 갖는 평평한 다이아몬드를 갖는 파라볼라 반사기 및 광 검출기의 측면도이다.
도 17은 질소 공석을 갖는 파라볼라 다이아몬드를 갖는 센서 조립체 및 광 검출기의 측면도이다.
도 18은 파라볼라 반사기 내에 제공된 광 가이드를 갖는 센서 조립체의 측면도이다.
도 19는 DNV 센서를 구성하기 위한 방법에 대한 처리도이다.
도 20은 DNV 센서를 구성하기 위한 방법에 대한 다른 처리도이다.
도 21은 본 명세서에 기재되고 예시된 시스템들 및 방법들의 다양한 요소들을 구현하도록 이용될 수 있는 컴퓨터 시스템에 대한 일반적인 아키텍처를 도시한 블록도이다.
도 22는 일실시예에 따른 위치 센서 시스템을 예시한 개략도이다.
도 23은 회전 위치 인코더를 포함하는 위치 센서 시스템을 예시한 개략도이다.
도 24는 회전 위치 인코더를 위에서 본 도면을 예시한 개략도이다.
도 25는 선형 위치 인코더를 포함하는 위치 센서 시스템을 예시한 개략도이다.
도 26은 일실시예에 따른 위치 인코더의 자기 요소 장치(arrangement)를 예시한 개략도이다.
도 27은 다른 실시예에 따른 위치 인코더의 자기 요소 장치를 예시한 개략도이다.
도 28은 다른 실시예에 따른 위치 인코더의 자기 요소 장치를 예시한 개략도이다.
도 29는 위치 센서 헤드와 위치 인코더의 자기 요소들의 관계를 예시한 개략도이다.
도 30은 위치 센서 헤드의 제 1 자기장 센서 및 제 2 자기장 센서에 대한 위치 인코더의 자기 요소들에 기인하는 측정된 자기장 세기의 그래프이다.
도 31은 일실시예에 따른 위치 센서 시스템을 이용하는 위치를 결정하는 프로세스를 예시한 흐름도이다.
도 32a 및 도 32b는 예시적인 실시예에 따른 DNV 센서의 주파수 응답을 예시한 그래프이다.
도 33a는 예시적인 실시예에 따른 NV 중심 스핀 상태들의 도면이다.
도 33b는 예시적인 실시예에 따른 변화된 자기장에 응답하는 DNV 센서의 주파수 응답을 예시한 그래프이다.
도 34는 예시적인 실시예에 따른 자기 통신 시스템의 블록도이다.
도 35a 및 도 35b는 예시적인 실시예에 따른 자기장 대 주파수의 세기를 도시한다.
도 36은 예시적인 실시예에 따른 계산 디바이스의 블록도이다.
도 37은 NV 중심 다이아몬드 물질에 반대 방향으로 인가된 자기장에 대한 4가지 상이한 NV 중심 배향들의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 예시한 그래프이다.
도 38은 펄싱된(pulsed) RF 여기를 가지고 NV 중심 다이아몬드 물질에 대한 시간 함수로서 형광 세기를 예시한 그래프이다.
도 39는 NV 중심 다이아몬드 물질에 반대 방향으로 인가된 자기장에 대한 4가지 상이한 NV 중심 배향들의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 예시하는 그래프로서, 로렌츠 쌍은 그래프에서 식별되는, 그래프이다.
도 40은 RF 여기의 펄스에 대한 NV 중심 다이아몬드 물질에 대한 시간 함수로서 형광 세기를 예시하는 그래프이다.
도 41은 NV 중심 다이아몬드 물질의 로렌츠 피크의 상에 대한 시간 함수로서 정규화된 형광 세기를 예시하는 그래프이다.
도 42는 NV 중심 다이아몬드 물질에 인가된 음 및 양의 자기 편향장에 대한 RF 주파수의 함수로서 평형 형광의 60%에 대한 시간을 예시하는 그래프이다.
도 43a 및 도 43b는 예시적인 실시예에 따른 수중 청음기 시스템을 예시하는 도면이다.
도 44는 몇몇 예시적인 구현에 따른 저 고도 비행 물체를 도시한다.
도 45a는 몇몇 예시적인 구현에 따라 전력의 중심 라인으로부터 거리(x)의 함수로서 UAS의 날개에 부착된 2개의 자기 센서들(A 및 B)의 신호 세기의 비율을 도시한다.
도 45b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 복합 자기장(B-필드)을 도시한다.
도 46은 몇몇 예시적인 구현에 따른 UAS 항해 시스템의 예의 고 레벨 블록도를 도시한다.
도 47은 전력 라인 인프라 구조의 예를 도시한다.
도 48a 및 도 48b는 고가(overhead) 전력 라인 및 지하 전력 케이블에 대한 자기장 분배의 예를 도시한다.
도 49는 중심선으로부터의 거리의 함수로서 전력 라인의 자기장 세기의 예를 도시한다.
도 50은 몇몇 예시적인 구현에 따라 DNV 센서가 설치된 UAS의 예를 도시한다.
도 51은 몇몇 예시적인 구현에 따라 전력 라인에 가까이 근접할 때 DNV 센서에 의해 감지된 측정된 차동 자기장의 플롯을 도시한다.
도 52는 몇몇 구현에 따라 정상 전력 라인 및 변칙적인 전력 라인에 대한 측정된 자기장 분배의 예를 도시한다.
도 53은 해밀토니안에 기여하는 NV 중심의 에너지 레벨의 도시이다.
도 54는 제로 외부 자기 편향장에 대한 NV 중심의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 예시하는 그래프이다.
도 55는 인가된 외부 자기 편향장에 대한 고품질 NV 중심 샘플의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 예시하는 그래프이다.
도 56은 인가된 외부 자기 편향장에 대한 저품질 NV 중심 샘플의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 예시하는 그래프이다.
도 57은 NV 중심 자기 센서 시스템 상의 총 입사 자기장의 개방 루프 처리의 신호 처리 블록도이다.
도 58은 NV 중심 자기 센서 시스템 상의 총 입사 자기장의 폐루프 처리의 신호 흐름 블록도이다.
도 59는 도 58의 폐루프 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 60은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 검출 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 61은 도 60의 시스템의 동작에 따라 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스의 램지(Ramsey) 시퀀스를 예시하는 개략도이다.
도 62a는 도 61의 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ)이 변경되는 자유 유도 붕괴 곡선이다.
도 62b는 도 61의 램지 시퀀스를 이용하여 RF 이조(detuning) 주파수(Δ)가 변경되는 자기 측정 곡선이다.
도 63a는 도 61의 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ) 및 RF 이조 주파수(Δ) 모두가 변경되는 자유 유도 붕괴 표면 플롯이다.
도 63b는 도 63b의 자유 유도 붕괴 표면 플롯의 경사를 도시한 플롯이다.
도 64는 도 60의 시스템의 동작에 따라 광 여기 펄스 및 RF 펄스의 라비(Rabi) 시퀀스를 예시하는 개략도이다.
도 65는 도 60의 시스템에 인가된 RF 여기의 전력에 따라 공진 라비 주파수를 도시한 그래프의 비교이다.
도 66은 도 60의 시스템의 동작 동안 수집된 로우(raw) 펄스 데이터를 도시한 그래프이다.
도 67은 몇몇 예시적인 구현에 따라 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분을 예시하는 개략도이다.
도 68은 몇몇 예시적인 구현에 따라 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 69a 및 도 69b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 예시하는 개략도이다.
도 70은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 예시하는 단면도이다.
도 71은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소를 예시하는 개략도이다.
도 72는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 상부 또는 하부 요소를 예시하는 개략도이다.
도 73은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 중심 장착 블록을 예시하는 개략도이다.
도 74는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분을 예시하는 단면도이다.
도 75는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 예시하는 개략도이다.
도 76은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 77은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소를 예시하는 개략도이다.
도 78은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분을 예시하는 개략도이다.
도 79는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 80은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 81은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 예시하는 개략도이다.
도 82는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 단면을 예시하는 개략도이다.
도 83은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소를 예시하는 개략도이다.
도 84a 및 도 84b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 상부 및 하부 요소를 예시하는 개략도이다.
도 85는 경험적 잡음 데이터와 비교된 지자기 잡음 모델을 도시한다.
도 86은 단일 자기 센서에 의해 측정된 Z-방향으로의 자기장에서의 왜곡으로 인한 해당 신호를 예시하는 그래프이다.
도 87a 내지 도 87c는 각각 1100, 1115 및 1120초의 시간 동안 2차원 자기 센서 어레이에 의해 측정된 Z-방향으로의 자기장에서의 왜곡으로 인한 해당 신호를 예시하는 그래프이다.
도 88은 본 발명의 실시예에 따른 자기 센서 어레이 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 89a 및 도 89b 각각은 공통 좌표계 및 어레이의 자기 센서들 중 하나에 대응하는 좌표계를 도시한다.
도 90은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서에 부착된 배향 센서를 도시한 개략도이다.
도 91a 내지 도 91c는 단일 무인 잠수정(UUV)의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 500초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 91d 내지 도 91f는 단일 UUV의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 1000초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 91g 내지 도 91i는 단일 UUV의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 1500초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 92a 내지 도 92c는 2개의 UUV의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 500초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 92d 내지 도 92f는 2개의 UUV의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 1000초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 92g 내지 도 92i는 2개의 UUV의 경우에서 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 1500초의 시간에 각각 X-방향, Y-방향 및 Z-방향을 따르는 자기장 측정 성분을 예시하는 그래프이다.
도 93a는 단일 자기장 센서 측정에 대해 시간 함수로서 무 잡음 및 측정된 자기장의 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 93b는 잡음이 중간 감산 알고리즘에 의해 제거된 경우, 시간의 함수로서 단일 자기장 센서 측정에 대해 시간의 함수로서 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 93c는 도 93b의 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분에서의 차이를 예시하는 그래프이다.
도 94a 내지 도 94c는 각각 500, 1000 및 1500초의 시간에서 어레이에 대한 X-방향에서 해당 신호를 포함하는 센서의 어레이에 대한 자기장을 예시하는 그래프이다.
도 95a 내지 도 95c는 단일 UUV에 대해 500, 1000 및 1500초의 각 시간에 설정된 차단 및 볼록 헐링(hulling)의 결과로서 X-방향으로의 해당 영역 및 해당 팽창된 영역을 예시하는 그래프이다.
도 96a 내지 도 96c는 각각 500, 1000 및 1500초의 시간에 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 제거된 해당 데이터의 영역을 갖는 자기장 측정 데이터의 X-방향 성분의 평면 대 피트(fit)를 예시하는 그래프이다.
도 97a는 단일 자가징 센서 측정에 대한 시간의 함수로서 무 잡음 및 측정된 자기장의 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 97b는 잡음이 평면에 대한 잡음 피트를 이용하여 제거된 경우, 시간의 함수로서 단일 자기장 센서 측정에 대한 시간의 함수로서 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 97c는 도 97b의 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분에서의 차이를 예시하는 그래프이다.
도 98a 내지 도 98c는 각각 500, 1000 및 1500초의 시간에 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 제거된 해당 데이터의 영역을 갖는 자기장 측정 데이터의 X-방향 성분의 피트 대 2차 스플라인을 예시하는 그래프이다.
도 99a는 단일 자기장 센서 측정에 대해 시간의 함수로서 무 잡음 및 측정된 자기장의 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 99b는 잡음이 잡음 피트 대 2차 스플라인을 이용하여 제거된 경우, 시간의 함수로서 단일 자기장 센서 측정에 대한 시간의 함수로서 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 99c는 도 99b의 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분에서의 차이를 예시하는 그래프이다.
도 100a 내지 도 100c는 2개의 UUV의 500, 1000 및 1500초의 각 시간에 설정된 차단 및 볼록 헐링의 결과로서 X-방향으로의 해당 영역 및 해당 팽창된 영역을 예시하는 그래프이다.
도 101a 내지 도 101c는 2개의 UUV에 대해 각각 500, 1000 및 1500초의 시간에 자기장 센서의 2차원 어레이에 대해 제거된 해당 데이터의 영역을 갖는 자기장 측정 데이터의 X-방향 성분의 피트 대 2차 스플라인을 예시하는 그래프이다.
도 102a는 2개의 UUV에 대해 단일 자기장 센서 측정에 대해 시간의 함수로서 무 잡음 및 측정된 자기장의 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 102b는 잡음이 잡음 피트 대 2차 스플라인을 이용하여 제거된 경우, 시간의 함수로서 단일 자기장 센서 측정에 대한 시간의 함수로서 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분을 예시하는 그래프이다.
도 102c는 도 102b의 자기장의 무 잡음 및 재구성된 X-방향 성분에서의 차이를 예시하는 그래프이다.
도 103a는 본 발명에 따른 센서 조립체의 상부 사시도이다.
도 103b는 도 103a의 센서 조립체의 하부 사시도이다.
도 104a는 도 103a의 센서 조립체의 다이아몬드 조립체의 상부 사시도이다.
도 104b는 도 104a의 다이아몬드 조립체의 하부 사시도이다.
도 104c는 도 104a의 센서 조립체의 조립체 기판의 측면도이다.
도 105는 도 104a의 다이아몬드 조립체를 위에서 본 평면도이다.
도 106a 및 도 106b는 실시예에 따라 RF 여기 소스를 형성하는 단계를 예시하는 금속 층을 갖는 다이아몬드 물질의 측면도이다.
도 107a는 다른 실시예에 따른 다이아몬드 조립체를 위에서 본 평면도이다.
도 107b는 도 107a인 경우 다이아몬드 조립체의 측면도이다.
도 108은 형광 조작 없이 파장에 대한 NV0 및 NV- 광자 세기를 도시한 그래프이다.
도 109는 에너지 대 모멘트(E 대 k) 플롯 상의 가전자대 및 전도대를 도시하고, 제로 광자 라인, 대역 갭 위에서 전자를 여기하기 위한 광 드라이브, 및 광자를 생성하기 위해 전도대의 다양한 지점으로부터의 전자의 재조합을 보여주는 질소 공석을 갖는 다이아몬드에 대한 간접 대역 갭에 대한 그래프이다.
도 110은 형광 조작을 갖는 파장에 대한 NV0 및 NV-광자 세기를 도시한 그래프이다.
도 111은 음향 구동기를 이용하여 광자 스펙트럼 조작을 통해 질소 공석을 갖는 다이아몬드의 형광 조작에 대한 처리도이다.
도 112는 광자 스펙트럼 조작에 대한 음향 구동 주파수를 결정하기 위한 처리도이다.
도 113a는 예시적인 실시예에 따라 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다.
도 113b 및 도 113c는 예시적인 실시예에 따라 광 파이프 및 차폐부의 등각투상도이다.
도 114는 예시적인 실시예에 따라 2개의 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다.
도 115는 예시적인 실시예에 따라 2개의 광 판이프를 갖는 자력계의 블록도이다.
도 116은 예시적인 실시예에 따라 자기장을 측정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 117은 예시적인 실시예에 따른 자력계의 블록도이다.
도 118은 예시적인 실시예에 따른 자력계의 분해도이다.
도 119는 예시적인 실시예에 따라 자기장을 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 120은 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치(arrangement)를 갖는 DNV 센서의 부분을 예시한 개략도이다.
도 121은 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 동봉된 DNV 센서의 도면이다.
도 122a 및 도 122b는 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립체 부분의 개략도이다.
도 123은 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면도이다.
도 124는 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서를 예시하는 개략도이다.
도 125는 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 단면도이다.
도 126은 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치 및 레이저 장착부를 갖는 DNV 센서를 예시하는 개략도이다.
도 127은 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치 및 레이저 장착부를 갖는 DNV 센서의 단면도이다.
도 128a 및 도 128b는 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립체 부분의 개략도이다.
도 129a 및 도 129b는 몇몇 예시적인 구현에 따라 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립체 부분의 개략도이다.
도 130은 다이아몬드 질소 공석 센서에 대한 단일-사이클 합성, 제어, 및 획득 시스템의 개요의 블록도이다.
도 131은 도 130의 다이아몬드 질소 공석 센서에 대한 단일-사이클 제어, 합성, 및 획득 프로세서의 블록 회로도이다.
도 132a는 도 131의 호스트 인터페이스의 블록 회로도이다.
도 132b는 도 131의 프로그램 카운터의 블록 회로도이다.
도 132c는 도 131의 프로그램 메모리의 블록 회로도이다.
도 132d는 도 131의 붕괴를 갖는 점프 제어의 제 1 부분의 블록 회로도이다.
도 132e는 도 131의 점프 제어의 제 2 부분의 블록 회로도이다.
도 132f는 도 131의 Rf 파형 생성기의 블록 회로도이다.
도 132g는 도 131의 디지털 제어의 블록 회로도이다.
도 132h는 도 131의 획득 프로세서의 블록 회로도이다.
도 133a는 표준 배향을 갖는 다이아몬드 격자의 결정 구조의 단위 셀 도면이다.
도 133b는 미지 배향을 갖는 다이아몬드 격자의 결정 구조의 단위 셀 도면이다.
도 134는 도 133b의 다이아몬드 격자의 미지 배향을 결정하기 위한 방법에서의 단계를 예시하는 개략도이다.
도 135는 도 133b의 다이아몬드 격자의 미지 배향을 결정하기 위한 방법에 대한 사인 복원 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 136은 도 133b의 다이아몬드 격자의 미지 배향을 결정하기 위한 방법에서의 단계를 예시하는 개략도이다.
도 137은 NV 중심 자기 센서 시스템 상의 3차원 자기장을 복원하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 138은 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터를 갖는 DNV 센서의 다이아몬드의 개요도이다.
도 139는 필터링 없는 테스트 신호를 포함하는 DNV 센서로 검출된 신호의 예의 그래프이다.
도 140은 저역 통과 필터를 갖는 DNV 센서의 다이아몬드의 개요도로서, 고주파수 신호를 필터링하기 위해 저역 통과 필터에 의해 환경의 자기장, 환경의 자기장에서의 변화, 및 유도된 자기장을 도시한다.
도 141은 공간 감쇄를 위해 배열된 2개의 저역 통과 필터를 갖는 DNV 센서의 다이아몬드의 다른 개요도이다.
도 142는 반자성 물질에 대한 DNV 센서의 다이아몬드의 개요도로서, 유도된 자기장에 대한 반자성 물질의 극의 정렬을 도시한다.
도 143은 인가된 자기장에 대한 반자성 물질에서의 자성의 그래프이다.
도 144는 검출된 자기장에 기초하여 DNV 센서에 대한 저역 통과 필터의 필터링 주파수를 변형하기 위한 프로세스 도면이다.
도 145는 검출된 자기장에 기초하여 저역 통과 필터를 갖는 DNV 센서의 배향을 변형하기 위한 프로세스 도면이다.
도 146은 몇몇 예시적인 구현에 따른 저고도 비행 물체를 도시한다.
도 147은 몇몇 예시적인 구현에 따른 자기장 검출기를 도시한다.
도 148a 및 도 148b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 검출기 어레이의 부분을 도시한다.
도 149는 몇몇 예시적인 구현에 따른 수중 청음기를 예시하는 개략도이다.
도 150은 몇몇 예시적인 구현에 따라 수중 청음기를 갖는 차량의 부분을 도시한 개략도이다.
도 151은 몇몇 예시적인 구현에 따라 함유 막을 갖는 수중 첨음기를 갖는 차량의 부분을 예시한 개략도이다.
도 152는 몇몇 예시적인 구현에 따라 수중 청음기를 갖는 차량의 부분을 예시한 개략도이다.
도 153은 몇몇 예시적인 구현에 따라 함유 막을 갖는 수중 청음기를 갖는 차량의 부분을 예시한 개략도이다.
도 154는 본 발명의 실시예에 따라 AC 자기 벡터 비정상 검출을 위한 시스템을 예시한 개략도이다.
도 155는 도 156의 시스템의 동작에 따라 광 여기 펄스 및 RF 펄스의 시퀀스를 예시한 개략도이다.
도 156은 본 발명의 실시예에 따라 RF 주파수의 범위에 걸쳐 RF 여기 주파수의 함수로서 NV 다이아몬드 물질의 형광 신호를 예시한 그래프이다.
도 157a는 본 발명의 실시예에 따라 제 1 자기장 생성기에 의해 제공된 자기장에 대응하는 3가지 상이한 다이아몬드 격자 방향을 따르는 자기장 성분에 대한 매칭된-필터링된 제 1 상관된 코드를 도시한다.
도 157b는 본 발명의 실시예에 따라 제 2 자기장 생성기에 의해 제공된 자기장에 대응하는 3가지 상이한 다이아몬드 격자 방향을 따르는 자기장 성분에 대한 매칭된-필터링된 제 1 상관된 코드를 도시한다.
도 158은 본 발명의 실시예에 따라 자기장 생성기 및 NV 다이아몬드 물질에 대해 강자성 물체가 배치되고 물체가 배치되지 않는 경우에 2가지 상이한 상관된 코드에 대한 재구성된 자기장 벡터를 도시한다.
도 159a 및 도 159b는 예시적인 실시예에 따라 물질에서 기형(deformity)을 검출하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 160은 예시적인 실시예에 따라 기형을 갖는 전도체를 통하는 전류 경로를 도시한다.
도 161은 예시적인 실시예에 따라 기형을 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 162는 예시적인 실시예에 따라 차량 시스템의 블록도이다.
도 163은 예시적인 실시예에 따라 전원을 충전하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 164는 예시적인 실시예에 따라 전도체로부터의 자기장의 세기 대 거리의 그래프이다.
도 165a 및 도 165b는 예시적인 실시예에 따라 전송 라인에서의 기형을 검출하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 166은 예시적인 실시예에 따라 기형을 갖는 전송 라인을 통하는 전류 경로를 도시한다.
도 167은 예시적인 실시예에 따라 전송 타워 사이의 전력 전송 라인 새그(sag)를 도시한다.
도 168은 예시적인 실시예에 따라 전력 전송 라인 새그를 나타내는 벡터 측정을 도시한다.
도 169는 예시적인 실시예에 따라 인접한 타워 사이의 경로를 따르는 벡터 측정을 도시한다.Figure 1 shows one orientation of the NV center in a diamond lattice.
Figure 1 shows one orientation of the NV center in a diamond lattice.
Figure 2 is an energy level diagram showing the energy levels of the spin states for the NV center.
3 is a schematic diagram showing an NV centered magnetic sensor system.
4 is a graph showing fluorescence as a function of the applied RF frequency at the NV center along a given direction for the zero magnetic field.
5 is a graph showing fluorescence as a function of the applied RF frequency for four different NV center orientations for a non-zero magnetic field.
6 is a schematic diagram showing a magnetic field detection system according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the fluorescence as a function of the applied RF frequency for the NV center orientation in a non-zero magnetic field and the slope of the fluorescence as a function of the applied RF frequency.
FIG. 8 is a diagram of the ringing energy level of the ultrafine structure of the spin states with respect to the NV center.
9 is a graph showing fluorescence as a function of the applied RF frequency for NV center orientation in a non-zero magnetic field using ultrafine detection and the slope of the fluorescence as a function of the applied RF frequency.
10 is a schematic of a reflector having a diamond with nitrogen vacancies.
11 is a side view of an ellipsoidal reflector and photodetector with diamond having nitrogen vacancies.
12 is a side view of an elliptical diamond having a nitrogen vacancy and a photodetector.
13 is a side view of a parabola reflector and photodetector with diamond having nitrogen vacancies.
14 is a side view of a parabola diamond having a nitrogen vacancy and a photodetector.
Figure 15 is a side view of a parabola reflector and photodetector with flat diamond having nitrogen vacancies inserted parallel to the long axis of the parabola reflector.
Figure 16 is a side view of a parabola reflector and photodetector with flat diamond with nitrogen vacancies inserted parallel to the short axis of the parabola reflector.
17 is a side view of a sensor assembly and a photodetector with parabola diamond having nitrogen vacancies.
18 is a side view of a sensor assembly having a light guide provided in a parabolic reflector.
19 is a process chart for a method for constructing a DNV sensor.
20 is another process diagram for a method for constructing a DNV sensor.
21 is a block diagram illustrating a general architecture for a computer system that may be utilized to implement various elements of the systems and methods described and illustrated herein.
22 is a schematic diagram illustrating a position sensor system in accordance with one embodiment.
23 is a schematic diagram illustrating a position sensor system including a rotational position encoder.
24 is a schematic diagram illustrating the rotation position encoder viewed from above.
25 is a schematic diagram illustrating a position sensor system including a linear position encoder.
26 is a schematic diagram illustrating a magnetic element arrangement of a position encoder in accordance with one embodiment.
27 is a schematic view illustrating a magnetic element device of a position encoder according to another embodiment.
28 is a schematic view illustrating a magnetic element device of a position encoder according to another embodiment.
29 is a schematic diagram illustrating the relationship of the magnetic elements of the position sensor head and the position encoder.
30 is a graph of the measured magnetic field strength due to the magnetic elements of the position encoder relative to the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor of the position sensor head.
31 is a flow diagram illustrating a process for determining a position using a position sensor system in accordance with one embodiment.
32A and 32B are graphs illustrating the frequency response of a DNV sensor according to an exemplary embodiment.
33A is a diagram of NV centered spin states in accordance with an exemplary embodiment.
Figure 33B is a graph illustrating the frequency response of a DNV sensor in response to a changed magnetic field in accordance with an exemplary embodiment.
34 is a block diagram of a magnetic communication system in accordance with an exemplary embodiment.
35A and 35B show the intensity of a magnetic field versus frequency according to an exemplary embodiment.
36 is a block diagram of a computing device in accordance with an exemplary embodiment.
37 is a graph illustrating fluorescence as a function of the applied RF frequency of four different NV center orientations for a magnetic field applied in the opposite direction to the NV centered diamond material.
Figure 38 is a graph illustrating fluorescence intensity as a function of time for NV centered diamond material with pulsed RF excitation.
39 is a graph illustrating fluorescence as a function of the applied RF frequency of four different NV center orientations for a magnetic field applied in the opposite direction to the NV centered diamond material, wherein the Lorentz pair is a graph identified in the graph.
40 is a graph illustrating fluorescence intensity as a function of time for an NV centered diamond material versus a pulse of RF excitation.
41 is a graph illustrating the fluorescence intensity normalized as a function of time for the Lorentz peak phase of the NV centered diamond material.
Figure 42 is a graph illustrating the time for 60% of the equilibrium fluorescence as a function of RF frequency for negative and positive magnetic deflection fields applied to the NV centered diamond material.
43A and 43B are diagrams illustrating a hydrophone system in accordance with an exemplary embodiment.
Figure 44 illustrates a low altitude flying object in accordance with some exemplary implementations.
45A shows the ratio of the signal strengths of two magnetic sensors A and B attached to the wings of the UAS as a function of distance x from the center line of power in accordance with some exemplary implementations.
Figure 45B illustrates a composite magnetic field (B-field) in accordance with some exemplary implementations.
46 shows a high-level block diagram of an example of a UAS navigation system in accordance with some exemplary implementations.
Figure 47 shows an example of a power line infrastructure.
48A and 48B show examples of magnetic field distribution for overhead power lines and underground power cables.
Figure 49 shows an example of the magnetic field strength of a power line as a function of distance from the centerline.
50 illustrates an example of a UAS in which a DNV sensor is installed in accordance with some exemplary implementations.
Figure 51 shows a plot of the measured differential magnetic field sensed by the DNV sensor as it approaches the power line in accordance with some exemplary implementations.
Figure 52 shows an example of measured magnetic field distribution for normal power lines and anomalous power lines in accordance with some implementations.
53 is a diagram showing the energy level of the NV center contributing to Hamiltonian.
54 is a graph illustrating fluorescence as a function of the applied RF frequency at the NV center for a zero external magnetic deflection field.
55 is a graph illustrating fluorescence as a function of the applied RF frequency of a high quality NV center sample for an applied externally biased field.
56 is a graph illustrating fluorescence as a function of the applied RF frequency of a low quality NV center sample for an applied external magnetic field.
57 is a signal processing block diagram of the open loop processing of the total incident magnetic field on the NV center magnetic sensor system.
58 is a signal flow block diagram of closed loop processing of total incident magnetic field on an NV centered magnetic sensor system.
FIG. 59 is a flowchart showing the closed loop processing method of FIG. 58; FIG.
60 is a schematic diagram illustrating a magnetic field detection system according to an embodiment of the present invention.
61 is a schematic diagram illustrating a Ramsey sequence of a photoexcitation pulse and an RF excitation pulse in accordance with the operation of the system of FIG.
62A is a free induction decay curve in which the free wash time? Is changed using the Ramsey sequence of FIG.
62B is a magnetic measurement curve in which the RF detuning frequency DELTA is changed using the Ramsey sequence of FIG.
63A is a free induction decay surface plot in which both the free car wash time? And the RF resonance frequency? Are changed using the Ramsey sequence of FIG.
63B is a plot showing the slope of the free induction decay surface plot of FIG. 63B.
64 is a schematic diagram illustrating a Rabi sequence of a photoexcitation pulse and an RF pulse in accordance with the operation of the system of FIG. 60;
65 is a comparison of a graph showing the resonant rabbit frequency according to the power of the RF excitation applied to the system of FIG.
66 is a graph showing raw pulse data collected during operation of the system of FIG. 60;
67 is a schematic diagram illustrating a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
68 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
Figures 69A and 69B are schematic diagrams illustrating a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
70 is a cross-sectional view illustrating a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
71 is a schematic diagram illustrating side elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
72 is a schematic diagram illustrating an upper or lower element of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
73 is a schematic diagram illustrating a center mounting block of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
74 is a cross-sectional view illustrating a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
75 is a schematic diagram illustrating a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
76 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
77 is a schematic diagram illustrating side elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
78 is a schematic diagram illustrating a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
79 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
80 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
81 is a schematic diagram illustrating a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
82 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
83 is a schematic diagram illustrating side elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
84A and 84B are schematic diagrams illustrating the top and bottom elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations.
85 shows a geomagnetic noise model compared with empirical noise data.
86 is a graph illustrating the corresponding signal due to distortion in the magnetic field in the Z-direction as measured by a single magnetic sensor.
87A to 87C are graphs illustrating the corresponding signal due to distortion in the magnetic field in the Z-direction measured by the two-dimensional magnetic sensor array for a time of 1100, 1115, and 1120 seconds, respectively.
88 is a schematic diagram illustrating a magnetic sensor array system according to an embodiment of the present invention.
89A and 89B each show a coordinate system corresponding to the common coordinate system and one of the magnetic sensors of the array.
90 is a schematic view showing an orientation sensor attached to a magnetic field sensor according to an embodiment of the present invention.
91A-91C are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction and Z-direction, respectively, at a time of 500 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of a single unmanned submersible (UUV).
91D-91F are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction, and Z-direction, respectively, at a time of 1000 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of a single UUV.
91G-91I are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction, and Z-direction, respectively, at a time of 1500 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of a single UUV.
92A to 92C are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction and Z-direction, respectively, at a time of 500 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of two UUVs.
92D to 92F are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction and Z-direction, respectively, at a time of 1000 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of two UUVs.
92G-92I are graphs illustrating magnetic field measurement components along the X-direction, Y-direction and Z-direction, respectively, at a time of 1500 seconds for a two-dimensional array of magnetic field sensors in the case of two UUVs.
93A is a graph illustrating noise-free and X-directional components of a measured magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement;
93B is a graph illustrating noise null and reconstructed X-direction components of the magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement as a function of time when noise is removed by an intermediate subtraction algorithm;
93C is a graph illustrating the difference in the noiseless and reconstructed X-direction component of the magnetic field of FIG. 93B. FIG.
94A-94C are graphs illustrating the magnetic fields for an array of sensors that include the signal in X-direction for the array at times of 500, 1000, and 1500 seconds, respectively.
95A-95C are graphs illustrating corresponding regions and corresponding expanded regions in the X-direction as a result of blocking and convex hulling at each time of 500, 1000 and 1500 seconds for a single UUV.
Figures 96a-96c are graphs illustrating the plane-to-fit of the X-directional component of the magnetic field measurement data having regions of corresponding data removed for a two-dimensional array of magnetic field sensors at times of 500, 1000, to be.
97A is a graph illustrating the noise-free and X-directional component of a measured magnetic field as a function of time for a single self-gage sensor measurement.
97B is a graph illustrating noise null and reconstructed X-direction components of the magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement as a function of time when the noise is removed using noise pits for the plane.
97C is a graph illustrating the difference in the noiseless and reconstructed X-direction component of the magnetic field of FIG. 97B.
98a-98c are graphs illustrating the fit versus secondary splines of the X-directional components of the magnetic field measurement data having regions of corresponding data removed for a two-dimensional array of magnetic field sensors at times of 500, 1000, and 1500 seconds, respectively .
99A is a graph illustrating noise-free and X-directional components of a measured magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement.
FIG. 99B is a graph illustrating noise-free and reconstructed X-directional components of a magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement as a function of time when noise is removed using noise versus quadratic splines.
FIG. 99C is a graph illustrating differences in the noiseless and reconstructed X-directional components of the magnetic field of FIG.
Figures 100a-100c are graphs illustrating corresponding regions in the X-direction and corresponding expanded regions as a result of blocking and convex hulling at 500, 1000, and 1500 seconds of time for two UUVs, respectively.
Figs. 101A to 101C show the X-direction component of the magnetic field measurement data having an area of corresponding data removed for a two-dimensional array of magnetic field sensors at times of 500, 1000 and 1500 seconds for two UUVs, Fig.
102A is a graph illustrating noise-free and X-directional components of a measured magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement for two UUVs.
102B is a graph illustrating noise null and reconstructed X-direction components of the magnetic field as a function of time for a single magnetic field sensor measurement as a function of time when noise is removed using noise versus quadratic splines.
FIG. 102C is a graph illustrating the difference between the noiseless of the magnetic field of FIG. 102B and the reconstructed X-direction component.
103A is a top perspective view of a sensor assembly in accordance with the present invention.
103B is a bottom perspective view of the sensor assembly of FIG.
Figure 104A is a top perspective view of the diamond assembly of the sensor assembly of Figure 103A.
FIG. 104B is a bottom perspective view of the diamond assembly of FIG. 104A. FIG.
104C is a side view of the assembly substrate of the sensor assembly of FIG.
105 is a plan view of the diamond assembly of FIG.
106A and 106B are side views of a diamond material having a metal layer illustrating the step of forming an RF excitation source in accordance with an embodiment.
107A is a plan view of a diamond assembly according to another embodiment viewed from above.
Figure 107b is a side view of the diamond assembly in Figure 107a.
108 is a graph showing NV0 and NV-photon intensity versus wavelength without fluorescence manipulation.
109 shows a valence band and a conduction band on an energy-to-moment (E vs. k) plot and includes a zero-photon line, an optical drive for exciting electrons on the bandgap, and an electron- Lt; / RTI > is a graph of an indirect bandgap for diamonds having nitrogen vacancies showing recombination.
110 is a graph showing NV0 and NV-photon intensity versus wavelength with fluorescence manipulation.
111 is a processing chart for fluorescence manipulation of a diamond having nitrogen vacancies through photon spectral manipulation using an acoustic driver.
112 is a process chart for determining the acoustic drive frequency for photon spectral operation.
113A is a block diagram of a magnetometer having a light pipe in accordance with an exemplary embodiment.
113B and 113C are isometric views of a light pipe and a shield according to an exemplary embodiment.
114 is a block diagram of a magnetometer having two light pipes in accordance with an exemplary embodiment.
115 is a block diagram of a magnetometer with two optical plates according to an exemplary embodiment.
116 is a flow diagram of a method for measuring a magnetic field in accordance with an exemplary embodiment.
117 is a block diagram of a magnetometer in accordance with an exemplary embodiment.
118 is an exploded view of a magnetometer in accordance with an exemplary embodiment.
119 is a flow diagram of a method for detecting a magnetic field in accordance with an exemplary embodiment.
120 is a schematic diagram illustrating a portion of a DNV sensor having dual RF arrangements in accordance with some exemplary implementations.
121 is a diagram of an enclosed DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
122A and 122B are schematic diagrams of an assembly portion of a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
123 is a cross-sectional view of a portion of a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
124 is a schematic diagram illustrating a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
125 is a cross-sectional view of a DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
126 is a schematic diagram illustrating a DNV sensor having dual RF devices and laser mounts in accordance with some exemplary implementations.
127 is a cross-sectional view of a DNV sensor having dual RF devices and laser mounts in accordance with some exemplary implementations.
128A and 128B are schematic views of an assembly portion of a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
129A and 129B are schematic views of an assembly portion of a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations.
130 is a block diagram of an overview of a single-cycle synthesis, control, and acquisition system for a diamond nitrogen vacancy sensor.
131 is a block circuit diagram of the single-cycle control, synthesis, and acquisition processor for the diamond nitrogen vacancy sensor of FIG. 130;
132A is a block circuit diagram of the host interface of FIG.
132B is a block circuit diagram of the program counter of FIG.
Fig. 132C is a block circuit diagram of the program memory of Fig.
132D is a block circuit diagram of the first part of the jump control with the collapse of FIG.
FIG. 132E is a block circuit diagram of the second part of the jump control of FIG.
FIG. 132f is a block circuit diagram of the Rf waveform generator of FIG.
132G is a block circuit diagram of the digital control of FIG.
132H is a block circuit diagram of the acquisition processor of FIG.
133A is a unit cell diagram of a crystal structure of a diamond lattice having a standard orientation.
133B is a unit cell diagram of a crystal structure of a diamond lattice having an unknown orientation.
Figure 134 is a schematic diagram illustrating the steps in a method for determining the unknown orientation of the diamond grating of Figure 133b.
Figure 135 is a flow chart illustrating a sine reconstruction method for a method for determining the unknown orientation of the diamond grating of Figure 133B.
Figure 136 is a schematic diagram illustrating steps in a method for determining the unknown orientation of the diamond grating of Figure 133b.
137 is a flowchart illustrating a method for restoring a three-dimensional magnetic field on an NV center magnetic sensor system.
138 is a schematic diagram of a diamond of a DNV sensor having a low-pass filter and a high-pass filter.
Figure 139 is a graph of an example of a signal detected with a DNV sensor that includes a test signal without filtering.
140 is a schematic diagram of a diamond of a DNV sensor having a low-pass filter, showing the magnetic field of the environment, the change in the magnetic field of the environment, and the induced magnetic field by a low-pass filter to filter the high-frequency signal.
141 is another schematic diagram of a diamond of a DNV sensor with two low-pass filters arranged for spatial attenuation.
Figure 142 is a schematic of a diamond of a DNV sensor for a semi-magnetic material, illustrating the alignment of the poles of the diamagnetic material with respect to the induced magnetic field.
143 is a graph of magnetism in a semi-magnetic material for an applied magnetic field.
144 is a process diagram for modifying the filtering frequency of the low-pass filter for the DNV sensor based on the detected magnetic field.
145 is a process drawing for modifying the orientation of a DNV sensor having a low-pass filter based on the detected magnetic field.
146 illustrates a low altitude flying object in accordance with some exemplary implementations.
147 shows a magnetic field detector according to some exemplary implementations.
148A and 148B illustrate portions of a detector array in accordance with some exemplary implementations.
149 is a schematic diagram illustrating a hydrophone in accordance with some exemplary implementations.
150 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having a hydrophone in accordance with some exemplary implementations.
151 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having an underwater recorder having a containment membrane in accordance with some exemplary implementations.
152 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having a hydrophone in accordance with some exemplary implementations.
153 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having a hydrophone with a containment membrane in accordance with some exemplary implementations.
154 is a schematic diagram illustrating a system for AC magnetic vector abnormal detection in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 155 is a schematic diagram illustrating a sequence of a photoexcitation pulse and an RF pulse according to the operation of the system of FIG. 156; FIG.
Figure 156 is a graph illustrating the fluorescence signal of an NV diamond material as a function of RF excitation frequency over a range of RF frequencies in accordance with an embodiment of the present invention.
157A illustrates a first matched-filtered correlated code for a magnetic field component along three different diamond grating directions corresponding to the magnetic field provided by the first magnetic field generator in accordance with an embodiment of the present invention.
157B shows a first matched-filtered correlated code for a magnetic field component along three different diamond grating directions corresponding to the magnetic field provided by the second magnetic field generator in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 158 shows a reconstructed magnetic field vector for two different correlated codes when a ferromagnetic object is placed against a magnetic field generator and NV diamond material in accordance with an embodiment of the present invention and no object is placed.
Figures 159a and 159b are block diagrams of a system for detecting deformity in a material in accordance with an exemplary embodiment.
160 shows a current path through a deformed conductor according to an exemplary embodiment.
161 is a flow diagram of a method for detecting malformation in accordance with an exemplary embodiment.
162 is a block diagram of a vehicle system in accordance with an exemplary embodiment.
Figure 163 is a flow diagram of a method for charging a power source in accordance with an exemplary embodiment.
Figure 164 is a graph of the intensity versus distance of a magnetic field from a conductor according to an exemplary embodiment.
165A and 165B are block diagrams of a system for detecting malformations in a transmission line in accordance with an exemplary embodiment.
166 illustrates a current path through a transmission line having a malformation in accordance with an exemplary embodiment.
Figure 167 illustrates a power transmission line sag between transmission towers in accordance with an exemplary embodiment.
168 shows a vector measurement representing a power transmission line bird according to an exemplary embodiment;
Figure 169 illustrates a vector measurement along a path between adjacent towers in accordance with an exemplary embodiment.
자기장의 과민성 검출Sensitivity detection of magnetic field
본 개시의 양상들은 자기 검출 시스템 상에서 작용하는 외부 자기장을 결정하기 위해 초미세 전이 반응을 설명하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 초미세 전이 반응은 종래 시스템에서 측정된 총 로렌츠 반응의 경사도보다 가파른 경사도를 나타내고, 이것은 최대 수 천배 더 클 수 있다. 따라서 초미세 전이 응답에 의해 나타난 더 가파른 경사도는 자기 검출 시스템에서 측정 감도에서의 상당한 증가를 허용한다. 측정 목적을 위해 초미세 응답의 가장 큰 경사도를 이용함으로써, 외부 자기장, 특히 낮은 고도 및/또는 빠르게 변화하는 자기장이 더 정밀하게 검출될 수 있다.Aspects of the present disclosure are directed to an apparatus and method for describing an ultrafine transition reaction to determine an external magnetic field acting on a magnetic detection system. The ultrafine transition reaction exhibits a steeper slope than the slope of the total Lorentz reaction measured in conventional systems, which can be up to several thousand times larger. Thus, the steep slope exhibited by the ultrafine transient response allows a significant increase in the measurement sensitivity in the magnetic detection system. By using the greatest slope of the ultrafine response for measurement purposes, an external magnetic field, especially a low altitude and / or a rapidly changing magnetic field, can be detected more precisely.
NV 중심, 전자 구조, 및 광 및 RF 상호 작용NV center, electronic structure, and optical and RF interaction
다이아몬드에서의 NV 중심은 도 1에 도시된 바와 같이 탄소 공석에 인접한 격자 사이트에서 치환 질소 원자를 포함한다. NV 중심은 4개의 배향을 가질 수 있고, 각 배향은 다이아몬드 격자의 상이한 결정학적 배향에 대응한다.The NV center in the diamond contains substituted nitrogen atoms at the lattice sites adjacent to the carbon vacancies as shown in Fig. The NV center can have four orientations, with each orientation corresponding to a different crystallographic orientation of the diamond grating.
NV 중심은 중성 전하 상태 또는 음의 전하 상태에 존재할 수 있다. 종래에, 중성 전하 상태는 명명법(NV0)을 이용하는 반면, 음의 전하 상태는 명명법(NV)을 이용하고, 이것은 본 설명에서 채택된다.The NV center may be in a neutral charge state or a negative charge state. Conventionally, the neutral charge state uses the nomenclature (NV 0 ) while the negative charge state uses the nomenclature (NV), which is adopted in this description.
NV 중심은 다수의 전자를 갖는데, 다수의 전자는 각 하나가 공석으로부터 공석에 인접한 3개의 각 탄소 원자로 가는 3개의 홀 전자와, 질소와 공석 사이의 한 쌍의 전자를 포함한다. 음으로 대전된 상태에 있는 NV 중심은 또한 여분의 전자를 포함한다.The NV center has a number of electrons, each containing one hole electron from each vacancy to three hole electrons to each three carbon atoms adjacent to the vacancy, and a pair of electrons between the nitrogen and vacancies. The NV center in the negatively charged state also contains extra electrons.
NV 중심은 회전 대칭을 갖고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 스핀 상태(ms=0)와의 3A2 대칭을 갖는 스핀 트리플릿(triplet)인 기저 상태와, 2개의 추가 스핀 상태(ms=+1, 및 ms=-1)를 갖는다. 외부 자기장의 부재시, ms=+1 에너지 레벨은 스핀-스핀 상호 작용으로 인해 ms=0으로부터 오프셋(offset)되고, ms=+1 에너지 레벨은 퇴보하는데, 즉 이들은 동일한 에너지를 갖는다. ms=0 스핀 상태 에너지 레벨은 제로 외부 자기장에 대해 2.87 GHz의 에너지만큼 ms=+1 에너지 레벨로부터 분할된다.The NV center has rotational symmetry and has a base state which is a spin triplet having a 3 A 2 symmetry with one spin state (m s = 0) and a base state as a spin triplet with two additional spin states m s = + 1, and m s = -1). In the absence of an external magnetic field, the m s = +1 energy level is offset from m s = 0 due to spin-spin interaction and the m s = +1 energy level is degenerated, that is, they have the same energy. The m s = 0 spin state energy level is divided from the m s = +1 energy level by an energy of 2.87 GHz for a zero external magnetic field.
NV 축을 따르는 성분을 갖는 외부 자기장을 도입하는 것은 ms=+1 에너지 레벨의 축퇴를 들어올려, 에너지 레벨(ms=+1)을 양(2gμBBz)만큼 분할하고, 여기서 g는 g-인자이고, μB는 보어 자자이고, Bz는 NV 축을 따르는 외부 자기장의 성분이다. 이러한 관계는 1차수로 정정되고, 더 높은 차수의 정정의 포함은 간단한 문제이고, 아래에 기재된 시스템 및 방법에서 계산 및 논리 단계에 영향을 미치지 않을 것이다.Introducing an external magnetic field having a component along the NV axis raises the degeneration of the m s = + 1 energy level and divides the energy level (m s = + 1) by an amount (2 g B B Bz) B B is the component of the external magnetic field along the NV axis. This relationship is corrected to first order and inclusion of higher order corrections is a simple matter and will not affect the calculation and logic steps in the systems and methods described below.
NV 중심 전자 구조는 대응하는 ms=0 및 ms=+1 스핀 상태를 갖는 여기된 트리플릿 상태(3E)를 더 포함한다. 기저 상태(3A2)와 여기된 트리플릿(3E) 사이의 광학 전이는 주로 스핀 보존이고, 이것은 광학 전이가 동일한 스핀을 갖는 초기 및 최종 상태 사이에 있다는 것을 의미한다. 여기된 트리플릿(3E)과 기저 상태(3A2) 사이의 직접 전이에 대해, 적색 광의 광자는 전이의 에너지 레벨 사이의 에너지 차이에 대응하는 광자 에너지로 방출된다.NV center electronic structure may further comprise a triplet state (E 3) excitation, with the corresponding m s = 0 and s = m + 1 spin state. The optical transition between the ground state ( 3 A 2 ) and the excited triplet ( 3 E) is primarily spin conservation, meaning that the optical transition is between the initial and final states with the same spin. For the direct transition between the excited triplet (3 E) and the ground state (3 A 2), red light photons are emitted as photon energy corresponding to the energy difference between the energy level of the transition.
하지만, 중간 에너지 레벨을 갖는 중간 일중선(singlet) 상태(A, E)인 것으로 생각되는 중간 전자 상태를 통해 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태(3A2)로의 대안적인 비-복사 붕괴 루트가 있다. 중요하게도, 여기된 트리플릿(3E)의 ms=+1 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태는 여기된 트리플릿(3E)의 ms=0 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태보다 상당히 더 크다. 일중선 상태(A, E)로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 전이는 ms=+1 스핀 상태에 걸쳐 ms=0 스핀 상태로 주로 붕괴한다. 중간 일중선 상태(A, E)를 통해 여기된 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 붕괴의 이들 특징들은, 광학 여기가 시스템에 제공되는 경우 광학 여기가 결국 NV 중심을 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태로 펌핑할 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집합은 트리플릿(3E)으로부터 중간 일중선 상태로의 붕괴율에 의해 결정된 최대 극화로 "재설정"될 수 있다.However, the middle one quartet (singlet) state (A, E) alternative non to the ground state (3 A 2) from a triplet (3 E), via an intermediate electronic state is considered to be having an intermediate energy level, - a copy decay root have. Importantly, the transition state to the excited triplet (3 E) intermediate energy level from the m s = + 1 spin state of is higher than the transition state of the m s = 0 spin state of the excited triplet (3 E) into an intermediate energy level, It is considerably larger. One transition to a neutral ground state, triplet state (3 A 2) from (A, E) is largely collapsed by m s = 0 spin state over the m = s + 1 spin states. Middle one neutral state (A, E) via excited triplet these features of the collapse of the (3 E) a ground state triplet (3 A 2) from their optical here is an optical here in the end NV center, if available to the system And allows pumping to m s = 0 spin state of base state ( 3 A 2 ). In this way, the set of m s = 0 spin states of base state 3 A 2 can be "reset" to the maximum polarization determined by the decay rate from the triplet 3 E to the medium midline state.
붕괴의 다른 특징은, 여기된 트리플릿(3E) 상태를 광학적으로 자극하는 것으로 인한 형광 세기가 ms=0 스핀 상태보다 ms=+1 상태에 대해 더 작다는 것이다. 이것은 중간 상태를 통한 붕괴가 형광 대역에서 방출된 광자에서 초래되지 않기 때문에 그러하고, 그리고 여기된 트리플릿(3E) 상태의 ms=+1 상태가 비-방사 붕괴 경로를 통해 붕괴할 더 큰 확률로 인해 그러하다. ms=0 스핀 상태보다 ms=+1 상태에 대해 더 낮은 형광 세기는, 형광 세기가 스핀 상태를 결정하는데 사용되도록 한다. ms=+1 상태의 집단이 ms=0 스핀에 대해 증가할 때, 전체 형광 세기는 감소될 것이다.Another feature of the collapse, the fluorescent intensity caused by the optical stimulation to a triplet (3 E) excited state would is smaller for m = s + 1 than the m s = 0 spin state. This is so because the collapse through the intermediate state does not result in photons emitted in the fluorescent band, and that the m s = + 1 state of the excited triplet ( 3 E) state will have a greater probability of collapsing through the non- That is why. The lower fluorescence intensity for the m s = + 1 state than the m s = 0 spin state allows the fluorescence intensity to be used to determine the spin state. When the population of m s = + 1 states increases for m s = 0 spins, the overall fluorescence intensity will be reduced.
NV 중심, 또는 자기-광학 결점 중심, 자기 센서 시스템NV-centered, or self-optical defect-centered, magnetic sensor system
도 3은 ms=+1 상태를 구별하고, ms=+1 상태와 ms=-1 상태 사이의 에너지 차이에 기초하여 자기장을 측정하기 위해 형광 세기를 이용하는 종래의 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 예시하는 개략도이다. 시스템(300)은 광학 여기 소스(310)를 포함하고, 이것은 광학 여기를, NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)에 향하게 한다. 시스템은 RF 여기 소스(330)를 더 포함하고, 이것은 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(320)에 제공한다. NV 다이아몬드로부터의 광은 광학 필터(350)를 통해 광학 검출기(340)에 향하게 될 수 있다.3 is m = s + a conventional magnetic sensor
RF 여기 소스(330)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(330)는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 전이 에너지를 갖는 광자 에너지 공진을 통해 RF 복사선을 방출할 때 이들 스핀 상태들 사이의 전이를 여기한다. 그러한 공진에 대해, 스핀 상태는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이에서 순환하여, ms=0 스핀 상태에서의 집단을 감소시키고, 공진에서 전체 형광을 감소시킨다. 유사하게, 공진은 기저 상태의 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태 사이에서 발생하고, RF 여기 소스에 의해 방출된 RF 복사선의 광자 에너지가 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태, 또는 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지에서의 차이일 때, 형광 세기에서의 감소가 존재한다.The
광학 여기 소스(310)는 예를 들어 녹색에서의 광을 방출하는 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(310)는 적색에서의 형광을 유도하고, 이것은 여기된 상태로부터 기저 상태로의 전자 전이에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(320)로부터의 광은 여기 대역(예를 들어, 녹색에서)에서의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역에서 광을 통과시키기 위해 광학 필터(350)를 통해 향하게 되고, 이것은 다시 검출기(340)에 의해 검출된다. 다이아몬드 물질(320)에서의 형광을 여기하는 것 외에도, 광학 여기 광 소스(310)는 또한 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집단을 최대 극화, 또는 다른 원하는 극화로 재설정하도록 작용한다.The
연속파 여기에 대해, 광학 여기 소스(310)는 NV 중심을 연속적으로 펌핑하고, RF 여기 소스(330)는 2.87 GHz의 제로 분할(ms=+1 스핀 상태가 동일한 에너지를 가질 때) 에너지를 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 스윕(sweep)한다. 단일 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 다이아몬드 물질(320)에 대응하는 RF 스윕에 대한 형광은 NV 축을 따라 상이한 자기장 성분(Bz)에 대해 도 4에서 도시되고, 여기서 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지 분할은 Bz와 함께 증가한다. 따라서, 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 펄싱된 광 여기 및 펄싱된 RF 여기를 수반하는 여기 구성과 같이 연속파 여기 이외의 광학 여기 구성이 구상된다. 펄싱된 여기 구성의 예들은 램지 펄스 시퀀스, 및 스핀 에코 펄스 시퀀스를 포함한다.For continuous wave excitation, the
일반적으로, 다이아몬드 물질(320)은 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 NV 중심을 가질 것이다. 도 5는, 다이아몬드 물질(320)이 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 경우에 대해 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시한다. 이 경우에, 상이한 배향 각각을 따르는 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 이들 결과는 다이아몬드 격자의 결정학적 평면의 알려진 배향과 함께 외부 자기장의 크기가 결정되도록 할 뿐 아니라, 자기장의 방향이 결정되도록 한다.Generally, the diamond material 320 will have NV centers along the direction of the four different orientation gradients. Figure 5 shows fluorescence as a function of RF frequency for cases where diamond material 320 has NV centers aligned along the direction of four different orientation gradients. In this case, the component Bz along each of the different orientations can be determined. These results not only allow the magnitude of the external magnetic field to be determined along with the known orientation of the crystallographic plane of the diamond grating, but also allow the orientation of the magnetic field to be determined.
도 3이 복수의 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)을 갖는 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 도시하지만, 일반적으로, 자기 센서 시스템은 그 대신 복수의 자기-광학 결함 중심을 갖는 상이한 자기-광학 결함 중심 물질을 이용할 수 있다. 자기-광학 결함 중심의 전자 스핀 상태 에너지는 자기장과 함께 시프트(shift)하고, 상이한 스핀 상태에 대해 형광과 같은 광학 반응은 모든 상이한 스핀 상태에 대해 동일하지 않다. 이러한 방식으로, 자기장은 광학 여기, 및 아마도 NV 다이아몬드 물질과 함께 위에 기재된 것에 대응하는 방식으로 RF 여기에 기초하여 결정될 수 있다.Although FIG. 3 shows an NV centered
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 검출 시스템에 대한 시스템(600)의 개략도이다. 시스템(600)은 광학 여기 소스(610)를 포함하고, 이것은 광학 여기를 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(620)에 향하게 하거나, 자기-광학 결함 중심을 갖는 다른 자기-광학 결함 중심 물질로 향하게 한다. RF 여기 소스(630)는 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(620)에 제공한다.6 is a schematic diagram of a
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 자기장 생성기(670)는 자기장을 생성하고, 자기장은 NV 다이아몬드 물질(620)에서 검출된다. 제 1 자기장 생성기(670)는 NV 다이아몬드 물질(620)에 대해 위치된 영구 자석일 수 있고, 이것은 NV 다이아몬드 물질(620)로부터 원하는 형광 세기 반응을 생성하기 위해 알려진 균일한 자기장(예를 들어, 편향 또는 제어 자기장)을 생성한다. 몇몇 실시예에서, 제 2 자기장 생성기(675)는 추가 편향 또는 제어 자기장을 제공하기 위해 NV 다이아몬드 물질(620)에 대해 제공되고 위치될 수 있다. 제 2 자기장 생성기(675)는 예를 들어 직교 편광을 갖는 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 관점에서, 제 2 자기장 생성기(675)는 헴홀쯔 코일과 같은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 코일은 NV 다이아몬드 물질(620)에서 상대적으로 균일한 자기장을 제공하도록 구성될 수 있고, 각각은 다른 코일에 의해 생성된 자기장의 방향에 직교하는 방향을 갖는 자기장을 생성할 수 있다. 예를 들어, 특정한 실시예에서, 제 2 자기장 생성기(675)는 다른 2개의 코일에 의해 생성된 자기장의 다른 방향에 직교하는 방향을 갖는 자기장을 각각 생성하도록 배열되는 3개의 헴홀쯔 코일을 포함할 수 있어서, 3축 자기장을 발생시킨다. 몇몇 실시예에서, 제 1 자기장 생성기(670)만이 편향 또는 제어 자기장을 생성하도록 제공될 수 있다. 대안적으로, 제 2 자기장 생성기(675)만이 편향 또는 제어 자기장을 생성하도록 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 자기장 생성기는 미리 결정된 및 잘 제어된 배향의 세트에 제 1 및/또는 제 2 자기장 생성기를 유지 및 위치하도록 제어될 수 있는 선회 조립체{예를 들어, 김발(gimbal) 조립체}에 부착될 수 있어서, 원하는 편향 또는 제어 자기장을 확립한다. 이 경우에, 제어기(680)는 미리 결정된 배향에서 제 1 및/또는 제 2 자기장 생성기를 위치 및 유지하기 위해 제 1 및/또는 제 2 자기장 생성기를 갖는 선회 조립체를 제어하도록 구성될 수 있다.As shown in FIG. 6, the first magnetic field generator 670 generates a magnetic field, which is detected in the NV diamond material 620. The first magnetic field generator 670 may be a permanent magnet positioned against the NV diamond material 620 and this may be a known magnetic field to create a desired fluorescence intensity response from the NV diamond material 620 Or control magnetic field). In some embodiments, the second magnetic field generator 675 may be provided and positioned relative to the NV diamond material 620 to provide additional deflection or control magnetic fields. The second magnetic field generator 675 may be configured to generate a magnetic field having, for example, orthogonal polarization. In this regard, the second magnetic field generator 675 may include one or more coils, such as a Hemholtz coil. The coils may be configured to provide a relatively uniform magnetic field in the NV diamond material 620, each of which may produce a magnetic field having a direction perpendicular to the direction of the magnetic field produced by the other coils. For example, in a particular embodiment, the second magnetic field generator 675 includes three Hemoltz coils, each arranged to produce a magnetic field having a direction orthogonal to the other direction of the magnetic field generated by the other two coils So that a triaxial magnetic field is generated. In some embodiments, only the first magnetic field generator 670 may be provided to generate a deflection or control magnetic field. Alternatively, only the second magnetic field generator 675 may be provided to generate a deflection or control magnetic field. In yet another embodiment, the first and / or second magnetic field generators may include a swivel assembly, which may be controlled to maintain and position the first and / or second magnetic field generators in a predetermined and well-controlled set of orientations Gimbal assembly} to establish the desired deflection or control magnetic field. In this case, the controller 680 may be configured to control the pivot assembly with the first and / or second magnetic field generators to position and maintain the first and / or second magnetic field generators in a predetermined orientation.
시스템(600)은 광학 검출기(640)로부터 광 검출 또는 광학 신호를 수신하고, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630), 및 제 2 자기장 생성기(675)를 제어하도록 배열된 제어기(680)를 더 포함한다. 제어기는 단일 제어기, 또는 다중 제어기일 수 있다. 다중 제어기를 포함하는 제어기에 대해, 제어기 각각은 시스템(600)의 상이한 성분들을 제어하는 것과 같이 상이한 기능을 수행할 수 있다. 제 2 자기장 생성기(675)는 예를 들어 증폭기(660)를 통해 제어기(680)에 의해 제어될 수 있다.The
RF 여기 소스(630)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(630)는 도 3에 대해 위에 논의된 바와 같이 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 전이 에너지를 갖는 광자 에너지 공진을 통해 RF 복사선을 방출하도록 제어된다.The RF excitation source 630 may be, for example, a microwave coil. The RF excitation source 630 is controlled to emit RF radiation through a photon energy resonance with a transition energy between the base m s = 0 spin state and the m s = + 1 spin state as discussed above with respect to FIG.
광학 여기 소스(610)는 예를 들어 녹색에서의 광을 방출하는 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(610)는 NV 다이아몬드 물질(620)로부터 적색에서의 형광을 유도하고, 여기서 형광은 여기된 상태로부터 기저 상태로의 전자 여기에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(620)로부터의 광은 여기 대역(예를 들어, 녹색에서)에서의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역에서 광을 통과하도록 광학 필터(650)를 통해 향하게 되고, 이것은 다시 광학 검출기(640)에 의해 검출된다. 광학 여기 광원(610)은 NV 다이아몬드 물질(620)에서의 형광을 여기하는 것에 더하여, 또한 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집단을 최대 극화 또는 다른 원하는 극화로 재설정하도록 작용한다.The optical excitation source 610 may be, for example, a laser or a light emitting diode that emits light in green, for example. The optical excitation source 610 induces fluorescence in red from the NV diamond material 620, wherein the fluorescence corresponds to an electron excitation from the excited state to the ground state. Light from the NV diamond material 620 is filtered through the excitation band (e.g., in green) and directed through the optical filter 650 to pass the light in the red fluorescence band, 640). In addition to exciting the fluorescence in NV diamond material 620, optical excitation light source 610 also acts to reset the population of m s = 0 spin states of base state 3 A 2 to maximum polarity or other desired polarity do.
제어기(680)는 광학 검축기(640)로부터 광 검출 신호를 수신하고, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630) 및 제 2 자기장 생성기(675)를 제어하도록 배열된다. 제어기는 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630), 및 제 2 자기장 생성기(675)의 동작을 제어하기 위해 프로세서(682) 및 메모리(684)를 포함할 수 있다. 비 임시 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있는 메모리(684)는, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630) 및 제 2 자기장 생성기(675)의 동작이 제어되도록 하기 위해 지령(instruction)을 저장할 수 있다. 즉, 제어기(680)는 제어를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.The controller 680 receives the light detection signal from the optical detector 640 and is arranged to control the optical excitation source 610, the RF excitation source 630 and the second magnetic field generator 675. The controller may include a processor 682 and a memory 684 to control the operation of the optical excitation source 610, the RF excitation source 630, and the second magnetic field generator 675. The memory 684, which may include non-transitory computer readable media, may store instructions to control the operation of the optical excitation source 610, the RF excitation source 630 and the second magnetic field generator 675 Can be stored. That is, the controller 680 may be programmed to provide control.
자기장 변화들의 검출Detection of magnetic field variations
위에 논의된 바와 같이, 외부 자기장을 갖는 NV 중심의 상호 작용은 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 Bz와 함께 증가하는 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지 분할을 초래한다. 주어진 NV 축을 따라 외부 자기장의 성분으로 인한 주파수 응답{또한 로렌츠 응답, 프로파일, 또는 딥(dip)으로 알려진}의 쌍은 RF 캐리어 주파수의 함수로서 NV 중심으로부터 방출된 적색 광의 세기에서의 딥으로서 나타난다. 따라서, NV 중심 다이아몬드 격자의 각 4개의 축에 대한 주파수 응답의 쌍은 도 5에 도시된 바와 같이 총 8개의 로렌츠 프로파일 또는 딥에 대한 축을 따라 외부 자기장의 성분에 대응하는 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지 분할을 초래한다. 편향 자기장이 시스템 외부에 존재하는 알려지지 않은 외부 자기장에 더하여 NV 다이아몬드 물질{도 6의 제 1 및/또는 제 2 자기장 생성기(670, 675)에 의해서와 같이}에 인가될 때, 총 입사 자기장은 이에 따라 Bt(t) = Bbias(t) + Bext(t)로서 표현될 수 있고, 여기서 Bbias(t)는 NV 다이아몬드 물질에 인가된 편향 자기장을 나타내고, Bext(t)는 알려지지 않은 외부 자기장을 나타낸다. 이러한 총 입사 자기장은 시작 캐리어 주파수(예를 들어, 약 2.87 GHZ)에 대해 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 주어진 NV 축에 대해 로렌츠 주파수 프로파일에서의 동일하고 선형적으로 비례하는 시프트를 생성한다.As discussed above, the interaction of the NV center with the external magnetic field is the energy between m s = -1 spin state and m s = + 1 spin state increasing with B z, for example, as shown in Fig. Resulting in segmentation. A pair of frequency response (also known as a Lorentzian response, profile, or dip) due to a component of the external magnetic field along a given NV axis appears as a dip in the intensity of the red light emitted from the NV center as a function of the RF carrier frequency. Thus, the pair of frequency responses for each of the four axes of the NV-centered diamond grating is shown in Figure 5 as a total of eight Lorentz profiles or m s = -1 spin states corresponding to the components of the external magnetic field along the axis for dip And the spin state m s = + 1. When the deflection magnetic field is applied to an NV diamond material (such as by the first and / or second magnetic field generators 670, 675 of FIG. 6) in addition to an unknown external magnetic field present outside the system, along be represented as B t (t) = B bias (t) + B ext (t) and, where B bias (t) denotes the applied bias magnetic field to the NV diamond material, B ext (t) is an unknown Represents an external magnetic field. This total incident magnetic field is equal and linear in the Lorentz frequency profile for a given NV axis between m s = -1 spin state and m s = + 1 spin state for a starting carrier frequency (e.g., about 2.87 GHZ) Lt; / RTI >
인가된 편향 자기장{Bbias(t)}이 이미 알려지고 일정하기 때문에, 총 입사 자기장{Bt(t)}에서의 변화 또는 시프트는 외부 자기장{Bext(t)}에서의 변화로 인한 것이다. 총 입사 자기장에서의 변화를 검출하기 위해, 그러한 변화를 측정하는데 있어서의 가장 큰 감도의 지점은, 주파수 응답이 가장 큰 경사에 있는 지점에서 발생할 것이다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 자기장으로 인해 주어진 NV 축에 대한 RF 인가된 주파수{f(t)}의 함수로서 세기 응답{I(t)}은 상부 그래프에서 도시된다. RF 인가된 주파수에서의 변화에 대한 세기{I(t)}에서의 변화()는 하부 그래프에 도시된 바와 같이 RF 인가된 주파수{f(t)}에 대해 그려진다. 지점(25)은 로렌츠 딥(20)의 가장 큰 경사도의 지점을 나타낸다. 이러한 지점은 외부 자기장에 응답할 때 총 입사 자기장에서의 변화를 검출하는데 있어서 가장 큰 측정 감도를 제공한다.The change or shift in the total incident magnetic field {B t (t)} is due to a change in the external magnetic field {B ext (t)} since the applied deflection magnetic field {B bias (t)} is already known and constant . To detect changes in the total incident magnetic field, the point of greatest sensitivity in measuring such a change will occur at the point where the frequency response is at the greatest slope. For example, as shown in FIG. 7, the intensity response {I (t)} as a function of the RF applied frequency {f (t)} for a given NV axis due to the magnetic field is shown in the upper graph. Change in intensity {I (t)} for a change in RF applied frequency ( ) Is plotted for the RF applied frequency {f (t)} as shown in the lower graph. The point 25 represents the point of greatest inclination of the
초미세 자기장Ultrafine magnetic field
위에 논의되고 도 2의 에너지 레벨 도면에 도시된 바와 같이, 기저 상태는 스핀-스핀 상호 작용으로 인해 ms=0과 ms=+1 스핀 상태 사이에서 약 2.87 GHz만큼 분할된다. 더욱이, 자기장의 존재로 인해, ms=+1 스핀 상태는 NV 중심의 주어진 축을 따라 자기장에 비례하여 분할하고, 이것은 도 5에 도시된 4-쌍의 로렌츠 주파수 응답으로서 나타난다. 하지만, NV 주심의 초미세 구조는 NV 중심 및 질소 핵의 전자 스핀 상태 사이의 초미세 결합으로 인해 존재하고, 이것은 스핀 상태의 추가 에너지 분할을 초래한다. 도 8은 NV 중심의 기저 상태 트리플릿(3A2)의 초미세 구조를 도시한다. 특히, 질소 핵(14N)에 대한 결합은 ms=+1 스핀 상태를 3개의 초미세 전이(mI 스핀 상태로서 붙여진)로 추가로 분할하고, 각각은 상이한 공진을 갖는다. 따라서, 각 ms=+1 스핀 상태에 대한 초미세 분할로 인해, 24개의 상이한 주파수 응답이 생성될 수 있다(각 4개의 NV 중심 배향에 대해 각 ms=+1 스핀 상태에 대한 3개의 레벨 분할).As discussed above and shown in the energy level plot of Figure 2, the ground state is divided by about 2.87 GHz between m s = 0 and m s = + 1 spin states due to spin-spin interaction. Moreover, due to the presence of the magnetic field, the m s = + 1 spin state divides in proportion to the magnetic field along a given axis of the NV center, which appears as the 4-pair Lorentz frequency response shown in Fig. However, the superfine structure of the NV referee is due to the hyperfine coupling between the NV spin center and the electron spin state of the nitrogen nuclei, which results in an additional energy split of the spin state. Figure 8 shows the ultrafine structure of the NV centered triplet state triplet ( 3 A 2 ). In particular, the bond to the nitrogen nucleus ( 14 N) further splits the m s = + 1 spin state into three ultrafine transitions (appended as m I spin states), each with a different resonance. Thus, due to the ultra-fine resolution for each m s = + 1 spin state, twenty-four different frequency responses can be generated (three levels for each m s = + 1 spin state for each of the four NV center orientations) Division).
각 3개의 초미세 전이는 하나의 응집 로렌츠 딥의 폭 내에서 나타난다. 적절한 검출을 통해, 초미세 전이는 주어진 로렌츠 응답 내에서 설명될 수 있다. 그러한 초미세 전이를 검출하기 위해, 특정 실시예들에서, NV 다이아몬드 물질(620)은 높은 순도(예를 들어, 격자 단층의 낮은 존재, 파손된 결합, 또는 14N을 너머서는 다른 요소)를 나타내고, NV 중심의 초과 농도를 갖지 않는다. 더욱이, 몇몇 실시예에서 시스템(600)의 동작 동안, RF 여기 소스(630)는 초미세 응답을 추가로 분해하기 위해 저 전력 설정 상에서 동작한다. 다른 실시예에서, 초미세 응답에 대한 추가 광학 콘트라스트는 NV 음-전하 유형의 중심의 농도를 증가함으로써 달성될 수 있어서, 광 전력 밀도(예를 들어, 약 20 내지 약 1000 mW/mm2의 범위에서)를 증가하고, RF 전력을 충분한 초미세 판독(예를 들어, 약 1 내지 약 10 W/mm2)을 허용하는 가장 낮은 크기로 감소한다.Each of the three ultrafine transitions appears within the width of one coherent Lorentz dip. Through appropriate detection, ultrafine transitions can be accounted for within a given Lorentzian response. To detect such ultrafine transitions, in certain embodiments, the NV diamond material 620 exhibits high purity (e.g., low presence of a lattice fault, broken bond, or other element beyond 14 N) , And does not have an excess concentration in the NV center. Moreover, in some embodiments, during operation of the
도 9는 초미세 검출을 갖는 NV 중심에 대한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광 세기의 예를 도시한다. 상부 그래프에서, 외부 자기장으로 인해 NV 중심의 주어진 축을 따라 주어진 스핀 상태(예를 들어, ms=-1)에 대해 인가된 RF 주파수(f(t))의 함수로서 세기 응답(I(t))이 도시된다. 더욱이, 하부 그래프에서, 인가된 RF 주파수(f(t))에 대해 그려진 경사도()가 도시된다. 도면에서 알 수 있듯이, 3개의 초미세 전이(200a 내지 200c)는 완전한 로렌츠 응답(20){예를 들어, 도 7에서의 로렌츠 응답(20)에 대응하는}을 구성한다. 최대 경사의 지점은 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광 세기의 경사도를 통해 결정될 수 있고, 이것은 도 9에서 지점(250)에서 발생한다. 최대 경사의 이러한 지점은 주파수 스윕을 따라 최대 경사의 지점의 이동을 검출하기 위해 인가된 RF 스윕 동안 추적될 수 있다. 응집 로렌츠 응답에 대한 최대 경사(25)의 지점과 같이, 지점(250)의 대응하는 이동은 총 입사 자기장(Bt(t))에서의 변화에 대응하고, 이것은 알려진 및 일정한 편향 자기장(Bbias(t))으로 인해, 외부 자기장(Bext(t))에서의 변화의 검출을 허용한다.Figure 9 shows an example of fluorescence intensity as a function of the applied RF frequency for NV center with ultrafine detection. In the upper graph, the magnitude response I (t) as a function of the applied RF frequency f (t) for a given spin state (e.g., m s = -1) along a given axis of the NV center due to an external magnetic field, ). Furthermore, in the lower graph, the slope drawn for the applied RF frequency f (t) ( Are shown. As can be seen, the three ultrafine transitions 200a through 200c constitute a complete Lorentz response 20 (e.g., corresponding to the
하지만, 지점(25)에 비해, 지점(250)은 도 7에 관해 위에 기재된 응집 로렌츠 경사도보다 더 큰 경사도를 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 지점(250)의 경사도는 지점(25)의 응집 로렌츠 경사도보다 최대 1000배 더 클 수 있다. 이로 인해, 지점(250) 및 대응하는 이동은 측정 시스템에 의해 더 용이하게 검출될 수 있어서, 특히 매우 낮은 크기 및/또는 매우 급속히 변하는 자기장에서 개선된 감도를 초래한다.However, relative to point 25, point 250 exhibits a greater degree of inclination than the cohesive Lorentz slope described above with respect to FIG. In some embodiments, the slope of point 250 may be up to 1000 times greater than the cohesive Lorentz slope of point 25. This allows point 250 and corresponding movement to be more easily detected by the measurement system, resulting in improved sensitivity, especially at very low magnitudes and / or very rapidly varying magnetic fields.
DNVDNV 센서로부터의 개선된 광 수집 Improved light collection from sensors
본 기술의 몇몇 양상에서, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석에 의해 방출된 형광(예를 들어, 적색 광)의 유효한 수집을 위한 방법 및 구성이 개시된다. 몇몇 구현에서, 본 기술은 컴팩트하고 저렴한 비용의 반사기를 갖는 DNV 센서의 다이아몬드의 방출된 광의 유효한 수집을 허용할 수 있다. 반사기는 다이아몬드로부터 검출된 광의 양을 증가시킬 수 있는 광학 또는 광 검출기에 DNV 센서의 다이아몬드의 방출된 광을 집속시킬 수 있다. 몇몇 구현에서, 그러한 구성은 DNV 센서의 다이아몬드에 의해 방출된 모든 광을 사실상 검출할 수 있다. 몇몇 양상에서, 반사기는 소스로부터 방출된 광을 초점 또는 초점 영역으로 운반할 수 있는 파라볼라, 타원체, 또는 다른 형상으로서 성형(shaped)될 수 있다.In some aspects of the present technique, a method and arrangement for effective collection of fluorescence (e.g., red light) emitted by nitrogen vacancies of a diamond of a DNV sensor is disclosed. In some implementations, the technique may allow effective collection of emitted light of the diamond of a DNV sensor having a compact and low cost reflector. The reflector can focus the emitted light of the diamond of the DNV sensor to an optical or photodetector that can increase the amount of light detected from the diamond. In some implementations, such a configuration can substantially detect all the light emitted by the diamond of the DNV sensor. In some aspects, the reflector can be shaped as a parabola, ellipsoid, or other shape that can carry the light emitted from the source into the focus or focus area.
본 기술의 몇몇 다른 구현에서, DNV 센서의 다이아몬드는 바사기 자체가 되도록 가공되거나 그렇지 않으면 성형될 수 있다. 즉, 질소 공석을 갖는 다이아몬드는 질소 공석으로부터 방출된 광을 초점 또는 초점 영역으로 운반할 수 있는 파라볼라 반사기, 타원체 반사기 또는 다른 형상을 형성하도록 성형될 수 있다. 예를 들어, 반사기는 대부분 파라볼라 또는 타원체일 수 있어서, 광은 몇몇 에러 여유를 갖는 90도 각도로, 예를 들어 2 내지 10도로 광 검출기에 충돌한다.In some other implementations of the technique, the diamonds of the DNV sensor may be machined or otherwise molded to be the barbs themselves. That is, a diamond with nitrogen vacancies can be shaped to form a parabolic reflector, an ellipsoidal reflector, or other shape that can carry the light emitted from the nitrogen vacancies to the focus or focus area. For example, most of the reflectors may be parabolic or ellipsoidal, so that the light impinges on the photodetector at a 90 degree angle, e.g., 2 to 10 degrees, with some margin of error.
다이아몬드의 질소 공석은 녹색 광을 갖는 여기에 응답하여 형광하고, 무작위 방향으로 적색 광을 방출할 것이다. 적색 광 측정이 제한된 짧은 잡음이기 때문에, 가능한 한 많은 방출된 광을 수집하는 것이 바람직하다. 큰 광학기기를 이용하는 몇몇 현재 수집 접근법에서, 수집 효율은 20%의 범위에 있었다. 몇몇 구현은 다이암노드 또는 DNV 센서에 가까이 장착된 큰 애퍼처(aperture) 렌즈를 이용하고, 이것은 광 수집을 다이아몬드 또는 DNV 센서에 의해 방출된 광의 단편(fraction)에 제한한다. 다른 구현은 평평한 다이아몬드 및 평평한 다이아몬드의 에지에 위치된 다수의 광 검출기(예를 들어, 4개)를 이용한다. 광 검출기의 이러한 배열은 내부 반사로 인해 평평한 다이아몬드의 에지로 전도된 방출된 많은 광을 포획할 수 있지만, 필요한 광 검출기의 수를 증가시키고, 평평한 다이아몬드의 면으로부터 방출된 광을 포획할 수 없다. 본 명세서에 논의된 DNV 센서는 수집 효율을 증가시키기 위한 대안을 제공한다.Nitrogen vacancies of diamond will fluoresce in response to excitation with green light, and will emit red light in a random direction. Since the red light measurement is a limited short noise, it is desirable to collect as much emitted light as possible. In some current acquisition approaches using large optical instruments, the collection efficiency was in the range of 20%. Some implementations use a large aperture lens mounted close to the die arm node or DNV sensor, which limits the light collection to a fraction of the light emitted by the diamond or DNV sensor. Other implementations utilize a plurality of photodetectors (e. G., Four) positioned at the edges of flat diamond and flat diamond. This arrangement of the photodetector can capture a large amount of emitted light conducted to the edge of a flat diamond due to the internal reflection, but it increases the number of photodetectors required and can not capture the light emitted from the plane of the flat diamond. The DNV sensors discussed herein provide an alternative for increasing collection efficiency.
도 10은 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1002)의 예와 DNV 광-수집 장치를 위한 다이아몬드(1002) 주위에 위치된 반사기(1004)를 갖는 조립체(1000)의 개요를 도시한다. 도시된 구현에서, 반사기(1004)는 다이아몬드(1002)로부터 방출된 광(1006)의 부분을 반사하기 위해 다이아몬드(1002) 주위에 위치된다. 반사기(1004)는 반사기(1004)의 부분 내에 위치된 다이아몬드(1002)를 갖는 타원형 또는 타원체 반사기이다. 다른 구현에서, 본 명세서에 더 구체적으로 논의된 바와 같이, 반사기(1004)는 다이아몬드(1002)로부터 방출된 광을 반사하기 위해 파라볼라 또는 임의의 다른 기하학적 구성일 수 있다. 몇몇 구현에서, 반사기(1004)는 다이아몬드(1002)로부터 방출된 광을 반사하기 위해 모노리식 반사기, 중공 반사기, 또는 임의의 다른 유형의 반사기일 수 있다. 도시된 구현에서, 다이아몬드(1002)는 반사기(1004)의 초점(1008)에 위치된다. 따라서, 광(1006)이 다이아몬드(1002)로부터 방출될 때, 광은 반사기(1004)의 다른 초점쪽으로 반사기(1004)에 의해 반사된다. 본 명세서에서 더 구체적으로 논의되는 바와 같이, 광 검출기는 반사된 광을 수집하기 위해 제 2 초점에 위치될 수 있다.10 shows an overview of an
도 11은 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1102)의 예 및 DNV 광-수집 장치에 대해 다이아몬드(1102) 주위에 위치된 타원체 반사기(1104)를 갖는 조립체(1100)를 도시한다. 몇몇 구현에서, 타원체 반사기(1104)는 반사기 부분(1106) 및 집광기 부분(1108)과 같이 2개의 부분으로 분리되는 것으로 고려될 수 있는 단일 모노리식 성분일 수 있다. 다른 구현에서, 타원체 반사기(1104)는 서로에 대해 결합되고 및/또는 그렇지 않으면 위치되는 반사기 부분(1106) 및 집광기 부분(1108)과 같이 2개의 성분으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 반사기 부분(1106) 및 집광기 부분(1108)은 타원체 반사기(1104)를 형성하도록 조합될 수 있는 개별적인 파라볼라 성분일 수 있다. 또 다른 구성에서, 타원체 반사기(1104)는 2개보다 많은 성분으로 구성될 수 있고, 타원체 반사기(1104)를 형성하도록 결합되거나 그렇지 않으면 위치될 수 있다.11 shows an
다이아몬드(1102)는 반사기 부분(1106)에 대한 타원체 반사기(1104)의 제 1 초점에 위치된다. 몇몇 구현에서, 다이아몬드(1102)는 다이아몬드(1102)를 위한 장착부를 이용하여 제 1 초점에 위치된다. 다른 구현에서, 다이아몬드(1102)는 타원체 반사기(1104)를 통해 보어 구멍(borehole)을 이용하여 제 1 초점에 위치된다. 보어 구멍은 타원체 반사기(1104)에서 다이아몬드(1102)를 밀봉하도록 다시 채워질(bnackfilled) 수 있다.The
타원체 반사기(1104)는, 여기 레이저 빔이 녹색 여기 레이저 빔과 같이 다이아몬드(1102)를 여기하도록 하기 위해 개구부(opening)를 또한 포함할 수 있다. 개구부는 타원체 반사기(1104)에 대한 임이의 장소에 위치될 수 있다. 다이아몬드(1102)가 여기될 때{예를 들어, 다이아몬드(1102)에 녹색 광을 인가함으로써}, 반사기 부분(1106)은 다이아몬드(1102)로부터 방출된 적색 광(1110)을 집광기 부분(1108)쪽으로 반사시킨다.The
집광기 부분(1108)은 방출된 광(1110)을 타원체 반사기(1104)의 제 2 초점쪽으로 향하게 한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1120)는 집광기 부분(1108)으로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1120)는 다시 향하게 된 방출된 광을 수용하도록 제 2 초점에 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1120)는 집광기 부분(1108)과 같이 타원체 반사기(1104)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다. 몇몇 구현에서, 개구부는 집광기 부분(1108)을 통해서와 같이 광 검출기(1120)에 인접하거나 이에 근접하게 있을 수 있다. 다른 구현에서, 개구부는 반사기 부분(1106)을 통해서와 같이 광 검출기(1120)와 마주볼 수 있다. 또 다른 구성에서, 개구부는 광 검출기(1120)에 대해 임의의 다른 각도 및/또는 배향에 있을 수 있다.
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색 광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1120)에 인가 및/또는 그 위에 위치될 수 있다. 따라서, 타원체 반사기(1104)는 광원(예를 들어, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석으로부터)으로부터 단일 광 검출기로 방출된 광을 포획할 수 있는 비-집속 집광기와 연관된다. 몇몇 경우에서, 방출된 광의 손실은 다이아몬드를 위한 장착부 및/또는 녹색 자극 레이저 빔을 위한 작은 입구로 인해 광 손실에 제한될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned above the
이전 해법은 높은 정밀도 개정을 요구하지 않을 수 있는 반사기(1104)를 이용하면서, 다이아몬드(1102)로부터 방출된 광을 수집하기 위해 높은 광 수집 효율을 제공한다. 그러한 반사기(1104)는 반사 미러 성분을 이용하는 것과 같이 광 수집 효율을 증가하기 위한 저렴한 비용의 해법일 수 있다. 더욱이, 타원체 반사기(1104)의 형상은 다이아몬드(1102)로부터 광 검출기(1120)의 전자기기를 분리시킬 수 있고, 이것은 광 검출기(1120)의 전자기기와 다이아몬드(1102) 사이의 자기 상호 작용을 감소시킬 수 있다.The prior solution provides high light collection efficiency to collect the light emitted from the
타원체 반사기(1104)는 몇몇 구현에서, 방출된 광(1110)을 반사하도록 도포된 유전 미러 필름 또는 코팅을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 유전 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전 미러 물질의 두꼐는 특정 해당 주파수에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 기판은 DNV 센서에 대한 해당 주파수에서 높은 선명도(clarity)를 소유할 수 있다. 기판은 플라스틱, 유리, 다이아몬드, 석영, 및/또는 임의의 다른 적합한 물질로 만들어질 수 있다. 유전 미러 필름은 기판에 도포될 수 있어서, 다이아몬드(1102)로부터 방출된 광(1110)이 타원체 반사기(1104) 내에서 반사된다. 몇몇 구현에서, 유전 미러 필름은 적색 광만을 반사할 수 있어서, 광의 다른 컬러 또는 파장은 타원체 반사기(1104)를 통과한다. 예를 들어, 그러한 유전 미러 필름은 다이아몬드(1102)를 여기하기 위해 타원체 반사기(1104)를 통해 여기 레이저 빔으로부터 다이아몬드(1102)로와 같이 녹색 파장 광의 투과를 허용할 수 있다.The
몇몇 양상에서, 정밀도 센서와 같이, 다이아몬드(1102)와 광 검출기(1120)의 전자기기 사이의 분리는 예를 들어 수 피트로 확장될 수 있다. 몇몇 구현에서, 얇은 유전 미러 필름은, RF 안테나가 타원체 반사기(1104) 내부에 위치되도록 하기 위해 타원체 반사기(1104)에 사용된다. 몇몇 응용에서, 안테나는 그 대신 타원체 반사기(1104) 외부에 있을 수 있다.In some aspects, the separation between the
도 12는 DNV 광-수집 장치에 대한 반사기 구성으로 형성되거나 가공되는 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1202)의 예를 갖는 조립체(1200)를 도시한다. 본 구성에서의 다이아몬드(1202)는 타원체 반사기에 형성되거나 가공되고, 반사기 부분(1204) 및 집광기 부분(1206)과 같이 2개의 부분으로 분리되는 것으로 고려될 수 있는 모노리식 성분이다.12 shows an
다이아몬드(1202)는 다이아몬드(1202) 상에 코팅되거나 도포된 유전체 미러 필름을 가질 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택 될 수 있다. 일부 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 유전체 미러 필름은, 다이아몬드(1202) 내의 질소 공석으로부터 방출된 광(1210)이 다이아몬드(1202)의 반사기 부분(1204) 및 집광기 부분(1206) 내에서 반사되도록 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 적색광만을 반사할 수 있어서, 광의 다른 컬러 또는 파장은 다이아몬드(1202)를 통과한다. 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은 여기 레이저 빔으로부터와 같은 녹색 파장 광을 유전체 미러 필름을 통해 다이아몬드(1202)의 질소 공석에 투과시키는 것을 허용할 수 있어, 다이아몬드(1202)의 질소 공석을 여기시킨다.The
다이아몬드(1202)의 반사기 부분(1204)은 다이아몬드(1202)에 도포된 유전체 미러 필름을 통해 방출된 광(1210)을 내부적으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 다이아몬드(1202)는 다이아몬드(1202)로부터 방출된 적색광(1210)을 집광기 부분쪽으로 내부적으로 반사한다. 또한 집광기 부분(1206)은 다이아몬드(1202)의 질소 공석에 의해 방출된 광(1210)을 다이아몬드(1202)의 집광기 부분(1206)의 초점으로 다시 향하게 한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1220)는 집광기(1206)로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1220)는 다시 향하게 된 방출된 광(1210)을 수용하기 위해 초점에 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1220)는 집광기 부분(1206)과 같이 다이아몬드(1202)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다.The reflector portion 1204 of the
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1220)에 도포될 수 있고 및/또는 위치될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned on
몇몇 구현에서, 다이아몬드(1202)의 일부분은 질소 공석없이 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 다이아몬드에 대한 하나 이상의 층이 질소 공석없이 화학 증착에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 층은, 반사기 부분(1204)에 의해 반사된 방출된 광이 다이아몬드(1202)의 집광기 부분(1206)을 통해 이동할 때 질소 공석에 의해 재 흡수되지 않도록 집광기 부분을 위해 가공되거나 형성될 수 있다.In some implementations, a portion of the
도 13은 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1302)의 예 및 DNV 집광 장치에 대해 다이아몬드(1302) 주위에 배치된 파라볼라 반사기(1304)를 갖는 조립체(1300)를 도시한다. 몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1304)는 단일 모노리식 성분일 수 있다. 일부 구성에서, 파라볼라 반사기(1304)는 2개보다 많은 성분으로 구성될 수 있고, 파라볼라 반사기(1304)를 형성하도록 결합되거나 그렇지 않으면 배치될 수 있다.13 shows an example of a
다이아몬드(1302)는 파라볼라 반사기(1304)의 초점에 위치된다. 몇몇 구현에서, 다이아몬드(1302)는 다이아몬드(1302)를 위한 장착부를 사용하여 초점에 위치된다. 다른 구현에서, 다이아몬드(1302)는 보어 구멍은 파라볼라 반사기(1304)에서 다이아몬드(1302)를 밀봉하도록 다시 채워질 수 있다.The
파라볼라 반사기(1304)는 또한 녹색 여기 레이저 빔과 같은 여기 레이저 빔이 다이아몬드(1302)를 여기시키는 것을 허용하는 개구부를 포함할 수 있다. 개구부는 파라볼라 반사기(1304)에 대한 임의의 위치에 위치될 수 있다. 다이아몬드(1302)가 여기될 때{예를 들어, 녹색 광을 다이아몬드(1302)에 적용함으로써}, 파라볼라 반사기(1304)는 다이아몬드(1302)로부터 방출된 적색광(1310)을 광 밤사기(1320)로 반사한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1320)는 파라볼라 반사기(1304)로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1320)는 파라볼라 반사기(1304)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다. 몇몇 구현에서, 개구부는 광 검출기(1320)에 인접하거나 근접할 수 있다. 다른 구현에서, 개구부는 광 검출기(1320)에 마주볼 수 있다. 또 다른 구성에서, 개구부는 광 검출기(1320)에 대해 임의의 다른 각도 및/또는 배향에 있을 수 있다.The
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 관련 해당 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1320)에 도포될 수 있고 및/또는 위치될 수 있다. 따라서, 파라볼라 반사기(1304)는 광원(예를 들어, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석)으로부터 단일 광 검출기로 방출된 광을 포획할 수있는 비 집속 집광기와 연계된다. 몇몇 경우에서, 방출된 빛의 손실은 다이아몬드를 위한 장착부 및/또는 녹색 자극 레이저 빔을 위한 작은 입구로 인한 광 손실로 제한될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned on the
전술한 해결책은 고정밀 개정을 필요로 하지 않을 수 있는 파라볼라 반사기(1304)를 이용하면서, 다이아몬드(1302)로부터 방출된 광을 수집하는 높은 광 수집 효율을 제공한다. 이러한 파라볼라 반사기(1304)는 반사 미러 성분을 사용하는 것과 같이 광 수집 효율을 증가시키는 저가의 해결책일 수 있다. 더욱이, 파라볼라 반사기(1304)의 형상은 광 검출기(1320)의 전자 기기를 다이아몬드(1302)로부터 분리시킬 수 있어, 광 검출기(1320)와 다이아몬드(1302)의 전자 기기 사이의 자기 상호 작용을 감소시킬 수 있다.The above solution provides a high light collection efficiency for collecting the light emitted from the
몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1304)는 방출된 광(1310)을 반사하도록 도포된 유전체 미러 필름 또는 코팅을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 기판은 DNV 센서에 대한 해당 주파수에서 높은 선명도를 가질 수 있다. 기판은 플라스틱, 유리, 다이아몬드, 석영 및/또는 임의의 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 유전체 미러 필름은, 다이아몬드(1302)로부터 방출된 광(1310)이 파라볼라 반사기(1304) 내에서 반사되도록 기판에 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 적색광만을 반사시켜, 광의 다른 컬러 또는 파장이 파라볼라 반사기(1304)를 통과한다 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은, 여기 레이저 빔과 같은 녹색 파장 광을 파라볼라 반사기(1304)를 통해 다이아몬드(1302)로 투과하도록 하여, 다이아몬드(1302)를 여기시킨다.In some implementations, the
정밀 센서와 같은 몇몇 양상에서, 다이아몬드(1302)와 광 검출기(1320)의 전자 기기 사이의 분리는 예를 들어, 수 피트까지 연장될 수 있다. 몇몇 구현에서, RF 안테나가 파라볼라 반사기(1304) 내부에 위치될 수 있도록 파라볼라 반사기(1304)에 얇은 유전체 미러 필름이 사용된다. 몇몇 응용에서, 안테나는 파라볼라 반사기(1304)의 외부에 있을 수 있다.In some aspects, such as precision sensors, the separation between the
도 14는 DNV 광 수집 장치에 대한 반사기 구성으로 형성되거나 가공된 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1402)의 예를 갖는 조립체(1400)를 도시한다. 본 구성의 다이아몬드(1402)는 파라볼라 반사기로 형성되거나 가공되고, 모노리식 성분이다.14 shows an
다이아몬드(1402)는 다이아몬드(1402) 상에 코팅되거나 도포된 유전체 미러 필름을 가질 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택 될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 유전체 미러 필름은, 다이아몬드(1402) 내의 질소 공석으로부터 방출된 광(1410)이 다이아몬드(1402) 내에서 반사되도록 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 적색광만을 반사시켜, 다른 컬러 또는 파장의 광이 다이아몬드(1402)를 통과한다. 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은 여기 레이저 빔과 같은 녹색 파장 광을 유전체 미러 필름을 통해 다이아몬드(1402)의 질소 공석에 투과하도록 하여, 다이아몬드(1402)의 질소 공석을 여기시킨다.The
다이아몬드(1402)에 대한 파라볼라 반사기 구성은 다이아몬드(1402)에 도포된 유전체 미러 필름을 통해 방출된 광(1410)을 내부적으로 반사시킬 수 있다. 따라서 다이아몬드(1402)는 다이아몬드(1402)로부터 방출된 적색광(1410)을, 방출된 빛을 수용하고 측정하도록 위치된 광 검출기(1420)로 내부적으로 반사한다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1420)는 다이아몬드(1402)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다.The parabola reflector configuration for
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1420)에 도포될 수 있고 및/또는 위치될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned on the
몇몇 구현에서, 다이아몬드(1402)의 부분은 질소 공석없이 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 다이아몬드에 대한 하나 이상의 층이 질소 공석없이 화학 증착에 의해 형성될 수 있다. 하나 이상의 층은, 다이아몬드(1402)의 파라볼라 반사기 구성에 의해 반사된 방출된 광이 다이아몬드(1402)의 하나 이상의 층을 통해 이동할 때 질소 공석에 의해 재 흡수되지 않도록 광 검출기(1420)에 대한 접합부 근처에서 가공되거나 형성될 수 있다.In some implementations, portions of the
도 15는 DNV 센서를 위한 조립체(1500)에 대한 파라볼라 반사기 구성의 다른 구현을 도시한다. 질소 공석을 갖는 예시적인 얇은 다이아몬드(1502)는 DNV 광 수집 장치를 위한 다이아몬드(1502) 주위에 위치된 파라볼라 반사기(1504)의 부분에 삽입될 수 있다. 몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1504)는 얇은 다이아몬드(1502)를 삽입하기 위해 두 부분으로 분할되는 단일 모노리식 성분일 수 있다. 몇몇 다른 구성에서, 파라볼라 반사기(1504)는 2개보다 많은 성분으로 구성될 수 있고, 파라볼라 반사기(1504)에 결합되거나 그렇지 않으면 위치될 수 있다. 도시된 구현에서, 얇은 다이아몬드(1502)는 파라볼라 반사기(1504)에 대해 대칭축에 평행하게(그리고 몇몇 경우에 이를 따라) 삽입된다. 타원체 반사기를 이용하는 구현에서, 얇은 다이아몬드(1502)는 타원체 반사기의 주축에 평행하게 및/또는 주축을 따라 삽입될 수 있다.FIG. 15 illustrates another implementation of a parabola reflector configuration for an
파라볼라 반사기(1504)는, 또한 여기 레이저 빔이 녹색 여기 레이저 빔과 같이 다이아몬드(1502)를 여기시키는 것을 허용하는 개구부를 포함할 수 있다. 개구부는 파라볼라 반사기(1504)에 대한 임의의 위치에 위치될 수 있다. 다이아몬드(1502)가 여기될 때{예를 들어, 녹색 광을 다이아몬드(1502)에 인가함으로써}, 파라볼라 반사기(1504)는 다이아몬드(1502)로부터 방출된 적색광(1510)을 광 검출기(1520)로 반사한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1520)는 파라볼라 반사기(1504)로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1520)는 파라볼라 반사기(1504)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다. 몇몇 구현에서, 개구부는 광 검출기(1520)에 인접하거나 근접할 수 있다. 다른 구현에서, 개구부는 광 검출기(1520)에 마주볼 수 있다. 또 다른 구성에서, 개구부는 광 검출기(1520)에 대해 임의의 다른 각도 및/또는 배향에 있을 수 있다.The
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1520)에 도포될 수 있고 및/또는 위치될 수 있다. 따라서, 파라볼라 반사기(1504)는 광원(예를 들어, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석)으로부터 단일 광 검출기로 방출된 광을 포획할 수 있는 비 집속 집광기와 연계된다. 몇몇 경우에서, 방출된 빛의 손실은 다이아몬드를 위한 장착부 및/또는 녹색 자극 레이저 빔을 위한 작은 입구로 인한 광 손실에 제한될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned on the
전술한 해결책은 고정밀 개정을 필요로 하지 않을 수 있는 파라볼라 반사기(1504)를 이용하면서, 다이아몬드(1502)로부터 방출된 광을 수집하기 위해 높은 광 수집 효율을 제공한다. 이러한 파라볼라 반사기(1504)는 반사 미러 성분을 사용하는 것과 같이 광 수집 효율을 증가시키는 저가의 해결책일 수 있다. 또한, 파라볼라 반사기(1504)의 형상은 광 검출기(1520)의 전자 기기를 다이아몬드(1502)로부터 분리할 수 있고, 이것은 광 검출기(1520)의 전자 기기와 다이아몬드(1502) 사이의 자기 상호 작용을 감소시킬 수 있다.The above solution provides high light collection efficiency to collect the light emitted from the
몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1504)는 방출된 광(1510)을 반사하도록 도포된 유전체 미러 필름 또는 코팅을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 기판은 DNV 센서에 대한 해당 주파수에서 높은 선명도를 가질 수 있다. 기판은 플라스틱, 유리, 다이아몬드, 석영 및/또는 임의의 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 유전체 미러 필름은, 다이아몬드(1502)로부터 방출된 광(1510)이 파라볼라 반사기(1504) 내에서 반사되도록 기판에 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 적색광만을 반사시켜, 다른 컬러 또는 파장의 광이 파라볼라 반사기(1504)를 통과한다. 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은 여기 레이저 빔과 같은 녹색 파장 광을 파라볼라 반사기(1504)를 통해 다이아몬드(1502)로 투과시켜, 다이아몬드(1502)를 여기시킬 수 있다.In some implementations, the
정밀 센서와 같은 몇몇 양상에서, 다이아몬드(1502)와 광 검출기(1520)의 전자 기기 사이의 분리는 예를 들어, 수 피트까지 연장될 수 있다. 몇몇 구현에서, RF 안테나가 파라볼라 반사기(1504) 내부에 배치되도록 하기 위해 파라볼라 반사기(1504)에 얇은 유전체 미러 필름이 사용된다. 몇몇 응용에서, 안테나는 그 대신 파라볼라 반사기(1504)의 외부에 있을 수 있다.In some aspects, such as precision sensors, the separation between the
도 16은 DNV 센서를 위한 조립체(1600)에 대한 파라볼라 반사기 구성의 다른 구현을 도시한다. 질소 공석을 갖는 얇은 다이아몬드(1602)의 예는 DNV 광 수집 장치를 위해 다이아몬드(1602) 주위에 위치된 파라볼라 반사기(1604)의 부분에 삽입될 수 있다. 몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1604)는 얇은 다이아몬드(1602)를 삽입하기 위해 두 부분으로 분할되는 단일 모노리식 성분일 수 있다. 몇몇 다른 구성에서, 파라볼라 반사기(1604)는 2개보다 많은 성분으로 구성될 수 있고, 파라볼라 반사기(1604)를 형성하기 위해 결합되거나 그렇지 않으면 위치될 수 있다. 도시된 구현에서, 얇은 다이아몬드(1602)는 파라볼라 반사기(1604)의 대칭축에 수직으로 삽입된다. 타원체 반사기를 이용하는 구현에서, 얇은 다이아몬드(1602)는 타원체 반사기의 단축에 평행하게 및/또는 이를 따라 삽입될 수 있다. 몇몇 구현에서, 얇은 다이아몬드(1602)는 파라볼라 반사기(1604)의 초점에 위치된다.Figure 16 illustrates another implementation of the parabola reflector configuration for
파라볼라 반사기(1604)는, 또한 여기 레이저 빔이 녹색 여기 레이저 빔과 같이 다이아몬드(1602)를 여기시키는 것을 허용하는 개구부를 포함할 수 있다. 개구부는 파라볼라 반사기(1604)에 대한 임의의 위치에 위치될 수 있다. 다이아몬드(1602)가 여기될 때{예를 들어, 녹색 광을 다이아몬드(1602)에 인가함으로써}, 파라볼라 반사기(1604)는 다이아몬드(1602)로부터 방출된 적색광(1610)을 광 검출기(1620)로 반사한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1620)는 파라볼라 반사기(1604)로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1620)는 파라볼라 반사기(1604)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다. 몇몇 구현에서, 개구부는 광 검출기(1620)에 인접하거나 근접할 수 있다. 다른 구현에서, 개구부는 광 검출기(1620)에 마주볼 수 있다. 또 다른 구성에서, 개구부는 광 검출기(1620)에 대해 임의의 다른 각도 및/또는 배향에 있을 수 있다.The
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1620)에 도포될 수 있고 및/또는 위치될 수 있다. 따라서, 파라볼라 반사기(1604)는 광원(예를 들어, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석)으로부터 단일 광 검출기로 방출된 광을 포획할 수있는 비-집속 집광기와 연계된다. 몇몇 경우에, 방출된 광의 손실은 다이아몬드를 위한 장착부 및/또는 녹색 자극 레이저 빔을 위한 작은 입구로 인한 광 손실에 제한될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to and / or positioned on the
전술한 해결책은 고정밀 개정을 필요로 하지 않을 수 있는 파라볼라 반사기(1604)를 이용하면서, 다이아몬드(1602)로부터 방출된 광을 수집하는 높은 광 수집 효율을 제공한다. 이러한 파라볼라 반사기(1604)는 반사 미러 성분을 사용하는 것과 같이, 광 수집 효율을 증가시키는 저가의 해결책일 수 있다. 또한, 파라볼라 반사기(1604)의 형상은 다이아몬드(1602)로부터 광 검출기(1620)의 전자 기기를 분리 할 수 있고, 이것은 광 검출기(1620)의 전자 기기와 다이아몬드(1602) 사이의 자기 상호 작용을 감소시킬 수 있다.The above solution provides a high light collection efficiency for collecting the light emitted from the diamond 1602, while using the
몇몇 구현에서, 파라볼라 반사기(1604)는 방출된 광(1610)을 반사하도록 도포된 유전체 미러 필름 또는 코팅을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 기판은 DNV 센서의 해당 주파수에서 높은 선명도를 가질 수 있다. 기판은 플라스틱, 유리, 다이아몬드, 석영 및/또는 임의의 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 유전체 미러 필름은, 다이아몬드(1602)로부터 방출된 광(1610)이 파라볼라 반사기(1604) 내에서 반사되도록 기판에 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 적색광만을 반사시켜, 다른 컬러 또는 파장의 광이 파라볼라 반사기(1604)를 통과한다. 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은, 여기 레이저 빔과 같은 녹색 파장 광을 파라볼라 반사기(1604)를 통해 다이아몬드(1602)로 투과시켜, 다이아몬드(1602)를 여기시킬 수 있다.In some implementations, the
정밀 센서와 같은 몇몇 양상에서, 다이아몬드(1602)와 광 검출기(1620)의 전자 기기 사이의 분리는 예를 들어, 수 피트까지 연장될 수 있다. 몇몇 구현에서, RF 안테나가 파라볼라 반사기(1604) 내부에 배치 될 수 있게 하기 위해 파라볼라 반사기(1604)에 얇은 유전체 미러 필름이 사용된다. 몇몇 응용에서, 안테나는 파라볼라 반사기(1604)의 외부에 있을 수 있다.In some aspects, such as precision sensors, the separation between the diamond 1602 and the electronics of the
도 17은 도 15의 조립체(1400)를 병합하는 DNV 센서용 조립체(1700)를 도시하고, 여기서 다이아몬드(1402)는 파라볼라 구성으로 형성되거나 가공된다. 조립체(1700)는 다이아몬드(1402)로부터 방출된 광(1410)을 결합하고 및/또는 위치된 광 검출기(1420)를 포함한다. 다이아몬드(1402)는 다이아몬드(1402) 내에 방출된 적색광(1410)을 반사하기 위해 다이아몬드(1402)에 도포된 유전체 미러 필름을 포함한다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은, 다른 컬러 또는 파장의 광이 다이아몬드(1402)를 통과하도록 적색광만을 반사할 수 있다. 예를 들어, 이러한 유전체 미러 필름은 여기 레이저 빔과 같은 녹색 파장 광(1710)을 유전체 미러 필름을 통해 다이아몬드(1402)의 질소 공석으로 투과하여, 다이아몬드(1402)의 질소 공석을 여기시킨다. 조립체(1700)는 다이아몬드(1402) 주위의 마이크로파 코일을 포함하여, 다이아몬드(1402)가 특정 주파수의 마이크로파로 조사되면, 다이아몬드는 적색광의 방출을 중단 및/또는 감소할 것이다. 다이아몬드(1402)를 조사하기 전에 DNV 센서에 대해 마이크로파 오프가 수행되어, 적색광(1410)을 방출한다. 마이크로파 주파수가 상이한 주파수로 이동될 때, 방출된 적색광은 희미해지고, 주파수는 DNV 센서가 그 안에 있는 자기장의 세기와 관련된다.FIG. 17 shows an
몇몇 구현에서, 녹색 레이저로부터의 녹색광(1710)은 자유 공기가 아닌 섬유를 통해 다이아몬드(1402)에 적용될 수 있다. 몇몇 구현에서, 도 17의 전체 장치는 ~ 2mm만큼 컴팩트할 수 있다. 본 기술의 조립은 예를 들어, DNV 자력계가 사용되는 모든 자기 계측 분야에서 많은 용도로 사용될 수 있다.In some implementations, the
도 18은 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1802)에 광을 향하게 하기 위해 반사기 내에 위치된 도파관(1830)을 포함하는 DNV 센서용 조립체(1800)에 대한 반사기 구성의 다른 구현을 도시한다. 질소 공석을 갖는 다이아몬드(1802)의 예는 DNV 광 수집 장치에 대해 다이아몬드(1802) 주위에 위치된 반사기(1804)의 부분에 삽입될 수 있다. 몇몇 구현에서, 반사기(1804)는 파라볼라 반사기 또는 타원체 반사기일 수 있다. 반사기(1804)는 단일 모노리식 성분일 수 있거나 또는 플라스틱 또는 광섬유 물질과 같은 충진재를 갖거나 또는 충진재가 없는(예를 들어, 비어 있음) 외피 성분일 수 있다. 도시된 구현에서, 파라볼라 반사기(1804)의 대칭축을 따라 도파관(1830)이 형성되거나 삽입된다. 다른 구현에서, 도파관(1830)은 타원체 반사기(1804)의 장축을 따라 형성되거나 삽입된다. 도파관(1830)은 광섬유 성분일 수 있고 및/또는 단순히 반사기(1804) 및/또는 반사기(1804) 내의 충진재와 상이한 굴절률을 갖는 물질일 수 있다.18 illustrates another embodiment of a reflector configuration for a
다이아몬드(1802)는, 녹색 레이저 광과 같은 여기 빔이 도파관(1830)을 통해 다이아몬드(1802)에 투과될 수 있도록 도파관(1830)의 단부에 위치된다. 다이아몬드(1802)가 여기될 때{예를 들어, 녹색 광을 다이아몬드(1802)에 인가함으로써}, 반사기(1804)는 다이아몬드(1802)로부터 방출된 적색광(1810)을 광 검출기(1820)로 반사한다. 도시된 구현에서, 광 검출기(1820)는 반사기(1804)로부터 광을 수용하고 측정하도록 위치된다. 몇몇 구현에서, 광 검출기(1820)는 반사기(1804)의 부분에 결합 및/또는 밀봉된다. 몇몇 구현에서, 여기 빔을 투과하기 위한 개구부는, 여기 빔이 도파관(1830)을 통해 다이아몬드(1802)에 투과될 수 있도록 광 검출기(1820)를 통과한다. 다른 구현에서, 여기 빔과 같이 다이아몬드(1802)의 질소 공석을 여기시키기 위해 광을 방출하는 이미터는 도파관(1830)의 제 2 단부에서의 다이아몬드(1802)를 가지고 도파관(1830)의 제 1 단부에 제공 될 수 있다. 몇몇 구현에서, 이미터는 도파관(1830)을 따라 여기 빔을 생성하고 다이아몬드(1802)에 투과하기 위해 광 검출기(1820) 내부에 또는 그 중심에 형성 및/또는 위치될 수 있다. 광 검출기(1820) 및 이미터는 단일 기판 상에 위치될 수 있다. 따라서, 단일 칩은 광 검출기(1820) 및 여기 빔용 이미터를 모두 포함 할 수 있어서, 조명 및 수집 모두가 단일 칩 상에 제공될 수 있다.
몇몇 구현에서, 적색 필터와 같은 광학 필터는 해당 관련 적색광을 제외한 광을 필터링하기 위해 광 검출기(1820)에 도포될 수 있다. 따라서, 반사기(1804)는 광원(예를 들어, DNV 센서의 다이아몬드의 질소 공석에서)으로부터 단일 광 검출기로 방출된 광을 포획할 수 있는 비 집속 집광기와 연계된다. 몇몇 경우에, 방출된 광의 손실은 다이아몬드를 위한 장착부 및/또는 도파관(1830) 아래에서 다시 이동하는 임의의 방출된 광으로 인한 광 손실에 제한될 수 있다.In some implementations, an optical filter, such as a red filter, may be applied to the
전술한 해결책은 고정밀 개정을 필요로 하지 않을 수 있는 반사기(1804)를 이용하면서 다이아몬드(1802)로부터 방출된 광을 수집하는 높은 광 수집 효율을 제공한다. 이러한 반사기(1804)는 반사 미러 성분을 사용하는 것과 같이 광 수집 효율을 증가시키는 저가의 해결책일 수 있다. 또한, 파라볼라 반사기(1804)의 형상은 광 검출기(1820)의 전자 기기 및/또는 이미터를 다이아몬드(1802)로부터 분리할 수 있고, 이것은 광 검출기(1820)의 전자 기기 및/또는 이미터와 다이아몬드(1802) 사이의 자기 상호 작용을 감소시킬 수 있다.The above-described solution provides a high light collection efficiency for collecting the light emitted from the
몇몇 구현에서, 반사기(1804)는 방출된 광(1810)을 반사하도록 도포된 유전체 미러 필름 또는 코팅을 갖는 기판을 포함할 수 있다. 유전체 미러 필름은 특정 해당 주파수에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 물질의 두께는 특정 해당 주파수에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 기판은 DNV 센서의 해당 주파수에서 높은 선명도를 가질 수 있다. 기판은 플라스틱, 유리, 다이아몬드, 석영 및/또는 임의의 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 유전체 미러 필름은 다이아몬드(1802)로부터 방출된 광(1810)이 반사기(1804) 내에서 반사되도록 기판에 도포될 수 있다. 몇몇 구현에서, 유전체 미러 필름은 다른 컬러 또는 파장의 광이 반사기(1804)를 통과하도록 적색광만을 반사시킬 수 있다.In some implementations,
정밀 센서와 같은 몇몇 양상에서, 다이아몬드(1802)와 광 검출기(1820)의 전자 기기 사이의 분리는 예를 들어, 수 피트까지 연장될 수 있다. 몇몇 구현에서, RF 안테나가 반사기(1804) 내부에 배치 될 수 있게 하기 위해 반사기(1804)에 얇은 유전체 미러 필름이 사용된다. 몇몇 응용에서, 안테나는 반사기(1804)의 외부에 있을 수 있다.In some aspects, such as a precision sensor, the separation between the
도 19는 DNV 센서를 형성하기 위한 프로세스(1900)의 구현을 도시한다. 프로세스(1900)는 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 제공하는 단계(블록 1902), 반사기를 형성하기 위해 다이아몬드의 부분을 가공하는 단계(블록 1904), 다이아몬드로부터 방출된 광을 수용하기 위해 다이아몬드에 대해 광 검출기를 위치시키는 단계(블록 1906), 및/또는 유전체 미러 필름 코팅을 다이아몬드의 부분에 도포하는 단계(블록 1908)를 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 프로세스(1900)는 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 제공하는 단계(블록 1902) 및 다이아몬드의 부분에 유전체 미러 필름 코팅을 도포하는 단계(블록 1908)를 간단히 포함할 수 있다.19 shows an implementation of a
몇몇 구현에서, 반사기를 형성하기 위한 다이아몬드의 가공(블록 1904)은 다이아몬드의 부분을 가공하여, 파라볼라 형상, 타원 형상 및/또는 임의의 다른 적합한 형상을 형성할 수 있다. 몇몇 구현에서, 다이아몬드 층은 질소 공석을 갖지 않을 수 있다.In some implementations, processing of the diamond to form a reflector (block 1904) may process a portion of the diamond to form a parabolic shape, an elliptical shape, and / or any other suitable shape. In some implementations, the diamond layer may not have nitrogen vacancies.
도 20은 DNV 센서를 형성하기 위한 다른 프로세스(2000)를 도시한다. 프로세스(2000)는 질소 공석을 갖는 다이아몬드 및 반사기를 제공하는 단계(블록 2002), 반사기가 다이아몬드로부터의 광의 부분을 반사하도록 다이아몬드를 반사기 내에 위치시키는 단계(블록 2004), 및/또는 다이아몬드로부터 방출된 광을 수용하기 위해 광 검출기를 다이아몬드에 대해 위치시키는 단계(블록 2006)를 포함한다.20 shows another
몇몇 구현에서, 반사기는 모노리식이고, 다이아몬드는 모노리식 반사기의 보어 구멍 내에 위치된다. 몇몇 구현에서 보어 구멍이 다시 채워질 수 있다. 몇몇 구현에서, 반사기는 2개 이상의 부품으로 형성될 수 있고, 반사기 내에 다이아몬드를 위치시키는 단계는 2개 이상의 부품 사이에 다이아몬드를 삽입하는 단계를 포함한다. 몇몇 경우에, 다이아몬드는 도 15 내지 도 16에 도시된 구성에서와 같이 실질적으로 평평할 수 있다. 반사기의 2개 이상의 부품은 파라볼라 형상일 수 있다. 다이아몬드는 파라볼라 반사기의 대칭축에 평행하게 위치될 수 있거나, 대칭축에 수직으로 위치될 수 있다. 다른 구현에서, 반사기의 2개 이상의 부품은 타원형일 수 있다. 다이아몬드는 타원체 반사기의 장축에 평행하게 위치될 수 있거나, 타원체 반사기의 단축에 평행하게 위치될 수 있다. 몇몇 다른 구현에서, 반사기 내에 다이아몬드를 위치시키는 것은 다이아몬드 주위에 반사기를 주조하는 단계를 포함할 수 있다.In some implementations, the reflector is monolithic and the diamond is positioned within the bore hole of the monolithic reflector. In some implementations, the bore hole may be refilled. In some implementations, the reflector may be formed of two or more parts, and placing the diamond in the reflector includes inserting diamond between the two or more parts. In some cases, the diamond can be substantially flat as in the configuration shown in Figs. 15-16. Two or more parts of the reflector may be parabolic in shape. The diamond may be positioned parallel to the axis of symmetry of the parabola reflector, or may be positioned perpendicular to the axis of symmetry. In other implementations, two or more parts of the reflector may be elliptical. The diamond may be positioned parallel to the long axis of the ellipsoidal reflector or parallel to the minor axis of the elliptical reflector. In some other implementations, positioning the diamond within the reflector can include casting a reflector around the diamond.
도 21은 본 기술의 부분 양상들을 구현하기 위한 시스템(2100)의 일례를 나타내는 도면이다. 몇몇 구현에서, 시스템(2100)은 도 11 내지 도 19를 참조하여 기재된 구현의 광 검출기로부터의 데이터 출력을 처리하기 위한 처리 시스템일 수 있다. 시스템(2100)은 하나 이상의 프로세서 또는 하나 이상의 처리 시스템을 포함 할 수 있는 처리 시스템(2102)을 포함한다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서일 수 있다. 처리 시스템(2102)은 지령들을 실행하기 위한 범용 프로세서 또는 특정 목적의 프로세서를 포함할 수 있고, 소프트웨어 프로그램을 위한 데이터 및/또는 지령들을 저장하기 위한 휘발성 또는 비 휘발성 메모리와 같은 기계 판독 가능 매체(2119)를 더 포함할 수 있다. 기계 판독 가능 매체(2110 및/또는 2119)에 저장 될 수 있는 명령들은 다양한 네트워크로의 액세스를 제어 및 관리할 뿐 아니라, 다른 통신 및 처리 기능을 제공하기 위해 처리 시스템(2102)에 의해 실행될 수 있다. 지령들은 또한 디스플레이(2112) 및 키패드(2114)와 같은 다양한 사용자 인터페이스 디바이스들을 위해 처리 시스템(2102)에 의해 실행되는 지령들을 포함할 수 있다. 처리 시스템(2102)은 입력 포트(2122) 및 출력 포트(2124)를 포함할 수 있다. 입력 포트(2122) 및 출력 포트(2124) 각각은 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 입력 포트(2122) 및 출력 포트(2124)는 동일한 포트(예를 들어, 양방향 포트)일 수 있거나 상이한 포트일 수 있다.21 is a diagram illustrating an example of a
처리 시스템(2102)은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예로서, 처리 시스템(2102)은 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있다. 프로세서는 범용 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 응용 특정 집적 회로(ASIC), 전계 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 프로그래밍 가능 로직 디바이스(PLD), 제어기, 상태 기계, 게이팅된 로직, 개별 하드웨어 성분, 또는 정보의 계산 또는 다른 조작을 수행 할 수 있는 임의의 다른 적절한 디바이스일 수 있다.The
기계 판독 가능 매체는 하나 이상의 기계 판독 가능 매체일 수 있다. 소프트웨어는 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로 코드, 하드웨어 설명 언어 또는 다른 것들로 언급되는 여부에 따라 지령들, 데이터 또는 이들의 조합을 의미하도록 광범위하게 해석될 수 있다. 지령들은 코드(예를 들어, 소스 코드 포맷, 이진 코드 포맷, 실행 가능한 코드 포맷, 또는 임의의 다른 적절한 포맷의 코드)를 포함할 수 있다.The machine-readable medium may be one or more machine-readable media. The software can be broadly interpreted to mean instructions, data, or a combination thereof depending on whether it is referred to as software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or the like. The instructions may include code (e.g., source code format, binary code format, executable code format, or any other suitable format code).
기계-판독 가능 매체(예를 들어, 2119)는 ASIC의 경우와 같이 처리 시스템에 집적된 저장부를 포함할 수 있다. 기계-판독 가능 매체(예를 들어, 2110)는 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM), 플래시 메모리, 판독 전용 메모리(ROM), 프로그래밍 가능 판독 전용 메모리(PROM), 소거 가능 PROM(EPROM), 레지스터, 하드 디스크, 제거 가능 디스크, CD-ROM, DVD, 또는 임의의 다른 적절한 저장 디바이스와 같은 처리 시스템 외부의 저장부를 포함할 수 있다. 당업자는 처리 시스템(2102)에 대해 기술된 기능을 어떻게 가장 잘 구현하는 것인지를 인식할 것이다. 본 개시의 하나의 양상에 따라, 기계 판독 가능 매체는 지령들로 인코딩되거나 저장되는 컴퓨터 판독 가능 매체이며, 계산 요소이고, 이것은 지령과 시스템의 나머지 것 사이의 구조적 및 기능적 상호 관계를 정의하며, 이것은 지령의 기능성을 실현할 수 있게 한다. 지령들은 예를 들어, 처리 시스템(2102) 또는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행가능할 수 있다. 지령은 예를 들어, 본 기술의 방법을 수행하기 위한 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램일 수 있다.The machine-readable medium (e.g., 2119) may include a storage integrated in the processing system, such as in the case of an ASIC. A machine-readable medium (e.g., 2110) may also include a random access memory (RAM), flash memory, read only memory (ROM), programmable read only memory (PROM), erasable PROM Disk, a removable disk, a CD-ROM, a DVD, or any other suitable storage device. Those skilled in the art will recognize how best to implement the described functionality for the
네트워크 인터페이스(2116)는 네트워크(예를 들어, 인터넷 네트워크 인터페이스)에 대한 임의의 유형의 인터페이스일 수 있으며, 도 21에 도시되고 버스(2104)를 통해 프로세서에 결합된 임의의 성분들 사이에 상주할 수 있다.The
디바이스 인터페이스(2118)는 디바이스에 대한 임의의 유형의 인터페이스일 수 있으며, 도 21에 도시된 임의의 성분들 사이에 상주할 수 있다. 디바이스 인터페이스(2118)는 예를 들어, 시스템(2100)의 포트(예를 들어, USB 포트)에 플러그되는(plugs) 외부 디바이스(예를 들어, USB 장치)에 대한 인터페이스일 수 있다. 몇몇 구현에서, 장치 인터페이스(2118)는 도 10 내지 도 18의 장치에 대한 인터페이스일 수 있고, 여기서 광 검출기 전자 기기에 의해 검출된 적색광의 일부 또는 전부의 분석은 처리 시스템(2102)에 의해 다루어진다.The
전술된 설명은 당업자가 본 명세서에 설명된 다양한 구성을 실시할 수 있도록 제공된다. 본 기술이 다양한 도면 및 구성을 참조하여 특히 설명되었지만, 이는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 기술의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안됨을 이해해야한다.The foregoing description is provided to enable those skilled in the art to practice the various configurations described herein. Although the present technology has been particularly described with reference to various drawings and configurations, it should be understood that it is for purposes of explanation only and is not to be construed as limiting the scope of the present technology.
전술한 특징들 및 응용들 중 하나 이상은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(대안 적으로 컴퓨터 판독 가능 매체, 기계 판독 가능 매체, 또는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로 언급됨) 상에 기록된 지령들의 세트로서 규정되는 소프트웨어 프로세스들로서 구현될 수 있다. 이들 지령들이 하나 이상의 처리 유닛(들)(예를 들어, 하나 이상의 프로세서들, 프로세서들의 코어들, 또는 다른 처리 유닛들)에 의해 실행될 때, 이들은 처리 유닛(들)이 지령들에서 지시된 동작들을 수행하게 한다. 하나 이상의 구현에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 무선 또는 유선 연결을 통해 전달되는 반송파 및 전자 신호, 또는 임의의 다른 일시적인 신호를 포함하지 않는다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장하는 유형의 물리적 객체로 완전히 제한될 수 있다. 하나 이상의 구현에서, 컴퓨터 판독 가능 매체는 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 또는 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체이다.One or more of the foregoing features and applications may be defined as a set of instructions recorded on a computer-readable storage medium (alternatively referred to as a computer-readable medium, a machine-readable medium, or a computer-readable storage medium) May be implemented as software processes. When these instructions are executed by one or more processing unit (s) (e.g., one or more processors, cores of processors, or other processing units), they may indicate that the processing unit (s) . In one or more implementations, the computer-readable medium does not include carrier and electronic signals, or any other transient signal, conveyed over a wireless or wired connection. For example, the computer-readable medium may be wholly limited to a physical object of the type storing information in a form readable by a computer. In one or more embodiments, the computer readable medium is a non-transitory computer readable medium, a computer readable storage medium, or a non-transitory computer readable storage medium.
하나 이상의 구현에서, 컴퓨터 프로그램 제품(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 스크립트 또는 코드로도 또한 알려져 있음)은 컴파일된 또는 해석된 언어, 선언적 또는 절차적 언어를 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램 또는 모듈, 성분, 서브 루틴, 객체 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 파일 시스템에서의 파일에 대응할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다. 프로그램은 다른 프로그램 또는 데이터(예를 들어, 마크업 언어 문서에 저장된 하나 이상의 스크립트)를 유지하는 파일의 부분에, 해당 프로그램에 전용인 단일 파일에, 또는 다수의 조정 파일(예를 들어, 하나 이상의 모듈, 서브 프로그램 또는 코드의 부분을 저장하는 파일)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 컴퓨터 또는 하나의 사이트에 위치된 다수의 컴퓨터 상에서 실행되거나, 또는 다수의 사이트 양단에 분배되고 통신 네으쿼느에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.In one or more implementations, a computer program product (also known as a program, software, software application, script, or code) may be written in any form of programming language including compiled or interpreted language, declarative or procedural language And may be deployed in any form including stand-alone programs or modules, components, subroutines, objects, or other units suitable for use in a computing environment. A computer program can correspond to files in the file system, but not necessarily. The program may be stored in a portion of a file that maintains other programs or data (e.g., one or more scripts stored in a markup language document), in a single file dedicated to the program, or in multiple coordination files (e.g., Module, subprogram, or file that stores portions of code). The computer programs may be executed on a single computer or on multiple computers located at a single site, or distributed across multiple sites and interconnected by communication networks.
상기 설명이 주로 소프트웨어를 실행하는 마이크로 프로세서 또는 멀티 코어 프로세서를 언급하지만, 하나 이상의 구현은 응용 특정 집적 회로(ASIC) 또는 전계 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA)와 같은 하나 이상의 집적 회로에 의해 수행된다. 하나 이상의 구현에서, 이러한 집적 회로는 회로 자체에 저장된 지령을 실행한다.While the above description refers primarily to microprocessors or multicore processors executing software, one or more implementations are performed by one or more integrated circuits, such as an application specific integrated circuit (ASIC) or an electric field programmable gate array (FPGA). In one or more implementations, such an integrated circuit executes instructions stored in the circuit itself.
하나 이상의 구현에서, 본 기술은 DNV 센서의 NV 중심에 의해 방출된 형광(예를 들어, 적색광)의 효율적인 수집을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 몇몇 양상들에서, 본 기술은 예를 들어 제한없이 첨단 센서들 및 물질들 및 구조들을 포함하는 다양한 시장들에서 사용될 수 있다.In one or more embodiments, the present technique relates to a method and system for efficient collection of fluorescence (e. G., Red light) emitted by the NV center of a DNV sensor. In some aspects, the techniques may be used in a variety of markets including, for example, without limitation, advanced sensors and materials and structures.
질소 공석 다이아몬드를 이용한 정밀도 위치 인코더/센서Precision position encoder / sensor using nitrogen vacancy diamond
위치 센서 시스템은 자기장 센서를 포함하는 위치 센서를 포함할 수 있다. 자기장 센서는 전술한 유형의 자기장 벡터를 분해할 수 있는 DNV 자기장 센서일 수 있다. 적절한 위치 인코더 성분과 조합된 DNV 자기장 센서의 높은 감도는 불연속 위치와, 불연속 위치들 사이의 비례하여 결정된 위치를 모두 분해할 수 있다. 위치 센서 시스템은 소형, 경량 및 저전력 요건을 갖는다.The position sensor system may include a position sensor including a magnetic field sensor. The magnetic field sensor may be a DNV magnetic field sensor capable of resolving a magnetic field vector of the type described above. The high sensitivity of the DNV magnetic field sensor in combination with the appropriate position encoder component can resolve both the discontinuous position and the proportionally determined position between discontinuous positions. Position sensor systems have small, lightweight and low power requirements.
도 22에 도시된 바와 같이, 위치 센서(2220)는 액추에이터(2210) 및 센서 성분(2230)을 또한 포함하는 시스템의 부분일 수 있다. 액추에이터(2210)는로드(rod) 또는 샤프트와 같은 임의의 적절한 부착 수단(2214)에 의해 위치 센서(2220)에 연결될 수 있다. 액추에이터는 전자 기계 액추에이터와 같이 원하는 운동을 생성하는 임의의 액츄에이터일 수 있다. 위치 센서(2220)는 로드 또는 샤프트와 같은 임의의 적절한 부착 수단(2224)에 의해 센서 성분(2230)에 연결될 수 있다. 제어기(2240)는 시스템에 포함될 수 있고, 각각 전자 상호 연결부(2222 및 2212)에 의해 위치 센서(2220) 및 선택적으로 액츄에이터(2210)에 연결될 수 있다. 제어기는 위치 센서(2220)로부터 측정된 위치를 수신하고 액츄에이터를 활성화 또는 비활성화하여 센서(2230)를 원하는 위치에 위치시키도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기는 위치 센서의 자기장 센서와 동일한 기판 상에 있을 수 있다. 제어기는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다.22, the
위치 센서는 회전 위치 센서일 수 있다. 도 23은 센서(2390)의 회전을 생성하도록 구성된 회전 액추에이터(2380)를 포함하는 회전 위치 센서 시스템을 도시한다. 회전 위치 인코더(2310)는 로드 또는 샤프트와 같은 연결 수단(2382)에 의해 회전 액추에이터(2380)에 연결된다. 연결 수단(2392)은 또한 회전 위치 인코더(2310)와 센서(2390) 사이에 제공된다. 위치 센서 헤드(2320)는 회전 위치 인코더(2310) 상에 위치된 자기 요소의 자기장을 측정하도록 위치된다. 위치 센서 헤드(2320)는 회전 위치 인코더의 중심으로부터 거리(r)에 있는 회전 위치 인코더(2310) 상에 위치된 자기 요소와 정렬된다. 자기 요소들을 포함하는 회전 위치 인코더(2310)의 표면은 도 24에 도시된다. 회전 위치 인코더(2310)의 중심(2440)은 회전 위치 인코더(2310)를 액추에이터(2320) 또는 센서(2390)에 연결하는 연결 수단(2392, 2394)에 부착되도록 구성될 수 있다. 균일한 거친(coarse) 자기 요소(2434) 및 테이퍼링된(tapred) 미세 자기 요소(2432)와 같은 자기 요소는 회전 위치 인코더의 중심으로부터 거리(r)에서 호(2436)를 따라 회전 위치 인코더(2310)의 표면상에 배치될 수 있다. 회전 위치 인코더(2310)상의 자기 요소들은 도 24에 도시된 바와 같이 호의 부분분에만 위치 될 수 있거나, 자기 요소들의 원을 형성하는 호의 전체 주위에 위치될 수 있다.The position sensor may be a rotational position sensor. 23 shows a rotational position sensor system that includes a
회전 위치 인코더(2310)상의 자기 요소들 사이의 간격(spacing)은 이산 각 회전(θ)과 상관된다. 이산 각 회전(θ)과 연관된 자기 요소 사이의 거리 는 r이 증가함에 따라 증가한다. 위치 센서에 사용되는 자기장 센서의 감도는 회전 위치 인코더의 각도 위치에 대해 높은 정도의 정밀도를 유지하면서 r이 감소하도록 한다. 회전 위치 인코더는 1mm 내지 약 30mm 또는 약 5mm 내지 약 20mm의 r과 같이 약 mm의 r을 가질 수 있다. 회전 위치 인코더는 0.5 마이크로-라디안의 정밀도로 회전 위치의 측정을 허용한다.The spacing between the magnetic elements on the
위치 센서는 선형 위치 센서일 수 있다. 도 25에 도시된 바와 같이, 선형 위치 센서 시스템은 선형 위치 인코더(2510) 및 센서(2590)의 선형 운동을 생성하도록 구성된 선형 액추에이터(2580)를 포함한다. 선형 위치 인코더(2510)는 로드 또는 샤프트와 같은 연결 수단(2582)에 의해 선형 엑추에이터에 연결될 수 있다. 선형 위치 인코더(2510)는 로드 또는 샤프트와 같은 연결 수단(2592)에 의해 센서(2590)에 연결될 수 있다. 위치 센서 헤드(2520)는 선형 위치 인코더에 배치된 자기 요소에 의해 생성된 자기장을 측정하도록 위치된다. 몇몇 경우에, 레버 아암과 같은 기계적 연결 장치(linkage)는 센서의 연관된 이동에 대한 선형 위치 인코더의 위치에서의 변화를 증식시키는데 이용될 수 있다. 선형 위치 센서는 500 nm의 위치 변화와 같이 분해될 수백 나노 미터 상의 위치에서의 변화를 허용하는 감도를 가질 수 있다.The position sensor may be a linear position sensor. 25, the linear position sensor system includes a
자기 요소는 임의의 적절한 구성으로 선형 또는 회전 위치 인코더 상에 배치될 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 자기 요소들은 균일한 거친 자기 요소들(2634) 및 테이퍼링된 미세 자기 요소들(2632) 모두를 포함할 수 있다. 균일한 거친 자기 요소들(2634)은 테이퍼링된 미세 자기 요소들(2634)의 최대 영향보다 적어도 2자릿수 더 큰 국부 자기장 상의 영향을 가질 수 있다. 거친 자기 요소들(2634)은 임의의 적절한 프로세스에 의해 위치 인코더 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 자기 물질로 로딩된 폴리머는 균일한 거친 자기 요소를 형성하는데 이용될 수 있다. 거친 자기 요소에 포함될 수 있는 자기 물질의 양은 시스템에서의 다른 요소와의 잠재적 간섭에 의해 제한된다.The magnetic element can be placed on a linear or rotational position encoder in any suitable configuration. As shown in FIG. 26, magnetic elements may include both homogeneous rough
테이퍼링된 미세 자기 요소는 위치 인코더 상의 임의의 적절한 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 자기 물질로 로딩된 폴리머가 테이퍼링된 미세 자기 요소를 형성하는데 이용될 수 있다. 폴리머 내의 자기 물질의 로딩은 테이퍼링된 미세 자기 요소의 제 1 단부로부터 테이퍼링된 미세 자기 요소의 제 2 단부까지 자기장 경사도를 생성하도록 증가될 수 있다. 대안적으로, 테이퍼링된 미세 자기 요소의 기하학적 크기는 원하는 자기장 경사도를 생성하도록 증가될 수 있다. 테이퍼링된 미세 자기 요소의 자기장 경사도는 약 10 nT/mm일 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같은 테이퍼링된 미세 자기 요소(2632)는 거친 자기 요소들(2634) 사이의 위치가 정확하게 분해되도록 한다. 자기 요소가 배치되는 위치 인코더는 세라믹, 유리, 폴리머 또는 비자기 금속 물질과 같은 임의의 적절한 물질로 형성될 수 있다.The tapered micro-magnetic element may be formed by any suitable process on the position encoder. According to one embodiment, a polymer loaded with a magnetic material can be used to form the tapered micro-magnetic element. The loading of the magnetic material within the polymer may be increased to produce a magnetic field gradient from the first end of the tapered micro-magnetic element to the second end of the tapered micro-magnetic element. Alternatively, the geometric size of the tapered micro-magnetic element may be increased to produce the desired magnetic field gradient. The magnetic field gradient of the tapered micro-magnetic element may be about 10 nT / mm. The tapered
자기 요소의 크기는 제조 능력에 의해 제한된다. 위치 인코더상의 자기 요소는 약 5 nm와 같이 약 나노 미터의 기하학적 특징을 가질 수 있다.The size of the magnetic element is limited by manufacturing capability. The magnetic element on the position encoder may have a geometric feature of about nanometers, such as about 5 nm.
도 27은, 테이퍼링된 미세 자기 요소에 의해 제공되는 추가적인 정밀도가 요구되지 않을 때 이용될 수 있는 대안적인 자기 요소 배치를 도시한다. 도 27의 자기 요소 배치는 거친 자기 요소(2634)만을 포함한다. 도 13은 거친 자기 요소들을 포함하지 않는 자기 요소 배치를 도시한다. 거친 자기 요소(2634)와 유사한 효과는, 도 26 및 도 27에 도시된 거친 자기 요소들이 적소의 이산 변화를 나타내는 동일한 방식으로 테이퍼링된 미세 자기 요소(2632)의 최대치와 인접한 테이퍼링된 미세 자기 요소의 최소치 사이의 전이를 지시자로서 이용함으로써 달성될 수 있다. 도 26 내지 도 18이 선형 형태의 자기 요소 배치를 도시하지만, 유사한 자기 요소 배치는 회전 위치 인코더에 적용될 수 있다.Figure 27 shows an alternative magnetic element arrangement that may be used when additional precision provided by tapered micro-magnetic elements is not required. The magnetic element arrangement of FIG. 27 includes only the coarse
대안적인 실시예에 따르면, 단일 테이퍼링된 자기 요소가 이용될 수 있다. 이러한 구성은 작은 위치 범위가 요구되는 응용에 특히 적합할 수 있는데, 이는 더 큰 위치 범위에 대해, 자기 요소의 증가하는 경사도를 갖는 자기장의 증가가 위치 센서 시스템의 다른 성분들과 간섭할 수 있기 때문이다. 단일의 테이퍼링된 자기 요소의 사용은 위치 인코더를 알려진 위치로 설정함으로써 위치 센서를 먼저 초기화하지 않고 위치가 결정되도록 할 수 있다. 자기장 벡터를 분해하는 자기장 센서의 능력은, 단일 테이퍼링된 미세 자기 요소가 위치 인코더 상에 사용될 때 단일 자기장 센서가 위치 센서 헤드에 사용될 수 있게 한다.According to an alternative embodiment, a single tapered magnetic element can be used. This configuration may be particularly suitable for applications requiring a small range of positions because, for a larger range of positions, an increase in the magnetic field with an increasing gradient of magnetic elements can interfere with other components of the position sensor system to be. The use of a single tapered magnetic element can cause the position sensor to be determined without first initializing the position sensor by setting the position encoder to a known position. The ability of a magnetic field sensor to degrade a magnetic field vector allows a single magnetic field sensor to be used in the position sensor head when a single tapered micro-magnetic element is used on the position encoder.
위치 센서 헤드(2620)는 도 29에 도시된 바와 같이 복수의 자기장 센서를 포함할 수 있다. 하나보다 많은 요소를 포함하는 자기 요소 배치에 대해, 적어도 2개의 자기장 센서(2624 및 2622)는 위치 헤드 센서에 이용될 수 있다. 자기장 센서들은 거리(a)만큼 분리될 수 있다. 자기 센서(2622 및 2624) 사이의 거리(a)는 거친 자기 요소(2634) 사이의 거리(d)보다 짧을 수 있다. 일실시예에 따르면, 자기장 센서의 간격과 거친 자기 요소의 간격 사이의 관계는 0.1d <a <d일 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 위치 센서 헤드(2620)는 제 3 및 제 4 자기장 센서를 포함할 수 있다. 위치 센서 헤드 에서의 자기장 센서는 전술한 유형의 DNV 자기장 센서일 수 있다.The
도 29에 도시된 위치 센서 헤드(2620)에서의 자기장 센서 배치는 위치 인코더의 이동 방향이 결정되도록 한다. 도 30에 도시된 바와 같이, 자기장 센서(2624, 2622) 사이의 간격은 위치 인코더가 이동함에 따라 자기장 요소에 대한 지연된 응답을 생성한다. 각각의 자기장 센서에 대한 측정된 자기장의 차이는, 위치 인코더의 임의의 주어진 위치에 대해 각 자기장 센서에 의해 상이한 출력 자기장이 측정되기 때문에 위치 인코더의 이동 방향이 결정되도록 한다. 도 30에서의 플롯의 증가 부분은 테이퍼링된 미세 자기 요소에 의해 생성되고, 정사각형 피크는 거친 자기 요소에 의해 생성된다. 이러한 측정된 자기장은 위치 인코더, 이에 의해 위치 인코더에 연결된 센서의 위치에서의 변화를 결정하기 위해 이용될 수 있다.The arrangement of the magnetic field sensors in the
위치 센서 시스템의 제어기는 자기장 센서로부터의 출력을 이용하여 위치 인코더의 위치를 결정하고 이에 따라 그에 연결된 센서의 위치를 결정하도록 프로그래밍될 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 제어기는, 거친 자기 요소가 자기 센서를 통과했을 때를 결정하는 라인 횡단 논리(402) 기능을 포함할 수 있다. 2개의 자기장 센서(B1 및 B2)로부터의 출력은, 자기장 센서에 의해 거친 자기 요소가 마주친 순서에 기초하여 위치 변화의 방향을 결정하고, 자기장 센서에 의해 측정된 거친 자기 요소의 수를 계수하는데 이용될 수 있다. 각각의 거친 자기 요소는 위치 인코더상의 거친 자기 요소들 사이의 알려진 간격으로 인하여 위치 변화의 알려진 양을 부가한다. 요소 경사도 로직 처리 기능(400)은 거친 자기 요소들 사이에 위치된 테이퍼링된 미세 자기 요소에 의해 생성된 자기장 신호에 기초하여 거친 자기 요소들 사이의 위치를 결정하도록 제어기에서 프로그래밍된다. 도 31에 도시된 바와 같이, 요소 경사도 로직 처리부(400)는, 라인 횡단 로직이 그 위치가 거친 자기 요소들 또는 라인들 사이에 있다고 결정할 때에만 이용된다. 위치가 거친 자기 요소들 사이에 있는 것으로 결정되는 경우, 테이퍼링된 미세 자기 요소들과 연관된 자기장에 기초하여 위치 보정(δθ)이 계산된다. 그 후, 위치 보정은 계수된 거친 자기 요소의 수로부터 계산된 위치 변화의 합에 더해진다. 최종 위치는 계산된 위치 변화를 위치 인코더의 시작 위치에 더함으로써 계산될 수 있다. 제어기에서의 로직 처리는 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 수행될 수 있다.The controller of the position sensor system can be programmed to determine the position of the position encoder using the output from the magnetic field sensor and thus the position of the sensor connected thereto. 31, the controller may include a line traversal logic 402 function that determines when coarse magnetic elements have passed through the magnetic sensor. The outputs from the two magnetic field sensors B1 and B2 determine the direction of the position change based on the order in which the magnetic elements encountered by the magnetic field sensor and count the number of coarse magnetic elements measured by the magnetic field sensor Can be used. Each coarse magnetic element adds a known amount of position variation due to the known spacing between coarse magnetic elements on the position encoder. The element gradient processing function 400 is programmed in the controller to determine the position between the coarse magnetic elements based on the magnetic field signal generated by the tapered micro-magnetic element located between the coarse magnetic elements. As shown in FIG. 31, the element gradient processing section 400 is used only when the line traversal logic determines that the position is between coarse magnetic elements or lines. If the position is determined to be between rough magnetic elements, the position correction ?? is calculated based on the magnetic field associated with the tapered micro-magnetic elements. The position correction is then added to the sum of the position changes calculated from the number of counted coarse magnetic elements. The final position can be calculated by adding the calculated position change to the start position of the position encoder. Logic processing at the controller may be performed by analog or digital circuitry.
위치 센서는 위치 인코더의 위치를 제어하기 위한 방법에 사용될 수 있다. 방법은 원하는 위치에 도달하는데 필요한 이동 방향을 결정하는 단계와, 원하는 움직임을 생성하도록 액추에이터를 활성화하는 단계를 포함한다. 위치 센서는 위치 인코더의 위치에서의 변화를 모니터링하고, 액츄에이터를 비활성화하고 위치에서의 변화를 중지할 때를 결정하는데 사용된다. 원하는 위치에 도달하면 위치에서의 변화는 중지될 수 있다. 방법은 위치 인코더를 알려진 시작점으로 이동시킴으로써 위치 센서 시스템을 초기화하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 위치 인코더의 종료 위치는 액추에이터의 비활성화 후에 결정될 수 있으며, 종료 위치는 추후 이동을 위한 시작 위치로서 위치 센서 제어기의 메모리에 저장될 수 있다.The position sensor may be used in a method for controlling the position of the position encoder. The method includes determining a direction of movement required to reach a desired position and activating an actuator to produce a desired motion. The position sensor is used to monitor changes in the position of the position encoder and to determine when to deactivate the actuator and stop changing at the position. When the desired position is reached, the change in position can be stopped. The method may further include initializing the position sensor system by moving the position encoder to a known starting point. The end position of the position encoder may be determined after deactivation of the actuator and the end position may be stored in the memory of the position sensor controller as a start position for further movement.
위치 센서 시스템이 위치 인코더의 거친 자기 요소들 사이의 위치를 결정하는 능력은 많은 실질적인 이점을 제공한다. 예를 들어, 위치 센서 시스템의 크기, 중량 및 전력 요건을 감소시키면서, 위치 인코더 및 연관 센서의 위치를 더 정확하게 알 수 있다. 추가로, 이산 위치 이동의 해상도를 제공하는 위치 제어 시스템은 원하는 위치가 2개의 이산 위치 값 사이에 있을 때 디더링을 초래할 수 있다. 디더링은, 제어 시스템이 반복적으로 원하는 위치에 도달하려고 시도할 때 액추에이터의 원하지 않는 진동 및 과열을 초래할 수 있다.The ability of the position sensor system to determine the position between the coarse magnetic elements of the position encoder provides many practical advantages. For example, the location of the position encoder and associated sensor can be more accurately known, while reducing the size, weight, and power requirements of the position sensor system. Additionally, a position control system that provides resolution of discrete position shifting can result in dithering when the desired position is between two discrete position values. Dithering may result in undesirable vibration and overheating of the actuator when the control system repeatedly attempts to reach the desired position.
전술한 위치 센서 시스템의 특징은 정밀도, 크기, 중량 및 전력 요건이 중요한 고려 사항인 응용에 특히 적합하게 만든다. 위치 센서 시스템은 우주선과 같은 우주 비행 응용에 매우 적합하다. 위치 센서 시스템은 로봇 암, 3차원 밀, 가공 툴 및 X-Y 테이블에도 적용할 수 있다.The features of the position sensor system described above make it particularly suitable for applications where precision, size, weight and power requirements are important considerations. Position sensor systems are well suited for space flight applications such as spacecraft. The position sensor system is also applicable to robot arm, three-dimensional mill, machining tool and X-Y table.
위치 센서 시스템은 다양한 센서 및 다른 디바이스의 위치를 제어하는데 사용될 수 있다. 위치 센서 시스템으로 제어될 수 있는 센서의 비 제한적 예는 광학 센서이다.The position sensor system can be used to control the position of various sensors and other devices. A non-limiting example of a sensor that can be controlled by a position sensor system is an optical sensor.
마그니오를Magnoni 통한 통신 Communication through
전파는 정보를 위한 캐리어로서 사용될 수 있다. 따라서, 송신기는 하나의 장소에서 전파를 변조할 수 있고, 다른 장소에서의 수신기는 변조된 전파를 검출하고 신호를 복조하여 정보를 수신할 수 있다. 전파를 통해 정보를 전송하는데 여러 가지 다른 방법을 사용할 수 있다. 그러나, 그러한 모든 방법은 전송되는 정보를 위한 전파로서 전파를 사용한다.Propagation can be used as a carrier for information. Thus, the transmitter can modulate the radio wave in one place, and the receiver in another place can detect the modulated radio wave, demodulate the signal, and receive the information. Several different methods can be used to transmit information through radio waves. However, all such methods use radio waves as radio waves for information to be transmitted.
그러나, 전파는 모든 통신 방법에 적합하지 않다. 예를 들어 전파는 몇몇 물질에 의해 크게 감쇄될 수 있다. 예를 들어 전파는 일반적으로 물을 통해 잘 이동하지 못한다. 따라서 물을 통한 통신은 전파를 사용하여 어려울 수 있다. 유사하게, 전파는 지면에 의해 크게 감쇄될 수 있다. 따라서 예를 들어 석탄 또는 다른 광산에 대한 지면을 통한 무선 통신은 어려울 수 있다. 금속 동봉부(enclosure)로부터 전파를 통해 무선으로 통신하는 것은 종종 어렵다. 전파가 벽, 나무 또는 다른 장애물과 같은 물질을 통과함에 따라 전파 신호의 세기는 감소될 수 있다. 더욱이, 전파를 통한 통신은 널리 사용되고 이해된다. 따라서, 전파를 이용한 비밀 통신은 정보의 기밀성을 유지하기 위해 복잡한 방법 및 장치를 필요로 한다.However, radio waves are not suitable for all communication methods. For example, radio waves can be greatly attenuated by some substances. For example, radio waves generally do not travel well through water. Therefore, communication through water can be difficult using radio waves. Similarly, radio waves can be greatly attenuated by the ground. Thus, for example, wireless communications over the ground for coal or other mines may be difficult. It is often difficult to communicate wirelessly from a metal enclosure via radio waves. As the radio waves pass through materials such as walls, trees or other obstacles, the intensity of the radio signal can be reduced. Moreover, communication via radio waves is widely used and understood. Thus, confidential communications using radio waves require complex methods and devices to maintain the confidentiality of information.
본 명세서에 기재된 몇몇 실시예에 따르면, 무선 통신은 정보를 위한 캐리어로서 전파를 사용하지 않고 달성된다. 오히려 변조된 자기장은 정보를 전송하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 송신기는 코일 또는 인덕터를 포함 할 수 있다. 전류가 코일을 통과할 때, 코일 주위에 자기장이 발생한다. 코일을 통과하는 전류는 변조되어, 자기장을 변조 할 수 있다. 따라서, 변조된 전기 신호(예를 들어, 코일을 통해 변조된 전류)로 변환된 정보는 정보를 자기장으로 전달하는데 사용될 수 있다. 자기장을 모니터링하기 위해 자력계가 사용될 수 있다. 그러므로, 변조된 자기장은 (예를 들어, 정보를 전달하기 위해 전류를 사용하여) 기존의 전기 시스템으로 변환될 수 있다. 따라서, 통신 신호는 자기장으로 변환될 수 있고, 원격 수신기(예를 들어, 자력계)는 변조된 자기장으로부터 통신을 검색하는데 사용될 수 있다.According to some embodiments described herein, wireless communication is accomplished without using radio waves as a carrier for information. Rather, a modulated magnetic field can be used to transmit information. For example, the transmitter may comprise a coil or an inductor. When a current passes through the coil, a magnetic field is generated around the coil. The current through the coil is modulated and the magnetic field can be modulated. Thus, information converted into a modulated electrical signal (e.g., a current modulated through a coil) can be used to transfer information to the magnetic field. A magnetometer can be used to monitor the magnetic field. Thus, the modulated magnetic field can be converted to an existing electrical system (e.g., using current to convey information). Thus, the communication signal can be converted to a magnetic field, and a remote receiver (e.g., a magnetometer) can be used to retrieve the communication from the modulated magnetic field.
질소 공석(DNV)을 갖는 다이아몬드가 자기장을 측정하는데 사용될 수 있다. DNV 센서는 일반적으로 자기장에 대한 신속한 반응을 갖고, 전력을 거의 소비하지 않으며, 정확하다. 다이아몬드는 다이아몬드의 격자 구조에 질소 공석(NV) 중심으로 제조될 수 있다. NV 중심이 광, 예를 들어 녹색 광 및 마이크로파 방사선에 의해 여기될 때, NV 중심은 여기 광과 다른 주파수의 광을 방출한다. 예를 들어, 녹색 광은 NV 중심을 여기하는데 사용될 수 있고, 적색광은 NV 중심에서 방출될 수 있다. NV 중심에 자기장이 인가되면, NV 중심에서 방출되는 광의 주파수가 변화된다. 추가로, 자기장이 NV 중심에 인가되면, NV 중심이 여기되는 마이크로파의 주파수가 변화된다. 따라서, DNV를 통해 녹색광(또는 임의의 다른 적절한 컬러)을 비추고 DNV로부터 방출된 광 및 NV 중심을 여기시키는 마이크로파 복사선의 주파수를 모니터링함으로써, 자기장이 모니터링될 수 있다.Diamond with nitrogen vacancy (DNV) can be used to measure the magnetic field. DNV sensors typically have a fast response to magnetic fields, consume little power, and are accurate. Diamonds can be produced centered on nitrogen vacancies (NV) in the lattice structure of the diamond. When the NV center is excited by light, for example green light and microwave radiation, the NV center emits light of a different frequency than the excitation light. For example, green light can be used to excite the NV center, and red light can be emitted from the NV center. When a magnetic field is applied to the center of the NV, the frequency of the light emitted from the center of the NV changes. In addition, when a magnetic field is applied to the center of the NV, the frequency of the microwave whose center of the NV is excited is changed. Hence, the magnetic field can be monitored by illuminating the green light (or any other suitable color) through the DNV and monitoring the frequency of the microwave radiation that excites the NV center and the light emitted from the DNV.
다이아몬드의 NV 중심은 4개의 스핀 상태 중 하나에 배향된다. 각 스핀 상태는 양의 방향 또는 음의 방향일 수 있다. 하나의 스핀 상태의 NV 중심은 다른 스핀 상태의 NV 중심과 동일한 자기장에 응답하지 않는다. 자기장 벡터는 크기 및 방향을 갖는다. 다이아몬드(및 NV 중심)에서 자기장의 방향에 따라, NV 중심의 일부는 NV 중심의 스핀 상태에 기초하여 다른 것보다 자기장에 의해 더 여기될 것이다.The NV center of the diamond is oriented in one of the four spin states. Each spin state may be positive or negative. The NV center of one spin state does not respond to the same magnetic field as the NV center of the other spin state. The magnetic field vector has a magnitude and direction. Depending on the direction of the magnetic field in the diamond (and NV center), a portion of the NV center will be excited more by the magnetic field than others based on the spin state of the NV center.
도 32a 및 도 32b는 예시적인 실시예에 따른 DNV 센서의 주파수 응답을 나타내는 그래프이다. 도 32a 및 도 32b는 단지 예시적인 것을 의미하며 제한하려는 것은 아니다. 도 32a 및 도 32b는 x-축 상의 DNV 센서에 인가된 마이크로파의 주파수 대 다이아몬드로부터 방출된 특정 주파수(예를 들어, 적색)의 광량을 도시한다. 도 32a는 다이아몬드에 인가된 자기장이 없는 DNV 센서의 주파수 응답이고, 도 32b는 다이아몬드에 인가된 70 가우스(G) 자기장을 갖는 DNV 센서의 주파수 응답이다.32A and 32B are graphs showing the frequency response of a DNV sensor according to an exemplary embodiment. Figures 32A and 32B are meant to be illustrative only and not intended to be limiting. Figures 32A and 32B show the frequency of the microwave applied to the DNV sensor on the x-axis versus the amount of light at a particular frequency (e. G., Red) emitted from the diamond. 32A is the frequency response of a DNV sensor with no magnetic field applied to the diamond, and FIG. 32B is the frequency response of a DNV sensor with a 70 Gauss (G) magnetic field applied to the diamond.
도 32a에 도시된 바와 같이, 자기장이 DNV 센서에 인가되지 않을 때, 주파수 응답에 2개의 노치가 존재한다. DNV 센서에 자기장이 인가되지 않으면, 스핀 상태를 분해할 수 없다. 즉, 자기장이 없으면, 다양한 스핀 상태를 갖는 NV 중심이 동일하게 여기되고, 동일한 주파수의 광을 방출한다. 도 32a에 도시된 두 개의 노치는 양 및 음의 스핀 방향의 결과이다. 두 개의 노치의 주파수는 축 방향 제로 필드 분할 파라미터이다.As shown in FIG. 32A, when a magnetic field is not applied to the DNV sensor, there are two notches in the frequency response. If the magnetic field is not applied to the DNV sensor, the spin state can not be disassembled. That is, in the absence of a magnetic field, NV centers having various spin states are equally excited and emit light of the same frequency. The two notches shown in Figure 32A are the result of positive and negative spin directions. The frequency of the two notches is an axial zero field division parameter.
자기장이 DNV 센서에 인가 될 때, 스핀 상태는 주파수 응답에서 분해 가능하게 된다. 특정 스핀 상태의 NV 중심의 자기장에 의한 여기에 따라, 주파수 응답 그래프에서 양 및 음의 방향에 대응하는 노치가 분리된다. 도 32b에 도시된 바와 같이, 자기장이 DNV 센서에 인가될 때, 그래프 상에 8개의 노치가 나타난다. 8개의 노치는 4쌍의 대응하는 노치이다. 각각의 노치 쌍에 대해, 하나의 노치는 양의 스핀 상태에 대응하고, 하나의 노치는 음의 스핀 상태에 대응한다. 노치의 각 쌍은 NV 중심의 네 가지 스핀 상태 중 하나에 대응한다. 한 쌍의 노치가 축 방향 제로 필드 분할 파라미터로부터 벗어나는 양은 자기장이 대응하는 스핀 상태의 NV 중심을 얼마나 강하게 여기하는지에 의존한다.When a magnetic field is applied to the DNV sensor, the spin state becomes resolvable in the frequency response. According to excitation by the NV center magnetic field of a particular spin state, notches corresponding to positive and negative directions in the frequency response graph are separated. As shown in FIG. 32B, when a magnetic field is applied to the DNV sensor, eight notches appear on the graph. The eight notches are four pairs of corresponding notches. For each notch pair, one notch corresponds to a positive spin state, and one notch corresponds to a negative spin state. Each pair of notches corresponds to one of the four spin states of the NV center. The amount by which a pair of notches deviate from the axial zero field division parameter depends on how strongly the magnetic field excites the NV center of the corresponding spin state.
상술한 바와 같이, 한 지점에서의 자기장은 크기 및 방향으로 특징지어 질 수 있다. 자기장의 크기를 변경함으로써, 모든 NV 중심이 유사하게 영향을 받을 것이다. 일례로 도 32a의 그래프를 이용하여, 한 쌍의 2.87 GHz에서 다른 쌍까지의 거리의 비율은 자기장의 크기가 변경될 때 동일하게 유지될 것이다. 크기가 증가함에 따라, 각 쌍은 다른 쌍과는 다른 속도로 움직이지만, 각 노치 쌍은 일정한 속도로 2.87 GHz에서 멀어지게 이동한다.As described above, the magnetic field at one point can be characterized by magnitude and direction. By changing the magnitude of the magnetic field, all NV centers will be similarly affected. Using the graph of Fig. 32A as an example, the ratio of the distance from a pair of 2.87 GHz to the other pair will remain the same when the magnitude of the magnetic field is changed. As the size increases, each pair moves at a different speed than the other pair, but each notch pair travels away from the 2.87 GHz at a constant rate.
그러나, 자기장의 방향이 변경되는 경우, 한 쌍의 노치는 서로 유사한 방식으로 움직이지 않는다. 도 33a는 예시적인 실시예에 따른 NV 중심 스핀 상태들의 도면이다. 도 33a는 NV 중심의 4개의 스핀 상태를 개념적으로 도시한다. 스핀 상태는 NV A, NV B, NV C 및 NV D로 표시된다. 벡터(3301)는 스핀 상태에 관한 제 1 자기장 벡터의 표현이고, 벡터(3302)는 스핀 상태에 대한 제 2 자기장 벡터의 표현이다. 벡터(3301)와 벡터(3302)는 동일한 크기이지만, 방향이 다르다. 따라서, 방향의 변화에 기초하여, 다양한 스핀 상태는 스핀 상태의 방향에 따라 상이하게 영향을 받을 것이다.However, when the direction of the magnetic field is changed, the pair of notches do not move in a manner similar to each other. 33A is a diagram of NV centered spin states in accordance with an exemplary embodiment. 33A conceptually shows four spin states in the NV center. The spin states are denoted as NV A, NV B, NV C and
도 33b는 예시적인 실시예에 따라 변화된 자기장에 응답하는 DNV 센서의 주파수 응답을 예시하는 그래프이다. 주파수 응답 그래프는 벡터(3301) 및 벡터(3302)에 대응하는 자기장으로부터 DNV 센서의 주파수 응답을 도시한다.도 33b에 도시된 바와 같이, NV A 및 NV D 스핀 상태에 대응하는 노치는 벡터(3301) 내지 벡터(3302)로 축 방향 제로 필드 분할 파라미터에 더 가까이 이동하였고, NV C 스핀 상태의 음의 노치(예를 들어, 더 낮은 주파수 노치)는 축 제로 필드 분할 파라미터로부터 멀리 이동하고, NV C 스핀 상태의 양(예를 들어, 고주파수 노치)은 본질적으로 동일하게 유지되고, NV B 스핀 상태에 대응하는 노치는 주파수가 증가한다(예를 들어, 그래프에서 오른쪽으로 이동). 따라서, 노치의 주파수 응답에서의 변화를 모니터링함으로써, DNV 센서는 자기장의 방향을 결정할 수 있다.33B is a graph illustrating the frequency response of a DNV sensor in response to a changed magnetic field in accordance with an exemplary embodiment. The frequency response graph shows the frequency response of the DNV sensor from the magnetic field corresponding to
추가로, 상이한 방향의 자기장이 동시에 변조될 수 있고, 각각의 변조가 DNV 센서에 의해 구별되거나 식별 될수 있다. 예를 들어, NV A 방향의 자기장은 제 1 패턴으로 변조될 수 있고, NV B 방향의 자기장은 제 2 패턴으로 변조될 수 있으며, NV C 방향의 자기장은 제 3 패턴으로 변조될 수 있고, NV D 방향의 자기장은 제 4 패턴으로 변조될 수 있다. 다양한 스핀 상태에 대응하는 주파수 응답에서 노치의 이동은 4개의 패턴 각각을 결정하기 위해 모니터링될 수 있다.In addition, magnetic fields in different directions can be modulated simultaneously, and each modulation can be distinguished or identified by a DNV sensor. For example, the magnetic field in the NV A direction may be modulated in the first pattern, the magnetic field in the NV B direction may be modulated in the second pattern, the magnetic field in the NV C direction may be modulated in the third pattern, And the magnetic field in the direction D can be modulated into the fourth pattern. Movement of the notch in the frequency response corresponding to the various spin states can be monitored to determine each of the four patterns.
그러나, 몇몇 실시예에서, 수신기의 DNV 센서의 다양한 스핀 상태에 대응하는 자기장의 방향은 송신기에 의해 알려지지 않을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 스핀 상태들 중 적어도 3개를 모니터링함으로써, 서로 직교하는 2개의 자기장 상에서 송신된 메시지들이 암호 해독될 수 있다. 유사하게, 4개의 스핀 상태의 주파수 응답을 모니터링함으로써, 서로 직교하는 3개의 자기장에서 송신된 메시지가 암호 해독될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 2개 또는 3개의 독립적인 신호들은 2개 또는 3개 신호들을 수신하고 암호 해독하는 수신기에 동시에 송신될 수 있다. 그러한 실시예들은 다중-입력 다중-출력(MIMO) 시스템일 수 있다. 자기장 채널의 편파에서의 다이버시티(diversity)는 전형적으로 키홀(keyhole) 채널을 통해 전체 랭크 채널 행렬을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 전체 랭크 채널 행렬은, MIMO 기술이 모든 자유도(예를 들어, 3의 편파도)를 이용하도록 허용한다. 정보를 전송하기 위해 자기장을 사용하는 것은 무선 주파수 필드를 전파하는 것이 가질 수 있는 키홀 효과를 피할 수 있다.However, in some embodiments, the direction of the magnetic field corresponding to the various spin states of the DNV sensor of the receiver may not be known by the transmitter. In these embodiments, by monitoring at least three of the spin states, messages transmitted on two mutually orthogonal magnetic fields can be decrypted. Similarly, by monitoring the frequency response of the four spin states, a message transmitted in three mutually orthogonal magnetic fields can be decrypted. Thus, in some embodiments, two or three independent signals may be transmitted simultaneously to a receiver that receives and decodes two or three signals. Such embodiments may be a multiple-input multiple-output (MIMO) system. The diversity in the polarization of the magnetic field channels typically provides the entire rank channel matrix over a keyhole channel. In an exemplary embodiment, the full rank channel matrix allows the MIMO technique to use all degrees of freedom (e. G., 3 degrees of polarization). Using a magnetic field to transmit information avoids the keyhole effect that it may have to propagate through the radio frequency field.
도 34는 예시적인 실시예에 따른 자기 통신 시스템의 블록도이다. 예시적인 마그니오 시스템(3400)은 입력 데이터(3405, 3410), 송신기(3445), 변조된 자기장(3450), 자력계(3455), 마그니오 수신기(3460) 및 출력 데이터(3495)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 요소들이 사용될 수 있다.34 is a block diagram of a magnetic communication system in accordance with an exemplary embodiment. The
예시적인 실시예에서, 입력 데이터(3405)는 마그니오 시스템(3400)에 입력되고, 무선으로 송신되며, 출력 데이터(3495)는 입력 데이터(3405)의 생성으로부터 떨어진 장소에서 생성된다. 예시적인 실시예에서, 입력 데이터(3405) 및 출력 데이터(3495)는 동일한 정보를 포함한다.In an exemplary embodiment, the
예시적인 실시예에서, 입력 데이터(3405)는 마그니오 송신기(3410)로 송신된다. 마그니오 송신기(3410)는 송신을 위해 입력 데이터(3405)에서 수신된 정보를 준비할 수 있다. 예를 들어, 마그니오 송신기(3410)는 입력 데이터(3405)의 정보를 인코딩 또는 암호화할 수 있다. 마그니오 송신기(3410)는 정보를 송신기(3445)에 송출할 수 있다.In an exemplary embodiment,
송신기(3445)는 하나 이상의 자기장을 통해 광 송신기(3410)로부터 수신된 정보를 송신하도록 구성된다. 송신기(3445)는 1, 2, 3 또는 4개의 자기장 상의 정보를 송신하도록 구성될 수 있다. 즉, 송신기(3445)는 제 1 방향으로 배향된 자기장을 통해 정보를 송신할 수 있고, 제 2 방향으로 배향된 자기장을 통해 정보를 송신할 수 있고, 제 3 방향으로 배향된 자기장을 통해 정보를 송신할 수 있고, 및/또는 제 4 방향으로 배향된 자기장을 통해 정보를 송신할 수 있다. 송신기(3445)가 2개 또는 3개의 자기장을 통해 정보를 송신하는 몇몇 실시예에서, 자기장은 서로 직교할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 자기장은 서로 직교하지 않는다.
송신기(3445)는 변조된 자기장을 생성하도록 구성된 임의의 적절한 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 송신기(3445)는 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 각 코일은 중심축 주위에 감겨진 도체일 수 있다. 예를 들어, 정보가 3개의 자기장을 통해 송신되는 실시예에서, 송신기(3445)는 3개의 코일을 포함할 수 있다. 각 코일의 중심축은 다른 코일의 중심축에 직교가 될 수 있다.
송신기(3445)는 변조된 자기장(3450)을 생성한다. 자력계(3455)는 변조된 자기장(3450)을 검출할 수 있다. 자력계(3455)는 송신기(3445)로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 예를 들어, 코일(예를 들어, 송신기)을 통해 약 10 암페어의 전류와 약 100 나노 테슬라의 감도를 갖는 자력계(3455)로. 송신기와 수신기 사이의 수 미터로, 그리고 패러데이 케이지 내부의 자력계(3455)로 메시지가 완전히 송출되고, 수신되고, 복원될 수 있다. 자력계(3455)는 3 또는 4개 방향을 따라 변조된 자기장(3450)을 측정하도록 구성 될 수 있다. 전술한 바와 같이, DNV 센서를 사용하는 자력계(3455)는 4개의 스핀 상태와 연관된 4개의 방향을 따라 자기장을 측정할 수 있다. 자력계(3455)는 주파수 응답 정보와 같은 정보를 마그니오 수신기(3460)에 송신할 수 있다.
마그니오 수신기(3460)는 자력계(3455)로부터 수신된 정보를 분석하고, 신호 내의 정보를 암호 해독할 수 있다. 마그니오 수신기(3460)는 입력 데이터(3405)에 포함된 정보를 재구성하여 출력 데이터(3495)를 생성할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 데이터 패킷 생성기(3415), 외부 인코더(3420), 인터리버(3425), 내부 인코더(34340), 인터리버(34345) 및 출력 패킷 생성기(3440)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가, 더 적은 및/또는 상이한 요소들이 사용될 수 있다. 마그니오 송신기(310)의 다양한 성분들은 개별적인 성분들로서 도 34에 도시되어 있으며, 단지 예시적인 것을 의미한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 다양한 성분이 조합될 수 있다. 또한, 화살표의 사용은 동작 또는 정보의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 마그니오 송신기(3410)의 임의의 성분은 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
입력 데이터(3405)는 데이터 패킷 생성기(3415)로 송출될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 입력 데이터(3405)는 일련의 비트 또는 비트 스트림이다. 데이터 패킷 생성기(3415)는 비트 스트림을 정보 패킷으로 분해할 수 있다. 패킷은 임의의 적절한 크기일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 데이터 패킷 생성기(3415)는 송신 관리 정보를 포함하는 헤더를 패킷에 부가하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 헤더는 체크섬과 같은 에러 검출에 사용되는 정보를 포함할 수 있다. 임의의 적합한 헤더가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 데이터(3405)는 패킷으로 분해되지 않는다.The
데이터 패킷 생성기(3415)에 의해 생성된 데이터 스트림은 외부 인코더(3420)로 송출될 수 있다. 외부 인코더(3420)는 임의의 적합한 암호 또는 코드를 사용하여 스트림을 암호화 또는 인코딩할 수 있다. 대칭 키 암호화와 같은 임의의 적절한 유형의 암호화가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 암호화 키는 마그니오 송신기(3410)와 연관된 메모리에 저장된다. 예시적인 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 외부 인코더(3420)를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 메시지는 암호화되지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 외부 인코더(3420)는 스트림을 다중 채널로 분리한다. 예시적인 실시예에서, 외부 인코더 외부 인코더(3420)는 순방향 오류 정정(FEC)을 수행한다. 몇몇 실시예들에서, 순방향 오류 정정은 주어진 전력 레벨에 대한 송신의 신뢰성을 극적으로 증가시킨다.The data stream generated by the
예시적인 실시예에서, 외부 인코더(3420)로부터의 인코딩된 스트림은 인터리버(3425)로 송출된다. 예시적인 실시예에서, 인터리버(3425)는 데이터 스트림의 각 패킷 내의 비트를 인터리빙한다. 이러한 실시예에서, 각각의 패킷은 동일한 비트를 갖지만, 비트는 미리 결정된 패턴에 따라 셔플링된다. 임의의 적절한 인터리빙 방법이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 패킷은 인터리빙된다. 이러한 실시예에서, 패킷들은 미리 결정된 패턴에 따라 셔플링된다. 몇몇 실시예들에서, 마그니오 송신기(3410)는 인터리버(3425)를 포함하지 않을 수 있다.In an exemplary embodiment, the encoded stream from
몇몇 실시예에서, 인터리빙 데이터는 데이터 시퀀스의 손실을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 비트 스트림이 순차적 순서이고 스트림의 부분 동안 통신 손실이 있는 경우, 손실된 비트에 대응하는 정보에는 비교적 큰 갭이 있다. 그러나, 비트들이 인터리빙된(예를 들어, 셔플링된) 경우, 일단 스트림이 수신기에서 디인터리빙(예를 들어, 비 셔플링)되면, 손실된 비트는 함께 그룹화되지 않지만, 순차 비트에 걸쳐 확산된다. 몇몇 경우에, 손실된 비트가 메시지에 걸쳐 확산되는 경우, 오류 정정은 손실된 비트가 무엇인지 결정하는데 더 성공적일 수 있다.In some embodiments, the interleaving data may be used to prevent loss of the data sequence. For example, if the bitstream is sequential and there is a communication loss during a portion of the stream, there is a relatively large gap in information corresponding to the lost bits. However, if the bits are interleaved (e.g., shuffled), once the stream is deinterleaved (e.g., non-shuffled) at the receiver, the lost bits are not grouped together, but spread across sequential bits . In some cases, if a lost bit is spread across a message, error correction may be more successful in determining what the lost bit is.
예시적인 실시예에서, 인터리버(3425)로부터의 인터리빙된 스트림은 내부 인코더(3430)에 송출된다. 내부 인코더(3430)는 임의의 적합한 암호 또는 코드를 사용하여 스트림을 암호화 또는 인코딩할 수 있다. 대칭 키 암호화와 같은 임의의 적절한 유형의 암호화가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 암호화 키는 마그니오 송신기(3410)와 연관된 메모리에 저장된다. 예시적인 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 내부 인코더(3430)를 포함하지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 내부 인코더(3430) 및 외부 인코더(3420)는 상이한 기능을 수행한다. 예를 들어, 내부 인코더(3430)는 깊은 컨볼루션 코드를 사용할 수 있고, 대부분의 순방향 오류 정정을 수행할 수 있고, 외부 인코더는 잔여 에러를 정정하는데 사용될 수 있고, 내부 인코더(3430)로부터 상이한 코딩 기술(예를 들어, 블록-패리티 기반 인코딩 기술)을 사용할 수 있다.In an exemplary embodiment, the interleaved stream from the
예시적인 실시예에서, 내부 인코더(3430)로부터의 인코딩된 스트림은 인터리버(3435)로 송출된다. 예시적인 실시예에서, 인터리버(3435)는 데이터 스트림의 각 패킷 내의 비트를 인터리빙한다. 이러한 실시예에서, 각각의 패킷은 동일한 비트를 갖지만, 비트는 미리 결정된 패턴에 따라 셔플링된다. 임의의 적절한 인터리빙 방법이 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 패킷은 인터리빙된다. 이러한 실시예에서, 패킷은 미리 결정된 패턴에 따라 셔플링된다. 예시적인 실시예에서, 데이터를 인터리빙하는 것은 신호에 걸쳐 버스트형 오류를 확산시켜, 메시지의 디코딩을 용이하게 한다. 몇몇 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 인터리버(3435)를 포함하지 않을 수 있다.In an exemplary embodiment, the encoded stream from
예시적인 실시예에서, 인터리버(3435)로부터의 인터리빙된 스트림은 출력 패킷 생성기(3440)로 송출된다. 출력 패킷 생성기(3440)는 송신될 패킷을 생성할 수 있다. 예를 들어, 출력 패킷 생성기(3440)는 송신 관리 정보를 포함하는 헤더를 패킷에 부가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 헤더는 체크섬과 같은 오류 검출에 사용되는 정보를 포함할 수 있다. 임의의 적합한 헤더가 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, the interleaved stream from the
예시적인 실시예에서, 출력 패킷 생성기(3440)는 각각의 패킷에 동기화 시퀀스를 부가한다. 예를 들어, 동기화 시퀀스가 각 패킷의 시작 부분에 추가 될 수 있다. 패킷은 다중 채널상에서 송신될 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 채널은 고유 동기화 시퀀스와 연관된다. 마그니오 수신기(3460)와 관련하여 아래에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 동기화 시퀀스는 서로로부터 채널을 암호 해독하는데 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 출력 패킷 생성기(3440)는 송신될 파형을 변조한다. 임의의 적절한 변조가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 파형은 디지털 방식으로 변조된다. 몇몇 실시예에서, 최소 시프트 키잉(shift keying)이 파형을 변조하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비-차동 최소 시프트 키가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 파형은 연속 위상을 갖는다. 즉, 파형은 위상 불연속성을 갖지 않는다. 예시적인 실시예에서, 파형은 특성이 사인 곡선이다.In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 변조된 파형은 송신기(3445)에 송신된다. 예시적인 실시예에서, 다수의 변조된 파형이 송신기(3445)에 송신된다. 전술한 바와 같이, 2개, 3개 또는 4개의 신호는 다른 방향으로 자기장을 통해 동시에 송신될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 3개의 변조된 파형이 송신기(3445)로 송출된다. 각각의 파형은 자기장을 변조하는데 사용될 수 있고, 각각의 자기장은 서로 직교일 수 있다.In an exemplary embodiment, the modulated waveform is transmitted to a
송신기(3445)는 수신된 파형을 사용하여 변조된 자기장(3450)을 생성할 수 있다. 변조된 자기장(3450)은 상이한 방향의 다중 자기장의 조합일 수 있다. 변조된 자기장(3450)을 변조하는데 사용되는 주파수는 임의의 적합한 주파수일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 변조된 자기장(3450)의 캐리어 주파수는 10 kHz일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 변조된 자기장(3450)의 캐리어 주파수는 10kHz보다 작거나 클 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 캐리어 주파수는 캐리어 주파수의 플러스 또는 마이너스로 변조될 수 있다. 즉, 캐리어 주파수가 10 kHz인 예를 사용하면, 캐리어 주파수는 0 Hz에서 최대 20 kHz까지 변조될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 임의의 적절한 주파수 대역이 사용될 수 있다.
도 35a 및 도 35b는 예시적인 실시예에 따른 자기장 대 주파수의 세기를 도시한다. 도 35a 및 도 35b는 단지 예시적인 것을 의미하며, 제한하려는 것을 의미하지 않는다. 몇몇 경우에, 자기 스펙트럼은 비교적 잡음이 있다. 도 35a에 도시된 바와 같이, 큰 대역(예를 들어, 0 내지 200 kHz)에 걸친 잡음은 비교적 높다. 따라서, 그러한 큰 대역을 통한 통신은 어려울 수 있다. 도 35b는 더 작은 대역(예를 들어, 1 내지 3 kHz)에 걸친 잡음을 도시한다. 도 35b에 도시된 바와 같이, 더 작은 대역에 걸친 잡음은 상대적으로 낮다. 따라서, 보다 작은 주파수 대역에서 자기장을 변조하는 것은 덜 잡음이 있을 수 있고 더 효과적일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 자기장을 모니터링하고, 자기장을 변조하여 잡음을 감소시키기에 충분한 주파수를 결정할 수 있다. 즉, 마그니오 송신기(3410)는 높은 신호 대 잡음비를 갖는 주파수를 찾을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 마그니오 송신기(3410)는 미리 결정된 임계치보다 낮은 잡음을 갖는 주파수 대역을 결정한다.35A and 35B show the intensity of a magnetic field versus frequency according to an exemplary embodiment. 35A and 35B are meant to be illustrative only and not meant to be limiting. In some cases, the magnetic spectrum is relatively noisy. As shown in Fig. 35A, the noise over a large band (for example, 0 to 200 kHz) is relatively high. Thus, communication over such a large band can be difficult. Figure 35B shows noise over a smaller band (e.g., 1 to 3 kHz). As shown in Fig. 35B, noise over a smaller band is relatively low. Therefore, modulating the magnetic field in a smaller frequency band may be less noisy and may be more effective. In an exemplary embodiment, the
예시적인 실시예에서, 마그니오 수신기(3460)는 복조기(3465), 디인터리버(3470), 소프트 내부 디코더(3475), 디인터리버(3480), 외부 디코더(3485) 및 출력 데이터 생성기(3490)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가, 더 적은 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, 마그니오 수신기(3460)는 몇몇 실시예에서 자력계(3455)를 포함할 수 있다. 마그니오 수신기(3460)의 다양한 성분은 개별 성분으로서 도 34에 도시되어 있으며, 단지 예시적인 것을 의미한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 다양한 성분이 조합될 수 있다. 추가로, 화살표의 사용은 동작 또는 정보의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하려는 것을 의미하지 않는다. 마그니오 수신기(3460)의 임의의 성분은 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
자력계(3455)는 변조된 자기장(3450)을 측정하도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 자력계(3455)는 DNV 센서를 포함한다. 자력계(3455)는 최대 4 방향으로 변조된 자기장(3450)을 모니터링할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 자력계(3455)는 4면체로 배열된 4 방향 중 하나 이상에서 자력계(3455)를 측정하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 자력계(3455)는 n + 1 방향을 모니터링 할 수 있으며, 여기서 n은 송신기(3445)가 송신하는 채널의 수이다. 예를 들어, 송신기(3445)는 3개의 채널을 통해 송신할 수 있고, 자력계(3455)는 4개의 방향을 모니터링할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 송신기(3445)는 자력계(3455)가 모니터링하는 방향과 동일한 수의 채널(예를 들어, 4개)을 통해 송신할 수 있다.
자력계(3455)는 변조된 자기장(3450)에 관한 정보를 복조기(3465)에 송출할 수 있다. 복조기(3465)는 수신된 정보를 분석하고, 변조된 자기장(3450)을 생성하는데 사용된 자기장의 방향을 결정할 수 있다. 즉, 복조기(3465)는 송신기(3445)가 송신한 채널의 방향을 결정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 송신기(3445)는 다수의 데이터 스트림을 송신할 수 있고, 각각의 데이터 스트림은 하나의 채널을 통해 송신된다. 각각의 데이터 스트림은 고유 동기화 시퀀스에 의해 선행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동기화 시퀀스는 1023 비트를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 동기화 시퀀스는 1023 비트보다 많거나 적은 비트를 포함한다. 각각의 채널이 동시에 송신될 수 있어서, 각 채널은 서로 시간-정렬된다. 복조기(3465)는 동시에 여러 방향으로 자기장을 모니터링할 수 있다. 마그니오 수신기(3460)에 알려진 동기화 시퀀스에 기초하여, 복조기(3465)는 송신기(3445)의 채널들에 대응하는 방향들을 결정할 수 있다. 동기 시퀀스들의 스트림들이 시간-정렬되면, 복조기(3465)는 변조된 자기장(3450)을 모니터링하여 다중 채널들이 어떻게 혼합되는지를 결정한다. 일단 복조기(3465)가 다양한 채널들이 어떻게 혼합되는지를 결정하면, 채널들이 복조될 수 있다.The
예를 들어, 송신기(3445)는 3개의 채널을 통해 송신하고, 각 채널은 직교 방향에 대응한다. 각 채널은 정보 스트림을 송신하는데 사용된다. 예를 위해, 채널의 이름은 "채널 A", "채널 B" 및 "채널 C"이다. 자력계(3455)는 변조된 자기장(3450)을 4 방향으로 모니터링한다. 복조기(3465)는 직교 방향으로 3개의 신호를 모니터링할 수 있다. 예를 위해, 신호는 "신호 1", "신호 2"및 "신호 3"으로 명명될 수 있다. 신호들 각각은 고유의 미리 결정된 동기화 시퀀스를 포함할 수 있다. 복조기(3465)는 채널을 통해 송신될 신호에 대한 변조된 자기장(3450)을 모니터링할 수 있다. 신호가 자력계(3455)에서 수신될 수 있는 무한한 수의 가능한 조합이 존재한다. 예를 들어, 신호 1은 채널 A에 대응하는 방향으로 송신될 수 있고, 신호 2는 채널 B에 대응하는 방향으로 송신될 수 있고, 신호 3은 채널 C에 대응하는 방향으로 송신될 수 있다. 대안적인 예에서, 신호 2는 채널 A에 대응하는 방향으로 송신될 수 있고, 신호 3은 채널 B에 대응하는 방향으로 송신될 수 있고, 신호 1은 채널 C에 대응하는 방향으로 송신될 수 있고, 나머지도 이와 같다. 신호가 자력계(3455)에서 수신될 수 있는 가능한 조합 각각에 대한 동기화 시퀀스의 변조된 자기장(3450)은 복조기(3465)에 의해 알려질 수 있다. 복조기(3465)는 각 가능한 조합에 대한 자력계(3455)의 출력을 모니터링할 수 있다. 따라서, 가능한 조합 중 하나가 복조기(3465)에 의해 인식되면, 복조기(3465)는 인식된 조합과 관련된 방향으로 추가 데이터를 모니터링할 수 있다. 다른 예에서, 송신기(3445)는 2개의 채널을 송신하고, 자력계(3455)는 3 방향으로 변조된 자기장(3450)을 모니터링한다.For example, the
복조된 신호(예를 들어, 각 채널로부터의 수신된 데이터 스트림)는 디인터리버(3470)에 송출된다. 디인터리버(3470)는 인터리버(3435)의 인터리빙을 취소할 수 있다. 디인터리빙된 데이터 스트림은 디인터리버 내부 인코더(3430)의 인코딩을 취소 할 수 있는 소프트 내부 디코더(3475)로 송출될 수 있다. 임의의 적절한 디코딩 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 내부 인코더(3430)는 3방향, 소프트-결정 터보 디코딩 기능을 사용한다. 대안적인 실시예에서, 2-방향 소프트-결정 터보 디코딩 기능이 사용될 수 있다. 예를 들어, 신호 레벨에 대한 예상 클러스터 위치는 송신의 동기화 부분 동안 마그니오 수신기(3460)에 의해 학습된다. 송신의 페이로드/데이터 부분이 마그니오 수신기(3460)에 의해 처리될 때, 모든 가능한 신호 클러스터들로부터 관찰된 신호 값까지의 거리는 모든 비트 위치에 대해 계산된다. 각 비트 위치의 비트는 "트렐리스(trellis)"를 통해 최상의 경로를 찾기 위해 거리를 상태 전이 확률과 거리를 조합하여 결정된다. 트 렐리스를 통과하는 경로는 통신된 가장 가능성 있는 비트를 결정하는 데 사용될 수 있다.The demodulated signal (e.g., the received data stream from each channel) is sent to a
디코딩된 스트림은 디인터리버(3480)에 송신될 수 있다. 디인터리버(3480)는 인터리버(3425)의 인터리빙을 취소할 수 있다. 디인터리빙된 스트림은 외부 디코더(3485)로 송출될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 외부 디코더(3485)는 외부 디코더(3420)의 부호화를 취소한다. 인코딩되지 않은 정보 스트림은 출력 데이터 생성기(3490)로 송출될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 출력 데이터 생성기(3490)는 데이터 패킷 생성기(3415)의 패킷 생성을 취소하여, 출력 데이터(3495)를 생성한다.The decoded stream may be transmitted to
도 36은 예시적인 실시예에 따른 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다. 예시적인 컴퓨팅 디바이스(3600)는 메모리(3610), 프로세서(3605), 트랜시버(3615), 사용자 인터페이스(3620) 및 전원(3625)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 요소들이 사용될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3600)는 본 명세서에 설명된 임의의 적절한 장치일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(3600)는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 스마트 폰, 특수 컴퓨팅 디바이스 등일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3600)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상을 구현하는데 사용될 수 있다.36 is a block diagram of a computing device according to an exemplary embodiment.
예시적인 실시예에서, 메모리(3610)는, 정보가 프로세서(3605)에 의해 액세스될 수 있도록 정보를 위한 전자 보관 장소 또는 저장부이다. 메모리(3610)는 자기 저장 디바이스(예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립 등), 광학 디스크{예를 들어, 컴팩트 디스크(CD), 디지털 다용도 디스크(DVD) 등}, 스마트 카드, 플래쉬 메모리 디바이스 등과 같이 임의의 유형의 랜덤 액세스 메모리(RAM), 임의의 유형의 판독 전용 메모리(ROM), 임의의 유형의 플래쉬 메모리 등을 포함하지만, 여기에 제한되지 않을 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3600)는 동일하거나 상이한 메모리 매체 기술을 사용하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 매체를 가질 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3600)는 CD, DVD, 플래시 메모리 카드 등과 같은 메모리 매체의 로딩을 지원하는 하나 이상의 드라이브를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 프로세서(3605)는 명령들을 실행한다. 명령은 특수 목적 컴퓨터, 논리 회로 또는 하드웨어 회로에 의해 수행될 수 있다. 프로세서(3605)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. "실행"이라는 용어는 예를 들어 응용 프로그램을 실행하거나 명령에 의해 호출된 동작을 수행하는 프로세스이다. 명령은 하나 이상의 프로그래밍 언어, 스크립팅 언어, 어셈블리 언어 등을 사용하여 기록될 수 있다. 프로세서(3605)는 명령을 실행하고, 이것은 그러한 명령에 의해 호출되는 동작을 수행함을 의미한다. 프로세서(3605)는 컴퓨팅 디바이스(3600)의 동작을 제어하고 정보를 수신, 송출 및 처리하기 위해 사용자 인터페이스(3620), 트랜시버(3615), 메모리(3610) 등과 동작 가능하게 결합한다. 프로세서(3605)는 ROM 디바이스와 같은 영구 메모리 디바이스로부터 명령들의 세트를 검색할 수 있고, 실행 가능한 형태의 명령들을 일반적으로 RAM의 몇몇 형태인 임시 메모리 디바이스에 복사할 수 있다. 예시적인 컴퓨팅 디바이스(3600)는 동일하거나 상이한 처리 기술을 사용하는 복수의 프로세서를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 명령들은 메모리(3610)에 저장될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
예시적인 실시예에서, 트랜시버(3615)는 정보를 수신 및/또는 송신하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 트랜시버(3615)는 이더넷 접속, 하나 이상의 꼬인 쌍선, 동축 케이블, 광섬유 케이블 등과 같은 유선 연결을 통해 정보를 통신한다. 몇몇 실시예에서, 트랜시버(3615)는 마이크로파, 적외선파, 무선파, 대역 확산 기술, 인공위성, 등을 사용하는 무선 연결을 통해 정보를 통신한다. 트랜시버(3615)는 셀룰러 네트워크, 근거리 네트워크, 광역 네트워크, 인터넷 등을 사용하여 다른 디바이스와 통신하도록 구성될 수 있다. 트랜시버(3615)는 셀룰러 네트워크, 근거리 네트워크, 광역 네트워크, 인터넷 등을 사용하여 다른 디바이스와 통신하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스(3600)의 더 많은 요소들은 유선 또는 무선 통신을 통해 통신한다. 몇몇 실시예에서, 트랜시버(3615)는 컴퓨팅 디바이스(3600)로부터 외부 시스템, 사용자 또는 메모리로 정보를 제공하기 위한 인터페이스를 제공한다. 예를 들어, 트랜시버(3615)는 디스플레이, 프린터, 스피커 등과의 인터페이스를 포함 할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 트랜시버(3615)는 알람/표시기 라이트, 네트워크 인터페이스, 디스크 드라이브, 컴퓨터 메모리 디바이스 등을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 트랜시버(3615)는 외부 시스템, 사용자, 메모리 등으로부터 정보를 수신할 수 있다.In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 사용자 인터페이스(3620)는 사용자로부터 정보를 수신 및/또는 제공하도록 구성된다. 사용자 인터페이스(3620)는 임의의 적합한 사용자 인터페이스일 수 있다. 사용자 인터페이스(3620)는 컴퓨팅 디바이스(3600)로의 입력을 위해 사용자 입력 및/또는 기계 명령을 수신하기 위한 인터페이스일 수 있다. 사용자 인터페이스(3620)는 키보드, 스타일러스 및/또는 터치 스크린, 마우스, 트랙 볼, 키패드, 마이크, 음성 인식, 모션 인식, 디스크 드라이브, 원격 제어기, 입력 포트, 하나 이상의 버튼, 다이얼, 조이스틱 등을 포함하지만, 여기에 제한되지 않는 다양한 입력 기술을 이용할 수 있어서, 사용자와 같은 외부 소스가 컴퓨팅 디바이스(3600)에 정보를 입력하도록 한다. 사용자 인터페이스(3620)는 메뉴를 항해하고, 옵션을 조정하고, 설정을 조정하고, 디스플레이를 조정하는 등에 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment,
사용자 인터페이스(3620)는 컴퓨팅 디바이스(3600)로부터 외부 시스템, 사용자, 메모리 등에 정보를 제공하기 위한 인터페이스를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자 인터페이스(3620)는 디스플레이, 프린터, 스피커, 알람/표시자 라이트, 네트워크 인터페이스, 디스크 드라이브, 컴퓨터 메모리 장치 등을 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(3620)는 컬러 디스플레이, 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 등을 포함할 수 있다.The
예시적인 실시예에서, 전원(36236)은 컴퓨팅 디바이스(3600)의 하나 이상의 요소에 전력을 제공하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 전원(3625)은 가용 라인 전압(예를 들어, 미국에서의 60 헤르츠에서 120 볼트의 교류 전류)과 같은 교류 전원을 포함한다. 전원(3625)은 전력을 1.5 볼트, 8 볼트, 12 볼트, 24 볼트 등과 같은 컴퓨팅 디바이스(3600)의 하나 이상의 요소에 의해 사용 가능한 전력으로 변환하기 위한 하나 이상의 변압기, 정류기 등을 포함할 수 있다. 전원(3625)은 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the power source 36236 is configured to provide power to one or more elements of the
DNV 방향 발견 응용을 위한 자연 센서 애매성을 해결하기 위한 방법A method for solving natural sensor ambiguity for DNV direction finding applications
NV 중심 자기 센서 시스템의 자연 애매성Natural ambiguity of NV-centered magnetic sensor system
전술한 바와 같이 동작하는 NV 중앙 자기 센서는 자기장을 부호없는 벡터로 분해할 수 있다. 도 37에 도시된 바와 같이, 제로 분할 광자 에너지 주변의 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태에 대한 피크의 대칭성으로 인해, DNV 물질의 구조는 DNV 물질 상에서 작용하는 양 및 음의 자기장에 대해 동일한 RF 주파수의 함수로서 측정된 형광 스펙트럼을 생성한다. 형광 스펙트럼의 대칭성은 계산된 자기장 벡터에 대한 부호의 할당을 신뢰할 수 없도록 만든다. 자기장 센서에 도입된 자연 모호성은 자기장 기반 방향 감지와 같은 몇몇 응용에서는 바람직하지 않다.The NV central magnetic sensor operating as described above can decompose the magnetic field into an unsigned vector. As shown in FIG. 37, due to the symmetry of the peaks for the ms = -1 and ms = +1 spin states around the zero-splitting photon energy, the structure of the DNV material is neglected for the positive and negative magnetic fields acting on the DNV material To produce a measured fluorescence spectrum as a function of the same RF frequency. The symmetry of the fluorescence spectrum makes the allocation of sign for the calculated magnetic field vector unreliable. The natural ambiguity introduced into the magnetic field sensor is undesirable in some applications, such as magnetic field based direction sensing.
몇몇 상황들에서, 실세계 조건들은 전술한 형광 스펙트럼들로부터 결정된 부호없는 자기장 벡터에 부호의 지능적 할당을 허용한다. 알려진 바이어스 자기장이 해당 신호보다 훨씬 더 많이 사용되는 경우, 자기장 벡터의 부호는 총 자기장, 바이어스 자기장의 누적 및 해당 신호가 증가 또는 감소하는지 여부에 의해 결정될 수 있다. 자기 센서가 지표선(surface ship)에서 잠수함을 탐지하는데 사용되는 경우, 계산된 자기장 벡터에 검출된 잠수함을 지표선 위에 위치하는 부호를 할당하는 것은 무의미하다. 대안적으로, 벡터의 부호가 중요하지 않은 경우, 부호는 부호없는 벡터에 임의로 할당될 수 있다.In some situations, real-world conditions allow the intelligent assignment of codes to unsigned magnetic field vectors determined from the above-described fluorescence spectra. If a known bias magnetic field is used much more than the signal, the sign of the magnetic field vector can be determined by the total magnetic field, the accumulation of the bias magnetic field and whether the signal increases or decreases. When a magnetic sensor is used to detect a submarine on a surface ship, it is meaningless to assign a submarine located on the ground line to the detected magnetic field vector. Alternatively, if the sign of the vector is not significant, the sign may be arbitrarily assigned to the unsigned vector.
DNV 자기장 센서를 사용하여 자기장 벡터를 모호하지 않게 결정하는 것이 가능하다. 부호가 매겨진 자기장 벡터를 결정하는 방법은 도 6에 도시되고 위에 기재된 유형의 DNV 자기장 센서로 수행 될 수 있다. 일반적으로, 벡터의 복원은 그 전체가 본 명세서에 참고용으로 병합된, 2016년 1월 21일에 출원된 "APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY OF THREE DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD FROM A MAGNETIC DETECTION SYSTEM"이라는 공동 계류 중인 미국 특허 출원 번호 제 / ______ 호에 기술된 바와 같이 달성될 수 있다.It is possible to use the DNV magnetic field sensor to unambiguously determine the magnetic field vector. The method of determining the signed magnetic field vector may be performed with a DNV magnetic field sensor of the type shown in FIG. 6 and described above. In general, restoration of vectors is described in co-pending United States patent application entitled " APPARATUS AND METHOD FOR RECOVERY OF THREE DIMENSIONAL MAGNETIC FIELD FROM A MAGNETIC DETECTION SYSTEM ", filed on January 21, 2016, Can be achieved as described in patent application number / ______.
도 2에 도시된 바와 같이, ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태의 에너지 레벨은 상이하다. 이러한 이유로, ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태를 갖는 전자에 대해 여기된 트리플릿 상태(3E)에서 여기된 중간 단일 상태(A)로의 완화 시간은 동일하지 않다. ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태의 전자에 대한 완화 시간의 차이는 약 피코초 또는 나노초이다. 펄싱된 RF 여기를 이용하여 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태를 갖는 전자에 대한 이완 시간의 차이를 측정할 수 있으므로, 완화 시간의 불균형이 다수의 전자 사이클에 걸쳐 축적되어, 관찰된 완화 시간의 차이를 약 마이크로 초로 발생시키는 것이 가능하다.As shown in Fig. 2, the energy levels of m s = -1 and ms = +1 spin states are different. For this reason, the relaxation time from
전술한 바와 같이, DNV 물질에 대한 RF 여기의 적용은 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태에 대한 공진 RF 주파수에서 형광 세기의 감소를 생성한다. 이러한 이유로, 전자를 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태로 여기시키는 RF 주파수에서, 평형 형광 세기는 인가된 RF 여기가 없는 경우 평형 형광 세기보다 낮을 것이다. RF 여기가 없는 평형 형광 세기로부터 RF 여기의 인가와 함께 평형 형광 세기로 전이하는데 걸리는 시간은 "평형 시간"을 계산하기 위해 사용될 수 있다.As described above, the application of RF excitation to the DNV material produces a decrease in fluorescence intensity at the resonant RF frequency for m s = -1 and m s = +1 spin states. For this reason, at RF frequencies that excite electrons to m s = -1 and m s = +1 spin states, the equilibrium fluorescence intensity will be lower than the equilibrium fluorescence intensity in the absence of applied RF excitation. The time taken to transition from equilibrium fluorescence intensity without RF excitation to equilibrium fluorescence intensity with application of RF excitation can be used to calculate "equilibrium time ".
본 명세서에서 사용되는 "평형 시간"은 RF 여기 펄스의 시작과 평형 형광 세기의 미리 결정된 백분율이 달성되는 때 사이의 시간을 나타낸다. 평형 시간이 계산되는 미리 결정된 양의 평형 형광은 평형 형광의 약 20 % 내지 약 80 %, 예를 들어 평형 형광의 약 30 %, 40 %, 50 %, 60 % 또는 70 %일 수 있다. 도 38, 도 40 및 도 41에 도시된 평형 시간은, 형광 세기가 RF 여기의 존재 하에서 실제로 감소하기 때문에 실제로 감쇠 시간이지만, 명확성을 위해 반전되었다.As used herein, "equilibrium time" refers to the time between the start of the RF excitation pulse and when a predetermined percentage of the equilibrium fluorescence intensity is achieved. The predetermined amount of equilibrium fluorescence in which the equilibrium time is calculated may be from about 20% to about 80% of the equilibrium fluorescence, for example about 30%, 40%, 50%, 60% or 70% of the equilibrium fluorescence. The equilibrium times shown in Figures 38, 40 and 41 are actually attenuation times because the fluorescence intensity actually decreases in the presence of the RF excitation, but reversed for clarity.
도 38에 도시된 바와 같이, DNV 물질의 형광 세기는 펄싱된 RF 여기 소스의 적용에 따라 변한다. RF 펄스가 "온" 상태에 있을 때, 전자는 비 형광 경로를 통해 붕괴되고, 상대적으로 어두운 평형 형광이 달성된다. 펄스가 "오프" 상태에 있을 때, RF 여기가 없으면 상대적으로 밝은 평형 형광이 된다. 두 개의 형광 평형 상태 사이의 전이는 순간적이지 않으며, 형광 세기의 미리 결정된 값에서의 평형 시간의 측정은 RF 여기 주파수에서 전자에 대한 완화 시간의 반복 가능한 표시를 제공한다.As shown in Figure 38, the fluorescence intensity of the DNV material varies with the application of the pulsed RF excitation source. When the RF pulse is in the "on" state, the electrons collapse through the non-fluorescent path and a relatively dark equilibrium fluorescence is achieved. When the pulse is in the "off" state, there is relatively bright fluorescence without RF excitation. The transition between the two fluorescence equilibrium states is not instantaneous and measurement of the equilibrium time at a predetermined value of fluorescence intensity provides a repeatable indication of the relaxation time for electrons at the RF excitation frequency.
ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태의 전자들 사이의 완화 시간의 차이는 각 스핀 상태에 대한 상이한 RF 여기 공진 주파수로 인해 측정될 수 있다. 도 39에 도시된 바와 같이, RF 여기 주파수의 함수로서 측정된 DNV 물질의 형광 세기 스펙트럼은 4 개의 로렌츠 쌍을 포함하며, 한 쌍은 DNV 물질의 각 결정 평면에 대해 존재한다. 로렌츠 쌍의 피크는 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태에 대응한다. 로렌츠 쌍에서 각 피크에 대한 평형 시간을 평가함으로써, 보다 높은 에너지 상태에 대응하는 피크가 식별될 수 있다. 보다 높은 에너지 피크는 자기장 벡터의 부호의 신뢰성있는 표시를 제공한다.The difference in relaxation times between electrons in the m s = -1 and m s = +1 spin states can be measured due to the different RF excitation resonant frequencies for each spin state. As shown in FIG. 39, the fluorescence intensity spectrum of the DNV material measured as a function of the RF excitation frequency comprises four Lorentz pairs, with a pair for each crystal plane of the DNV material. The peak of the Lorentz pair corresponds to m s = -1 and m s = +1 spin state. By evaluating the equilibrium time for each peak in the Lorentz pair, a peak corresponding to a higher energy state can be identified. The higher energy peak provides a reliable indication of the sign of the magnetic field vector.
제로 분할 에너지로부터 가장 멀리 위치한 형광 스펙트럼의 로렌츠 쌍은 평형 시간을 계산하도록 선택될 수 있다. 이 피크는 최소의 신호 간섭 및 잡음을 포함하여, 더 신뢰성있는 측정을 허용한다. 바람직한 로렌츠 쌍은 도 39에 박스로 표시되어 있다.The Lorentz pair of fluorescence spectra located farthest from the zero-split energy can be selected to calculate the equilibrium time. This peak includes minimal signal interference and noise, allowing for more reliable measurements. A preferred Lorentz pair is boxed in Fig.
시간의 함수로서 단일 RF 펄스에 대한 형광 세기의 플롯이 도 40에 도시된다. 펄스 RF 여기의 주파수는 로렌츠 쌍의 각 피크에 대한 최대 값으로 선택된다. 로렌츠 쌍의 각 피크에 대한 평형 시간 측정을 위한 다른 조건은 일정하게 유지된다. 도 41에 도시된 바와 같이, 로렌츠 쌍의 피크는 구별 가능한 평형 세기 값의 60 %로 계산 될 때 평형 시간을 갖는다. RF 펄스 기간은 평형 형광 세기의 원하는 백분율이 펄스의 각 "온"부분에 대해 달성되고 완전한 "밝은"평형 세기가 펄스의 "오프"부분 동안 달성되도록 설정될 수 있다.A plot of fluorescence intensity for a single RF pulse as a function of time is shown in FIG. The frequency of the pulse RF excitation is selected as the maximum value for each peak of the Lorentz pair. The other conditions for equilibrium time measurement for each peak of the Lorentz pair remain constant. As shown in FIG. 41, the peak of the Lorentz pair has an equilibrium time when it is calculated as 60% of the distinguishable equilibrium intensity value. The RF pulse duration may be set such that a desired percentage of the balanced fluorescence intensity is achieved for each "on" portion of the pulse and a complete "bright"
RF 여기의 인가시의 평형 형광 세기는 임의의 적절한 방법으로 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, RF 여기는 세기가 일정해질 때까지 유지될 수 있고, 일정 세기는 평형 시간을 계산하는데 이용되는 평형 세기 값으로 간주될 수 있다. 대안적으로, 평형 세기는 RF 여기 펄스의 단부에서의 세기로 설정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 감쇠 상수는 측정된 형광 세기 및 평형 세기 값을 결정하기 위해 사용된 이론적인 데이터 피트(fit)에 기초하여 계산될 수 있다.The equilibrium fluorescence intensity upon application of RF excitation can be set in any suitable manner. According to some embodiments, the RF excitation can be maintained until the intensity is constant, and a constant intensity can be regarded as the equilibrium intensity value used to calculate the equilibrium time. Alternatively, the equilibrium intensity can be set to the intensity at the end of the RF excitation pulse. According to another embodiment, the attenuation constant can be calculated based on the theoretical data feet used to determine the measured fluorescence intensity and equilibrium intensity values.
보다 높은 측정된 평형 시간을 나타내는 로렌츠 쌍의 피크는 보다 높은 에너지 레벨의 전자 스핀 상태와 연관된다. 이러한 이유 때문에, 보다 긴 평형 시간을 갖는 로렌츠 쌍의 피크는 ms = +1 스핀 상태로 할당되고, 로렌츠 쌍의 다른 피크는 ms = -1 스핀 상태로 할당된다. RF 주파수의 함수로서 DNV 물질의 형광 스펙트럼에서 다른 로렌츠 쌍의 피크의 부호가 할당되고, 부호가 있는 자기장 벡터가 계산 될 수 있다.The peak of the Lorentz pair representing a higher measured equilibrium time is associated with a higher energy level of the electron spin state. For this reason, the peak of the Lorentz pair having a longer equilibrium time is assigned to the m s = +1 spin state, and the other peak of the Lorentz pair is assigned to the m s = -1 spin state. The sign of the peak of another Lorentz pair is assigned in the fluorescence spectrum of the DNV material as a function of the RF frequency, and a signed magnetic field vector can be calculated.
로렌츠 쌍에서 각각의 피크의 평형 시간이 실제로 자기장 방향에 따라 변함을 입증하기 위해, 로렌츠 쌍에서 단일 피크에 대한 평형 시간은 다른 경우에는 동등하였을 양 및 음의 자기장 하에 측정되었다. 도 42에 도시된 바와 같이, 평형 시간의 실제적이고 측정 가능한 차이가 반대 바이어스 필드들 사이에서 관찰되었다.To demonstrate that the equilibrium time of each peak in the Lorentz pair actually varies along the direction of the magnetic field, the equilibrium time for a single peak in the Lorentz pair was measured under positive and negative magnetic fields that would otherwise be equivalent. As shown in Figure 42, a practical and measurable difference in equilibrium time was observed between the opposite bias fields.
본 명세서에 기술된 DNV 자기 센서로 자기장 벡터의 부호를 결정하는 방법은 도 6에 도시된 DNV 자기장 센서로 수행 될 수 있다. 추가 하드웨어가 필요하지 않다.A method of determining the sign of the magnetic field vector with the DNV magnetic sensor described in this specification can be performed with the DNV magnetic field sensor shown in Fig. No additional hardware is required.
자기장 센서의 제어기는 RF 주파수의 함수로서 DNV 물질의 형광 스펙트럼에서의 피크의 위치를 결정하도록 프로그래밍될 수 있다. 제로 필드 에너지로부터 가장 멀리 떨어진 로렌츠 쌍의 피크에 대한 평형 시간이 계산될 수 있다. 제어기는 RF 여기 소스를 제어함으로써 펄싱된 RF 여기 에너지를 제공하고 또한 연속파 광 여기로 DNV 물질을 여기시키기 위해 광학 여기 소스를 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 광학 검출기에서 수신된 결과적인 광 신호는 상술된 방식으로 각 피크와 연관된 평형 시간을 결정하기 위해 제어기에 의해 분석될 수 있다. 제어기는 측정된 평형 시간에 기초하여 각 피크에 부호를 할당하도록 프로그래밍될 수 있다. 더 큰 측정된 평형 시간을 갖는 피크는 ms = +1 스핀 상태가 할당될 수 있다.The controller of the magnetic field sensor can be programmed to determine the position of the peak in the fluorescence spectrum of the DNV material as a function of the RF frequency. The equilibrium time for the peak of the Lorentz pair farthest from the zero field energy can be calculated. The controller can be programmed to control the optical excitation source to provide pulsed RF excitation energy by controlling the RF excitation source and also excite the DNV material with a continuous wave optical excitation. The resulting optical signal received at the optical detector may be analyzed by the controller to determine the equilibrium time associated with each peak in the manner described above. The controller can be programmed to assign a sign to each peak based on the measured equilibrium time. A peak with a larger measured equilibrium time can be assigned a ms = +1 spin state.
전술한 자기장 벡터에 부호를 할당하는 방법은 DNV 이외의 자기-광학 결함 중심 물질에 기초하여 자기장 센서에도 적용될 수 있다.The method of assigning a sign to the magnetic field vector described above can also be applied to a magnetic field sensor based on a self-optically deficient core material other than DNV.
부호를 갖는 자기장 벡터를 생성하는 본 명세서에 기술된 DNV 자기장 센서는 측정된 자기장의 방향이 중요한 응용에서 특히 유용할 수 있다. 예를 들어, DNV 자기장 센서는 자기장 기반의 항해 또는 위치 확인 시스템에 사용될 수 있다.The DNV magnetic field sensor described herein for generating a magnetic field vector having a sign may be particularly useful in applications where the direction of the measured magnetic field is critical. For example, DNV magnetic field sensors can be used in magnetic field based navigation or positioning systems.
수중 청음기Hydrophone
도 43a 및 도 43b는 예시적인 실시예에 따른 수중 청음 시스템을 도시하는 도면이다. 예시적인 시스템(4300)은 선체(4305) 및 자력계(4310)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가의, 더 적은 또는 다른 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, 음향 송신기는 하나 이상의 음향 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 송신기가 사용되지 않는 실시예에서, 시스템(4300)은 패시브 소나 시스템으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(4300)은 송신기 이외의 것(예를 들어, 선박, 보트, 엔진, 포유류, 얼음 운동 등)에 의해 생성된 소리를 검출하는데 사용될 수 있다.43A and 43B are views showing a hydrophone system according to an exemplary embodiment. The
예시적인 실시예에서, 선체(4305)는 선박 또는 보트와 같은 선박의 선체이다. 선체(4305)는 강 또는 도장된 강과 같은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 자력계(4310)는 벌크 헤드 또는 부이와 같은 대안적인 구조로 설치된다.In an exemplary embodiment,
도 43a에 도시된 바와 같이, 자력계(4310)는 4305 내에 위치될 수 있다, 실시예에서, 자력계(4310)는 선체(4305)의 외부 표면에 위치된다. 대안적인 실시예에서, 자력계(4310)는 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 자력계(4310)는 선체(4305)의 중앙 근처, 선체(4305)의 내부 표면 또는 선체(4305)의 내부 또는 외부 표면 상에 위치될 수 있다.As shown in FIG. 43A, the
예시적인 실시예에서, 자력계(4310)는 NV 중심을 갖는 다이아몬드를 갖는 자력계이다. 예시적인 실시예에서, 자력계(4310)는 약 0.1 마이크로 테슬라의 감도를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 자력계(4310)는 0.1 마이크로 테슬라보다 크거나 작은 감도를 갖는다.In an exemplary embodiment,
도 43a에 도시된 실시예에서, 음파(4315)는 해수와 같은 용해된 이온을 갖는 유체를 통해 전파한다. 음파(4315)가 유체 내의 이온을 이동시키면, 이온은 자기장을 생성한다. 예를 들어, 이온이 지구 자기장 내에서 이동함에 따라, 이온은 자력계(4310)에 의해 검출 가능한 자기장을 생성한다. 다른 실시예에서, 영구 자석 또는 전자석과 같은 자기장 소스가 사용될 수 있다. 자기장(예를 들어, 지구)의 소스에 대한 이온의 이동은 자력계(4310)에 의해 검출 가능한 자기장을 생성한다.In the embodiment shown in Figure 43A,
예시적인 실시예에서, 음파(4315)는 해수를 통해 이동한다. 자력계(4310) 근처의 유체 내의 용해된 이온의 밀도는 자력계(4310)가 바다에 있는 장소에 의존한다. 예를 들어 몇몇 장소는 다른 장소보다 낮은 용해된 이온 밀도를 갖는다. 용해된 이온의 밀도가 높을수록, 이온의 이동에 의해 생성되는 조합된 자기장이 커진다. 예시적인 실시예에서, 조합된 자기장의 세기는 용해된 이온의 밀도(예를 들어, 해수의 염도)를 결정하는데 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
예시적인 실시예에서, 선체(4305)는 해수를 통해 이동하는 선박의 선체이다. 전술한 바와 같이, 소스 자기장에 대한 이온의 이동은 자력계(4310)에 의해 측정될 수 있다. 따라서 자력계(4310)는, 자력계(4310)가 해수를 통해 이동할 때 그리고 자력계(4310)가 해수에 고정될 때 음파(4315)를 검출하고 측정하는데 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 자력계(4310)는 임의의 적합한 방향으로 이동하는 이온에 의해 야기되는 자기장을 측정할 수 있다. 예를 들어, 자력계(4310)는 음파(4315)가 선체(4305)에 수직일 때 또는 임의의 다른 적절한 각도에 있을 때 이온의 이동에 의해 야기된 자기장을 측정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자력계(4310)는 선체(4305)의 표면에 평행한 음파(4315)에 의해 야기되는 이온의 이동에 의해 야기되는 자기장을 측정한다.In an exemplary embodiment, the
예시적인 시스템(4350)은 선체(4305) 및 자력계 어레이(4355)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 43b는 4개의 자력계(4355)가 사용되는 것을 도시한다. 대안적인 실시예에서, 시스템(4350)은 4개 미만의 자력계(4355) 또는 그 이상의 자력계(4355)를 포함할 수 있다. 자력계(4355)의 어레이는 수중 청음기의 감도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다중 자력계(4355)을 사용함으로써, 수중 청음기는 다수의 측정 포인트를 갖는다.
자력계 어레이(4355)는 임의의 적절한 방식으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 자력계(4355)는 일렬로 배열될 수 있다. 다른 예에서, 자력계(4355)는 원, 동심원, 그리드 등으로 배열될 수 있다. 자력계 어레이(4355)는 균일하게 배열될 수 있거나(예를 들어, 서로 동일 거리) 또는 불균일하게 배열될 수 있다. 자력계 어레이(4355)는 음파(4315)가 이동하는 방향을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 음파(4315)는 음파(4315)가 자력계(4355)의 상부 자력계 근처에서 이온을 일으키기 전에 자기장을 생성하도록 시스템(4350)에 도시된 실시예의 자력계(4355)의 하부 자력계 근처의 이온을 발생시킬 수 있다. 따라서, 음파(4315)가 도 43b의 아래에서 위로 이동한다고 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 자력계(4310) 또는 자력계(4355)는, 음파(4315)가 이온의 이동에 의해 야기된 자기장의 방향에 기초하여 자력계(4310)에 대해 이동하는 각도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 자력계(4355)의 개개의 자력계는 각각 다른 방향으로 이온의 자기장을 측정하도록 구성될 수 있다. 빔 포밍(beamforming)의 원리는 자기장의 방향을 결정하는데 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 자기장의 방향 및/또는 음향 신호의 방향을 결정하기 위해 임의의 적절한 자력계(4310) 또는 자력계(4355)가 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, the
전력 그리드 및 통신 네트워크를 이용하는 자기 항해 방법 및 시스템Self-navigation method and system using power grid and communication network
몇몇 실시예에서, 전력 송신 및 분배 라인을 통한 다이아몬드 질소-공석(DNV) 자기 항해를 위한 방법 및 구성이 개시되어 있다. 인적 인프라의 특징적인 자기 서명은 항해를 위한 정황을 제공한다. 예를 들어, 특징적인 자기 서명을 갖는 전력선은 모바일 플랫폼(예를 들어, UAS)의 도로 및 고속도로 역할을 할 수 있다. 전력선에 상대적으로 가까운 거리에서의 이동은 은밀한 전이를 허용하고, 모바일 플랫폼 자체에 전력을 공급할 잠재력을 제공 할 수 있으며, 장거리 및 로컬 루트 모두에서 점 대 점 항해를 허용할 수 있다.In some embodiments, methods and configurations for diamond nitrogen-vacancy (DNV) self-navigation through power transmission and distribution lines are disclosed. Characteristic self - signature of human infrastructure provides context for navigation. For example, power lines with distinctive self-signatures can serve as roads and highways for mobile platforms (e.g., UAS). Movement at relatively short distances to the power line can allow for confidential transitions, provide the potential to power the mobile platform itself, and allow point-to-point navigation at both long and local routes.
몇몇 구현은 하나 이상의 자기 센서, 자기 항해 데이터베이스, 및 UAS 위치 및 배향을 제어하는 피드백 루프를 포함할 수 있다. DNV 자기 센서 및 관련 시스템 및 방법은 높은 감도의 자기장 측정을 제공할 수 있다. DNV 자기 시스템 및 방법은 또한 저렴한 비용, 공간, 중량 및 전력(C-SWAP)일 수 있으며, 빠른 안정 시간의 이점을 제공한다. DNV 자기장 측정은, UAS 시스템이 전력선과 정렬되고 전력선 인프라 루트를 따라 신속하게 이동할 수 있게 한다. 본 해결책은 시야가 나쁜 조건 및/또는 GPS가 거부된 환경에서 항해를 가능하게 한다. 이러한 자기 항해는 은밀한 전이를 용이하게 하는 전력선에 근접하여 UAS 작동을 허용한다. DNV 기반의 자기 시스템 및 방법은 기존 시스템보다 약 100 배 더 작을 수 있으며 다른 시스템보다 약 10만배 더 빠른 반응 시간을 가질 수 있다.Some implementations may include one or more magnetic sensors, a self-navigating database, and a feedback loop to control UAS position and orientation. DNV magnetic sensors and related systems and methods can provide high sensitivity magnetic field measurements. DNV magnetic systems and methods can also be low cost, space, weight and power (C-SWAP) and offer fast stabilization time benefits. The DNV magnetic field measurement allows the UAS system to align with the powerline and move quickly along the powerline infrastructure route. This solution enables navigating in poor visibility conditions and / or GPS rejected environments. This self-navigation permits operation of the UAS in close proximity to the power line to facilitate covert transition. DNV-based magnetic systems and methods can be about 100 times smaller than existing systems and can have reaction times as fast as 100,000 times faster than other systems.
도 44는 본 기술의 몇몇 구현에 따른 전력선(4404, 4406, 및 4408)을 따른 UAS(4402) 항해의 일례를 예시하는 도면이다. UAS(4402)는 항해용 전력선의 고유 자기 서명을 활용하여, 루트 자기 특성에 대한 사전 지식 없이도 UAS(4402)의 도로 및 고속도로로서 사용할 수 있다. 도 45a에 도시된 바와 같이, UAS(4402)의 날개에 부착된 2개의 자기 센서(A 및 B)(도 44의 4410 및 4412)의 신호 세기 비는 3라인 전력 송신 라인 구조(4404, 4406 및 4408)의 예의 중심선으로부터 거리(x)의 함수로서 변한다. 비율이 1에 가까운 지점(4522)일 때, UAS(4402)는 전력 송신 라인 구조상에 중심을 두고, 점(4520)에서 x = 0이다.Figure 44 is a diagram illustrating an example of a
도 45b에 도시된 모든(3) 와이어로부터 복합 자기장(B-필드)(4506). 이 필드는 UAS의 하나 이상의 자기 센서에 의해 측정된 자기장 세기의 예시이다. 이 예에서, 필드(4508)의 피크는 중간 라인(4406)의 장소 위에 있는 UAS(4402)에 대응한다. UAS(4402)가 2개의 자기 센서를 가질 때, 센서는 지점(4502 및 4504)에 대응하는 세기를 판독한다. UAS 상의 또는 UAS의 원격에 있는 컴퓨팅 시스템은 조합된 판독 값을 계산할 수 있다. 그러나, 도시된 성분 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 성분을 포함할 수 있다. 성분의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 성분, 상이한 성분 또는 더 적은 성분이 제공될 수 있다.(B-field) 4506 from all (3) wires shown in Figure 45B. This field is an example of the magnetic field strength measured by one or more magnetic sensors of the UAS. In this example, the peak of the field 4508 corresponds to the
몇몇 구현의 예로서, UAS와 같은 차량은 DNV 센서와 같은 하나 이상의 항해 센서를 포함할 수 있다. 차량의 임무는 초기 목적지로 여행하고 가능하면 최종 목적지로 돌아갈 수 있다. 알려진 항해 시스템은 차량을 중간 위치로 항해하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, UAS는 중간 장소로 GPS 및/또는 인간이 제어하는 항해를 사용하여 비행할 수 있다. 그러면 UAS는 전력선과 같은 전원의 자기 서명을 찾기 시작할 수 있다. 전력선을 찾기 위해, UAS는 DNV 센서를 사용하여 지속적으로 측정을 수행할 수 있다. UAS는 원, 직선, 곡선 패턴 등으로 비행할 수 있으며, 기록된 자기장을 모니터링할 수 있다. 자기장은, 전력선의 알려진 특징과 비교되어 전력선이 UAS 부근에 있는지 식별할 수 있다. 예를 들어, 측정된 자기장은 전력선의 알려진 자기장 특징과 비교되어, 측정된 자기장을 생성하는 전력선을 식별할 수 있다. 또한 전기 인프라에 관한 정보는 측정된 자기장과 조합하여 사용되어, 현재 소스를 식별할 수 있다. 예를 들어, 이전에 촬영되어 기록된 영역으로부터의 자기 측정에 관한 데이터베이스는 UAS의 장소를 결정하는데 도움이 되게 현재 판독 값을 비교하는데 사용될 수 있다.As an example of some implementations, a vehicle such as a UAS may include one or more navigation sensors such as a DNV sensor. The mission of the vehicle is to travel to the initial destination and return to the final destination if possible. The known navigation system can be used to navigate the vehicle to an intermediate position. For example, a UAS can fly using GPS and / or man-controlled voyages as an intermediate location. The UAS can then start looking for a self-signature on a power source, such as a power line. To locate the powerline, the UAS can use the DNV sensor to perform measurements continuously. The UAS can fly in a circle, straight line, curved pattern, etc., and can monitor the recorded magnetic field. The magnetic field can be compared to known characteristics of the power line to identify if the power line is near the UAS. For example, the measured magnetic field may be compared to known magnetic field characteristics of the power line to identify the power line that produces the measured magnetic field. Information about the electrical infrastructure can also be used in combination with the measured magnetic field to identify the current source. For example, a database of magnetic measurements from previously recorded and recorded areas can be used to compare current readings to help determine the location of the UAS.
몇몇 구현에서, UAS가 전력선을 식별하면, UAS는 전력선에 대해 알려진 높이 및 위치에 위치한다. 예를 들어, UAS가 전력선을 따라 비행하면 자기장은 최대 값에 도달 한 다음, UAS가 전력선에서 멀어 질수록 감소하기 시작한다. 알려진 거리를 한 번 스위핑한 후, UAS는 자기장이 가장 강한 지점으로 되돌아 갈 수 있다. 전력선 및 자기 판독치의 알려진 특징에 기초하여, UAS는 전력선 유형을 결정할 수 있다.In some implementations, if the UAS identifies a powerline, the UAS is located at a known height and location relative to the powerline. For example, if a UAS follows a powerline, the magnetic field reaches its maximum and then begins to decrease as the UAS moves away from the powerline. After sweeping a known distance once, the UAS can return to the strongest point of the magnetic field. Based on the known characteristics of the power line and magnetic readings, the UAS can determine the type of power line.
일단 전류 소스가 식별되면, UAS는 자기장이 식별된 전력선 위의 높이와 대응하는 알려잔 값이 될 때까지 높이를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 자기장 세기는 전류 소스 위의 높이를 결정하는데 사용될 수 있다. 또한 UAS는 측정된 자기장을 사용하여 전력선 바로 위로부터 오프셋되게 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 일단 UAS가 전류 소스 위에 위치되면, UAS는 전류 소스에서 오프셋 위치로 측면으로 이동할 수 있다. 예를 들어, UAS는 전류 소스의 왼쪽 또는 오른쪽으로 10 킬로미터가 되게 이동할 수 있다.Once the current source is identified, the UAS may change the height until the magnetic field is at a known reserve corresponding to the height above the identified power line. For example, as shown in FIG. 6, the magnetic field strength can be used to determine the height above the current source. The UAS can also be positioned offset directly above the power line using the measured magnetic field. For example, once the UAS is positioned above the current source, the UAS can move laterally from the current source to the offset position. For example, a UAS can travel 10 kilometers to the left or right of a current source.
UAS는 컴퓨터(306)를 통해 비행 경로로 프로그래밍될 수 있다. 몇몇 구현에서, 일단 UAS가 위치를 정하면, UAS는 목적지까지 도달하기 위해 비행 경로를 사용할 수 있다. 몇몇 구현에서, 송신 라인에 의해 생성된 자기장은 송신 라인에 수직이다. 몇몇 구현에서, 차량은 검출된 자기장에 수직으로 비행할 것이다. 일례에서, UAS는 검출된 전력선을 목적지까지 따라갈 수 있다. 이 예에서, UAS는 검출된 자기장을 원래 자기장 값에 가깝게 유지하려고 시도할 것이다. 이를 위해, UAS는 높이를 변경하거나 전력선과 관련하여 위치를 유지하기 위해 측면으로 이동할 수 있다. 예를 들어 높이가 상승하는 전력선은, UAS와 전력선 사이의 거리가 감소함에 따라 검출된 자기장의 세기가 증가하도록 한다. UAS의 항해 시스템은 이러한 증가된 자기 세기를 감지하고 UAS의 높이를 증가시킬 수 있다. 또한 기내 계기판에는 UAS의 높이 표시를 제공할 수 있다. 항해 시스템은 또한 UAS를 측면으로 이동하여, UAS를 전력선과 관련된 적절한 위치에 유지할 수 있다.The UAS may be programmed via the computer 306 to the flight path. In some implementations, once the UAS is located, the UAS can use the flight path to reach the destination. In some implementations, the magnetic field generated by the transmission line is perpendicular to the transmission line. In some implementations, the vehicle will fly perpendicular to the detected magnetic field. In one example, the UAS can follow the detected power line to its destination. In this example, the UAS will attempt to keep the detected magnetic field close to the original magnetic field value. To this end, the UAS can be moved laterally to change the elevation or maintain its position relative to the power line. For example, an elevated power line causes the intensity of the detected magnetic field to increase as the distance between the UAS and the power line decreases. The navigation system of the UAS can detect this increased magnetic intensity and increase the height of the UAS. The instrument panel of the aircraft can also provide a height indication of the UAS. The navigational system may also move to the side of the UAS to keep the UAS in place relative to the power line.
자기장은, UAS가 송신 라인의 그 위치로부터 드리프트됨에 따라 더 약하거나 더 강하게 될 수 있다. 자기장의 변화가 감지되면, 항해 시스템이 적절한 정정을 할 수 있다. 단일 DNV 센서만을 갖는 UAS의 경우, 자기장이 미리 결정된 양 이상만큼 감소하면, 항해 시스템이 정정할 수 있다. 예를 들어, UAS는, 측정된 오류가 오류 버짓(budget)보다 큰 경우 UAS가 그 과정을 정정하려고 시도하도록 오류 버짓을 가질 수 있다. 자기장이 감소하면, 항해 시스템은 UAS가 왼쪽으로 이동하도록 지시할 수 있다. 항해 시스템은 자기장을 계속 모니터링하여. 왼쪽으로 이동하면 오류가 정정되었는지 확인할 수 있다. 자기장이 더 감소하면, 내비게이션 시스템은 UAS에게 전류 소스에 대해 원래 위치로 오른쪽으로 비행한 다음, 오른쪽으로 더 이동하도록 지시할 수 있다. 자기장의 세기가 감소하면, 내비게이션 시스템은 UAS가 자기장을 증가시키기 위해 높이를 감소할 필요가 있다고 추론할 수 있다. 이 예에서, UAS는 원래 전류 소스를 통해 직접 비행하지만, 전류 소스가 더 낮은 높이에 있기 때문에 전류 소스와 UAS 사이의 거리가 증가하였다. 자기장의 피드백 루프를 사용하여, 항해 시스템은 UAS를 중심에 놓거나 전류 소스의 오프셋에 유지할 수 있다. 자기장의 세기가 증가하면 동일한 분석을 수행할 수 있다. 내비게이션은. 측정된 자기장이 UAS가 비행 경로 내에 있도록 적절한 범위 내에 있을 때까지 기동할 수 있다.The magnetic field may become weaker or stronger as the UAS drifts away from its position in the transmission line. If a change in the magnetic field is detected, the navigation system can make an appropriate correction. For a UAS with only a single DNV sensor, if the magnetic field decreases by more than a predetermined amount, the navigation system can correct it. For example, a UAS may have an error budget such that the UAS attempts to correct the process if the measured error is greater than the error budget. If the magnetic field decreases, the navigation system can direct the UAS to move to the left. The navigation system continuously monitors the magnetic field. Move to the left to see if the error has been corrected. As the magnetic field further decreases, the navigation system may instruct the UAS to fly right to its original position with respect to the current source and then move further to the right. As the strength of the magnetic field decreases, the navigation system can infer that the UAS needs to reduce the height to increase the magnetic field. In this example, the UAS originally flows directly through the current source, but since the current source is at a lower height, the distance between the current source and the UAS has increased. Using a magnetic field feedback loop, the navigation system can center the UAS or keep it at the offset of the current source. If the intensity of the magnetic field increases, the same analysis can be performed. Navigation is. The measured magnetic field can be maneuvered until the UAS is in the appropriate range to be within the flight path.
UAS는 또한 코스 교정을 결정하기 위해 하나 이상의 DNV 센서로부터의 벡터 측정치를 사용할 수 있다. DNV 센서의 판독치는 감지된 자기장의 방향을 나타내는 벡터이다. 일단 UAS가 감지기 자기장의 크기가 감소함에 따라 전력선의 장소를 알게 되면, 벡터는 UAS가 그 방향을 정정하기 위해 이동해야 하는 방향의 표시를 제공 할 수 있다. 예를 들어, 자기장의 세기는 이상적인 위치에서 임계값만큼 감소될 수 있다. 이 자기장의 자기 벡터는, 자기장의 세기를 증가시키기 위해 UAS가 정정해야 하는 방향을 나타내는데 사용할 수 있다. 다시 말해, 자기장은 자기장의 방향을 나타내며, UAS는 이 방향을 사용하여 자기장의 세기를 증가시키는데 필요한 정확한 방향을 결정할 수 있고, 이것은 UAS의 비행 경로를 송신 와이어 위로 되돌아갈 수 있도록 정정할 수 있다.The UAS may also use vector measurements from one or more DNV sensors to determine course calibration. The reading of the DNV sensor is a vector representing the direction of the sensed magnetic field. Once the UAS knows the location of the powerline as the sensor magnetic field decreases in size, the vector can provide an indication of the direction the UAS should move to correct that direction. For example, the intensity of the magnetic field can be reduced by a threshold value at an ideal position. The magnetic vector of this magnetic field can be used to indicate the direction that the UAS should correct to increase the strength of the magnetic field. In other words, the magnetic field represents the direction of the magnetic field, and the UAS can use this direction to determine the precise direction needed to increase the strength of the magnetic field, which can correct the flight path of the UAS to return to the transmission wire.
단일 차량에서 다수의 센서를 사용하여. 필요한 기동량을 감소시키거나 조종을 완전히 제거할 수 있다. 항해 시스템은 다수의 센서 각각에서 측정된 자기장을 사용하여, UAS가 왼쪽, 오른쪽, 위 또는 아래로 이동하여 코스를 정정할 필요가 있는지 결정할 수 있다. 예를 들어, 양쪽 DNV 센서가 더 강한 자기장을 판독하는 경우, 항해 시스템은 UAS가 고도를 높이도록 지시할 수 있다. 다른 예로서, 좌측 센서가 예상보다 강하지만, 우측 센서가 예상보다 약한 경우, 항해 시스템은 UAS를 좌측으로 이동할 수 있다.Using multiple sensors in a single vehicle. The required amount of maneuver can be reduced or the steering can be completely eliminated. The navigation system may use the measured magnetic field at each of the plurality of sensors to determine if the UAS needs to be moved left, right, up or down to correct the course. For example, if both DNV sensors read a stronger magnetic field, the navigation system could direct the UAS to raise the altitude. As another example, if the left sensor is stronger than expected, but the right sensor is weaker than expected, the navigation system may move the UAS to the left.
하나 이상의 센서로부터의 현재 판독값 이외에, 판독의 최근 이력은 UAS 코스를 정정하는 방법을 식별하기 위해 항해 시스템에 의해 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 오른쪽 센서의 세기가 약간 증가한 다음 감소하면, 왼쪽 센서가 감소한 반면, 이에 따라 항해 시스템은 UAS가 비행 경로의 왼쪽으로 멀리 이동하여 UAS의 위치를 정정할 수 있다고 결정할 수 있다.In addition to the current readings from one or more sensors, the recent history of readings may also be used by the navigation system to identify how to correct the UAS course. For example, if the intensity of the right sensor is slightly increased and then decreased, the left sensor is decreasing, while the navigation system can then determine that the UAS can move away to the left of the flight path to correct the position of the UAS.
도 46은 본 기술의 몇몇 구현에 따른 UAS 항해 시스템(4600)의 예의 고레벨 블록도를 도시한다. 몇몇 구현에서, 본 기술의 UAS 항해 시스템은 다수의 DNV 센서(4602a, 4602b, 4602c), 항해 데이터베이스(4604), 및 UAS의 위치 및 방향을 제어하는 피드백 루프를 포함한다. 다른 구현에서, 차량은 차량을 항해하는데 사용되는 항해 제어부를 포함 할 수 있다. 예를 들어, 항해 제어부는 차량의 방향, 높이, 속도 등을 변경할 수 있다. DNV 자기 센서(4602a 내지 4602c)는 자기장에 대한 높은 감도, 낮은 C-SWAP 및 빠른 안정 시간을 갖는다. DNV 자기장 측정은, UAS가 특징적인 자기장 신호를 통해 전력선과 정렬되고, 전력선 경로를 따라 신속하게 이동하도록 한다. 그러나, 도시된 성분 모두가 요구 될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 성분을 포함할 수 있다. 성분의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 성분, 상이한 성분 또는 더 적은 성분이 제공될 수 있다.46 shows a high-level block diagram of an example of a
도 47은 전력선 인프라 구조의 예를 도시한다. 도 47에 도시된 바와 같은 광범위한 전력선 인프라가 도시, 임계 전력 시스템 요소, 가정 및 기업을 연결하는 것이 알려져 있다. 인프라 구조는 오버 헤드 및 매립된 배전선, 송신 라인, 철도 선로 및 제 3 레일 전력선 및 수중 케이블을 포함할 수 있다. 각 요소는 고유한 전자기 및 공간 서명를 갖는다. 전기장과는 달리, 자기 서명은 인공 구조 및 전기 차폐에 의해 최소한으로 영향을 받는다는 것이 이해된다. 인프라의 특정 요소가 별개의 자기 및 공간 서명을 가지며, 불연속성, 케이블 처짐, 전력 소비 및 기타 요소가 탐색을 위해 활용될 수있는 자기 서명의 변형을 생성함이 이해된다.Figure 47 shows an example of a power line infrastructure. It is known that a wide range of power line infrastructures as shown in Fig. 47 connects cities, critical power system elements, homes and businesses. The infrastructure may include overhead and buried power distribution lines, transmission lines, railway lines and third rail power lines and underwater cables. Each element has a unique electromagnetic and spatial signature. It is understood that, unlike the electric field, the self signature is minimally affected by the artificial structure and electrical shielding. It is understood that certain elements of the infrastructure have distinct magnetic and spatial signatures, and discontinuities, cable deflection, power consumption, and other factors create variations of the self signature that can be exploited.
도 48a 및 도 48b는 오버 헤드 전력선 및 지하 전력 케이블에 대한 자기장 분포의 예를 도시한다. 지상 및 매립 전원 케이블은 모두 자기장을 방출하며, 이것은 전기장과 달리 쉽게 차단되거나 차폐되지 않는다. 자연 지구 및 다른 사람이 만든 자기장 소스는 절대 장소의 대략적인 값을 제공할 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 민감한 자기 센서는 상당한 거리에서 전력선과 같은 강력한 인공 자석 소스를 위치할 수 있다. UAS가 이동하면서, 측정은 자기 소스(지점 소스, 라인 소스 등)의 공간 구조를 나타내기 위해 사용되어, 전력선을 그와 같이 식별할 수 있다. 또한, 일단 UAS가 검출되면, 자기 세기를 통해 전력선으로 안내할 수 있다. 일단 전력선의 위치가 결정되면, 그 구조가 결정되고 전력선 경로가 따라가고 그 특징이 절대 장소를 결정하기 위해 자기 방식 지점과 비교된다. 고정 전력 라인은 극 및 타워의 장소 및 상대 위치가 알려지므로 정밀한 장소 기준을 제공할 수 있다. 컴팩트한 온보드 데이터베이스는 웨이포인트에 대한 기준 서명 및 위치 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 도시된 성분 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 성분을 포함할 수 있다. 성분의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 성분, 상이한 성분 또는 더 적은 성분이 제공될 수 있다.48A and 48B show examples of magnetic field distributions for overhead power lines and underground power cables. Ground and buried power cables all emit magnetic fields, which, unlike electric fields, are not easily blocked or shielded. Natural earth and other magnetic field sources created by others can provide approximate values of absolute location. However, the sensitive magnetic sensor described herein can place a powerful artificial magnet source, such as a power line, at considerable distances. As the UAS moves, measurements are used to indicate the spatial structure of the magnetic source (point source, line source, etc.), so that the power line can be identified as such. Further, once the UAS is detected, it can be guided to the power line through the magnetic intensity. Once the position of the power line is determined, its structure is determined and the power line path follows and the characteristic is compared with the magnetic way point to determine the absolute location. Fixed power lines can provide precise location criteria because pole and tower locations and relative locations are known. A compact onboard database can provide reference signature and location data for waypoints. However, not all illustrated components may be required, and one or more implementations may include additional components not shown in the figures. Variations in the arrangement and type of components can be made and additional components, different components or fewer components can be provided.
도 49는 중심선으로부터의 거리의 함수로서 전력선의 자기장 세기의 예를 도시하며, 심지어 저 전류 분배선이 10km를 초과하는 거리까지 검출될 수 있음을 보여준다. 여기서 DNV 센서가 0.01μT 감도(1e-10T)를 제공하며, 모델링 결과가 수천 km 이상에서 고전류 송신 라인(예를 들어, 1000A 내지 4000A를 갖는)이 검출될 수 있음을 나타낸다는 것이 이해된다. 이들 강력한 자기 소스는, UAS가 아래에 기재된 바와 같이 그 자체를 국부화된 상대적인 자기장 세기 및 전력선 구성의 특징적인 패턴을 사용하여 정렬할 수 있는 전력선에 안내하도록 한다.Figure 49 shows an example of the magnetic field strength of a power line as a function of distance from the centerline and shows that even a low current distribution line can be detected up to a distance exceeding 10 km. It is understood here that the DNV sensor provides 0.01 μT sensitivity (1e-10T) and the modeling results indicate that a high current transmission line (eg with 1000A to 4000A) can be detected at thousands of kilometers or more. These powerful magnetic sources allow the UAS to direct itself to a power line that can be aligned using the localized relative magnetic field intensity and the characteristic pattern of the power line configuration, as described below.
도 50은 DNV 센서(5004 및 5006)가 구비된 UAS(5002)의 예를 도시한다. 도 51은 전력선에 근접할 때 DNV 센서에 의해 감지된 측정된 차동 자기장의 플롯이다. 단일 DNV 센서만으로 전력선 검출이 수행될 수 있지만, 다수의 와이어 센서를 사용하여 복합 와이어 구성을 위한 정밀 정렬이 달성될 수 있다. 예를 들어, 차동 신호는 자기장 세기의 주간 및 계절 변동의 영향을 제거할 수 있다. 그러나, 도시된 성분 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 추가 성분을 포함할 수 있다. 성분의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 성분, 상이한 성분 또는 더 적은 성분이 제공될 수 있다.50 shows an example of a
다양한 다른 구현들에서, 차량은 또한 송전선, 전력선 및 전력 유틸리티 장비를 검사하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량은 하나 이상의 자기 센서, 자기 웨이포인트 데이터베이스 및 UAS 비행 제어에 대한 인터페이스를 포함할 수 있다. 본 기술은 자기장 측정을 위해 DNV 자기 센서의 자기장에 대해 높은 감도를 활용할 수 있다. DNV 자기 센서는 또한 저렴한 비용, 공간, 중량 및 전력(C-SWAP)이 가능하며, 빠른 정착 시간의 이점을 갖는다. DNV 자기장 측정은, UAS가 전력선과 정렬되고, 전력선 루트를 따라 신속하게 이동하고 열악한 가시 조건 및/또는 GPS 거부 환경에서 항해할 수 있게 한다. DNV 기반의 자기 센서가 기존의 자기 센서보다 약 100배 더 작으며 EMDEX LLC Snap 휴대용 자기장 측정기와 유사한 감도를 가진 센서보다 약 10만 배 더 빠른 반응 시간을 갖는 다는 것이 이해된다.In various other implementations, the vehicle may also be used to inspect transmission lines, power lines, and power utility equipment. For example, the vehicle may include one or more magnetic sensors, a magnetic waypoint database, and an interface to UAS flight control. The technology can take advantage of the high sensitivity to the magnetic field of the DNV magnetic sensor for magnetic field measurements. DNV magnetic sensors also offer the advantages of low cost, space, weight and power (C-SWAP) and fast settling time. The DNV magnetic field measurement allows the UAS to align with the power line, move quickly along the powerline route, and navigate in harsh visibility and / or GPS rejection environments. It is understood that the DNV-based magnetic sensor is about 100 times smaller than the conventional magnetic sensor and has about 100,000 times faster response time than the sensor with similar sensitivity to the EMDEX LLC Snap portable magnetic field measuring device.
DNV 센서의 빠른 정착 시간 및 낮은 C-SWAP은 낮은 C-SWAP UAS 시스템으로부터의 상세한 전력선 특징의 신속한 측정을 가능하게 한다. 하나 이상의 구현에서, 전력선은 장거리에서 일상적으로 소형 무인 공중 차량(UAV)을 통해 효율적으로 측량될 수 있으며, 이는 자동화된 현장 이상 식별을 통해 발생하는 문제 및 이슈를 식별할 수 있다. 다른 구현에서, 육상 차량 또는 잠수함은 전력선을 검사하는데 사용될 수 있다. 인력 검사원은 초기 검사를 수행할 필요가 없다. 본 기술의 검사는 정량적이며, 따라서 원격 비디오 해결책이 될 수 있으므로 인간의 해석에 종속되지 않는다.The fast settling time and low C-SWAP of the DNV sensor enable rapid measurement of detailed power line characteristics from low C-SWAP UAS systems. In one or more implementations, power lines can be routinely metered over long distances through small unmanned aerial vehicles (UAVs), which can identify problems and issues arising from automated field anomaly identification. In another implementation, land vehicles or submarines may be used to inspect power lines. The personnel inspector does not need to perform an initial inspection. The inspection of this technique is quantitative and thus can be a remote video solution and is therefore not subject to human interpretation.
도 52는 몇몇 구현에 따른 전력선(904) 및 이상(902)을 갖는 전력선에 대한 측정된 자기장 분포의 예를 도시한다. 정상적인 전력선에 대한 측정된 자기장 분포의 피크 값은 중심선(예를 들어, d = 0) 근처에 있다. 본 기술의 검사 방법은 단일 및 다중 와이어 송신 시스템에 사용될 수 있는 고속 변칙 매핑 기술이다. 본 해결책은 검사 데이터를 분석하기 위해 기존 소프트웨어 모델링 도구를 활용할 수 있다. 하나 이상의 구현에서, 정상적인 전력선 세트로부터의 데이터는 다른 전력선의 검사(예를 들어, 이상 또는 결함을 갖는)로 인한 데이터에 대한 비교 기준으로서 사용될 수 있다. 와이어 및 지지 구조에 대한 손상은 공칭 자기장 특징을 변경하고, 정상적인 전력선 세트의 공칭 자기장 특징과 비교하여 검출된다. 자기장 측정이 건물, 나무 등과 같은 다른 구조에 의해 최소한으로 영향을 받는 것이 이해된다. 따라서, 측정된 자기장은 전력선의 정상 세트 및 측정된 자기장의 크기로부터의 데이터와 비교될 수 있고, 미리 결정된 임계치와 상이하다면, 이상의 존재가 표시될 수 있다. 더욱이, 차이 데이터 사이의 벡터 판독치가 또한 비교되어. 이상의 존재를 결정하는데 사용될 수 있다.52 shows an example of a measured magnetic field distribution for a power line with power line 904 and an ideal 902 according to some implementations. The peak value of the measured magnetic field distribution for a normal power line is near the center line (e.g., d = 0). The inspection method of the present technology is a high speed anomaly mapping technique that can be used in single and multiple wire transmission systems. This solution can leverage existing software modeling tools to analyze inspection data. In one or more implementations, data from a normal set of power lines may be used as a comparison criterion for data due to inspections of other power lines (e.g., having anomalies or defects). Damage to the wire and support structure changes the nominal magnetic field characteristic and is detected by comparison with the nominal magnetic field feature of the normal set of power lines. It is understood that magnetic field measurements are minimally affected by other structures such as buildings, trees, and the like. Thus, the measured magnetic field can be compared to data from the normal set of power lines and the magnitude of the measured magnetic field, and if there is a difference from the predetermined threshold, the presence of the above can be indicated. Moreover, vector readings between difference data are also compared. Or more.
몇몇 구현에서, 차량은 자신의 내비게이션 경로에 있는 물체를 피할 필요가있을 수 있다. 예를 들어, 지상 차량은 사람이나 물체 주위를 기동해야 할 수 있거나, 비행 차량이 건물이나 전력선 장비를 피할 필요가 있을 수 있다. 이러한 구현에서, 차량은 피할 수 있는 장애물을 위치하는데 사용되는 센서가 설치될 수 있다. 카메라 시스템, 초점 어레이, 레이더, 음향 센서 등과 같은 시스템은 차량 경로의 장애물을 식별하는데 사용될 수 있다. 항해 시스템은 식별된 장애물을 피하기 위해 경로 정정을 식별할 수 있다.In some implementations, the vehicle may need to avoid an object in its navigation path. For example, a ground vehicle may need to maneuver around a person or object, or a flight vehicle may need to avoid building or powerline equipment. In this implementation, the vehicle may be equipped with a sensor used to locate an avoidable obstacle. Systems such as camera systems, focus arrays, radar, acoustic sensors and the like can be used to identify obstacles in the vehicle path. Navigation systems can identify path corrections to avoid identified obstacles.
NV 중심을 갖는 합성으로 생성된 다이아몬드의 Synthesis of diamond-like diamond with NV center QCQC 방법을 위한 측정 파라미터 Measurement parameters for the method
DNV(diamond nitrogen vacancy) 물질의 양자 에너지 레벨을 측정하는 것은 자기장 센서에서 사용하기 위한 DNV 물질의 적합성과 같은 물질의 품질에 관한 정보를 제공할 수 있다. DNV 물질의 불순물 함량, 격자 변형 및 질소 공석(NV) 농도는 DNV 물질의 양자 에너지 레벨에 영향을 미친다. 따라서 DNV 물질의 양자 에너지 레벨을 측정하는 것은 DNV 물질의 불순물 함량, 격자 변형 및 NV 함량에 관한 정보를 제공한다.Measuring the quantum energy level of a diamond nitrogen vacancy (DNV) material can provide information about the quality of the material, such as the suitability of the DNV material for use in magnetic field sensors. The impurity content, lattice strain and nitrogen vacancy (NV) concentration of the DNV material affect the quantum energy level of the DNV material. Thus, measuring the quantum energy level of a DNV material provides information about the impurity content, lattice strain, and NV content of the DNV material.
DNV 물질의 특징화Characterization of DNV materials
DNV 물질의 특징화는 전술한 형광 행위와 연관된 다수의 파라미터를 측정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, DNV 계측은 DNV 쌍극자 결합의 제로-필드-분할(ZFS) 및 DNV 물질의 초미세 결합과 연관된 여러 파라미터를 측정하여 수행될 수 있다. 이러한 파라미터의 측정은 다이아몬드의 불순물을 평가하도록 한다. 불순물의 예는 격자 전위, 깨진 결합 및 14-질소 초과의 다른 원소이다. 이러한 파라미터의 측정은 DNV 중심의 농도에 대한 통찰력을 추가로 얻을 수 있다. 불순물과 초과 DNV 농도는 초미세 분해능에 직접적으로 영향을 미친다. 격자 전위 및 결정 변형은 상태의 퇴행성을 파괴하는 비대칭을 도입함으로써 ZFS 레벨에 영향을 줄 수 있다. 측정에 의해 수행된 평가는 합리적으로 짧은 기간에 수행될 수 있으며, DNV 물질의 품질이 확인될 수 있도록 충분한 깊이의 정보를 제공한다. 그러한 품질 보증(QA) 평가는 다양한 DNV 공급 업체를 평가하고 비교할 때 또는 DNV 물질의 특성을 확인할 때 바람직하다.Characterization of the DNV material can be achieved by measuring a number of parameters associated with the fluorescence activity described above. For example, DNV metrology can be performed by measuring various parameters associated with the zero-field-division (ZFS) of the DNV dipole coupling and the ultrafine coupling of the DNV material. The measurement of these parameters allows for the evaluation of diamond impurities. Examples of impurities are lattice dislocations, broken bonds and other elements in excess of 14-nitrogen. Measurement of these parameters can provide additional insight into DNV-centric concentrations. The impurity and excess DNV concentration directly affect the ultrafine resolution. Lattice dislocations and crystalline strains can affect ZFS levels by introducing asymmetry that destroys the degeneracy of the state. The evaluation performed by the measurement can be carried out in a reasonably short period of time and provides sufficient depth of information so that the quality of the DNV material can be verified. Such quality assurance (QA) assessments are desirable when evaluating and comparing various DNV suppliers or when verifying the properties of DNV materials.
DNV 샘플의 특징화는 샘플의 양자 성질의 측정을 포함한다. ZFS 파라미터는 해밀톤(에너지 수학식)에서 DNV 시스템에 대한 특정 정밀도로 도출된다. 해밀톤은 다음과 같이 표현될 수 있다:The characterization of the DNV sample involves the measurement of the quantum properties of the sample. ZFS parameters are derived with specific precision for the DNV system in Hamilton (energy mathematical formulas). Hamilton can be expressed as:
+ + + + + +
여기서here
지맨(Zeeman) 용어는 외부 자기장과 스핀 중심의 상호 작용을 나타낸다. , , 및 이라는 용어의 측정은 DNV 제조 공정의 반복성 및 품질에 대한 중요한 통찰력을 제공한다.The Zeeman term refers to the interaction of the external magnetic field and the spin center. , , And Is an important insight into the repeatability and quality of the DNV manufacturing process.
DNV 해밀턴의 에너지 레벨의 개략적인 도면이 도 22에 도시된다. 도 53의 도면에서, 쌍극자 결합(E = 0 및 E> 0), 초미세 결합 및 4중극 결합과 같은 상이한 결합으로 인한 DNV 기저 상태 레벨 및 에너지 레벨의 다양한 분리가 도시된다.A schematic diagram of the energy level of DNV Hamilton is shown in FIG. 53, various separations of DNV ground state levels and energy levels due to different bonds such as dipole bonds (E = 0 and E > 0), ultrafine bonds and quadrupole bonds are shown.
, , 및 라는 용어는, 해밀턴 방정식으로부터 , , 및 라는 용어가 DNV의 에너지 레벨을 결정하는 측정 가능한 양이기 때문에 DNV 제조 프로세스의 반복 가능성 및 품질에 대한 통찰력을 제공한다. NV 중심에 할당된 DNV 기준 프레임에서, 텐서는 다음과 같이 표현될 수 있다: , , And The term " Hamiltonian " , , And Provides insight into the repeatability and quality of the DNV manufacturing process because the term is a measurable quantity that determines the energy level of DNV. In the DNV reference frame assigned to the NV center, The tensor can be expressed as:
여기서 파라미터 D는 ZFS 양이다. D는 일반적으로 ~ 2.870 GHz의 값을 갖는다. 파라미터 E는 추가적인 대칭 파괴 항이며, 수 MHz 정도일 수 있다. 이 두 파라미터를 조합하는 것은 다이아몬드 격자에서의 변형 정도에 관한 정보를 제공한다. 도 54는 인가된 바이어스 필드(0 가우스 바이어스)없이 전술한 바와 같은 DNV 형광 신호의 예를 예시하는 도면이다. 파라미터 E 및 D는 다음의 수학식에 따라 도 54의 DNV 광학 신호의 측정된 주파수(v1 및 v2)로부터 도출될 수 있다:Where the parameter D is the ZFS amount. D generally has a value of ~ 2.870 GHz. The parameter E is an additional symmetric breakdown term and can be of the order of a few megahertz. Combining these two parameters provides information on the degree of deformation in the diamond grating. 54 is a diagram illustrating an example of a DNV fluorescence signal as described above without an applied bias field (zero Gaussian bias). The parameters E and D can be derived from the measured frequencies (v 1 and v 2 ) of the DNV optical signal of Figure 54 according to the following equation:
, ,
. .
DNV 신호의 측정된 주파수(v1 및 v2)는 도 54에 도시된 바와 같이 DNV 광 신호 내의 로렌츠 피크의 장소인 것으로 간주 될 수 있다.The measured frequencies (v 1 and v 2 ) of the DNV signal may be considered to be the location of the Lorentz peak in the DNV optical signal, as shown in FIG.
DNV 물질의 형광 신호를 생성하기 위해, 연속파(CW) 레이저 펌핑 및 연속파(CW) 무선 주파수(RF)는 인가된 바이어스 자기장이 없는 경우 DNV 샘플의 여기를 위해 사용될 수 있다. RF 신호는 ~ 2.8GHz 내지 2.95GHz까지 스윕될 수 있어서 도 54에 도시된 형광 신호를 관찰할 수 있다.Continuous wave (CW) laser pumping and continuous wave (CW) radio frequency (RF) can be used for excitation of DNV samples in the absence of an applied bias magnetic field, to generate a fluorescent signal of the DNV material. The RF signal can be swept from ~ 2.8 GHz to 2.95 GHz to observe the fluorescence signal shown in Figure 54. [
해밀턴의 텐서는 도 55에 도시된 초미세 분할과 연관된다. 초미세 값의 식별과 측정은 DNV 샘플의 순도와 N/NV의 농도에 관한 정보를 제공한다. 또한, 도 55 및 도 56은 1 가우스 자기 바이어스 자기장 하에서 각각 고품질 DNV 샘플 및 저품질 DNV 샘플에 대한 DNV 형광 신호를 도시하는 도면이다. 초미세 레벨의 장소는 DNV 샘플에서 15N, 14N 및 13C의 동위 원소의 존재를 나타낼 수 있다. 자연 동위 원소(14N)는 도 55에 도시된 바와 같이 쌍극 에너지 레벨에 대해 약 +2.5 MHz, 0 MHz 및 -2.5 MHz의 알려진 레벨을 갖는다. 도 55에서 알 수 있듯이, 실온에서 초미세 레벨을 분해하는 능력은 DNV 샘플의 고순도를 나타낸다. 고순도 DNV 샘플은 DNV 샘플을 극저온으로 냉각시키지 않으면서 초미세 레벨을 분해하도록 할 수 있다. 낮은 순도 또는 높은 N/NV 농도를 갖는 샘플은 도 56에 도시된 바와 같이, 초미세 피크를 분해할 수 없도록 효과적으로 흐리게 한다. 초미세 레벨을 분해할 수 없다는 것은 낮은 순도 또는 높은 결함의 DNV 샘플의 표시이다.Hamilton The tensor is associated with the ultrafine segmentation shown in FIG. Identification and measurement of ultrafine values provides information on the purity of the DNV sample and the concentration of N / NV. 55 and 56 are diagrams showing DNV fluorescence signals for a high-quality DNV sample and a low-quality DNV sample under 1 Gauss self-bias magnetic field, respectively. Ultra-fine level locations may indicate the presence of 15 N, 14 N and 13 C isotopes in DNV samples. The natural isotope 14 N has a known level of about + 2.5 MHz, 0 MHz and -2.5 MHz for the bipolar energy level, as shown in FIG. As can be seen in Figure 55, the ability to decompose ultrafine levels at room temperature represents the high purity of the DNV sample. A high purity DNV sample can cause the DNV sample to decompose at ultra-fine levels without cooling to a cryogenic temperature. A sample with low purity or high N / NV concentration effectively diminishes the ultrafine peaks so that they can not decompose, as shown in FIG. Failure to disassemble ultrafine levels is an indication of low purity or high defect DNV samples.
초미세 공진의 존재를 결정하기 위해, 작은 바이어스 자기장이 연속파(CW) 레이저 펌핑 및 CW RF 여기와 함께 DNV 샘플에 인가된다. 몇몇 구현에서, RF 전력은 측정 가능한 공진을 여전히 얻는 동안 가능한 한 가장 낮은 설정으로 유리하게 조정될 수 있다. RF 신호는 ~ 2.8GHz 내지 2.95GHz까지 스윕되어, 도 55에 도시된 형광 신호를 관찰할 수 있다. 이것은 1 가우스 자기장을 사용했다. 초미세 분할을 식별하고 측정하기 위해 인가된 바이어스 자기장은 적어도 약 1 가우스 또는 약 30 가우스와 같은 임의의 적절한 바이어스 자기장일 수 있다.To determine the presence of ultrafine resonance, a small biasing magnetic field is applied to the DNV sample along with continuous wave (CW) laser pumping and CW RF excitation. In some implementations, the RF power can be advantageously adjusted to the lowest possible setting while still obtaining a measurable resonance. The RF signal can be swept from ~ 2.8 GHz to 2.95 GHz to observe the fluorescence signal shown in FIG. This used a 1 Gauss magnetic field. The applied bias magnetic field for identifying and measuring the hyperfine segment can be any suitable bias magnetic field, such as at least about 1 Gauss or about 30 Gauss.
도 6은 몇몇 실시예에 따른 NV 중심 센서(600)의 개략도이다. 센서(600)는 광학 여기(optical excitation)를 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(620)에 지향시키는 광 여기 소스(610)를 포함한다. RF 여기 소스(630)는 NV 다이아몬드 물질(620)에 RF 방사선을 제공한다. NV 여기 센서(600)는 NV 다이아몬드 물질(620)에 바이어스 자기장을 인가하는 영구 자석 또는 전자석과 같은 바이어스 자기장 소스(670)를 포함할 수 있다. NV 다이아몬드 물질(620)로부터의 광은 광학 필터(650) 및 전도된 간섭을 억제하는 전자기 간섭(EMI) 필터(660)를 통해 광 검출기(640)로 향하게 될 수 있다. 센서(600)는 광학 검출기(640)로부터 광 여기 신호를 수신하고 광학 여기 소스(610) 및 RF 여기 소스(630)를 제어하도록 배열된 제어기(680)를 더 포함한다.6 is a schematic diagram of an
RF 여기 소스(630)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(630)는 도 3에 대해 전술한 바와 같이 기저 ms = 0 스핀 상태와 ms = - 1 스핀 상태 사이의 전이 에너지로 공진하는 광자 에너지로 RF 복사선을 방출하도록 제어된다.The RF excitation source 630 may be, for example, a microwave coil. The RF excitation source 630 is controlled to emit RF radiation into the photon energy that resonates with the transition energy between the base m s = 0 spin state and the m s = -1 spin state, as described above for FIG.
광학 여기 소스(610)는 예를 들어, 녹색 대역로 광을 방출하는 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광 여기 소스(610)는 여기된 상태에서 기저 상태로 전자 전이에 대응하는 적색 대역의 NV 다이아몬드 물질의 형광을 유도한다. NV 다이아몬드 물질(620)로부터의 광은 광학 필터(650)를 통해 지향되어(예를 들어, 녹색에서) 여기 대역의 광을 필터링하고, 차례로 광학 검출기(640)에 의해 검출된 적색 형광 대역의 광을 통과시킨다, EMI 필터(660)는 광학 필터(650)와 광학 검출기(640) 사이에 배치되어 전도된 간섭을 억제한다. 광학 여기 광원(610)은 NV 다이아몬드 물질(620)의 형광을 여기시키는 것 외에도, 기저 상태(3A2)의 ms = 0 스핀 상태의 집단을 최대 편광 또는 다른 원하는 편광으로 재설정하는 역할을 한다.The optical excitation source 610 may be, for example, a laser or a light emitting diode that emits light into the green band. The light excitation source 610 induces fluorescence of the red diamond band NV diamond material corresponding to the electron transition from the excited state to the ground state. Light from the NV diamond material 620 is directed through the optical filter 650 to filter out the excitation band of light (e.g., in green), and successively filters the light of the red fluorescence band detected by the optical detector 640 The EMI filter 660 is disposed between the optical filter 650 and the optical detector 640 to suppress the conducted interference. The optical excitation light source 610 serves to reset the group of m s = 0 spin states of base state 3 A 2 to maximum polarization or other desired polarization in addition to exciting the fluorescence of NV diamond material 620 .
제어기(680)는 광학 검출기(640)로부터 광 검출 신호를 수신하고 광학 여기 소스(610) 및 RF 여기 소스(630)를 제어하도록 배열된다. 제어기는 광학 여기 소스(610) 및 RF 여기 소스(630)의 동작을 제어하기 위해 프로세서(682) 및 메모리(684)를 포함할 수 있다. 비 임시 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있는 메모리(684)는 광학 여기 소스(610) 및 RF 여기 소스(630)의 동작이 제어되도록 하는 명령을 저장할 수 있다.Controller 680 is arranged to receive the optical detection signal from optical detector 640 and to control optical excitation source 610 and RF excitation source 630. The controller may include a processor 682 and a memory 684 to control the operation of the optical excitation source 610 and the RF excitation source 630. Memory 684, which may include non-volatile computer readable media, may store instructions that cause the operation of optical excitation source 610 and RF excitation source 630 to be controlled.
동작의 몇몇 실시예에 따르면, 제어기(680)는, 광학 여기 소스(610)가 NV 다이아몬드 물질(620)의 NV 중심을 연속적으로 펌핑하도록 동작을 제어한다. RF 여기 소스(630)는 2.87 GHz의 제로 분할(ms = ± 1 스핀 상태가 동일한 에너지를 가질 때) 광자 에너지를 포함하는 주파수 범위 양단에서 연속적으로 스윕하도록 제어된다. RF 여기 소스(630)에 의해 방출된 RF 복사선의 광자 에너지가 ms = 0 스핀 상태 및 ms = -1 또는 ms = +1 스핀 상태의 에너지의 차이일 때, 전체 형광 세기는 도 3에 대해 전술한 바와 같이 공진시 감소된다. 이 경우, RF 에너지가 ms = 0 스핀 상태와 ms = -1 또는 ms = +1 스핀 상태의 에너지 차이로 공진할 때 형광 세기가 감소한다.According to some embodiments of operation, the controller 680 controls the operation such that the optical excitation source 610 continuously pumps the NV center of the NV diamond material 620. The RF excitation source 630 is controlled to continuously sweep across both ends of the frequency range including photon energy (when m s = 占 1 spin states have the same energy) at 2.87 GHz. When the photon energy of the RF radiation emitted by the RF excitation source 630 is the difference of the energy of m s = 0 spin state and m s = -1 or m s = +1 spin state, Is reduced in resonance as described above. In this case, the fluorescence intensity decreases when the RF energy resonates with an energy difference of m s = 0 spin state and m s = -1 or m s = +1 spin state.
몇몇 실시예에 따라, NV 중심 센서(600)는 자기장 센서로서 기능할 수 있다. 상술한 바와 같이, 다이아몬드 물질(620)은 네 개의 상이한 배향 등급의 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 가질 것이며, 상이한 배향의 각각을 따른 성분(Bz)은 각 배향 등급에 대해 ms= -1 및 ms = +1 스핀 상태 사이에서 에너지의 차이에 기초하여 결정될 수 있다. 그러나, 특정한 경우에, 에너지의 중첩 등으로 인해 어떤 에너지 분할이 어느 배향 등급에 대응하는지를 결정하는 것이 어려울 수 있다. 바이어스 자기장 소스(670)는 상이한 배향 등급에 대한 에너지를 분리하기 위해 바람직하게는 NV 다이아몬드 물질(620) 상에서 균일한 자기장을 제공하여, 더 쉽게 식별될 수 있다. 이러한 방식으로, NV 축을 따른 자기장(Bz)의 성분은 ms = -1 및 ms = +1 스핀 상태들 사이의 에너지의 차이에 의해 결정될 수 있다.According to some embodiments, the
DNV 물질 평가 시스템DNV Material Assessment System
DNV 물질의 평가는 센서 시스템에 DNV 물질을 병합하기 전 또는 DNV 물질이 자기장 센서와 같은 센서 시스템에 병합된 후에 전용 테스트 시스템에서 수행될 수 있다. 전용 테스트 시스템의 사용은 생산 후 또는 공급 업체로부터의 수령시 DNV 물질이 평가되도록 한다. 이러한 방식으로, DNV 물질이 디바이스에 병합되기 전에 원하는 특성을 나타내는 것이 보장될 수 있다. DNV 물질을 센서 시스템에 병합한 후 평가하는 것은 DNV 물질의 상태가 센서 시스템의 수명 전체에서 모니터링되도록 한다. 이러한 배열은 DNV 물질이 모니터링되도록 하고, DNV 물질이 센서 시스템의 정밀도 또는 동작이 부정적으로 영향을 받는 정도까지 손상되거나 저하되는 경우 사용자에게 경고한다.Evaluation of the DNV material may be performed in a dedicated test system prior to incorporating the DNV material into the sensor system or after the DNV material has been incorporated into a sensor system such as a magnetic field sensor. Use of a dedicated test system allows the DNV material to be evaluated after production or upon receipt from the supplier. In this way, it can be ensured that the DNV material exhibits the desired properties before being incorporated into the device. The evaluation after incorporating the DNV material into the sensor system allows the status of the DNV material to be monitored throughout the lifetime of the sensor system. This arrangement allows the DNV material to be monitored and alerts the user if the DNV material is damaged or degraded to such an extent that the accuracy or operation of the sensor system is negatively affected.
DNV 물질의 평가를 위한 전용 테스트 시스템은 도 6에 도시되고 전술한 NV 센서 시스템의 특징을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, DNV 물질의 제로 필드 분할(ZFS) 양은 외부 자기장이 없는 경우에 측정된다. ZFS 양의 측정을 위해, 바이어스 자기장 소스(670)는 센서 시스템에서 생략될 수 있다. 대안적으로, ZFS 양을 측정할 때, 전자석과 같은 스위칭 가능한 바이어스 자기장 소스(670)가 오프 상태에서 사용될 수 있다. 자기 차폐는 센서 시스템에 포함될 수 있어, ZFS 양을 측정하는 동안 DNV 물질 상에 작용하는 자기장을 감소하거나 제거할 수 있다.A dedicated test system for evaluation of the DNV material may include features of the NV sensor system shown in FIG. 6 and described above. As described above, the zero field division (ZFS) amount of the DNV material is measured in the absence of an external magnetic field. For the measurement of the amount of ZFS, the bias magnetic field source 670 may be omitted from the sensor system. Alternatively, when measuring the amount of ZFS, a switchable bias magnetic field source 670, such as an electromagnet, may be used in the off state. Magnetic shielding can be included in the sensor system to reduce or eliminate the magnetic field acting on the DNV material during the measurement of the amount of ZFS.
테스트 시스템은 도 6에 도시된 유형의 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하여 광학 검출기에서 형광 신호를 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 제어기는 또한 전술한 방식으로 광학 검출기에 의해 수신된 형광 신호로부터 ZFS 양, D 및 E를 결정하도록 프로그래밍된다. ZFS 양, D와 E를 측정하는 동안, 자기 바이어스 자기장은 DNV 물질에 인가되지 않는다.The test system may include a controller of the type shown in FIG. The controller can be programmed to control the optical excitation source and the RF excitation source to produce a fluorescence signal at the optical detector. The controller is also programmed to determine the amount of ZFS, D and E from the fluorescence signal received by the optical detector in the manner described above. During the measurement of the amount of ZFS, D and E, a magnetic bias magnetic field is not applied to the DNV material.
테스트 시스템은 DNV 물질을 테스트 시스템에 배치하기 위한 자동화 시스템을 포함할 수 있다. 자동화 시스템은 테스트 시스템에 DNV 물질을 배치할 수 있는 임의의 성분을 포함할 수 있다. 대안적으로, 테스트 시스템은, 사용자가 DNV 샘플을 테스트 시스템에 배치할 수 있도록 구성될 수 있다.The test system may include an automated system for placing the DNV material in the test system. The automation system may include any component capable of placing the DNV material in the test system. Alternatively, the test system can be configured so that the user can place the DNV samples in the test system.
전술한 바와 같이, ZFS 양, D 및 E는 DNV 물질의 결정 격자의 변형도에 대한 통찰을 제공한다. 제어기는 측정된 ZFS 양, D 및 E에 기초하여 DNV 물질의 결정 격자에서의 변형 정도를 결정하도록 프로그래밍될 수 있다. 결정 격자에서의 변형 정도를 결정하는 것은 측정된 ZFS 양, D 및 E를 제어기의 메모리에 저장된 미리 결정된 임계값과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 ZFS 양, D 및 E가 임계값에 의해 규정된 범위 내에 있는 경우, DNV 물질의 결정 격자의 변형 정도가 수용 가능하다고 결정된다.As described above, the amounts of ZFS, D and E provide insights into the deformation of the crystal lattice of the DNV material. The controller can be programmed to determine the degree of deformation in the crystal lattice of the DNV material based on the measured ZFS amount, D and E. Determining the degree of deformation in the crystal lattice may include comparing the measured amount of ZFS, D and E to a predetermined threshold value stored in the controller ' s memory. It is determined that the degree of deformation of the crystal lattice of the DNV material is acceptable if the measured ZFS amount, D and E, are within the range specified by the threshold value.
ZFS 양, D 및 E는 또한 DNV 물질에 존재하는 결정 격자 결함의 농도에 대한 통찰을 제공한다. 제어기는 측정된 ZFS 양, D 및 E에 기초하여 DNV 물질의 결정 격자에서 결정 격자 결함의 농도를 결정하도록 프로그래밍될 수 있다. 결정 격자에서 결정 격자 결함의 농도를 결정하는 것은 측정된 ZFS 양, D 및 E를 제어기의 메모리에 저장된 미리 결정된 임계값과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 ZFS 양, D 및 E가 임계값에 의해 규정된 범위 내에 있는 경우, DNV 물질의 결정 격자 내의 결정 격자 결함의 농도가 허용 가능한 것으로 결정된다. ZFS 양, D 및 E에 대한 임계값은 원하는 특성을 나타내는 DNV 물질과 연관된 임의의 적절한 값일 수 있다. 예를 들어, D에 대한 임계값은 2.5 내지 5.5 MHz일 수 있다.The amounts of ZFS, D and E also provide insights into the concentration of crystal lattice defects present in the DNV material. The controller can be programmed to determine the concentration of crystal lattice defects in the crystal lattice of the DNV material based on the measured ZFS quantities, D and E. Determining the concentration of crystal lattice defects in the crystal lattice may include comparing the measured ZFS quantities, D and E, with a predetermined threshold value stored in the controller ' s memory. If the measured amount of ZFS, D and E, is within the range specified by the threshold, the concentration of crystal lattice defects in the crystal lattice of the DNV material is determined to be acceptable. The threshold values for the ZFS quantities, D and E may be any suitable value associated with the DNV material representing the desired properties. For example, the threshold for D may be 2.5 to 5.5 MHz.
제어기는, 자기 바이어스가 DNV 물질에 인가될 때 광학 검출기에서 수신된 형광 신호에서 초미세가 분해 가능한지 여부를 결정하도록 프로그래밍될 수 있다. 제어기는 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하여 광학 검출기에서 형광 신호를 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 더욱이, 제어기는 자기 바이어스 발생기를 제어하여, 자기 바이어스 자기장이 DNV 물질에 인가되도록 프로그래밍될 수 있다. DNV 물질에 인가된 자기 바이어스 자기장은 ~ 30 가우스와 같은 작은 자기 바이어스 자기장일 수 있다. 초미세가 분해 가능한지 여부를 결정하기 위해 사용되는 테스트 시스템은 ZFS 양, D 및 E를 측정하기 위해 사용된 동일한 테스트 시스템일 수 있다. 대안적으로, 초미세가 분해 가능한지를 결정하기 위해 사용된 테스트 시스템은 ZFS 양, D 및 E를 측정하기 위해 사용된 테스트 시스템과 상이한 테스트 시스템일 수 있다.The controller can be programmed to determine whether ultrafine decomposition is possible in the fluorescence signal received at the optical detector when a magnetic bias is applied to the DNV material. The controller can be programmed to control the optical excitation source and the RF excitation source to produce a fluorescence signal at the optical detector. Furthermore, the controller may control the magnetic bias generator so that a magnetic bias magnetic field is applied to the DNV material. The self-bias magnetic field applied to the DNV material may be a small self-bias magnetic field, such as ~ 30 Gauss. The test system used to determine whether the ultrafine particles are resolvable may be the same test system used to measure the ZFS quantities, D and E. Alternatively, the test system used to determine whether the ultrafine particles are resolvable can be a test system different from the test system used to measure the ZFS quantities, D and E.
상술한 바와 같이, 광학 검출기에서 수신된 형광 신호에서 초미세를 분해하는 능력은 DNV 물질 내의 NV 중심 및 불순물의 농도로서 통찰력을 제공한다. 초미세는 광학 검출기에서 수신된 형광 신호로부터 초미세에 대한 전체 폭의 절반 최대 값을 측정 할 수 있을 때 분해 가능한 것으로 간주될 수 있다. 초미세를 분해하는 능력은, DNV 물질의 NV 중심 및 불순물 농도가 허용 가능 범위 내에 있음을 나타낸다. 불순물은 제조 의도와 다른 DNV 물질에 성분이 포함된 것으로 간주될 수 있다.As described above, the ability to degrade ultrafine fluorescence in the fluorescence signal received at the optical detector provides insights as the concentration of NV centers and impurities in the DNV material. Ultrafiltration can be considered to be resolvable when it can measure the half maximum of the entire width from the fluorescence signal received at the optical detector to the ultrafine. The ability to decompose ultrafine particles indicates that the NV center and impurity concentrations of the DNV material are within an acceptable range. Impurities may be considered to include components in DNV materials that differ from their intended intent.
몇몇 경우에, 도 55에 도시된 천연 동위 원소(14N)와 연관된 것들 이외에 초 미세의 존재는 추가적인 불순물 종이 DNV 물질에 존재함을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 형광 신호의 다른 장소에서의 초미세는, 15N 및/또는 13C의 동위 원소가 DNV 샘플에 존재함을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 형광 신호에서 초미세를 분해하는 능력은, DNV 물질이 충분한 순도를 가지고 있음을 나타낸다. 몇몇 실시예에 따라, 14N 및 12C를 포함하는 고순도 DNV 물질이 바람직한 경우, 15N 및 13C 동위 원소는 불순물로 간주된다. 몇몇 다른 실시예에 따라, 15N 및 12C를 포함하는 고순도 DNV 물질이 바람직한 경우, 14N 및 13C 동위 원소는 불순물로 간주된다.In some cases, the presence of ultrafine atoms other than those associated with the natural isotope 14 N shown in Figure 55 may indicate that additional impurity species are present in the DNV material. For example, ultrafiltration elsewhere in the fluorescence signal may indicate that 15 N and / or 13 C isotopes are present in the DNV sample. In general, the ability to degrade ultrafine particles in a fluorescent signal indicates that the DNV material has sufficient purity. According to some embodiments, when a high purity DNV material comprising 14 N and 12 C is desired, the 15 N and 13 C isotopes are considered impurities. According to some other embodiments, 14 N and 13 C isotopes are considered impurities when a high purity DNV material comprising 15 N and 12 C is desired.
DNV 물질의 평가는 센서 시스템에서 수행될 수 있다. 예를 들어, DNV 자기장 센서의 제어기는 ZFS 양, D 및 E를 측정하고 위에 설명된 것처럼 초미세 입자를 분석할 수 있는지 여부를 결정하도록 프로그래밍할 수 있다. ZFS 양, D 및 E의 측정 결과는 제어기의 메모리에 저장된 임계 값과 비교될 수 있다. 측정된 값이 원하는 임계 값 범위를 벗어나는 경우, 오류 메시지가 센서 시스템의 사용자에게 전달될 수 있다. 유사하게, 초미세 입자가 분석될 수없는 경우, 오류 메시지가 센서 시스템의 사용자에게 전달될 수 있다. 오류 메시지는 디스플레이, 오류 라이트 또는 무선 통신과 같은 적절한 수단에 의해 사용자에게 전달될 수 있다. 초미세 입자를 분해하는 능력은 DNV 물질 내의 NV 중심 농도 및/또는 DNV 물질 내의 불순물 농도가 원하는 범위 내에 있음을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 초미세 입자를 해결할 수 있는 능력은 적어도 약 백만 분의 1의 농도를 나타낸다.Evaluation of the DNV material can be performed in the sensor system. For example, the controller of the DNV magnetic field sensor can be programmed to determine the amount of ZFS, D and E and to determine whether ultrafine particles can be analyzed as described above. The measured results of the ZFS quantities, D and E, can be compared with threshold values stored in the controller's memory. If the measured value is outside the desired threshold range, an error message may be communicated to the user of the sensor system. Similarly, if ultrafine particles can not be analyzed, an error message can be communicated to the user of the sensor system. The error message may be communicated to the user by appropriate means such as display, error light or wireless communication. The ability to decompose ultrafine particles can be considered to indicate that the NV center concentration in the DNV material and / or the impurity concentration in the DNV material is within a desired range. The ability to solve ultrafine particles represents a concentration of at least about one part per million.
센서 시스템에서의 DNV 물질의 평가는 주기적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 평가는 센서가 사용되는 동안 매시간 또는 매일 수행될 수 있다. 대안적으로, DNV 물질의 평가는 센서가 움직이거나 DNV 물질을 손상시킬 수 있는 이벤트를 받을 때 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, DNV 물질의 평가는 센서 시스템의 수명 내내 수행될 수 있다. 이는 DNV 소재가 센서 시스템의 수명 동안 수용 가능한 성능을 발휘하도록 한다. DNV 물질이 변형 증가, 결정 격자 결함 농도, 불순물 농도 또는 NV 중심 농도 변화를 나타내는 경우 센서 시스템의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 센서 시스템의 수명 기간 동안의 DNV 물질 평가는 사용자에게 그러한 발생을 경고한다.Evaluation of the DNV material in the sensor system can be performed periodically. For example, the evaluation may be performed hourly or daily while the sensor is being used. Alternatively, evaluation of the DNV material may be performed when the sensor is moved or receives an event that may damage the DNV material. In this way, the evaluation of the DNV material can be performed throughout the lifetime of the sensor system. This allows the DNV material to provide acceptable performance during the life of the sensor system. If the DNV material exhibits deformation enhancement, crystal lattice defect concentration, impurity concentration or NV center concentration change, the performance of the sensor system may be adversely affected. The DNV material evaluation during the lifetime of the sensor system alerts the user to such an occurrence.
DNV 물질의 평가 결과는 제어기의 메모리에 저장될 수 있다. 저장된 평가 결과는 시간이 지남에 따라 DNV 물질의 특성에 있는 추세를 모니터링하는 데 활용될 수 있다. 이 정보는 센서 시스템의 DNV 물질에 대한 잠재적 미래 문제에 대한 통찰력을 제공하거나 DNV 물질의 분해에 관한 경고를 제공할 수 있다. 예를 들어, 시간 경과에 따른 결정 격자의 변형률의 증가는 DNV 물질의 응력 유도 파괴가 임박했음을 나타낼 수 있다.The result of the evaluation of the DNV material can be stored in the controller's memory. The stored evaluation results can be used to monitor trends in the properties of DNV materials over time. This information can provide insight into the potential future problems of DNV materials in the sensor system or can provide warnings about DNV material degradation. For example, an increase in the crystal lattice strain over time can indicate that the stress-induced breakdown of the DNV material is imminent.
본원에 기술된 DNV 평가 시스템 및 방법은 DNV 물질에 대한 신속하고 비파괴적으로 품질 관리 검사를 수행할 수 있다. 이 시스템은 DNV 센서 제조 라인과 함께 작동하기에 충분한 처리량을 가질 수 있으며 DNV 물질이 사용하기에 적합한 지 확인하기 위해 DNV 물질의 특성에 관한 충분한 정보를 제공한다.The DNV evaluation systems and methods described herein are capable of performing rapid and non-destructive quality control testing on DNV materials. The system can have sufficient throughput to operate with the DNV sensor manufacturing line and provides sufficient information on the nature of the DNV material to ensure that the DNV material is suitable for use.
자기 검출 시스템을 위한 폐루프 처리 장치 및 방법Closed loop processing apparatus and method for magnetic detection system
이하에, 자기 검출 시스템 상에 작용하는 외부 자기장을 결정하기 위한 초미세 전이 응답을 설명하기 위한 장치 및 방법을 설명한다. 초미세 전이 응답은 종래의 시스템에서 측정된 응집체 로렌츠 응답의 경사도보다 가파른 경사도를 나타낼 수 있으며, 최대 3배까지 커질 수 있다. 따라서, 초미세 응답은 외부 자기장의 변화를 감지할 때 더 큰 감도를 허용할 수 있다. 특정 실시예에서, 초미세 응답의 검출은 실시간으로 외부 자계를 추정하기 위해 폐루프 처리에서 사용된다. 이것은 외부 자기장의 변화로 인해 발생하는 초미세 응답의 변화를 상쇄시키는 제어기에 의해 제어되는 자기장 발생기를 통해 보상 장을 적용함으로써 수행될 수 있다. 폐루프 처리에서, 제어기는 지속적으로 초미세 응답을 모니터링하고, 시스템 상에 작용하는 계산된 추정된 총 자기장에 기초하여, 자기장 발생기에 피드백을 제공하여, 외부 자기장에서의 변화에도 불구하고 초미세 응답을 고정하기 위해 외부 자기장의 벡터 성분과 동일하고 이와 반대인 부호인 보상 장을 생성한다. 이는 차례로 계산된 역상 보상 장의 형태로 외부 자기장의 실시간 계산을 제공한다. 또한, 외부 자기장의 변화에도 불구하고 초미세 응답을 고정시킴으로써, 추적 목적을 위해 충분한 간격을 제공하기 위해 초미세 응답을 분리하는 보다 작은 바이어스 자기장이 이용될 수 있다. 보다 작은 바이어스 자기장의 인가는 무선 여기 스윕 및 측정 회로에 필요한 주파수 범위를 감소시키므로, 시스템에 작용하는 외부 자기장을 결정하는데 더 반응하고 효율적인 시스템을 제공한다.Hereinafter, an apparatus and a method for explaining an ultrafine transition response for determining an external magnetic field acting on a magnetic detection system will be described. The ultrafine transient response can exhibit a steep slope than the slope of the aggregate Lorentz response measured in conventional systems and can be up to three times as great. Thus, the ultrafine response can allow greater sensitivity when sensing changes in the external magnetic field. In a particular embodiment, the detection of the ultrafine response is used in closed loop processing to estimate the external magnetic field in real time. This can be accomplished by applying a compensation field through a magnetic field generator controlled by a controller that cancels the change in ultrafine response caused by changes in the external magnetic field. In closed loop processing, the controller continually monitors the ultrafine response and provides feedback to the magnetic field generator based on the computed estimated total magnetic field acting on the system so that the ultrafine response Which is the same as the vector component of the external magnetic field and the opposite sign. Which in turn provides a real-time calculation of the external magnetic field in the form of a reversed phase compensation field calculated. In addition, by fixing the ultrafine response in spite of changes in the external magnetic field, a smaller biasing magnetic field that separates the ultrafine response can be used to provide sufficient spacing for tracking purposes. The application of a smaller bias magnetic field reduces the frequency range required for the wireless excitation sweep and measurement circuitry, thus providing a more responsive and efficient system for determining the external magnetic field acting on the system.
초미세 필드Ultrafine field
전술한 바와 같이, 도 2의 에너지 레벨 도면에 도시된 바와 같이, 기저 상태는 그들의 스핀-스핀 상호 작용으로 인해 ms = 0 및 ms = ± 1 스핀 상태 사이에서 약 2.87 GHz만큼 분할된다. 또한, 자기장으로 인해, ms = ± 1 스핀 상태는 NV 중심의 주어진 축을 따라 자기장에 비례하여 분할되며, 이것은 도 5에 도시된 4쌍 로렌츠 주파수 응답으로서 나타난다. 그러나 NV 중심의 초미세 구조는 NV 중심과 질소 핵의 전자 스핀 상태 사이의 초미세 결합으로 인해 존재하며, 이것은 스핀 상태의 추가 에너지 분할을 초래한한다. 도 8은 NV 중심의 기저 상태 트리플릿(3A2)의 초미세 구조를 도시한다. 구체적으로, 질소 핵(14N)에 결합은 ms = ± 1 스핀 상태를 3개의 초미세 전이(mI 스핀 상태로 표시됨)으로 분할하며, 각각은 상이한 공진을 갖는다. 따라서, 각각의 ms = ± 1 스핀 상태에 대한 초미세 분할로 인해, 24개의 상이한 주파수 응답이 생성될 수 있다(4개의 NV 중심 배향 각각에 대해 ms = ± 1 스핀 상태의 각각에 대해 3개의 레벨 분할).As described above, the base states are divided by about 2.87 GHz between m s = 0 and m s = ± 1 spin states due to their spin-spin interaction, as shown in the energy level diagram of FIG. Also, due to the magnetic field, m s = ± 1 spin states are divided in proportion to the magnetic field along a given axis of the NV center, which appears as the four pair Lorentz frequency response shown in FIG. However, the superfine structure of the NV center is due to the superfine bond between the NV center and the electron spin state of the nitrogen nuclei, which results in an additional energy partition of the spin state. Figure 8 shows the ultrafine structure of the NV centered triplet state triplet ( 3 A 2 ). Specifically, the bond to the nitrogen nucleus ( 14 N) divides the m s = ± 1 spin state into three ultrafine transitions (denoted m I spin states), each with a different resonance. Thus, due to the ultra-fine resolution for each m s = ± 1 spin state, twenty-four different frequency responses can be generated (for each of the four NV center orientations, m s = ± 3 for each of the ± 1 spin states) Level split).
3개의 초미세 천이의 각각은 하나의 집계 로렌츠 딥의 폭 내에서 나타난다. 적절한 검출로, 주어진 로렌츠 응답 내에서 초미세 전이가 설명될 수 있다. 이러한 초미세 전이를 검출하기 위해, 특정 실시예에서, NV 다이아몬드 물질(620)는 고순도(예를 들어, 격자 전위의 낮은 존재, 깨진 결합 또는 14N 초과의 다른 원소)를 나타내며 NV 중심의 과도한 농도를 갖지 않는다. 또한, 몇몇 실시예에서 시스템(600)의 동작 동안, RF 여기 소스(630)는 초미세 응답을 추가로 분해하기 위해 저전력 설정에서 동작된다. 다른 실시예에서, NV 음전하 형 중심의 농도를 증가시키고(예를 들어, 약 20 내지 약 1000 mW/mm2의 범위에서) 광 출력 밀도를 증가시키고, 충분한 초미세 판독(예를 들어, 약 1 내지 약 10W/mm2)을 가능하게 하는 최저 크기의 RF 전력을 감소시킴으로써 초미세 응답에 대한 추가 광학 콘트라스트가 달성될 수 있다.Each of the three ultrafine transitions appears within the width of one aggregate Lorentz dip. With appropriate detection, ultrafine transitions within a given Lorentzian response can be accounted for. To detect such ultrafine transitions, in certain embodiments, the NV diamond material 620 exhibits high purity (e. G., Low presence of lattice dislocations, broken bonds, or other elements above 14 N) . Further, in some embodiments, during operation of
도 9는 초미세 검출을 갖는 NV 중심에 대해 인가된 RF 주파수의 함수로서의 형광 세기의 예를 도시한다. 상부 그래프에서, 주어진 스핀 상태(예를 들어, ms = -1)에 대한 인가된 RF 주파수 f(t)의 함수로서 세기 응답 I(t)은 외부 자기장이 표시된다. 또한 하부 그래프에는 적용된 RF 주파수 f(t)에 대해 그려진 경사도()가 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 3개의 초미세 전이들(200a 내지 200c)은 완전한 로렌츠 응답(20)을 구성한다{예를 들어, 도 7의 로렌츠 응답(20)에 대응}. 그 다음, 최대 경사도 지점은 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광 세기의 경사도를 통해 결정될 수 있고, 이것은 도 9의 지점(250)에서 발생한다. 이 최대 경사도 지점은 인가된 RF 스위프 동안 추적되어 주파수 스위프를 따라 최대 경사도 지점의 움직임을 검출할 수 있다. 총 로렌츠 응답에 대한 최대 경사도(25)의 지점과 같이, 지점(250)의 대응하는 이동은 총 입사 자기장{Bt(t)}의 변화에 대응하고, 이것은 알려진 및 일정한 바이어스 자기장(Bbias(t))로 인하여 외부 자기장(Bext(t))의 변화를 검출한다.Figure 9 shows an example of fluorescence intensity as a function of applied RF frequency for NV center with ultrafine detection. In the upper graph, the magnitude response I (t) as a function of the applied RF frequency f (t) for a given spin state (e.g., m s = -1) is represented by an external magnetic field. The lower graph also shows the slope plotted against the applied RF frequency f (t) Are shown. As can be seen, the three ultrafine transitions 200a through 200c constitute a complete Lorentz response 20 (e.g., corresponding to the
그러나, 지점(25)과 비교할 때, 지점(250)은 도 7과 관련하여 전술한 총 로렌츠 경사도보다 큰 경사도를 나타낸다. 몇몇 실시예에서, 지점(250)의 경사도는 지점(25)의 총 로렌츠 경사도의 최대 1000배까지 클 수 있다. 이로 인해, 지점(250) 및 그 대응하는 이동은 측정 시스템에 의해 보다 쉽게 검출될 수 있어, 특히 매우 낮은 크기 및/또는 매우 빠르게 변화하는 자기장에서 개선된 감도를 초래한다.However, when compared to point 25, point 250 represents a greater slope than the above-described total Lorentz slope with respect to FIG. In some embodiments, the slope of point 250 may be up to 1000 times the total Lorentz slope of point 25. This allows point 250 and its corresponding movement to be more easily detected by the measurement system, resulting in improved sensitivity, especially in very low magnitudes and / or very rapidly varying magnetic fields.
외부 자기장의 폐루프 처리Closed loop treatment of external magnetic field
상술한 바와 같이, 총 입사 자기장(Bt(t))을 결정하는 현재 방법은 응집 로렌츠 응답의 최대 경사도의 지점{예를 들면, 도 7의 로렌츠 딥(20)의 지점(25)}의 이동에 기초하여 인가된 RF 주파수 함수로서 형광 세기를 조사한다. 초미세 전이가 되도록 측정 지점을 미세 조정함으로써, 이러한 추적에서 더 높은 감도가 달성될 수 있다. NV 중심 자기 센서 시스템상의 총 자기장(Bt(t))의 벡터 성분을 추정하기 위한 개방 루프 또는 애드-호크 처리 방법의 예는 도 10에 도시된다.As described above, the current method of determining the total incident magnetic field B t (t) is to move the point of maximum gradient of the coherent Lorentz response {e.g., point 25 of the
제로 자기장(즉, Bt(t) = 0)에 있을 때, NV 중심의 4개의 축을 따라 ms = ± 1 스핀 상태 각각에 대한 로렌츠 응답은 동일한 주파수(예 : 약 2.87 GHz)에서 중첩한다. 추적 목적을 위해 8개의 로렌츠 응답을 사전 분리하고 공간 화(예를 들어, 동일하게)하기 위해, 바이어스 또는 제어 자기장(Bbias(t))이 인가될 수 있다. 도 6의 시스템(600)에 도시된 바와 같이, 제 1 자기장 발생기(예를 들어, 영구 자석)(670) 및/또는 제 2 자기장 발생기(예를 들어, 3축 데카르트 좌표 Bbias(t) 헬름홀츠 코일 시스템)(675)는 원하는 바이어스 자기장을 인가하는데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 2 자기장 발생기(675)는 제어기(680)에 전기적으로 연결되며, 이에 의해 제 2 자기장 발생기(675)에 의해 생성된 자기장은 제어기(680)에 의해 제어될 수 있다.When in a zero magnetic field (ie, B t (t) = 0), the Lorentz responses for each of the m s = ± 1 spin states along the four axes of the NV center overlap at the same frequency (eg, about 2.87 GHz). A bias or control magnetic field (B bias (t)) may be applied to pre-separate and space (e.g., equally) the eight Lorentz responses for tracking purposes. 6) and / or a second magnetic field generator (e.g., a three-axis Cartesian coordinate B bias (t) Helmholtz), as shown in
도 57에 도시된 바와 같이, 개방 루프 처리 동안, 총 입사 자기장(Bt(t))으로 표현되는 외부 자기장(Bext(t))과 바이어스 자기장(Bbias(t))의 합은 NV 중심 자기 센서 시스템(600) 상에서 작용하며, 이것은 위에서 더 구체적으로 논의된 바와 같이, 인가된 RF 주파수(f(t))와 연계하여, 대응하는 공진 주파수에서 응집 로렌츠 곡선 또는 로렌츠 초미세 곡선을 초래하는 지만 효과(Z)로 인해 세기 응답(I(t))으로 선형으로 변환한다. 그런 후에, 총 입사 자계(B(t))의 추정을 결정하기 위해 로렌츠 경사도상에서 동작함으로써 시스템 제어기(680)에 의해 처리가 수행된다. 총 입사 자기장은 다음과 같이 선형적으로 표현될 수 있다:57, during open loop processing, the sum of the external magnetic field B ext (t) and the bias magnetic field B bias (t), expressed as the total incident magnetic field B t (t) Which acts on the
(1) (One)
수학식(1)에서, γ는 약 28 GHz/T의 질소 공석 자기 회전비를 나타낸다. 최대 경사도 또는 경사는 임계 주파수(fc)에서 야코비안 연산자에 의해 결정될 수 있고, 여기서 로렌츠 응집 또는 초미세 경사는 가장 크다:In Equation (1),? Represents a nitrogen vacancy self-rotation rate of about 28 GHz / T. The maximum slope or slope can be determined by the Jacobian operator at the critical frequency (f c ), where the Lorentz aggregation or ultrafine slope is the largest:
(2) (2)
임계 주파수(fc)는 센서 시스템에 병합된 NV 다이아몬드 물질(620)에 기초하여 분석적으로 결정되고, 처리 목적을 위해 제어기(680)에 사전 저장된다. 따라서, 전체 입사 자기장은 임계 주파수에 따라 추정될 수 있다:The threshold frequency f c is determined analytically based on the NV diamond material 620 incorporated into the sensor system and pre-stored in the controller 680 for processing purposes. Thus, the total incident magnetic field can be estimated according to the critical frequency:
(3) (3)
수학식 1 내지 수학식 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실제 총 입사 자기장(Bt(t)) 및 추정된 총 입사 자기장(Bt(t)) 사이의 관계는 세기 대 주파수 경사도 크기가 커질수록 더 정확하다. 따라서 응집 로렌츠 응답의 더 큰 경사의 지점이 아닌 초미세 응답의 최대 경사의 지점에서 임계 주파수(fc)를 평가함으로써, 총 입사 자기장()의 보다 정확한 추정을 얻을 수 있다.As can be seen from equations (1) to (3), the relationship between the actual total incident magnetic field B t (t) and the estimated total incident magnetic field B t (t) It is more accurate. Thus, by evaluating the critical frequency (f c ) at the point of maximum slope of the ultrafine response that is not the point of greater inclination of the coherent Lorentz response, the total incident field ) Can be obtained.
그러나, 이 지점에서, 바이어스 자기장(Bbias(t))과 외부 자기장(Bext(t))의 로렌츠 응답에 미치는 영향의 차이를 계산하는 것은 두 자기장의 총 벡터 합이 로렌츠 응답 사이의 전체 시프트를 야기할 때 어렵다. 따라서, 도 64에 도시된 개방 루프 또는 애드-호크 방법은 총 추정된 입사 자기장((t))으로부터 알려진 바이어스 제어 자기장(Bbias(t))의 감산에 기초하여 외부 자계 벡터(Bext(t))를 결정하기 위해 연속적인 추적에 의존한다. 그러나, 외부 자기장 벡터(Bext(t))의 결정은 외부의 대역 내 및 손상 방해 자기장 또는 관련된 해밀턴 효과(예를 들어, 온도, 변형)로 인해 영향을 받을 수 있다. 더욱이, 상기 개방 루프 방법은 측정 동안 일정한 재교정 및 보상을 필요로 한다.At this point, however, calculating the difference in the effect of the bias magnetic field ( Bbias (t)) and the external magnetic field (B ext (t)) on the Lorentz response means that the total vector sum of the two magnetic fields is the total shift It is difficult to cause. Thus, the open-loop or add-hock method shown in FIG. 64 is based on the total estimated incident magnetic field (B ext (t)) based on subtraction of a known bias control magnetic field (B bias (t)) from a known bias control magnetic field (B t (t)). However, the determination of the external magnetic field vector (B ext (t)) can be influenced by an external in-band and an impairing interfering magnetic field or related Hamilton effect (e.g., temperature, strain). Moreover, the open-loop method requires constant recalibration and compensation during measurement.
또한, 도 58 및 도 59는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어기(680)에 의해 수행되는 폐루프 처리를 도시한다. 본 명세서에서 설명된 폐루프 처리는, 추정된 총 입사 자기장()이 보상 자기장(Bcomp(t))을 생성하기 위해 실시간으로 계산되도록 하고 제 2 자기장 발생기(675)를 통해 작동되도록 한다. 이 보상 자기장은 외부 자기장(Bext(t))에 의한 RF 응답의 변화를 상쇄하여, 일정하고 고정된 형광 응답을 생성하는데 사용되어, 이에 따라 응답 시프트를 일정하게 추적할 필요성을 감소시킨다. 그 결과, 반전된 부호를 갖는 외부 자기장(Bext(t))인 보상 자기장은 실시간으로 외부 자기장(Bext(t))의 측정 및 계산을 허용한다. 도 58은 보상 자기장을 사용하여 폐루프 처리를 도시하는 개략도인 한편, 도 59는 도 58에 도시된 폐루프 처리를 수행하는 방법을 도시한 흐름도이다.58 and 59 illustrate closed loop processing performed by controller 680 in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. The closed-loop processing described herein is based on the assumption that the estimated total incident magnetic field ) To be calculated in real time to generate the compensating magnetic field B comp (t) and to be activated through the second magnetic field generator 675. This compensating magnetic field is used to cancel out changes in the RF response due to the external magnetic field (B ext (t)), thereby generating a constant and fixed fluorescence response, thereby reducing the need to constantly track the response shift. As a result, the compensating magnetic field, which is the external magnetic field B ext (t) with the inverted sign, allows measurement and calculation of the external magnetic field B ext (t) in real time. Fig. 58 is a schematic diagram showing closed loop processing using a compensating magnetic field, while Fig. 59 is a flowchart showing a method of performing closed loop processing shown in Fig.
도 59에 도시된 바와 같이, 단계(S5900)에서, 바이어스 자기장(Bbias(t))은 원하는 주파수(예컨대, 등간격의 주파수)에서 로렌츠 응답을 분리하기 위해 인가된다. 전술한 바와 같이, 바이어스 자기장은 공지되고 일정한 제 1 자기장 발생기(670)(예를 들어, 영구 자석)를 사용하여 인가될 수 있다. 그러나, 바이어스 자기장은 대안적으로 제 2 자기장 발생기(675)에 의해 인가될 수 있다. 이 경우, 상수 형태의 초기 교정 오프셋(R)(도 58에 도시 됨)이 드라이버(G)에 추가되고, 이는 로렌츠 초미세 응답을 분리하는데 필요한 바이어스 자기장을 발생시키기 위해 제 2 자기장 발생기(675)를 구동한다. 일단 이것이 설정되면, 폐루프 처리는 단계(S5910)로 진행할 수 있고, 여기서 미지의 외부 자기장(Bext(t))가 판독된다. 도 58에 도시된 바와 같이, 이 단계는 도 57과 관련하여 설명된 처리와 유사한 방식으로 수행될 수 있고, 여기서 임계 주파수에서 인가된 주파수(f(t))의 함수로서 세기 응답(I(t))의 경사도를 평가함으로써 추정된 총 입사 자기장(Bt(t))이 계산된다.As shown in Figure 59, at step (S5900), the bias magnetic field (bias B (t)) is applied to separate the Lorentz's response at the desired frequency (e.g., such as the frequency of the interval). As described above, the bias magnetic field may be applied using a known and constant first magnetic field generator 670 (e.g., a permanent magnet). However, the bias magnetic field may alternatively be applied by the second magnetic field generator 675. In this case, an initial calibration offset R (shown in FIG. 58) in the form of a constant is added to the driver G, which causes the second magnetic field generator 675 to generate a bias magnetic field required to separate the Lorentz micro- . Once this is set, closed loop processing may proceed to step S5910, where the unknown external magnetic field B ext (t) is read. 58, this step may be performed in a manner similar to the processing described with respect to FIG. 57, where the intensity response I (t (t)) as a function of the frequency f ) Is estimated, the estimated total incident magnetic field B t (t) is calculated.
단계(S5920)에서, 초미세 응답의 시프트가 관찰된다. 미지의 자기장의 벡터 방향을 식별하기 위해 미리 결정된 샘플링 주기 당 가장 큰 변화가 식별될 수 있다. 그 후, 관찰된 시프트들은 도 58에 도시된 바와 같이 루프 처리를 폐쇄하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 폐루프 처리는 임의의 교정 기준(R(t))의 입력과 함께, 정상 동작 하에서 0으로 설정되지만, 가능한 한 미지의 외부 자기장의 많은 벡터 성분을 갖는 로렌츠 응답(예를 들어, 초미세 응답)을 배치하도록 조정될 수 있는 피드백 제어기 블록(H) 및 드라이버 블록(G)을 포함한다. 피드백(H) 및 드라이버(G)는 세기 응답에 관해 응답의 가장 큰 경사도가 고정되게 남아있는 것을 보장하는데 필요한 자기장을 나타내는 보상 자기장(Bcomp(t))을 생성하기 위해 제 2 자기장 생성기(675)에 신호를 출력하도록 전달 함수로서 작용하여, 이를 통해 외부 자기장(Bext(t))으로 인한 임의의 시프트를 오프셋한다. 따라서, 도 59에 도시된 바와 같이, 단계(S5930)에서, 제어기 순 스펙트럼 이득을 증가시킴으로써 루프를 폐쇄한다. 루프 폐쇄는 피드백(H)과 드라이버(G)를 일정한 이득(예를 들어, 뢴베르거 관찰자) 또는 상태 및 측정 잡음 공분산 구동 변수 이득(예를 들어, 칼만 필터) 또는 비선형 이득 예정 관찰자 등으로 설정된 피드백(H) 및 드라이버(G)로 달성되고, 여기서 각각의 제어 시스템 실시예가 특정 응용에 맞추어질 수 있다. 단계(S5940)에서, 보상 자기장(Bcomp(t))은 단계(S5920)에서 관찰된 시프트에 대해 역부호로 저장된다. 이 보상 자기장(Bcomp(t))은 미지 외부 자기장(Bext(t))과 동일하지만 반대인 자기장을 나타 내기 때문에, 보상 자기장(Bcomp(t))의 역행렬은 단계(S5941)에서 후속적으로 익스포트되어, 시스템(600) 상에 인가된 외부 자기장(Bext(t))으로서 제어기에 저장된다. 단계(S5950)에서, 제어기 순 스펙트럼 이득은 추가로 증가되어, 보상 자기장(Bcomp(t))을 구동하여 외부 자기장(Bext(t))에 고정함으로써, 관측된 세기 반응은 고정되게 남아있다. 그 후, 프로세스는 단계(S5910)로 계속함으로써 반복된다. 이러한 처리는 제어기(680)에 의해 저장된 보상 자기장(Bcomp(t))이 외부 자기장(Bext(t))에 의해 야기된 세기 응답의 임의의 시프트를 오프셋하도록 허용하여, 이 처리로 인해 외부 자기장의 실시간 계산을 초래한다.In step S5920, a shift of the ultrafine response is observed. The largest change per predetermined sampling period can be identified to identify the vector direction of the unknown magnetic field. The observed shifts can then be used to close the loop processing as shown in FIG. Specifically, the closed-loop processing, together with the input of any calibration reference R (t), is set to zero under normal operation, but it is possible to use a Lorentz response with many vector components of the unknown external magnetic field And a driver block G, which can be adjusted to arrange a fine response (e.g., a fine response). The feedback H and driver G are coupled to a second magnetic field generator 675 to generate a compensating magnetic field B comp (t) indicative of the magnetic field required to ensure that the largest slope of the response remains fixed with respect to the magnitude response. ), Thereby offsetting any shift due to the external magnetic field (B ext (t)). Therefore, as shown in Fig. 59, in step S5930, the loop is closed by increasing the controller net spectral gain. The loop closure can be accomplished by setting feedback (H) and driver (G) to a feedback set to a constant gain (e.g., a Schwarzer observer) or a state and measurement noise covariance drive variable gain (e.g., Kalman filter) (H) and driver (G), where each control system embodiment can be tailored to a particular application. In step S5940, the compensating magnetic field B comp (t) is stored with the inverse sign for the shift observed in step S5920. Since the compensating magnetic field B comp (t) represents a magnetic field which is the same as but opposite to the unknown external magnetic field B ext (t), the inverse matrix of the compensating magnetic field B comp (t) And is stored in the controller as an external magnetic field (B ext (t)) applied on the
폐루프 처리에 대한 루프 대수는 다음과 같이 표현될 수 있다. 위에서 언급했듯이, 총 입사 자기장은 알려지지 않은 외부 자기장의 합과. 루프가 닫힐 때 인가되는 보상 자기장과 바이어스 자기장의 합으로 표시된다. 바이어스 자기장이 시간이 지남에 따라 일정하기 때문에, 폐루프 처리에 필요한 필수 보상 자기장을 평가하기 위해 바이어스 자기장은 아래의 루프 대수에서 제외된다. 따라서, 총 입사 자기장은 다음에 의해 표현될 수 있다:The loop logarithm for the closed loop processing can be expressed as: As mentioned above, the total incident magnetic field is the sum of the unknown external magnetic field. It is expressed as the sum of the compensating magnetic field and the bias magnetic field applied when the loop is closed. Because the bias magnetic field is constant over time, the bias magnetic field is excluded from the following loop logarithm to evaluate the required compensating magnetic field required for closed loop processing. Thus, the total incident magnetic field can be expressed by:
(4) (4)
지만 효과에 의한 NV 다이아몬드 물질(620) 상에 작용하는 총 입사 자기장(Bt(t)) 및 세기 응답(I(t)) 사이의 선형 관계 때문에, 수학식(3)이 다음으로서 표현될 수 있다:But because of the linear relationship between the total incident magnetic field B t (t) acting on the NV diamond material 620 by the effect and the intensity response I (t), equation (3) have:
(5) (5)
피드백 및 드라이버 이득 및 교정 기준을 사용하여 보상 자기장(Bcomp(t))을 생성하기 위해 추정된 총 자기장 ((t))에 기초한 루프 폐쇄는 다음과 같이 표현될 수 있다:The estimated total magnetic field (B comp (t)) to generate the compensating magnetic field (B comp (t)) using the feedback and driver gain and calibration criteria (t)) can be expressed as: < RTI ID = 0.0 >
(6) (6)
수학식 4 내지 6을 조합하면 다음이 초래된다:Combining
(7) (7)
폐루프 처리의 정상 동작 중에, 교정 기준(R)은 시간에 따라 변하지 않고 0이 된다. 따라서, 수학식 7은 다음과 같이 감소될 수 있다:During normal operation of the closed loop processing, the calibration reference R does not change with time but becomes zero. Hence, Equation (7) can be reduced to:
(8) (8)
(9) (9)
(10) (10)
수학식(10)에서 알 수 있듯이, 임계 응답 주파수에서 세기 응답(I(t))의 경사도가 클수록 보상 영역(Bcomp(t))과 미지 외부 영역(Bext(t)) 사이의 관계는 1에 가까워진다. 따라서 Bcomp(t) = - Bext(t)가 된다. 따라서, 총 로렌츠 응답의 최대 경사도보다 3배 더 큰 최대 경사도를 나타내는 초미세 응답의 사용에 의해, 그러한 관계는 폐루프 처리로 달성될 수 있다. 이는 보상 자기장(Bcomp(t))를 사용하는 제어기(680)에 의한 제 2 자기장 발생기(675)의 루프 이득 동등 작동에 의해 미지 외부 자기장(Bext(t))가 반전 부호로 실시간으로 측정되고 계산되도록 한다.As can be seen from equation (10), the larger the gradient of the intensity response I (t) at the critical response frequency is, the greater the relationship between the compensation area B comp (t) and the unknown outer area Bext (t) . Therefore, B comp (t) = - B ext (t). Thus, by the use of an ultrafine response that exhibits a maximum slope that is three times greater than the maximum slope of the total Lorentz response, such a relationship can be achieved with closed loop processing. This is because the unknown external magnetic field Bext (t) is measured in real time by the inverse code by the loop gain equivalent operation of the second magnetic field generator 675 by the controller 680 using the compensating magnetic field B comp (t) .
전달 함수(G 및 H)는 수학식(6) 내지(10) 및 도 58에서 상수 연산자로 도시되어 있지만, 전달 함수는 예를 들어, G(s) : s = a + bi와 같은 주파수 도메인에서 연속적이고 시간 불변 시스템 함수로서 아날로그 회로에 의해 실현될 수 있다. 여기서 s는 라플라스 연산자이다. 대안적으로, 제어 시스템은 T초의 정규 시간 간격으로 샘플링 및 계산을 실행하는 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있으며, 전달 함수(G(z))는 zdomain 이산 샘플링된 데이터 주파수 도메인 연산자인 z = exp(sT)로 정의될 수 있다.Although the transfer functions G and H are shown as constants in equations (6) to (10) and in FIG. 58, the transfer function can be expressed in the frequency domain, for example G (s): s = a + bi And can be realized by an analog circuit as a continuous, time invariant system function. Where s is the Laplace operator. Alternatively, the control system may be implemented in a digital computer that performs sampling and computation at regular time intervals of T seconds and the transfer function G (z) is a z- domain discrete sampled data frequency domain operator z = exp ( sT).
상술한 바와 같이, 시스템(600)의 제어 루프 처리는 외부 자기장의 변화에도 불구하고 초미세 응답을 고정시키는 수단을 제공한다. 응답을 동적으로 고정함으로써, 보다 작은 바이어스 자기장이 이용될 수 있으며, 동시에 외부 자기장으로 인한 변화를 검출하고 계산할 수 있는 견고한 수단을 유지할 수 있다. 더 작은 바이어스 자기장의 인가는 시스템에 작용하는 외부 자기장을 결정하는데 더 반응하고 효율적인 시스템을 제공하는 RF 여기 스위프 및 세기 응답의 측정 회로에 필요한 주파수 범위를 감소시킨다 . 또한 시스템이 감지하고 신속하고 정확하게 대응할 수 있는 신호 진폭의 범위가 크게 개선될 수 있으며, 이는 큰 진폭 자기장 응용에 특히 중요할 수 있다.As discussed above, the control loop processing of
자기 검출 시스템에서 고감도 자력 측정 및 신호 처리를 위한 장치 및 방법Apparatus and method for highly sensitive magnetic force measurement and signal processing in a magnetic detection system
이하, 검출 시스템의 자기 감도를 현저하게 증가시키기 위해 최적화된 자극 프로세스를 사용하여 자기 검출 시스템에서 NV 다이아몬드를 자극하는 장치 및 방법을 설명한다. 이 시스템은 램지 펄스 시퀀스를 사용하여 시스템에 작용하는 자기장을 탐지하고 측정한다. 램지 펄스 시퀀스와 관련된 파라미터는 자기장을 측정하기 전에 최적화된다. 이러한 파라미터에는 공진 라비 주파수, 자유 세차 시간(τ) 및 디튜닝 주파수가 포함되며, 이 모든 것은 측정 감도를 향상시키는 데 도움이 된다. 이들 파라미터는 라비 펄스 시퀀스 또는 추가 램지 시퀀스와 같은 다른 광학 검출 기술을 이용하는 교정 테스트를 사용하여 최적으로 결정될 수 있다. 또한, 파라미터, 특히 공진 라비 주파수는 작은 루프 안테나의 사용을 통해 달성될 수 있는 RF 여기 원의 전력 증가에 의해 더욱 최적화될 수 있다. 자기장의 측정 동안, 램지 시퀀스 동안인가된 RF 여기 펄스는 상이한 스핀 상태(예를 들어, ms = +1 또는 ms = -1)와 관련된 별도의 공진 주파수에서 발생하도록 설정될 수 있다. 별도의 공진 위치를 사용함으로써 시스템의 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 변화와 외부 자기장으로 인한 변화가 분리되어 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 마지막으로 측정 중에 얻은 데이터의 처리는 신호를 얻기 위해 평균을 사용하는 최소 두 개의 기준 윈도우를 사용하여 더욱 최적화된다. 이상이 자기장의 검출 감도를 향상시킬 수 있는 자기 검출 시스템을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 최적화된 측정 프로세스는 약 9 nT/√Hz 이하의 자기 검출 시스템의 감도를 초래할 수 있다.The following describes an apparatus and method for stimulating NV diamond in a magnetic detection system using an optimized stimulation process to significantly increase the magnetic sensitivity of the detection system. The system uses a Ramsey pulse sequence to detect and measure the magnetic field acting on the system. The parameters associated with the Ramsey pulse sequence are optimized prior to measuring the magnetic field. These parameters include the resonant rabbit frequency, free wash time (tau) and detuning frequency, all of which help improve measurement sensitivity. These parameters can be optimally determined using calibration tests using other optical detection techniques such as a rabbi pulse sequence or a further Ramsey sequence. In addition, the parameters, particularly the resonant rabbit frequency, can be further optimized by the power increase of the RF exciters that can be achieved through the use of small loop antennas. During measurement of the magnetic field, the RF excitation pulse applied during the Ramsey sequence may be set to occur at a separate resonance frequency associated with a different spin state (e.g., ms = +1 or ms = -1). By using a separate resonant position, the change due to the temperature and / or strain effects of the system and the change due to the external magnetic field can be separated to improve the accuracy of the measurement. Finally, the processing of the data obtained during the measurement is further optimized using a minimum of two reference windows that use an average to obtain the signal. Or more of the magnetic field can improve the detection sensitivity of the magnetic field. In some embodiments, the optimized measurement process can result in a sensitivity of the magnetic detection system of about 9 nT / √Hz or less.
NV 중심, 전자 구조, 및 광학 및 RF 상호 작용NV center, electronic structure, and optical and RF interaction
다이아몬드에서의 NV 중심은 도 1에 도시된 바와 같이 탄소 공석에 인접한 격자 사이트에서 치환 질소 원자를 포함한다. NV 중심은 4개의배향을 가질 수 있고, 각배향은 다이아몬드 격자의 상이한 결정학적배향에 대응한다.The NV center in the diamond contains substituted nitrogen atoms at the lattice sites adjacent to the carbon vacancies as shown in Fig. The NV center can have four orientations, with each orientation corresponding to a different crystallographic orientation of the diamond grating.
NV 중심은 중성 전하 상태 또는 음의 전하 상태에 존재할 수 있다. 종래에, 중성 전하 상태는 명명법(NV0)을 이용하는 반면, 음의 전하 상태는 명명법(NV)을 이용하고, 이것은 본 설명에서 채택된다.The NV center may be in a neutral charge state or a negative charge state. Conventionally, the neutral charge state uses the nomenclature (NV 0 ) while the negative charge state uses the nomenclature (NV), which is adopted in this description.
NV 중심은 다수의 전자를 갖는데, 다수의 전자는 각 하나가 공석으로부터 공석에 인접한 3개의 각 탄소 원자로 가는 3개의 홀 전자와, 질소와 공석 사이의 한 쌍의 전자를 포함한다. 음으로 대전된 상태에 있는 NV 중심은 또한 여분의 전자를 포함한다.The NV center has a number of electrons, each containing one hole electron from each vacancy to three hole electrons to each three carbon atoms adjacent to the vacancy, and a pair of electrons between the nitrogen and vacancies. The NV center in the negatively charged state also contains extra electrons.
NV 중심은 회전 대칭을 갖고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 스핀 상태(ms=0)와의 3A2 대칭을 갖는 스핀 트리플릿인 기저 상태와, 2개의 추가 스핀 상태(ms=+1, 및 ms=-1)를 갖는다. 외부 자기장의 부재시, ms=+1 에너지 레벨은 스핀-스핀 상호 작용으로 인해 ms=0으로부터 오프셋(offset)되고, ms=+1 에너지 레벨은 퇴보하는데, 즉 이들은 동일한 에너지를 갖는다. ms=0 스핀 상태 에너지 레벨은 제로 외부 자기장에 대해 2.87 GHz의 에너지만큼 ms=+1 에너지 레벨로부터 분할된다.The NV center has rotational symmetry and has a base state which is a spin triplet having a 3 A 2 symmetry with one spin state (m s = 0) and two base spin states with two additional spin states (m s = + 0) 1, and m s = -1). In the absence of an external magnetic field, the m s = +1 energy level is offset from m s = 0 due to spin-spin interaction and the m s = +1 energy level is degenerated, that is, they have the same energy. The m s = 0 spin state energy level is divided from the m s = +1 energy level by an energy of 2.87 GHz for a zero external magnetic field.
NV 축을 따르는 성분을 갖는 외부 자기장을 도입하는 것은 ms=+1 에너지 레벨의 축퇴를 들어올려, 에너지 레벨(ms=+1)을 양(2gμBBz)만큼 분할하고, 여기서 g는 g-인자이고, μB는 보어 자자이고, Bz는 NV 축을 따르는 외부 자기장의 성분이다. 이러한 관계는 1차수로 정정되고, 더 높은 차수의 정정의 포함은 간단한 문제이고, 아래에 기재된 시스템 및 방법에서 계산 및 논리 단계에 영향을 미치지 않을 것이다.Introducing an external magnetic field having a component along the NV axis raises the degeneration of the m s = + 1 energy level and divides the energy level (m s = + 1) by an amount (2 g B B Bz) B B is the component of the external magnetic field along the NV axis. This relationship is corrected to first order and inclusion of higher order corrections is a simple matter and will not affect the calculation and logic steps in the systems and methods described below.
NV 중심 전자 구조는 대응하는 ms=0 및 ms=+1 스핀 상태를 갖는 여기된 트리플릿 상태(3E)를 더 포함한다. 기저 상태(3A2)와 여기된 트리플릿(3E) 사이의 광학 전이는 주로 스핀 보존이고, 이것은 광학 전이가 동일한 스핀을 갖는 초기 및 최종 상태 사이에 있다는 것을 의미한다. 여기된 트리플릿(3E)과 기저 상태(3A2) 사이의 직접 전이에 대해, 적색 광의 광자는 전이의 에너지 레벨 사이의 에너지 차이에 대응하는 광자 에너지로 방출된다.NV center electronic structure may further comprise a triplet state (E 3) excitation, with the corresponding m s = 0 and s = m + 1 spin state. The optical transition between the ground state ( 3 A 2 ) and the excited triplet ( 3 E) is primarily spin conservation, meaning that the optical transition is between the initial and final states with the same spin. For the direct transition between the excited triplet (3 E) and the ground state (3 A 2), red light photons are emitted as photon energy corresponding to the energy difference between the energy level of the transition.
하지만, 중간 에너지 레벨을 갖는 중간 일중선(singlet) 상태(A, E)인 것으로 생각되는 중간 전자 상태를 통해 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태(3A2)로의 대안적인 비-복사 붕괴 루트가 있다. 중요하게도, 여기된 트리플릿(3E)의 ms=±1 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태는 여기된 트리플릿(3E)의 ms=0 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태보다 상당히 더 크다. 일중선 상태(A, E)로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 전이는 ms=+1 스핀 상태에 걸쳐 ms=0 스핀 상태로 주로 붕괴한다. 중간 일중선 상태(A, E)를 통해 여기된 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 붕괴의 이들 특징들은, 광학 여기가 시스템에 제공되는 경우 광학 여기가 결국 NV 중심을 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태로 펌핑할 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집합은 트리플릿(3E)으로부터 중간 일중선 상태로의 붕괴율에 의해 결정된 최대 극화로 "재설정"될 수 있다.However, the middle one quartet (singlet) state (A, E) alternative non to the ground state (3 A 2) from a triplet (3 E), via an intermediate electronic state is considered to be having an intermediate energy level, - a copy decay root have. Importantly, the transition state of the m s = ± 1 spin state of the triplet (3 E) into an intermediate energy level here is higher than the transition state of the m s = 0 spin state of the excited triplet (3 E) into an intermediate energy level, It is considerably larger. One transition to a neutral ground state, triplet state (3 A 2) from (A, E) is largely collapsed by m s = 0 spin state over the m = s + 1 spin states. Middle one neutral state (A, E) via excited triplet these features of the collapse of the (3 E) a ground state triplet (3 A 2) from their optical here is an optical here in the end NV center, if available to the system And allows pumping to m s = 0 spin state of base state ( 3 A 2 ). In this way, the set of m s = 0 spin states of base state 3 A 2 can be "reset" to the maximum polarization determined by the decay rate from the triplet 3 E to the medium midline state.
붕괴의 다른 특징은, 여기된 트리플릿(3E) 상태를 광학적으로 자극하는 것으로 인한 형광 세기가 ms=0 스핀 상태보다 ms=+1 상태에 대해 더 작다는 것이다. 이것은 중간 상태를 통한 붕괴가 형광 대역에서 방출된 광자에서 초래되지 않기 때문에 그러하고, 그리고 여기된 트리플릿(3E) 상태의 ms=+1 상태가 비-방사 붕괴 경로를 통해 붕괴할 더 큰 확률로 인해 그러하다. ms=0 스핀 상태보다 ms=±1 상태에 대해 더 낮은 형광 세기는, 형광 세기가 스핀 상태를 결정하는데 사용되도록 한다. ms=+1 상태의 집단이 ms=0 스핀에 대해 증가할 때, 전체 형광 세기는 감소될 것이다.Another feature of the collapse, the fluorescent intensity caused by the optical stimulation to a triplet (3 E) excited state would is smaller for m = s + 1 than the m s = 0 spin state. This is so because the collapse through the intermediate state does not result in photons emitted in the fluorescent band, and that the m s = + 1 state of the excited triplet ( 3 E) state will have a greater probability of collapsing through the non- That is why. The lower fluorescence intensity for the m s = ± 1 state than the m s = 0 spin state allows the fluorescence intensity to be used to determine the spin state. When the population of m s = + 1 states increases for m s = 0 spins, the overall fluorescence intensity will be reduced.
NV 중심, 또는 자기-광학 결점 중심, 자기 센서 시스템NV-centered, or self-optical defect-centered, magnetic sensor system
도 3은 ms=±1 상태를 구별하고, ms=+1 상태와 ms=-1 상태 사이의 에너지 차이에 기초하여 자기장을 측정하기 위해 형광 세기를 이용하는 종래의 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 예시하는 개략도이다. 시스템(300)은 광학 여기 소스(310)를 포함하고, 이것은 광학 여기를, NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)에 향하게 한다. 시스템은 Rf 여기 소스(330)를 더 포함하고, 이것은 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(320)에 제공한다. NV 다이아몬드로부터의 광은 광학 필터(350)를 통해 광학 검출기(340)에 향하게될 수 있다.Figure 3 is a m s = ± 1 distinguishes the state, and s = m + 1 states with m s = -1 centered conventional NV on the basis of the energy difference using a fluorescence intensity to measure the magnetic field between the magnetic sensor system state ( 300).
RF 여기 소스(330)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(330)는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 전이 에너지를 갖는 광자 에너지 공진을 통해 RF 복사선을 방출할 때 이들 스핀 상태들 사이의 전이를 여기한다. 그러한 공진에 대해, 스핀 상태는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이에서 순환하여, ms=0 스핀 상태에서의 집단을 감소시키고, 공진에서 전체 형광을 감소시킨다. 유사하게, 공진은 기저 상태의 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태 사이에서 발생하고, RF 여기 소스에 의해 방출된 RF 복사선의 광자 에너지가 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태, 또는 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지에서의 차이일 때, 형광 세기에서의 감소가 존재한다.The
광학 여기 소스(310)는 예를 들어 녹색에서의 광을 방출하는 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(310)는 적색에서의 형광을 유도하고, 이것은 여기된 상태로부터 기저 상태로의 전자 전이에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(320)로부터의 광은 여기 대역(예를 들어, 녹색에서)에서의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역에서 광을 통과시키기 위해 광학 필터(350)를 통해 향하게 되고, 이것은 다시 검출기(340)에 의해 검출된다. 다이아몬드 물질(320)에서의 형광을 여기하는 것 외에도, 광학 여기 광 소스(310)는 또한 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집단을 최대 극화, 또는 다른 원하는 극화로 재설정하도록 작용한다.The
연속파 여기에 대해, 광학 여기 소스(310)는 NV 중심을 연속적으로 펌핑하고, RF 여기 소스(330)는 2.87 GHz의 제로 분할(ms=+1 스핀 상태가 동일한 에너지를 가질 때) 에너지를 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 스윕한다. 단일 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 다이아몬드 물질(320)에 대응하는 RF 스윕에 대한 형광은 NV 축을 따라 상이한 자기장 성분(Bz)에 대해 도 4에서 도시되고, 여기서 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지 분할은 Bz와 함께 증가한다. 따라서, 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 펄싱된 광 여기 및 펄싱된 RF 여기를 수반하는 여기 구성과 같이 연속파 여기 이외의 광학 여기 구성이 구상된다. 펄싱된 여기 구성의 예들은 램지 펄스 시퀀스(아래에 더 상세히 설명됨), 및 스핀 에코 펄스 시퀀스를 포함한다.For continuous wave excitation, the
일반적으로, 다이아몬드 물질(320)은 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 NV 중심을 가질 것이다. 도 5는, 다이아몬드 물질(320)이 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 경우에 대해 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시한다. 이 경우에, 상이한 배향 각각을 따르는 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 이들 결과는 다이아몬드 격자의 결정학적 평면의 알려진 배향과 함께 외부 자기장의 크기가 결정되도록 할 뿐 아니라, 자기장의 방향이 결정되도록 한다.Generally, the diamond material 320 will have NV centers along the direction of the four different orientation gradients. Figure 5 shows fluorescence as a function of RF frequency for cases where diamond material 320 has NV centers aligned along the direction of four different orientation gradients. In this case, the component Bz along each of the different orientations can be determined. These results not only allow the magnitude of the external magnetic field to be determined along with the known orientation of the crystallographic plane of the diamond grating, but also allow the orientation of the magnetic field to be determined.
도 3이 복수의 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)을 갖는 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 도시하지만, 일반적으로, 자기 센서 시스템은 그 대신 복수의 자기-광학 결함 중심을 갖는 상이한 자기-광학 결함 중심 물질을 이용할 수 있다. 자기-광학 결함 중심의 전자 스핀 상태 에너지는 자기장과 함께 시프트하고, 상이한 스핀 상태에 대해 형광과 같은 광학 반응은 모든 상이한 스핀 상태에 대해 동일하지 않다. 이러한 방식으로, 자기장은 광학 여기, 및 아마도 NV 다이아몬드 물질과 함께 위에 기재된 것에 대응하는 방식으로 RF 여기에 기초하여 결정될 수 있다.Although FIG. 3 shows an NV centered
도 60은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 검출 시스템에 대한 시스템(6000)의 개략도이다. 시스템(6000)은 광학 여기 소스(6010)를 포함하고, 이것은 광학 여기를 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(6020)에 향하게 하거나, 자기-광학 결함 중심을 갖는 다른 자기-광학 결함 중심 물질로 향하게 한다. RF 여기 소스(6030)는 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(6020)에 제공한다. 자기장 발생기(6070)는 NV 다이아몬드 물질(6020)에서 검출되는 자기장을 생성한다.60 is a schematic diagram of a system 6000 for a magnetic field detection system according to an embodiment of the present invention. The system 6000 includes an
자기장 생성기(6070)는 예를 들어 직교 편광을 갖는 자기장을 생성할 수 있다. 이러한 관점에서, 자기장 생성기(6070)는 2개 이상의 헴홀쯔 코일과 같은 2개 이상의 코일을 포함할 수 있다. 2개 이상의 자기장 생성기는 NV 다이아몬드 물질(6020)에서 비교적 균일한 자기장을 제공하는 미리 결정된 방향을 갖는 자기장을 제공하도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 방향은 서로 직교일 수 있다. 또한, 자기장 발생기(6070)의 2 이상의 자기장 발생기는 동일한 위치에 배치될 수도 있고, 서로 분리 될 수 있다. 2 이상의 자기장 발생기가 서로 분리되어 있는 경우, 2 이상의 자기장 발생기는 예를 들어 1 차원 또는 2 차원 어레이와 같은 어레이로 배열 될 수 있다.The
시스템(6000)은 하나 이상의 광학 검출 시스템(6005)을 포함하도록 배열될 수 있고, 여기서 광학 검출 시스템(6005) 각각이 광 검출기(6040), 광학 여기 소스(6010) 및 NV 다이아몬드 물질(6020)을 포함한다. 광학 시스템(6005)은 광학 시스템(6005)에 비해 상대적으로 낮은 전력을 요구하는 환경에 배치될 수 있는 한편, 자기장 발생기(6070)는 상대적으로 강한 자기장을 인가하도록 자기장 발생기(6070)에 대해 이용 가능한 비교적 높은 전력을 갖는 환경에 전개될 수 있다.System 6000 may be arranged to include one or more
시스템(6000)은 광학 검출기(6040)로부터 광 검출 신호를 수신하고 광 여기 소스(6010), RF 여기 소스(6030), 및 제 2 자기장 발생기(6075)를 제어하도록 구성된 제어기(6080)를 더 포함한다. 제어기는 단일 제어기 또는 다중 제어기일 수 있다. 다수의 제어기를 포함하는 제어기의 경우, 제어기 각각은 시스템(6000)의 상이한 성분을 제어하는 것과 같이 상이한 기능을 수행 할 수 있다. 제 2 자기장 발생기(6075)는 예를 들어 증폭기(6060)를 통해 제어기(6080)에 의해 제어 될 수 있다.The system 6000 further includes a controller 6080 configured to receive a light detection signal from the
RF 여기 소스(6030)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(6030)는 도 3에 대해 전술한 바와 같이 접지 ms = 0 스핀 상태와 ms = ± 1 스핀 상태 사이의 전이 에너지와 공진하는 광자 에너지로 RF 방사를 방사하도록 제어된다.The
광학 여기 소스(6010)는 예를 들어, 녹색으로 광을 방출하는 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(6010)는 NV 다이아몬드 물질(6020)로부터 적색에서 형광을 유도하며, 여기에서 형광은 여기 상태로부터 기저 상태로의 전자 전이에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(6020)로부터의 광은 광학 필터(6050)를 통해 지향되어, 여기 대역(예를 들어, 녹색)의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역의 광을 통과시키며, 이는 광학 검출기(6040)에 의해 다시 검출된다. 광 여기 소스(6010)는 NV 다이아몬드 물질(6020)의 형광을 여기시키는 것 외에도, 기저 상태(3A2)의 ms = 0 스핀 상태의 집단을 최대 편광 또는 다른 원하는 편광으로 재설정하는 역할을 한다.The
제어기(6080)는 광학 검출기(6040)로부터 광 검출 신호를 수신하고 광 여기 소스(6010), RF 여기 소스(6030) 및 제 2 자기장 발생기(6075)를 제어하도록 배열된다. 제어기는 프로세서(6082 및 6010), RF 여기 소스(6030), 및 제 2 자기장 발생기(6075)의 동작을 제어하기 위해 메모리(6084)를 포함 할 수 있다. 비 임시 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함 할 수 있는 메모리(6084)는 광학 여기 소스(6010), RF 여기 소스(6030) 및 제 2 자기장 발생기(6075)의 동작이 제어되도록 하기 위해 지령을 저장할 수 있다. 즉, 제어기(6080)는 제어를 제공하도록 프로그래밍 될 수 있다.The controller 6080 is arranged to receive the light detection signal from the
램지 펄스 시퀀스 개요Ramsey pulse sequence overview
특정 실시예에 따르면, 제어기(6080)는 광 여기 소스(6010), RF 여기 소스(6030) 및 자기장 발생기(6070)의 동작을 제어하여, 광학적으로 검출된 자기 공명(ODMR)을 수행한다. NV 중심의 4개의 상이한 배향 분류의 방향을 따라 정렬된 NV 중심의 NV 축을 따르는 자기장(Bz)의 성분은 예를 들어 램지 펄스 시퀀스에 따른 ODMR 펄스 시퀀스를 사용함으로써 ODMR에 의해 결정될 수 있다. 램지 펄스 시퀀스는 NV 다이아몬드 물질(6020)의 자기 모멘트의 자유 세차를 측정하는 펄싱된 RF 펄스 레이저 방식이며, 양자가 기계적으로 전자 스핀 상태를 준비하고 샘플링하는 기술이다.According to a particular embodiment, controller 6080 controls the operation of
도 61은 램지 펄스 시퀀스를 나타내는 개략도이다. 도 61에 도시된 바와 같이, 램지 펄스 시퀀스는 5 단계의 기간에 걸쳐 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스를 포함한다. 제 1 단계에서, 기간 0 동안, 제 1 광학 여기 펄스(710)가 시스템에 인가되어 전자를 기저 상태(즉, ms = 0 스핀 상태)로 광학적으로 펌핑한다. 이것은 제 1 RF 여기 펄스(720)(예를 들어 마이크로파(MW) π/2 펄스의 형태로)에 의해 후속한다. 제 1 RF 여기 펄스(720)는 시스템을 ms = 0 및 ms = +1 스핀 상태의 중첩으로 설정한다(또는, 대안적으로, 공진 위치의 선택에 따라, ms= 0 및 ms= -1 스핀 상태). 기간 2 동안, 시스템은 타우(τ)로 지칭되는 시간주기 동안 자유롭게 처리(및 디페이즈)할 수 있다. 이러한 프리 세션 시간 동안, 시스템은 로컬 자기장을 측정하고 일관된 통합으로 작용한다. 다음으로, 기간 3 동안 제 2 RF 여기 펄스(6140)(예를 들어 MW π/2 펄스의 형태로)가 적용되어, 시스템을 ms = 0 및 ms = +1 기준으로 다시 투사한다. 마지막으로, 기간 4 동안, 제 2 광학 펄스(6130)가 시스템을 광학적으로 샘플링하기 위해 인가되고, 측정 기준은 시스템의 형광 세기를 검출함으로써 얻어진다. 시스템(6000)에 인가되는 RF 여기 펄스는 주어진 NV 중심 배향에 대응하는 주어진 RF 주파수에서 제공된다. 도 66에 도시된 램지 펄스 시퀀스는 여러 번 수행될 수 있으며, 주어진 램지 펄스 시퀀스 동안 시스템에 인가되는 MW 펄스의 각각은 상이한 NV 중심 배향에 각각 대응하는 상이한 주파수를 포함한다.61 is a schematic diagram showing a Ramsey pulse sequence. As shown in FIG. 61, the Ramsey pulse sequence includes a photoexcitation pulse and an RF excitation pulse over a period of five stages. In a first step, during
램지 펄스 시퀀스로부터의 이론 측정 판독치는 아래의 수학식(a1)으로서 정의될 수 있다:Theoretical measurement readings from a Ramsey pulse sequence can be defined as the following equation (a1): < RTI ID = 0.0 >
(a1) (a1)
위의 수학식(a1)에서 τ는 자유 프리 세션 시간을 나타내고, T2 *는 시스템(6000)에 존재하는 비균질성으로 인한 스핀 디페이싱을 나타내며, ωres는 공진 라비 주파수를 나타내고, ωeff는 유효 라비 주파수를 나타내며, an은 극초단파 NV 다이아몬드 물질(620)(~ 2.14 MHz)을 나타내며, Δ는 MW 디튜닝을 나타내며, θ는 위상 오프셋을 나타낸다.In the above equation (a1), τ represents the free pre-session time, T 2 * represents the spin de-pacing due to the inhomogeneity present in the system 6000, ω res represents the resonant rabbit frequency, ω eff is effective A ra denotes the ravia frequency, a n denotes the microwave NV diamond material 620 (~ 2.14 MHz),? Denotes the MW detuning, and? Denotes the phase offset.
램지 펄스 시퀀스에 기초한 측정을 할 때, MW π/2 펄스의 지속 시간, MW 펄스의 주파수{공진 위치로부터 디튜닝된 주파수 량(Δ)으로 언급됨}, 및 자유 세차 시간(τ)인 파라미터가 제어될 수 있다. 또한, 도 62a 및도 62b는 램지 펄스 시퀀스의 특정 파라미터의 변화에 대한 효과를 나타낸다. 예를 들어, 도 62a에 도시된 바와 같이, 모든 파라미터가 자유 프리 세션 시간(τ)을 제외하고 일정하게 유지되면, 자유 유도 감쇠(FID)로서 알려진 간섭 패턴이 얻어진다. FID 곡선은 초미세 파편에 해당하는 세 개의 정현파의 건설/상쇄 간섭 때문이다. 신호의 붕괴는 불균일한 디페이징 때문에 발생하며, 이 붕괴의 속도는 T2 *(특성 감쇠 시간)로 나타난다. 또한, 도 62b에 도시된 바와 같이, 모든 파라미터가 마이크로파 디튜닝(Δ)을 제외하고 일정하게 유지된다면, 자계 곡선이 얻어진다. 이 경우 x 축은 자기 계측을 위해 보정하기 위해 1 nT = 28 Hz의 변환을 통해 자기장 단위로 변환될 수 있다.When measuring based on the Ramsey pulse sequence, the parameters of the duration of the MW? / 2 pulse, the frequency of the MW pulse {referred to as the amount of frequency detuned from the resonance position?), And the free wash time Lt; / RTI > 62A and 62B show the effect on the change of the specific parameter of the Ramsey pulse sequence. For example, as shown in FIG. 62A, if all the parameters remain constant except for the free pre-session time?, An interference pattern known as free induction decay (FID) is obtained. The FID curve is due to construction / destructive interference of three sinusoidal waves corresponding to ultrafine debris. The collapse of the signal occurs due to non-uniform de-phasing, and the rate of this collapse is represented by T 2 * (characteristic decay time). Further, as shown in Fig. 62B, if all the parameters are kept constant except for the microwave detuning (?), A magnetic field curve is obtained. In this case, the x-axis can be converted to magnetic field units through a 1 nT = 28 Hz conversion to compensate for magnetic measurements.
τ 및 Δ 모두를 변화시킴으로써, 2차원 FID 표면 플롯이 구성될 수 있으며, 그 일례가 도 63a에 도시된다. FID 표면 플롯은 램지 시퀀스의 제어 가능한 파라미터의 최적화를 설명할 수 있는 몇 가지 특성을 포함한다. 예를 들어, 도 63a에서, FID 표면 플롯은 약 6150 ns의 T2 * 및 약 6.25MHz의 공진 라비 주파수를 사용하여 생성된다. 도 63a의 수평 슬라이스는 개별 FID 곡선(예컨대, 도 62a)을 나타내고, 수직 슬라이스는 자계 곡선(예컨대, 도 62b)을 나타낸다. 도 63a에 도시된 바와 같이, 더 높은 기본 주파수의 FID 곡선은 더 큰 디튜닝에서 발생한다. 따라서 더 높은 디튜닝 주파수는 다이아몬드 특징화를 위해 T2 *에 맞추기 위해 사용될 수 있다. 또한, 도 62b에 도시된 것과 같은 자력 측정 곡선은 특정 영역이 더 큰 감도를 생성함을 보여준다. 특히, 2차원 FID 표면 플롯의 경사도를 취함으로써, 보다 우수한 감도를 나타내는 분리된 최적 자유 프리 세션 간격이 식별될 수 있으며, 그 중 가장 우수한 것은 T2 *에 의해 결정될 것이다. 도 63b는 도 63a의 2차원 FID 표면 플롯의 경사도를 도시한다. 도 63b에서, 사용된 특정 T2 *(즉, 약 750 ns)에 대해, 약 900 ns(도 63b의 영역 2로 표시됨)에서 동작하는 것이 가장 큰 감도를 산출할 것이다. 그러나, 더 짧은 T2 *는 약 400 ns와 약 500 ns(도 63b의 영역 1로 표시됨) 사이의 더 나은 성능을 나타내지만, 더 긴 T2 *는 약 1400 ns에서보다 우수한 성능을 나타낼 것이다(도 6b3의 영역 3으로 표시됨). 도 63b에 도시된 것과 같은 플롯에 의해 지시된 이러한 강한 간섭 영역은 더 큰 측정 감도를 산출하는 τ의 최적화를 허용한다.By changing both? and?, a two-dimensional FID surface plot can be constructed, an example of which is shown in FIG. The FID surface plot includes several characteristics that can explain the optimization of the controllable parameters of the Ramsey sequence. For example, in Figure 63A, the FID surface plot is generated using a resonance rabi frequency of about 6.25 MHz and a T 2 * of about 6150 ns. The horizontal slice of Figure 63a represents a separate FID curve (e.g., Figure 62a), and the vertical slice represents a magnetic field curve (e.g., Figure 62b). As shown in FIG. 63A, a higher fundamental frequency FID curve occurs in a larger detuning. Thus a higher detuning frequency can be used to match T 2 * for diamond characterization. In addition, the magnetic force measurement curve as shown in Figure 62 (b) shows that a particular region produces greater sensitivity. In particular, by taking the slope of the two-dimensional FID surface plot, a separate optimal free session interval that exhibits better sensitivity can be identified, the best of which will be determined by T 2 * . 63B shows the slope of the two-dimensional FID surface plot of FIG. 63A. In Figure 63B, for a particular T 2 * used (i.e., about 750 ns), operating at about 900 ns (represented by
또한, 도 63b의 횡축의 감쇠는 T2 *에 의해 특징지어지며, 수직축의 감쇠는 효과적인 라비 주파수 ωeff에 대한 공진 라비 주파수 ωres(아래에서 자세히 설명함)의 비율로 특징지어진다. 유효 라비 주파수는 아래의 수학식 a2에 의해 정의될 수 있다:In addition, the damping of the abscissa in Figure 63 ( b ) is characterized by T 2 * , and the attenuation of the vertical axis is characterized by the ratio of the resonant rabbit frequency ω res (described in detail below) to the effective ravi frequency ω eff . The effective rabbit frequency can be defined by the following equation a2:
(a2) (a2)
따라서, 공진 라비 주파수와 유효 라비 주파수의 비율은 다음과 같이 공진 라비 주파수에 관해 표현될 수 있다:Thus, the ratio of the resonant rabbit frequency to the effective rabbi frequency can be expressed in terms of the resonant rabbit frequency as follows:
(a3) (a3)
상기 수학식(a3)에 도시된 바와 같이, 공진 라비 주파수(ωres)가 MW 디 튜닝(Δ)보다 훨씬 클 때, 유효 라비 주파수에 대한 공진 라비 주파수의 비는 대략 1과 동일할 것이다. 도 63b의 수직축에 도시된 감쇠는 RF 여기 전력에 의해 부분적으로 제어될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, RF 여기 전력이 증가함에 따라, 보다 큰 공진 라비 주파수가 실현될 수 있는 한편, 디튜닝으로 인한 유효 라비 주파수의 변화율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 특정 실시예에 따르면, 자기 계측 측정은 최대 콘트라스트를 달성하기 위해 공진 라비 주파수에 의해 지배되는 영역에서{수학식(a3)의 비율이 1에 가깝도록} 동작된다.As shown in the above equation (a3), when the resonance rabbit frequency? Res is much larger than the MW detuning?, The ratio of the resonance rabbit frequency to the effective rabbit frequency will be approximately equal to one. The attenuation shown in the vertical axis of Figure 63b can be partially controlled by the RF excitation power. As will be described in greater detail below, as the RF excitation power increases, a larger resonant rabbit frequency can be realized while reducing the rate of change of the effective rabbi frequency due to detuning. Thus, in accordance with a particular embodiment, the magnetometric measurement is operated in a region dominated by the resonant rabbit frequency to achieve maximum contrast (such that the ratio of (a3) is close to 1).
측정 시퀀스Measurement sequence
위의 관찰을 사용하여, 일반적으로 3단계 접근법을 사용하여 매우 민감한 자력 측정을 얻을 수 있다. 이러한 일반적인 접근법에서, 공진 라비 주파수(ωres)를 검증하기 위한 제 1 단계가 수행된다. 두 번째 단계에서는 시스템의 비균질 디페이징(T2 *)을 측정한다. 마지막으로, 제 1 및 제 2 단계에서 얻어진 측정을 사용하여, 수학식(a1)의 파라미터 공간이 최적화되고 고감도 자기 계측이 수행된다. 이 세 단계는 아래에서 자세히 설명한다.Using the above observations, a very sensitive magnetic force measurement can generally be obtained using a three-step approach. In this general approach, a first step is performed to verify the resonance rabbit frequency? Res . The second step measures the inhomogeneous de-phasing (T 2 * ) of the system. Finally, using the measurements obtained in the first and second steps, the parameter space of equation (a1) is optimized and high sensitivity magnetic measurements are performed. These three steps are described in detail below.
공진 라비 주파수의 측정Measurement of resonance ravi frequency
공진 라비 주파수를 검증하기 위해, 먼저, 자기장 발생기(6070)를 사용하는 바이어스 자기장이 시스템(6000)에 인가되어 형광 세기 응답의 최 외각 공진이 분리되고 다른 축들에 대한 3 개의 잔류 공진은 중첩된 채로 유지된다. 다음으로, CW-CW 스위프 또는 단일 π 펄스 스위프가 해당 축(즉, 최 외곽 공진)에 대응하는 공진 RF 주파수를 식별하도록 인가된다. 그런 다음,이 공진에 맞추어서 일련의 라비(라비) 펄스가 인가된다. 도 64는 라비 펄스 시퀀스의 예를 도시한다. 도 64에 도시된 바와 같이, 3주기의 광학 및 RF 여기 펄스가 인가된다. 먼저, 제 1 광 여기 펄스(6410)가 인가되고, RF 여기 펄스(6420)(예를 들어, MW 펄스)가 뒤따른다. 그 다음, 라비 펄스 시퀀스는 제 2 광 여기 펄스(6430)에 의해 완료된다. 일련의 라비 펄스의 인가 동안, RF 펄스가 인가되는 시간 간격(도 64에서 타우τ로 나타내지만, 이 타우 τ는 램지 펄스 시퀀스에서 자유 프리 세션 간격 τ와 구별됨)은 다양하다. 이 과정에서 일정한 광학 듀티 사이클이 유지되어 시스템의 열 영향을 최소화한다. 이는 도 64에서 제1 광 펄스(6410)과 MW 펄스(6420) 사이의 기간(6450)으로 도시된 가변 "가드" 윈도우의 사용으로 달성될 수 있다. 가드 윈도우(6450)는 MW 펄스(6420)가 인가되는 시간까지 제 1 광 펄스(6410)가 완전하게 오프되도록 보장하여, 두 펄스 사이의 중첩을 방지하고 제 1 광 펄스(6410) 광 펄스는 MW 펄스(6420)가인가되는 동안 NV 다이아몬드 물질을 부분적으로 재초기화한다.To verify the resonant rabbit frequency, first a bias magnetic field using a
라비 펄스의 적용 후, 공진 라비 주파수(ωres)는 결과 곡선의 주파수에 의해 정의된다. 도 65는 가변 RF 여기 전력(예를 들어, MW 전력)을 사용하는 라비 펄스의 인가 후의 측정된 곡선(A-D)을 도시한다. 곡선(A-D)의 주파수의 차이에 의해 도시된 바와 같이, 시스템(6000)에 인가되는 MW 전력을 증가시킴으로써, 획득된 공진 라비 주파수(ωres)가 또한 증가한다. 따라서, 실용적인 라비 주파수(예를 들어, 5 MHz 이상)를 얻으려면 상당한 양의 MW 전력이 사용되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 충분한 MW 전력이 인가되어 펄스의 인가가 짧게 유지되는 동시에, 동시에 MW 전력이 포화를 피하도록 제한될 수 있다. 특정 실시예에서, 약 10 와트의 전력이 인가될 수 있다. RF 여기를 인가하는데 사용되는 RF 여기 소스(6030)에 따라, 실용적인 라비 주파수를 달성하기 위해 필요한 전력 요건은 달성하기 어려울 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, RF 여기 소스(6030)로서 작은 루프 안테나(예를 들어, 루프 크기가 약 2mm 인 안테나)가 사용될 수 있다. 작은 루프 안테나를 적용함으로써, 높은 MW 전력이 달성될 수 있다 따라서 안테나를 NV 다이아몬드 물질(6020)에 더 근접하게 위치시키는 능력으로 인해 필요한 안테나 전력을 상당히 감소시킨다. 따라서, 소형 루프 안테나에 의해 달성되는 MW 전력의 증가는 공진 라비 주파수(ωres)의 증가를 허용한다. 이 측정 과정의 단계에서 얻어진 데이터는 램지 펄스 시퀀스(아래에 설명됨)를 수행하는 데 필요한 π/2 펄스를 결정하는데 사용된다. 이 경우, π는 획득된 라비 곡선의 제 1 최소값(예컨대, 도 65의 곡선 D)으로서 정의될 수 있다.After application of the rabie pulse, the resonance ravi frequency (? Res ) is defined by the frequency of the resultant curve. Figure 65 shows a measured curve AD after application of a rabbi pulse using variable RF excitation power (e.g., MW power). By increasing the MW power applied to the system 6000, as shown by the difference in the frequency of the curve AD, the obtained resonant rabbit frequency? Res also increases. Therefore, a substantial amount of MW power must be used to obtain a practical rabbi frequency (e.g., greater than 5 MHz). In some embodiments, sufficient MW power may be applied to keep the application of pulses short while at the same time the MW power may be limited to avoid saturation. In certain embodiments, a power of about 10 watts may be applied. Depending on the
T2T2 ** 의 측정Measurement of
측정 과정의 두 번째 단계에서 공진 라비 주파수와 위의 첫 번째 단계에서 얻은 공진 위치로 결정된 π/2 펄스를 사용하여 시스템의 비균질 디페이즈T2 *의 측정을 얻습니다. 램지 펄스 시퀀스가 사용된다는 점을 제외하고 측정은 위에서 설명한 라비 측정과 유사하게 수행된다. 램지 펄스 시퀀스를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 타우 τ는 이 단계에서 자유 세차 시간 간격을 나타낸다.In the second stage of the measurement process, a measurement of the inhomogeneous diphase T 2 * of the system is obtained using the π / 2 pulse determined by the resonance rabbit frequency and the resonance position obtained in the first stage above. The measurement is performed similarly to the rabbi measurement described above, except that the Ramsey pulse sequence is used. As described above with reference to the Ramsey pulse sequence, tau tau represents the free car wash time interval at this stage.
T2 *를 추정할 때, 디튜닝 주파수(Δ)는 특정 실시예에서 상대적으로 높게 설정된다. 상술한 바와 같이, 큰 디튜닝 주파수는 보다 높은 기본 주파수를 야기하고(예를 들어,도 63a 참조), 더 큰 콘트라스트를 허용하여, 데이터를보다 쉽게 맞출 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 디튜닝 주파수(Δ)는 약 10 MHz로 설정될 수 있다. 그러나 상대적으로 큰 T2 *의 경우 더 작은 디튜닝 주파수가 사용될 수 있다. 도 62a는 디튜닝 주파수가 약 10 MHz로 설정된 T2 *를 얻는데 사용될 수 있는 FID 곡선의 일례를 도시한다. 도 62a에 도시된 것과 같은 FID 곡선으로부터 T2 * 결정함으로써, 최적 자유 프리 세션 시간(τ)은 도 63b를 참조하여 전술한 강한 간섭 영역에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 수학식(a1)의 세타 항 때문에 최적으로 결정된 자유 세차 시간의 양 측면에 τ의 작은 범위가 수집된다.When estimating T 2 * , the detuning frequency [Delta] is set relatively high in certain embodiments. As described above, the large detuning frequency results in a higher fundamental frequency (see, for example, FIG. 63A), allowing greater contrast and allowing the data to be more easily tailored. In some embodiments, the detuning frequency [Delta] may be set at about 10 MHz. However, in the case of a relatively large T 2 * , a smaller detuning frequency can be used. 62A shows an example of a FID curve that can be used to obtain T 2 * with a detuning frequency set to about 10 MHz. By determining T 2 * from the FID curve as shown in FIG. 62A, the optimum free time duration? Can be determined based on the strong interference region described above with reference to FIG. 63B. Also, in a particular embodiment, a small range of < RTI ID = 0.0 > tau < / RTI > is collected on both sides of the optimal freeze time determined optimally for the setter of equation (a1).
자기 측정의 측정Measurement of magnetic measurement
측정 과정의 마지막 단계에서 형광 세기 응답의 측정은 위의 단계에서 얻은 파라미터를 사용하여 수행된다. 전술 한 바와 같이, 확인된 공진 라비 주파수는 MW π/2 펄스의 지속 시간(RF 여기 펄스 6120 및 6140으로서 사용됨)을 제공하고, FID 곡선은 최적 자유 프리 세션 시간(τ)의 영역을 결정하는데 사용되는 T2 *를 제공한다. 이 최종 단계 동안, 몇몇 실시예에서, 시스템의 광 분극을 위해 사용된 광 펄스 및 측정 판독을 위해 사용된 광 펄스는 일련의 램지 시퀀스의 적용 중에 하나의 펄스로 병합될 수 있음에 유의해야한다.The measurement of the fluorescence intensity response at the end of the measurement process is performed using the parameters obtained in the above step. As noted above, the identified resonant rabbit frequency provides a duration of MW? / 2 pulses (used as
또한, 감도를 증가시키기 위해, 일정한 실시예에서 고정된 측정 오차 당 두 번째로 행해진 측정이 증가될 수 있다. 따라서, 감도를 최대화하기 위해, 단일 측정 사이클의 전체 길이는 최소화되어야 하며, 이는 광 여기 소스(6010)의 더 높은 광 출력의 사용을 통해 달성될 수 있다. 따라서, 주어진 경우, 특정 실시예에서, 광학 여기 소스(6010)는 약 1.25W로 설정될 수 있고, MW π/2 펄스는 약 50ns 동안 인가될 수 있고, 프리 세션 시간(τ)은 약 420ns일 수 있으며, 광학 여기 펄스 지속 시간은 약 50㎲일 수 있다. 또한, MW π/2 펄스 전후에 "가드" 윈도우가 사용될 수 있으며, 이는 각각 약 2.28 μs 및 20 ns 지속 기간으로 설정될 수 있다.Also, in order to increase the sensitivity, in some embodiments the second measurement made per fixed measurement error can be increased. Thus, in order to maximize sensitivity, the overall length of a single measurement cycle must be minimized, which can be achieved through the use of a higher light output of the
기존의 측정 프로세스에서 세기 응답의 곡선은 일반적으로 경사와 미세 조정 주파수를 얻기 위해 한 번만 측정되며 형광 신호가 모니터링되는 동안 추가 측정은 최적 디튜닝 주파수에서만 수행된다. 그러나, 시스템은 예를 들어, 측정 프로세스 동안의 부정확성 및 오차에 기여할 수 있는 광학 여기 가열(예를 들어, 레이저 유도 가열) 및/또는 변이에 의해 유발되는 드리프트를 경험할 수 있다. 단일 스핀 공진을 추적하는 것은 열 효과로 인해 응답 곡선에서의 변환을 제대로 설명하지 못한다. 따라서, 몇몇 실시예에 따르면, 더 큰 자기장의 대역에 대한 비선형성을 설명하기 위해, 측정 프로세스로부터 얻어진 데이터는 실시간으로 저장되고 측정 사이의 시간을 최소화하기 위해 감도는 오프라인으로 결정된다. 또한, 자기 계측 곡선은 동일한 NV 대칭축에 대해 ms = +1 및 ms = -1 스핀 상태 모두에서 수집된다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 램지 시퀀스 동안의 RF 여기 펄스는 낮은 공진(즉, ms = -1 스핀 상태의 공진 주파수) 및 높은 공진(즉, ms = +1의 공진 주파수) 각각의 스핀 상태들(ms= -1 및 ms= +1 스핀 상태들)과 관련된 측정치들을 획득하기 위해 스핀 상태를 사용한다. 따라서, 양 및 음의 스핀 상태에 대해 두 개의 자화 곡선(예를 들어, 도 62b)이 얻어질 수 있다. 개별 주파수에서 RF 펄스를 적용함으로써 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 변형을 보상할 수 있다. 자기장 측정은 아래의 수학식 a4 및 a5를 이용하여 이루어질 수 있고, 여기서 I는 형광(예를 들어, 적색)의 정규화된 세기를 나타내고, m1 및 m2는 주어진 축에 대해 ms = +1와 ms = -1 각각에 대해 취해진 측정을 나타낸다:In conventional measurement processes, the curve of the intensity response is generally measured only once to obtain the tilt and the fine tuning frequency, while the additional measurement is performed only at the optimum detuning frequency while the fluorescence signal is being monitored. However, the system may experience drift caused by, for example, optical excitation heating (e.g., laser induced heating) and / or variations that can contribute to inaccuracies and errors during the measurement process. Tracking a single-spin resonance does not adequately account for the conversion in the response curve due to thermal effects. Thus, in accordance with some embodiments, the data obtained from the measurement process is stored in real time and the sensitivity is determined off-line to minimize the time between measurements, in order to account for non-linearity for a band of larger magnetic fields. Also, the magnetic measurement curves are collected in both m s = +1 and m s = -1 spin states for the same NV symmetry axis. For example, each in a particular embodiment, Ramsey sequence for RF excitation pulse is low resonant (i.e., m = s -1 resonance frequency of the spin state) and a high resonance (that is, m = s resonant frequency of + 1) The spin state is used to obtain measurements related to spin states (m s = -1 and m s = 1 spin states). Thus, two magnetization curves (e.g., FIG. 62B) can be obtained for positive and negative spin states. By applying RF pulses at discrete frequencies it is possible to compensate for deformations due to temperature and / or strain effects. The magnetic field measurements can be made using equations a4 and a5 below, where I represents the normalized intensity of the fluorescence (e.g., red) and m 1 and m 2 represent m s = +1 And m s = -1, respectively:
(a4) (a4)
(a5) (a5)
반대 경사에서 얻어진 측정에 대하여, 수학식(a5)에서 플러스가 사용된다. ms= +1 및 ms= -1 스핀 상태의 피크가 변환되면, 세기 응답은 반대 방향으로 발생한다. 한편, 자기장의 변화로 인해 피크가 바깥쪽으로 분리되면, 세기 변화는 적절한 dB 측정 값을 산출하는 데 동의하게 된다. 따라서, 동일한 NV 대칭축에 대한 ms= +1 및 ms= -1 스핀 상태 모두에 대한 곡선의 측정을 얻음으로써, 온도 및 자기장으로 인한 변화로 인한 변화가 분리될 수 있다. 따라서, 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 병진 이동이 고려될 수 있어, 시스템상의 자기장 기여도를 보다 정확하게 계산할 수 있다.For the measurement obtained at the opposite slope, a positive value is used in the equation (a5). m s = +1 and m s = -1 If the peak of the spin state is transformed, the magnitude response occurs in the opposite direction. On the other hand, if the peaks are separated outward due to a change in the magnetic field, the intensity change agrees to yield an appropriate dB measurement value. Thus, by obtaining a measurement of the curve for both m s = +1 and m s = -1 spin states for the same NV symmetry axis, the changes due to changes due to temperature and magnetic field can be separated. Therefore, translational movement due to temperature and / or strain effects can be considered, so that the magnetic field contribution on the system can be calculated more accurately.
신호 처리Signal processing
처리는 전술 한 각각의 단계 동안 얻어진 측정치의 깨끗한 이미지를 획득하기 위해 얻어진 원시 데이터에 대해 수행될 수 있다. 무화과. 도 66은 주어진 측정 사이클 동안 획득될 수 있는 미가공 펄스 데이터 세그먼트의 예를 도시한다. 이론적으로 신호는 광 여기 펄스의 처음 300ns로 정의된다. 그러나, 이 정의는 거의 포화 상태에 있는 광 출력 밀도에 적용된다. 광 출력 밀도가 포화 상태에서 감소함에 따라, 신호의 유용한 부분이 더 연장될 수 있다. 현재, 종래의 처리 방법에서, 시스템이 편광되었을 때, 펄스의 종료는 광학 여기 소스(예를 들어, 레이저)에서의 전력 변동을 설명하기 위해 참조된다. 이것은 도 66에 도시된다, 여기서, 신호는 C에 의해 정의된 제 1 기준 윈도우 또는 기간, 즉 MW 펄스 이후에 참조되는 B(즉, 신호 = C-B)에 의해 정의된 신호 윈도우 또는 기간을 사용하여 획득될 수 있다. 그러나, 특정 실시예에 따르면, 감도를 증가시키기 위해, 기준은 마이크로파 펄스(즉, 신호 =) 이전에 A로 정의된 제 2 기준 윈도우 또는 기간을 포함하도록 확장될 수 있다. 윈도우들 또는 기간들 내의 샘플들(즉, A, B 및 C)은 각각의 윈도우 또는 기간 내에 포함된 신호의 평균값을 얻기 위해 평균될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 윈도우 또는 기간(예를 들어, 신호 윈도우 B)의 값은 가중된 평균을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 제 1 및 제 2 기준 윈도우는 도 66에 도시된 바와 같이 신호 윈도우로부터 등 간격으로 이격된다. 이러한 참조의 확장은 신호 획득 동안의 광학 여기 전력 및 시스템의 전체 민감도의 더 나은 평가를 가능하게 한다.The processing can be performed on the raw data obtained to obtain a clean image of the measurements obtained during each of the above steps. FIG. FIG. 66 shows an example of raw pulse data segments that may be acquired during a given measurement cycle. Theoretically, the signal is defined as the first 300ns of the photoexcitation pulse. However, this definition applies to the light output density in a nearly saturated state. As the optical power density decreases in the saturated state, useful portions of the signal can be further extended. At present, in the conventional processing method, when the system is polarized, the end of the pulse is referred to to explain the power fluctuation in the optical excitation source (for example, laser). This is shown in FIG. 66, where the signal is acquired using a signal window or period defined by a first reference window or period defined by C, i. E., B (i. . However, in accordance with certain embodiments, to increase sensitivity, the reference is a microwave pulse (i.e., signal = ) May be extended to include a second reference window or period previously defined as A. Samples (i.e., A, B, and C) in windows or periods can be averaged to obtain an average value of the signals contained within each window or period. Further, in some embodiments, the value of a window or period (e.g., signal window B) may be determined using a weighted average. Also, in a particular embodiment, the first and second reference windows are equally spaced from the signal window as shown in Fig. The extension of these references enables a better evaluation of the optical excitation power during signal acquisition and the overall sensitivity of the system.
공동 RF 및 자기장 생성기를 갖는 다이아몬드 질소 공석 센서Diamond Nitrogen Vacuum Sensor with Common RF and Magnetic Field Generator
도 67은 몇몇 예시적인 구현 예에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분을 나타내는 개략도이다. 도 6에 도시된 자기 센서는 단일 RF 여기 소스(630) 및 바이어스 자석(670)을 사용했다. 도 7에 도시된 DNV 센서는 도 6의 바이어스 자석(670)에 제공되는 바이어스 자기장을 제공하는 6개의 개별 RF 요소를 사용한다. 다양한 구현 예에서, 도 67에 도시된 DNV 센서는 별도의 바이어스 자기를 필요로 하지 않는다. 도 67 내지 73은 DNV 센서의 다양한 구성 요소를 도시한다.67 is a schematic diagram illustrating a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary embodiments. The magnetic sensor shown in FIG. 6 used a single RF excitation source 630 and a bias magnet 670. The DNV sensor shown in FIG. 7 uses six separate RF elements that provide a bias magnetic field provided to the bias magnet 670 of FIG. In various implementations, the DNV sensor shown in Figure 67 does not require a separate bias magnet. Figures 67 to 73 show various components of the DNV sensor.
도 67에서, 도시된 DNV 센서의 부분은 장착 클램프를 통해 DNV 센서의 나머지 부분에 연결할 수 있는 히트 싱크(6702)를 포함한다. 히트 싱크(6702) 내에 또는 근처에 위치한 레이저 또는 LED와 같은 광 요소는 도시되어 있지 않다. 광 요소로부터의 광은 렌즈 튜브(6706)를 통해 초점 렌즈 튜브(6718)를 통해 그리고 NV 다이아몬드를 포함하는 코일 어셈블리(6716)를 통해 이동한다. 광은 NV 다이아몬드를 통해 코일 어셈블리(6716)로 통과하여 코일 어셈블리를 빠져 나간다. 코일 어셈블리를 빠져 나가는 광은 적색 필터를 통과하여 광 센서 어셈블리(6714)로 간다. 코일 조립체(6716), 적색 필터 및 광 센서는 모두 렌즈 튜브 결합기(6708)를 통해 렌즈 튜브(6718)에 결합될 수 있는 렌즈 튜브(6710)에 수용될 수 있다. 렌즈 튜브 회전 장착부(6712)는, 코일 어셈블리가 광 요소에 대해 회전할 수 있게 하는 회전 조절 요소가 부착되게 한다.67, the portion of the DNV sensor shown includes a
도 68은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면을 도시하는 개략도이다. 도시된 DNV 센서의 부분은 코일 어셈블리(6816) 및 광 센서(6820)를 포함한다. 코일 어셈블리(6816)는 6개의 RF 요소를 포함한다. 각각의 RF 요소는 RF 케이블(6830)을 연결하는데 사용될 수 있는 RF 장착부를 갖는다. 따라서, 각각의 RF 요소는 그 자신의 RF 공급을 가질 수 있다. 다양한 구현에서, 각각의 RF 소자에는 고유 RF 신호가 공급된다. 다른 구현들에서, RF 요소의 서브 조합들은 동일한 RF 피드 신호를 수신한다. 예를 들어, 2개 또는 3개의 RF 요소 그룹은 동일한 RF 피드 신호를 수신할 수 있다. 직각 커넥터(6832)와 같은, 다양한 커넥터들이 RF 케이블(6830)과 RF 요소들을 연결하는 데 사용될 수 있다. 코일 조립체(6816), 적색 필터(6826), EMI 유리(6824), 및 광 센서 장착 판은 고정 링(6802)과 같은 고정 링을 사용하여 적소에 유지될 수 있다. 광 센서(6820)는 광 센서 장착 플레이트(6822)에 고정될 수 있으며, 광 센서 장착 판(6822)은 코일 어셈블리(6816)를 나가는 빛의 경로에서 광 센서(6820)를 위치시키는데 사용될 수 있다.68 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. The portion of the DNV sensor shown includes a coil assembly 6816 and an
도 70은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 도시하는 단면도이다. 이 도면에는 광 경로(7030)가 도시되어 있다. 광 경로는 조명 요소로부터의 광이 코일 조립체 및 NV 다이아몬드(7040)를 통과하도록 한다. 광은 NV 다이아몬드를 빠져 나와 광 경로(7030)를 통해 코일 조립체 밖으로 진행한다.70 is a cross-sectional view illustrating a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. An
코일 조립체는 4개의 RF 요소(7002) 및 2개의 상부 및 하부 요소(7020)를 포함한다. NV 다이아몬드(7040)는 장착 블록(7006)에 다이아몬드를 보유하는 다이아몬드 플러그(7004)를 통해 제 위치에 유지된다. RF 요소들은 요소 장착 나사들(7032)과 같은 다양한 수단을 사용하여 함께 고정시킬 수 있다. 6개의 전체 RF 요소는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 도시하는 도 69a 및 69b에서 볼 수 있다. 4개의 측면 RF 요소(6902)는 2개의 상부 및 하부 RF 요소(6920)와 함께 도시되어 있다. 각각의 RF 요소는 중앙 장착 블록(6904)에 부착된다. 나사(6932)와 같은 부착 메커니즘은 RF 요소를 장착 블록에 부착하는데 사용될 수 있다. 도시된 구현에서, 광 주입 구멍(6930)은 하부 RF 요소이고 광 출사 구멍(6970)은 상부 RF 요소에 있다. 따라서, 이 구현에서 광은 코일 조립체와 다이아몬드를 직선 경로로 통과한다. 일 실시예에서, 광은 NV 다이아몬드의 면에 입사하여 NV 다이아몬드의 다른 면을 통해 빠져 나간다. 후술되는 바와 같이, 다른 구현에서, 코일 조립체를 통과하는 광 경로는 직선이 아니며, 출구의 다중 경로를 취할 수 있다.The coil assembly includes four
도 71은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소(7100)를 개략적으로 도시한다. 측면 요소(7100)는 중간 장착 구멍 및 하나의 다른 장착 구멍을 포함할 수 있다. 이 구현에서 다른 장착 구멍 구성을 갖는 측면 요소가 있다. 도 71에 도시된 바와 같이, 측면 요소(7100)는 3개의 장착 구멍을 가지지만, 모든 장착 구멍이 사용될 필요는 없다. 일 실시예에서, 중간 장착 구멍 및 나머지 2개의 장착 구멍 중 하나가 사용되지만, 3개의 장착 구멍은 모두 사용되지 않는다. 각각의 측면 요소(7100)는 측면 요소에 RF 공급 신호를 제공하는데 사용되는 RF 커넥터(7102)를 포함한다.71 schematically illustrates a
도 72는 부분 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 상부 또는 하부 요소(7200)를 개략적으로 도시한 도면이다. 측면 요소(7100)와 유사하게, 상부 또는 하부 요소(7200)는 RF 공급 신호를 수신하기 위한 RF 커넥터(7202)를 포함한다. 그러나, 상부 또는 하부 요소(7200)는 단지 2개의 장착 구멍(7204)을 갖는다. 3개의 구멍은 광이 코일 조립체를 출입할 수 있게 하는 광 경로 부분(7230)이다.72 is a schematic illustration of an upper or
도 73은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 중앙 장착 블록(7300)을 개략적으로 도시한다. NV 다이아몬드는 장착 블록(7300) 내에 위치한다. 일 실시예에서, 다이아몬드 플러그는 NV 다이아몬드를 유지하는데 사용될 수 있다. 장착 블록(7300)은 NV 다이아몬드의 정렬을 제공하는 다이아몬드 장착 위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장착 블록(7300)은 NV 다이아몬드에 맞는 리세스(recess)를 포함할 수 있다. 일단 배치되면, 다이아몬드 플러그는 장착 블록(7300) 내로 삽입되어 다이아몬드를 제 위치에 고정시킬 수 있다.FIG. 73 schematically illustrates a
도 74 내지 도 77은 또 다른 구현을 도시한다. 도 74는 부분 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 구비한 DNV 센서의 부분을 도시하는 단면도이다. 코일 조립체(7416)는 NV 다이아몬드 센서 내에 NV 다이아몬드를 유지한다. 코일 조립체(7416)는 6개의 RF 요소, 4개의 측면 요소 및 2개의 상부 및 하부 요소(도 75 내지 도 77에 도시됨)를 포함할 수 있다. RF 케이블(7430)은 RF 연결부(7432)를 통해 RF 요소에 연결될 수 있다. RF 케이블(7430)은 하나 이상의 RF 요소에 RF 신호를 제공하는데 사용된다. RF 신호는 각각의 RF 요소마다 상이할 수 있거나 RF 요소의 서브 세트는 상이한 RF 신호를 수신할 수 있다. 이러한 RF 공급 신호는 RF 요소에 의해 사용되어 NV 다이아몬드에 균일한 마이크로파 RF 신호를 제공한다. 또한, RF 요소들의 배열은 RF 요소들이 NV 다이아몬드에 자기 바이어스 자기장을 제공할 수 있게 한다. 도시된 실시예에서, 광은 상부 및 하부 요소를 통해 출입한다. NV 다이아몬드를 빠져 나가는 광은 감쇠기(7440) 내에 위치된 적색 필터(7426) 및 광 파이프(7450)를 통과할 수 있다. 다양한 구현에서, 광 파이프(7450)의 적어도 부분은 감쇠기(7440) 내에 위치된다. 광 감지 어레이(7420)가 NV 다이아몬드에 더 가깝게 위치되고 센서의 EMI에 의해 영향을 받지 않게 한다. 감쇠기 내의 광 도파관의 부분을 수용하는 이점에 대한 더 자세한 설명은 본 출원과 같은 날에 출원된 "광 도관을 갖는 자력계"라는 제목의 미국 특허 출원 번호 __ / ___, ___에 기재되고, 이들은 본원에 참고로 포함된다. 보유 링(7402)은 다양한 요소들을 함께 그리고 제 위치에 유지하는데 사용될 수 있다.Figures 74-77 illustrate another implementation. 74 is a cross-sectional view illustrating a portion of a DNV sensor with a coil assembly in accordance with a partial exemplary embodiment.
도 75는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 76은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 단면을 도시하는 개략도이다. 코일 어셈블리는 두 개의 하부 또는 상부 RF 요소들(7506 및 7606)을 포함한다. 예시된 구현에서, 상부 또는 하부 RF 요소는 원형이고 사이드 요소(7502, 7602)와 비교하여 더 크다. 상부 또는 하부 요소들 사이에는 네 개의 측면 도 77은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소를 도시하는 개략도이다. 측면 요소는 공급 RF 신호를 RF 요소에 제공하기 위해 사용되는 RF 커넥터(7702)를 갖는다. 측면 RF 요소는 상부 RF 요소 및 하부 RF 요소에 의해 제자리에 고정될 수 있기 때문에 장착 구멍을 포함하지 않습니다. 다양한 구현에서, RF 요소들 각각은 다수의 스택된 나선형 안테나 코일들을 포함할 수 있다. 이러한 스택 코일은 작은 풋 프린트를 차지할 수 있으며 RF 자기장이 NV 다이아몬드 위에 균일하도록 필요한 마이크로 웨이브 RF 자기장을 제공할 수 있다. RF 소자를 포함하는 RF 소자 및 RF 회로 기판에 관한 추가적인 세부 사항은 본 출원과 동일한 날에 출원된 "이중 RF 소스를 갖는 다이아몬드 중공 사막 센서"라는 미국 특허 출원 번호 __ / ___, ___에 기재되어 있으며, 내용 이의 내용은 본원에 참고로 인용된다. 다양한 구현에서, 각각의 RF 측면 소자 및 상부 및 하부 RF 소자는 RF 소자 또는 RF 회로 기판을 포함할 수 있다.75 is a schematic illustration of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. 76 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. The coil assembly includes two lower or
NV 다이아몬드(7622)는 여섯 개의 RF 요소 내에 위치한다. RF 요소는 장착 나사(7510 및 7610)에 의해 함께 유지될 수 있다. 상부 RF 요소의 광 주입 부분(7504)은 광이 코일 조립체로 들어가서 NV 다이아몬드로 들어갈 수 있게 한다. 하부는 대응하는 광 방출 부(7620)를 포함한다. NV 다이아몬드는 장착 블록(7608) 내에 끼워 질 수 있고 다이아몬드 플러그(7624)를 통해 제 위치에 유지될 수 있다.The
도 78 내지 도 84는 또 다른 구현을 도시한다. 도시된 실시예에서, 광은 NV 다이아몬드의 에지를 통해 NV 다이아몬드로 들어가고 NV 다이아몬드의 다중면을 통해 빠져 나간다. 빛이 NV 다이아몬드에 들어오고 나가는 방법은 NV 다이아몬드가 광원을 기준으로 하는 방향을 기준으로 한다. 따라서, 다양한 실시예에서, NV 다이아몬드는 광이 에지, 면 및/또는 에지 및 면 모두에 출입할 수 있도록 위치를 바꿀 수 있다.78-84 illustrate another implementation. In the illustrated embodiment, the light enters the NV diamond through the edge of the NV diamond and exits through the multiple sides of the NV diamond. The way in which light enters and leaves the NV diamond is based on the direction in which the NV diamond is based on the light source. Thus, in various embodiments, the NV diamond can be repositioned to allow light to enter and exit both edges, faces, and / or edges and faces.
도 78은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 구비 한 DNV 센서의 부분을 도시하는 개략도이다. DNV 센서는 광원 히트 싱크(7802 및 7902), 히트 싱크(7802)를 위한 장착 클램프(7804), 렌즈 튜브(7806), 초점 렌즈 튜브(7818), 배치된 코일 조립체(7816) 및 적색 필터 및 포토 센서 조립체 7814) 및 렌즈 튜브 회전 장착부(7812 및 7912)를 포함한다. 도 79는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 구비한 DNV 센서의 부분의 단면을 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서, 광원은 LED(7906)이다. 다른 구현에서, 레이저와 같은 다른 광원이 사용될 수 있다. 열 전기 냉각기(7904)는 LED(7906)에 냉각을 제공하는데 사용될 수 있다. LED(7906)로부터의 광은 렌즈(7918)를 사용하여 집속될 수 있다. 집광된 광은 코일 조립체(7916) 내에 위치된 NV 다이아몬드에 들어간다.78 is a schematic diagram showing a portion of a DNV sensor with a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. The DNV sensor includes a light
도 80은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 갖는 DNV 센서의 부분의 단면을 도시하는 개략도이다. 이 도면에서, 코일 조립체 내의 NV 다이아몬드(8040)가 보여 질 수 있다. 광은이 실시예에서 NV 다이아몬드의 에지로 진입하고 NV 다이아몬드(8040)의 두면으로부터 NV 다이아몬드(8040)를 빠져 나간다. NV 다이아몬드(8040)를 나가는 광은 두 개의 광 파이프(7914) 중 하나를 이동한다. 다양한 구현에서, 광 도파관의 광축은 감쇄기 내에 위치한다. NV 다이아몬드(8040)는 중앙 장착 블록(8050)을 통해 코일 조립체 내의 제 위치에 유지될 수 있다. 장착 블록 및 코일 조립체는 유지 링(8052)을 사용하여 제자리에 유지될 수 있다. RF 케이블(8030)은 RF 커넥터(8032) RF 요소에 대한 RF 피드 신호를 제공한다.80 is a schematic diagram showing a cross-section of a portion of a DNV sensor having a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. In this figure,
도 81은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체를 개략적으로 도시하는 도면. 도 82는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 단면을 도시하는 개략도이다. 도 81은 상부 및 하부 RF 요소(8112, 8212) 사이에 위치된 4 개의 측면 요소(8014, 8242)를 도시한다. 중앙 장착 블록(8108, 8208) 및 유지 판(8106, 8206)이 또한 도시되어 있다. 위에서 설명한대로 광은 가장자리에서 NV 다이아몬드 8240에 들어갑니다. 광은 광 주입 개구부(8101 및 8202)를 통해 NV 다이아몬드에 이른다. 광은 2개의 광 출구 구멍(8110)을 통해 진입 경로에 실질적으로 직각으로 NV 다이아몬드(8240)를 빠져 나간다. 제 2 광 출구 구멍은 도시된 광 출구 구멍(8110)의 반대편이 있다. 도 82에서 제 2 광 출구 홀드는 NV 다이아몬드(8240) 뒤에 있다.81 is a schematic illustration of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. 82 is a schematic diagram illustrating a cross-section of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. 81 shows four
도 83은 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 측면 요소를 도시하는 개략도이다. 개별 측면 요소는 RF 커넥터(8304) 및 광 출구 부분(8302)을 포함한다. 그러나, 측면 요소는 어떠한 부착 구멍도 포함하지 않는다. 오히려, 측면 요소는 도 84a 및 84b에 도시된 바와 같이 상부 및 하부 요소를 사용하여 코일 조립체 내의 제 위치에 유지될 수 있다.83 is a schematic diagram illustrating side elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. The individual side elements include
도 84A 및 84B는 몇몇 예시적인 구현에 따른 코일 조립체의 상부 및 하부 요소를 예시하는 개략도이다. 상부 요소는 4 개의 RF 측면 요소를 정렬시키고 위치 유지하기 위한 슬롯(8406)을 포함한다. 광 주입 구멍(8404)이 또한 도시되어있다. 상부 RF 요소 및 하부 RF 요소 모두에 위치된 RF 커넥터(8404)는 별개의 RF 피드가 상부 및 하부 RF 요소에 개별적으로 인가되도록한다.84A and 84B are schematic diagrams illustrating the top and bottom elements of a coil assembly in accordance with some exemplary implementations. The upper element includes a
지구 소음의 일반적인 목적 제거Eliminate the general purpose of earth noise
본 발명의 기술의 다양한 양태는 지자기 잡음의 범용 제거를 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 본 해결책은 매우 변형된 벡터 자기 센서의 어레이(예 : 1-D 또는 2-D)를 적절한 변환 수단과 신호 처리를 사용하여 광범위하게 공간적으로 상호 연관된 Pc 및 Pi 잡음을 로컬 이형으로부터 분리한다 공간적으로 분산된 DNV 센서 어레이의 센서에 더 적은 영향을 준다. 본 기술의 벡터 자기 센서는 적어도 하나의 센서에 의해 감지되는 자기 신호(SOI)가 다수의 다른 센서에 대한 목표 잡음 플로어 아래에 있도록 충분히 크고 밀집된 간격을 갖는다. 적절한 변환 수단은 측정된 자기장 값의 어레이의 각 요소를 변환하여 변형된 자기장 값의 어레이를 제공함으로써 센서 측정치를 공통 좌표계로 변환하는 것을 달성할 수 있다. 신호 처리는 공간적으로 분산된 센서 어레이의 신호 처리를 포함한다.Various aspects of the techniques of the present invention provide a method and system for universal cancellation of geomagnetic noise. This solution separates widely-spatially correlated Pc and Pi noise from the local variants using appropriate transforming means and signal processing (eg 1-D or 2-D) of highly deformed vector magnetic sensors. It has less impact on the sensors of the distributed DNV sensor array. The vector magnetic sensors of the present technology are sufficiently large and densely spaced such that the magnetic signal (SOI) sensed by the at least one sensor is below the target noise floor for a number of other sensors. Appropriate conversion means can accomplish transforming the sensor measurements into a common coordinate system by transforming each element of the array of measured magnetic field values to provide an array of modified magnetic field values. The signal processing includes signal processing of a spatially distributed sensor array.
지자기 잡음Geomagnetic noise
상당한 중요성을 갖는 지자기 잡음은 태양풍이 외부 대기에 충돌하기 때문입니다. 이 소음은 주간 변화(태양에 비해 지구의 방향에 따라 느린 일일 변동)와 "Pc 및 Pi"소음으로 분해될 수 있다. Pc와 Pi 잡음은 측정하려는 자기 신호와 유사한 시간 척도(자기 센서에 비해 움직이는 어떤 물체로 인한 신호. 물체가 움직이고 센서가 움직이지 않거나 물체가 움직이지 않고 센서가 움직이거나 또는 어떤 조합 일 때). Pc와 Pi 잡음은 함께 이 대역에서 1 / f(f는 주파수 임)에 비례하는 스펙트럼 모양으로 0.01 Hz와 5 Hz의 주파수 범위에 걸쳐 있다고 생각된다.The geomagnetic noise of considerable importance is due to the solar wind colliding with the outer atmosphere. This noise can be decomposed into weekly variations (slow fluctuations along the Earth's direction relative to the sun) and "Pc and Pi" noise. Pc and Pi noise is a time scale similar to the magnetic signal to be measured (a signal due to an object moving relative to a magnetic sensor when the object moves and the sensor does not move, the object does not move, the sensor moves, or some combination). Pc and Pi noise are considered to span the frequency range of 0.01 Hz and 5 Hz in a spectral shape proportional to 1 / f (f is frequency) in this band.
Pc 및 Pi 잡음의 특성은 생성된 모델 Pc 및 Pi 잡음을 경험적 데이터의 특성과 비교함으로써 조사될 수 있다. 이 모델 Pc 및 Pi 잡음은, 예를 들어, 백색 가우시안 잡음을 이 형상을 갖는 선형 필터를 통과시키고 이 통과 대역 위 및 아래에서 가파른 롤오프(rolloff)를 통과시킴으로써 생성될 수 있다. 진폭에 대한 실험 데이터는 J. Watermann과 J. Lam, "Magnetic Field Variations, Differences, and Residuals의 분포", SACLANTCEN, San Batrolomeo, IT, Tech. SR-304, 1999 년 2 월( "SACLANTCEN"), 다른 길이의 시간 창에 대해 피크-피크 값을 측정하고 평균 한 달. 모델 데이터의 잡음 진폭은 유사한 피크-피크 통계를 갖도록 조정된다. 그 비교를 도 8에 나타낸다. 도 85에서 지자기 소음 모델은 경험적 데이터와 잘 비교된다.The characteristics of Pc and Pi noise can be investigated by comparing the generated model Pc and Pi noise with the characteristics of the empirical data. This model Pc and Pi noise can be generated, for example, by passing white Gaussian noise through a linear filter with this shape and passing a steep rolloff above and below this passband. Experimental data on amplitude are presented in J. Watermann and J. Lam, "Distribution of Magnetic Field Variations, Differences, and Residuals", SACLANTCEN, San Batrolomeo, IT, Tech. SR-304, February 1999 ("SACLANTCEN"), peak-to-peak values were measured and averaged for a time window of different length. The noise amplitude of the model data is adjusted to have similar peak-to-peak statistics. The comparison is shown in Fig. In Figure 85, the geomagnetic noise model is well compared with empirical data.
또한, SACLANTCEN 논문은 지자기 잡음이 수십 킬로미터에 걸쳐 공간적으로 매우 상관되어 있다고 제안한다. 다른 출처는 약 100km의 고도에서 발생하는 Pc와 Pi 소음을 논의하며 지표면 또는 해저에서 측정했을 때 10km 이상의 거리에서 높은 상관 관계를 기대하는 것이 타당하다.The SACLANTCEN paper also suggests that geomagnetic noise is highly spatially correlated over several tens of kilometers. Other sources discuss Pc and Pi noise at altitudes of about 100 km, and it is reasonable to expect a high correlation at distances greater than 10 km when measured at the surface or at sea level.
해당 신호The signal
도 86은 단일 자기 센서에 의해 측정된 시간에 따른 자기장에 대한 무인 수중 차량(UUV)에 의한 Z- 방향의 자기장의 왜곡으로 인한 해당 신호를 도시한다. 도 86은 잡음이 없는 해당 신호 및 잡음을 포함하는 해당 신호의 측정을 도시한다. 알 수 있듯이, 해당있는 신호는 잡음에 압도되어 있다.86 shows the corresponding signal due to the distortion of the magnetic field in the Z-direction by the unmanned underwater vehicle (UUV) against the magnetic field with time measured by a single magnetic sensor. 86 shows the measurement of the corresponding signal including noise-free corresponding signal and noise. As you can see, the signal is overwhelmed by noise.
도 87a 내지도 87c는 센서의 2 차원 어레이에 의해 측정된 3 개의 서로 다른 시간에 자기장에 대한 무인 수중 차량(UUV)에 의한 Z 방향의 자기장의 왜곡으로 인한 해당 신호를 도시하고, 해저에 측정된 자기장 값의 배열. 알 수 있듯이, 소음은 해당의 신호 인 언덕 - 골짜기 쌍(철 금속 물체의 존재, UUV의 존재에서의 자기장 왜곡)을 제외하고 도시된 영역에서 상당히 평평하게 보입니다. 데이터 세트에 사용되는 배열은 100x 간격으로 배열된 31x31 크기의 센서 배열이며, 가운데는 16(행), 16(열) 센서이다.87a-87c show the corresponding signal due to the distortion of the magnetic field in the Z direction by the unmanned underwater vehicle (UUV) for the magnetic field at three different times measured by the two-dimensional array of sensors, An array of magnetic field values. As you can see, the noise appears to be fairly flat in the area shown, except for the corresponding signal, the hill-valley pair (the presence of ferrous metal objects, the magnetic field distortion in the presence of UUV). The array used in the data set is a sensor array of 31x31 size arranged in 100x intervals, with 16 (row) and 16 (column) sensors in the center.
지자기 잡음의 제거Removal of geomagnetic noise
본 기술의 몇몇 양상들에서, 지자기 잡음의 범용 제거를 위한 방법들 및 구성들이 개시된다. 본 기술은 정밀 벡터 자력계와 크고 조밀 한 센서 배열, 공통 좌표계 설정 방법, 고역 시간 영역 필터링 및 잡음의 공간 상관 관계를 이용하는 잡음 제거를 결합한다. 크고 조밀 한 센서 어레이는 충분히 커서 많은 센서가 해당 신호에 영향을 받지 않고 신호가 존재할 때 적어도 하나의 센서에 의해 해당 신호가 검출되도록 충분히 가깝게 배치된다. 몇몇 구현에서, 센서 어레이는 다수의 정밀 벡터 자기장의 1-D(1차원) 또는 2-D(2차원) 어레이를 포함할 수 있다. 고역 통과 시간 영역 필터링은 수 시간 또는 그보다 긴 순서의 매우 느린 변이를 제거할 수 있다.In some aspects of the technique, methods and configurations for universal cancellation of geomagnetic noise are disclosed. The technique combines a precision vector magnetometer with large and dense sensor arrays, common coordinate system setting methods, high-frequency time-domain filtering, and noise cancellation using spatial correlation of noise. A large, compact sensor array is large enough so that many sensors are not affected by the signal and are positioned close enough so that the signal is detected by at least one sensor when the signal is present. In some implementations, the sensor array may include a 1-D (one-dimensional) or 2-D (two-dimensional) array of multiple precision vector magnetic fields. High-pass time-domain filtering can eliminate very slow variations in the order of a few hours or longer.
설명을 용이하게 하기 위해, S는 측정될, 관심 대상의 국부 자기장 변화로 정의된 신호이고, F는 너무 작아 관심 대상이 되지 않는 신호의 정의에서 사용될 S의 진폭보다 낮은 값으로 선택된 관심 대상의 층이라고 하자. Rmax는 S의 진폭이 F보다 클 수 있는 영역의 최대 크기 및 모양(1-D 또는 2-D)으로 정의된, S의 최대 영향 영역이라고 하자. N은 잡음의 시간 변화는 S에 비해 클 수 있지만, 매 시간마다 샘플은 Rmax의 직경의 두 배를 초과하는 거리에 걸쳐 F보다 훨씬 적은 변화가 공간적으로 상관되는 벡터 환경 잡음이라고 하자. 위의 정의를 사용하면, 본 기술의 벡터 자기 센서는 센서 잡음이 F에 비해 무시할 수 있도록 F에 비해 고정밀입니다. 이러한 센서의 어레이(1-D 또는 2-D)는 해당 변이가 존재할 때, S는 적어도 하나의 센서에 대해 F보다 크고 Rmax에 비해 충분히 크므로 대부분의 센서에 대해 S는 F보다 작다. 공통 좌표계를 설정하는 수단은 센서들 사이의 공통 좌표계를 달성하도록 로컬 어스 좌표계에 대한 센서들의 방향을 결정할 수 있다. 공간 영역 공통 모드 제거 알고리즘(CMRA)은 어레이 측정의 각 시간 샘플을 처리하고 F보다 큰 국부 변이를 보존하는 값 배열을 생성하는 한편 N에서 잔류 오류를 F 미만의 진폭으로 줄입니다.For ease of explanation, S is the signal defined by the local magnetic field change of interest to be measured, F is the signal of interest that is selected to be lower than the amplitude of S to be used in the definition of the signal of interest, . Let Rmax be the maximum influence region of S, defined by the maximum size and shape (1-D or 2-D) of the region where the amplitude of S can be greater than F. Let N be the time variance of the noise compared to S, but let S be the vector circumstance noise where the sample is spatially correlated with much less than F over a distance greater than twice the diameter of Rmax. Using the above definition, the vector magnetic sensor of this technology is more accurate than F so that the sensor noise is negligible compared to F. For this sensor array (1-D or 2-D), S is smaller than F for most sensors because S is larger than F and larger than Rmax for at least one sensor when the corresponding variation is present. The means for setting the common coordinate system can determine the orientation of the sensors relative to the local earth coordinate system to achieve a common coordinate system between the sensors. The spatial domain common mode rejection algorithm (CMRA) processes each sample of time in the array measurement and generates an array of values that preserves local variations greater than F, while reducing the residual error in N to an amplitude of less than F.
하나 이상의 실시예에서, 자기 센서는 DNV 센서이다. 센서의 방위의 측정 수단은 하나의 기준 방향으로서의 지구의 국부 자기장의 측정 및 제 2 기준 방향으로서의 경사계(중력) 벡터 측정일 수 있다. 부분 측면에서, CMRA는 각 시점에서 센서 어레이의 중앙값을 빼는 것을 포함한다. CMRA는 S가 존재할 수 있는 해당 영역의 식별, 해당 영역 외부의 측정을 이용하는 잡음 추정, 및 추정된 잡음의 감산의 조합을 더 포함할 수 있다. 해당 영역의 식별은 선택된 임계 값을 초과하는 중앙값으로부터의 측정 값의 차이 또는 선택된 임계 값을 초과하는 측정 값의 공간 구배를 사용하여 수행될 수 있다. 잡음 추정은 상수(예 : 측정의 평균), 라인(예 : 1-D 어레이의 경우), 평면(예 : 2 차원 배열의 경우) 또는 스플라인이다. 몇몇 구현에서, 잡음 추정은 해당 영역 외부의 측정된 값들로부터 해당 영역 내의 잡음을 추정하기 위한 Kriging 접근법을 포함할 수 있다.In at least one embodiment, the magnetic sensor is a DNV sensor. The measurement means of the orientation of the sensor may be a measurement of the earth's local magnetic field as one reference direction and an inclinometer (gravity) vector measurement as the second reference direction. In part, the CMRA includes subtracting the median value of the sensor array at each time point. The CMRA may further include a combination of identification of the region in which S may exist, noise estimation using measurements outside the region, and subtraction of the estimated noise. The identification of the region may be performed using a spatial gradient of a measured value that exceeds a selected threshold or a difference of a measured value from a median that exceeds the selected threshold. The noise estimate is a constant (for example, a mean of a measurement), a line (for a 1-D array), a plane (for a two-dimensional array), or a spline. In some implementations, the noise estimate may include a Kriging approach to estimate noise in the area from measured values outside that area.
자기 센서 어레이 시스템Magnetic sensor array system
도 88은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 센서 어레이 시스템(8800)을 도시한다. 시스템은 제어기(8810) 및 다수의 자기 센서(8832)를 포함하는 자기 센서 어레이(8830)를 포함한다. 센서(8832)에 인접한 간격은 예를 들어 s일 수 있다. 한편, 도 88은 2 차원 어레이로 배열될 자기 센서(8832)를 도시하고, 자기 센서(8832)는 1차원 어레이 또는 다른 치수로 배열될 수 있다. 또한, 도 88은 간략화를 위해 4 x 3 어레이의 센서(8832)를 도시하고, 일반적으로 어레이는 훨씬 더 클 수도 있고 더 작을 수도 있다.88 shows a magnetic sensor array system 8800 in accordance with an embodiment of the present invention. The system includes a
제어기(8810)는 자기 센서(8832) 각각으로부터 측정된 자기장 신호를 수신하며, 자기장 신호는 자기 센서(8832) 각각에서 측정된 자기장을 나타낸다. 따라서, 제어기(8810)는 자기장 값들의 어레이를 수신하다. 제어기(8810)는 프로세서(8812) 및 메모리(8814)를 포함할 수 있다. 제어기(8810)에 의해 수신된 자기장 신호는 데이터로서 메모리(8814)에 저장될 수 있다. 메모리(8814)는 추가로 논의된 바와 같이, 제어기(8810)가 공통 좌표계, 고역 시간 영역 필터링 및 공간적으로 조정된 잡음을 이용하는 잡음 제거를 확립하는 것과 같은 다양한 데이터 처리 동작을 수행할 수 있도록 프로세서에 의해 실행되는 명령을 더 저장할 수 있다. 메모리(8814)는 명령들 및 데이터를 저장하기 위한 비 임시 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있다.The
한편, 도 88은 단일 프로세서(8812) 및 단일 메모리(8814)를 도시하지만, 일반적으로 제어기(8810)는 다양한 기능을 수행하는 하나 이상의 프로세서(8812)를 포함할 수 있으며, 둘 이상의 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 제어기(8810)는 분산된 방식으로 배열된 서브 제어기를 포함할 수 있다.88 shows a
센서(8832)는 예를 들어 DNV 센서 또는 홀 효과 센서와 같은 다른 자기 센서일 수 있다.The
자기 센서를 위한 공통 좌표계Common coordinate system for magnetic sensors
자기 센서들 각각에 의해 측정된 자기장은 모든 자기 센서들에 공통인 공통 좌표계로 변환될 수 있다. 따라서, 측정된 자기장 값은 변환된 자기장 값의 배열로 변환된다. 도 89a 및 도 89b는 각각 자기 센서 중 하나에 대응하는 공통 좌표계 및 좌표계를 도시한다. 공통 좌표계로 변형하는 대안적으로서, 센서들은 초기에 공통 좌표계에 있도록 서로에 대해 고정되도록 배치될 수 있다. 이것은 예를 들어, 강체(rigid material)에 센서를 고정함으로써 달성될 수 있다.The magnetic field measured by each of the magnetic sensors can be converted to a common coordinate system common to all the magnetic sensors. Thus, the measured magnetic field values are converted into an array of converted magnetic field values. 89A and 89B show a common coordinate system and a coordinate system corresponding to one of the magnetic sensors, respectively. As an alternative to transforming to a common coordinate system, the sensors may be arranged to be fixed relative to each other such that they are initially in a common coordinate system. This can be achieved, for example, by fixing the sensor to a rigid material.
좌표계에서, Z 축은 "아래로", 즉 중력 벡터의 방향으로 간주된다. 일반적으로, 센서 어레이의 서로 다른 요소에 대한 중력 벡터의 방향에는 극히 미미한 변화가 있을 수 있지만, 이러한 변화는 센서 오차 모델에 도입된 중력 센서 오차와 비교하여 극히 작아서, 센서 오류 모델에 포함된 것으로 간주될 수 있다. X 축은 로컬 자기 북쪽 벡터가 X-Z 평면에 있도록 Z 축에 수직인 것으로 간주된다. Y는 X 및 Z에 수직으로 간주되어 Y가 거의 동쪽을 가리키는 오른쪽 좌표계를 제공한다.In the coordinate system, the Z axis is considered to be "down ", i.e. the direction of the gravitational vector. In general, there may be very slight variations in the direction of the gravity vectors for different elements of the sensor array, but these changes are very small compared to the gravity sensor errors introduced in the sensor error model and are considered to be included in the sensor error model . The X axis is assumed to be perpendicular to the Z axis so that the local magnetic north vector is in the X-Z plane. Y is considered perpendicular to X and Z and provides the right coordinate system with Y pointing almost to the east.
도 90은 자기장 센서(8832)에 부착된 방위 센서(9000)를 도시한다. 자기장 센서(8832) 각각은 Z- 방향과 같은 하나 이상의 방향에 대한 자기장 센서(8832)의 방위를 측정하는 대응 방위 센서(9000) 방향, 공통 좌표계에 있다. 배향 센서(9000)는 모든 센서(8832)로부터의 데이터에 대한 공통 좌표계를 달성하는 것을 보조한다. 배향 센서(9000)는 센서(8832) 중 대응하는 센서에 부착된 중력 센서일 수 있다.배향 센서(9000)는 그 대응 센서(8832)는 동일한 좌표계에 있게 된다.90 shows the
센서(8832)는 처음에는 무작위 방향으로 산란된다고 가정한다. 그런 다음 X, Y, Z 일반 좌표계의 벡터 V는 센서의 센서 좌표계에서 VM = RV로 측정된다. 여기서 R은 특정 센서(8832)에 대한 단위 회전 행렬이다. 일반적으로 배열된 센서 배열의 i, j 위치에서 R은 i, j 위치에서 센서와 연관된 회전 행렬을 나타내기 위해 Ri,j로 지정할 수 있다. 각 i, j마다 다를 것이기 때문이다. 단일 센서를 논할 때, i, j 표기법은 간략화를 위해 생략될 수 있다.It is assumed that the
R의 열은 X, Y 및 Z 구성 요소가 센서 좌표계에 나타나는 방향이다. 센서 측정치를 X, Y, Z 공통 좌표계로 변환하기 위해서는 간단하게 R과 관련이 있다. 즉, V=RTVM인데, 여기서 RTR = I, 항등 행렬이다.The columns of R are the directions in which the X, Y, and Z components appear in the sensor coordinate system. To convert sensor measurements to X, Y, Z common coordinate system, it is simply related to R. That is, V = R T V M , where R T R = I, is an identity matrix.
각각의 자기 센서(8832)의 자기 측정치를 공통 좌표계로 변환하는 것은 다음과 같다. 각 센서에 대해 R을 좌표계 교정 단계로 측정하자. 이는 예를 들어 방위 센서(9000)로서 중력 센서를 사용함으로써 부분적으로 달성될 수 있다. 대안적으로, 방향은 별들의 방위의 검출에 기초하여 취해질 수 있다. 그런 다음 X, Y, Z 공통 좌표계에 자기 측정을 배치하기 위해 회전 행렬의 조바꿈(RT)으로 자기 측정 결과를 가져온다.The magnetic measurement of each
회전 행렬(R)은 다음과 같이 추정될 수 있다. 언급한 바와 같이, R의 세 번째 열은 Z 방향의 입력으로 인한 센서 좌표계의 벡터 방향이다. 센서 좌표에서 Z 방향의 추정치는 로 표시될 수 있으며, 따라서 로 표시된 추정된 R은 제 3 열의 를 갖는다. 마찬가지로, 의 제 1 열 및 제 2 열은 각각 및 로 표시될 수 있다. 따라서, 추정된 을 결정하는 것은 , 및 인 의 열을 추정함으로써 수행된다.The rotation matrix R can be estimated as follows. As mentioned, the third column of R is the vector direction of the sensor coordinate system due to the input in the Z direction. The estimated value in the Z direction in the sensor coordinates is And therefore, Lt; RTI ID = 0.0 > R < / RTI > . Likewise, The first and second columns of And . ≪ / RTI > Therefore, To determine , And sign ≪ / RTI >
값은 중력 센서일 수 있는 방위 센서(9000)로부터의 Z의 측정치로서 단순히 취해질 수 있다. 중력 센서로부터의 Z 측정은 Z의 실제 값에 센서의 회전 오차를 더한 값이 된다. 기존 비용 효율적인 중력 센서의 회전 오차에 대한 합리적인 경계는 0.01도이다. The value may simply be taken as a measure of Z from
값은 지구의 국부 자기장에 의해 지배되는 센서(8832)의 자기 측정을 취하여 루틴 선형 대수학을 사용하여, 방향으로 성분을 제거한 다음 정규화함으로써 계산될 수 있다. 이것은 X에 가깝게 배열하고, 배열상의 자기 북쪽의 매우 작은 변화로 인한 사소한 오류와 작은 지자기 잡음 및 자기 센서 잡음 및 의 오류로 인해 대략 근사한다. 는 와 사이의 표준 교차 곱 계산으로 계산된다. Value takes a magnetic measurement of the
자기장 측정의 공통 좌표계로의 변환의 정확도는 다음과 같이 추정될 수 있다.The accuracy of the conversion of the magnetic field measurements into the common coordinate system can be estimated as follows.
초기 단계로서, 모든 센서가 독립적으로 무작위로 배향되며, 다음과 같은 과정을 거칩니다. 각 센서에 대해: (1) 단위 구상에 균일 분포를 갖는 랜덤 벡터를 선택하여 회전축을 생성하고, (2) [-π/3 라디안, π/3 라디안]에서 임의의 각도를 균일하게 선택하여 회전 각도를 결정하고, (3) 선택된 회전 축과 회전 각도를 기반으로 센서에 대한 임의의 회전 행렬을 생성한다. 예를 들어 로드리구스(Rodrigues)의 회전 수식과 같은 알려진 선형 대수 기술을 사용한다. 이 임의의 회전은 각 i, j 센서에 대해 Ri,j에 대한 참 값을 제공한다. 그런 다음 회전이 센서의 자기장 데이터 세트에 적용되어 정렬되지 않은 개별 센서 좌표에서 데이터 세트를 생성한다.As an initial step, all the sensors are randomly and independently oriented, going through the following process. For each sensor: (1) a random vector having a uniform distribution is selected in the unit spheres to generate a rotation axis, (2) uniformly selected arbitrary angles in [-π / 3 radians, π / 3 radians] Determines an angle, and (3) generates an arbitrary rotation matrix for the sensor based on the selected rotation axis and rotation angle. For example, use known linear algebra techniques such as Rodrigues' rotation formula. This arbitrary rotation provides a true value for R i, j for each i, j sensor. The rotation is then applied to the magnetic field data set of the sensor to create a data set in the individual sensor coordinates that are not aligned.
각각의 자기 센서에 대해, 각각의 i, j에 대한 는 다음과 같은 불완전성을 포함하여 개별적으로 계산되었다: (1) 각 센서마다 고유한 약 0.01 도의 중력 센서 회전 오차, (a) [-0.01도, 0.01도]에 걸쳐 균일한 분포로부터 회전 오차를 무작위로 추출하고, (b) 선택된 회전 오차만큼 Z 축으로 일렬로 나열된 단위 벡터를 Y 축 방향으로 회전하고, (c) [0, 2π]로부터 균등하게 제 2 회전 각도를 무작위로 추출하고, (d) 선택된 제 2 회전 각도만큼 원래의 Z 축을 중심으로 Z '를 회전하고, 및 (2) 모델링된 지자기 잡음 및 자기 센서 잡음의 단일 시간 샘플. 단일 시간 샘플은 지구 자기장(자기 북쪽) 값이 뉴욕시 근해의 한 위치를 기반으로 제공되도록 제공되었다. 이 위도에서는 자기 북쪽이 크게 기울어졌다. X, Y, Z 좌표에서, 사용된 지구 자기장 벡터는 마이크로 테슬러였다.For each magnetic sensor, for each i, j (1) The gravity sensor rotation error of about 0.01 degrees unique to each sensor, (a) the rotation error from a uniform distribution over [-0.01 degrees, 0.01 degrees] (B) randomly extracting the second rotation angle from the [0, 2π] uniformly from (0), rotating the unit vector linearly aligned in the Z axis by the selected rotation error in the Y- d) rotating Z 'about the original Z axis by the selected second rotation angle, and (2) a single time sample of the geomagnetism noise and magnetic sensor noise modeled. Single time samples were provided so that the Earth's magnetic field (magnetic North) values were provided based on a location in New York City offshore. At this latitude, his northern side was greatly inclined. In the X, Y, Z coordinates, the geomagnetic field vector used is It was a microtessler.
각 센서에 대해 의 전치를 적용하여 공통 X, Y, Z 좌표계에 측정 값을배치했다. 이것이 모든 공통 모드 거부 알고리즘에 대해 아래에 사용된 데이터이다. 또한, 다음에 나오는 공통 모드 제거 알고리즘의 경우 측정된 자기장 값 배열에 적용된(시간/주파수 영역) 고역 통과 필터는 매우 느린(예를 들어, 몇 시간 동안 거의 일정한) 변동을 제거하므로 큰 자기장 북쪽 구성 요소가 없다. 여기에서 좌표계 보정의 경우 자북이 좌표 설정에 해당하므로 필터링되지 않은 자기 측정이 사용된다.For each sensor And the measured values are arranged in the common X, Y, and Z coordinate system. This is the data used below for all common mode rejection algorithms. Also, in the case of the common-mode rejection algorithm discussed below, the (time / frequency domain) highpass filter applied to the measured magnetic field value arrays eliminates very slow (for example, There is no. Here, in the case of the coordinate system correction, since the magnetic north corresponds to the coordinate setting, unfiltered magnetic measurement is used.
공통 좌표의 정확성에 대한 마지막 견해로서, 역관계의 불완전성은 다음을 취함으로써 측정되었다: . 어레이에서 E(최대 특이 값)의 유도된 2-노름(norm)은 일반적으로 약 0.0004이며 이는 1에 비해 매우 작다. 따라서 근사 R 역수는 매우 정확하다.As a final view of the accuracy of the common coordinates, the inverse of the inverse is determined by taking the following: . The derived 2-norm of E (maximum singular value) in the array is generally about 0.0004, which is very small compared to one. The approximate R inverse is therefore very accurate.
요약하면, 무작위 센서 회전 및 근사 보정을 공통 좌표계에 적용하면, X, Y, Z 좌표계에서의 사실상 고역 통과(DC 제거) 자장 데이타( )가 제공되고, 그런 다음 센서 측정으로 변환된 다음 센서 측정치가 실제 X, Y, Z 좌표계에서 = 인 공통 좌표계 데이터 세트로 변환된다(불완전함). In summary, applying a random sensor rotation and approximate correction to a common coordinate system results in substantially high pass (DC removal) magnetic field data in the X, Y, Z coordinate system ), Then converted to sensor measurements, and then the sensor measurements are taken from the actual X, Y, Z coordinate system = (Common) coordinate system data set (incomplete).
해당 신호를 복구하기 위한 공통 모드 제거 알고리즘Common mode cancellation algorithm to recover the signal
도 91a 내지 도 91i는 하나의 UUV가 센서 어레이를 지나서 이동하는 시나리오에서 잡음이 없는 자기 신호를 포함하는 측정된 자기장 값의 어레이를 도시하고, 도 93a-93i는 상이한 깊이 및 상이한 방향을 통과하는 2개의 UUV를 갖는 해당 신호를 도시한다. 도 91a 내지도 91c는 각각 500 초에서 X 방향, Y 방향 및 Z 방향을 따른 자계 측정 성분을 도시한다. 도 91d 내지도 91f는 각각 1000 초의 시간에서 X 방향, Y 방향 및 Z 방향을 따른 자계 측정 성분을 도시한다. 도 91g 내지도 91i는 각각 1500 초에서 X 방향, Y 방향 및 Z 방향을 따른 자기장 측정 성분을 도시한다. 도 93a 내지 도 93i는 각각 2개의 UUV의 경우에 도 91a 내지 도 91I에 대응한다. 이들은 모든 센서 결함 및 잡음이 포함되어 있을 때 복구해야 할 해당 신호이다.Figures 91a-91i illustrate an array of measured magnetic field values comprising a noise free magnetic signal in a scenario in which one UUV moves past the sensor array, Figures 93a-93i illustrate an array of measured magnetic field values comprising two Gt; UUV < / RTI > 91A to 91C show magnetic field measurement components along the X direction, the Y direction and the Z direction in 500 seconds, respectively. 91D to 91F show magnetic field measurement components along the X direction, the Y direction and the Z direction at a time of 1000 seconds, respectively. 91 g to 91 i show the magnetic field measurement components along the X direction, the Y direction and the Z direction at 1500 seconds, respectively. Figs. 93A to 93I correspond to Figs. 91A to 91I in the case of two UUVs, respectively. These are the corresponding signals that need to be recovered when all sensor faults and noise are included.
해당 신호를 복구할 때, 우선 모든 잡음 소스 및 센서 오차가 전술한 바와 같은 방식으로 설정된 자기장 측정 데이터에 포함된다. 공통 좌표계를 생성하는 알고리즘이 사용되며, 다양한 CMRA가 적용된다. 결과의 효과를 시각화하기 위해 시간이 갈수록 단일 센서에서의 결과가 표시된다. 여기서 왼쪽 플롯은 해당 센서에서의 측정 값과 잡음이 없는 해당 신호이다(도 93a 참조). 측정 결과 지자기 잡음이 제거되지 않은 상태에서 신호가 보이지 않는 것은 분명하다. 중간 플롯(예를 들어, 도 93b 참조)은 동일한 센서에서의 결과를 보여준다. 이 플롯은 잡음이 없는 완벽한 신호와 잡음 제거 후 CMRA의 출력을 보여준다. 모든 CMRA 알고리즘의 경우, 재구성은 가운데 플롯에서 거의 완벽하게 보이다. 그러나 올바른 플롯(예를 들어, 도 93c 참조)은 재구성이 실제로 완벽하지 않다는 것을 보여주기 위해 중앙 플롯의 두 라인(잡음이 없고 재구성된)의 차이를 다른 스케일로 보여준다. 설명을 용이하게 하기 위해, X 방향을 따른 자기장의 결과만이 좌측, 중간 및 우측 플롯에 도시되며, 자기장은 물론 Y- 방향 및 Z- 방향으로 재구성될 수 있다. 실제로 실제 결과는 특정 소음 수준 및 기타 오류에 따라 다르다.When recovering the signal, all noise sources and sensor errors are first included in the magnetic field measurement data set in the manner described above. An algorithm is used to generate the common coordinate system, and various CMRAs are applied. To visualize the effect of the results, the results from a single sensor are displayed over time. Here, the left plot is the corresponding signal without measurement and the measured value at the sensor (see FIG. 93A). It is clear that the signal is not visible without the geomagnetic noise removed. An intermediate plot (see, for example, FIG. 93B) shows the results on the same sensor. This plot shows the noise-free perfect signal and the output of the CMRA after noise cancellation. For all CMRA algorithms, the reconstruction is almost perfect in the middle plot. However, the correct plot (see, for example, Figure 93c) shows the difference between the two lines of the central plot (noise-free and reconstructed) on different scales to show that the reconstruction is not really perfect. For ease of explanation, only the results of the magnetic field along the X direction are shown in the left, middle and right plots, and the magnetic field can of course be reconstructed in the Y-direction and in the Z-direction. Actual results actually vary depending on the specific noise level and other errors.
중간 감산 알고리즘Intermediate subtraction algorithm
중간 감산 알고리즘에 따르면, 배열의 모든 센서에 대한 자기장의 중앙값이 X, Y 및 Z 좌표 각각에 대해 결정되고, 중앙값이 자기장 데이터 세트에서 뺍니다. 따라서, 자기장 값의 중간 값은 공간적으로 상관된 배경 잡음의 추정치로서 취해지고 변환된 자기장 값으로부터 감산되어, 잡음 제거 자기장 값을 제공한다. 잡음은 공간적으로 높은 상관 관계가 있고 해당 신호가 어레이의 절반보다 적으므로 중앙값은 지자기 잡음의 합리적인 측정 값이다. 도 93a-93c는 중간 감산 접근법에 대한 결과를 도시하며, 도 93a는 센서들 중 하나에서의 자기 측정 및 해당 잡음이 없는 신호를 시간에 따라 도시한다. 도 93b는 잡음 제거 후의 동일한 센서에서의 결과 및 해당 잡음 없는 신호를 도시하고, 도 93c는 도 93b의 두 라인(잡음없는 및 재구성된)에서의 차이를 도시한다. 도 94a 내지 도 94c는 각각 500, 1000 및 1500 초의 시간에서 어레이에 대한 X 방향으로 해당 신호를 포함하는 자기장을 도시하며, 이는 도 91a, 도 91d 및 도 91g에 각각 도시된 잡음없는 신호와 비교할 때 우수한 적합성을 나타낸다.According to the intermediate subtraction algorithm, the median value of the magnetic field for all sensors in the array is determined for each of the X, Y, and Z coordinates, and the median is subtracted from the magnetic field data set. Thus, the median value of the magnetic field values is taken as an estimate of the spatially correlated background noise and subtracted from the converted magnetic field value to provide the noise canceling magnetic field value. Since noise is highly correlated spatially and the signal is less than half the array, the median is a reasonable measure of geomagnetic noise. FIGS. 93A-93C show the results for an intermediate subtraction approach, with FIG. 93A showing the self-measurement at one of the sensors and the corresponding noise-free signal over time. FIG. 93B shows the result on the same sensor after noise cancellation and the corresponding noise-free signal, and FIG. 93C shows the difference in the two lines (noise-free and reconstructed) of FIG. 93B. 94A to 94C show magnetic fields containing the corresponding signals in the X direction relative to the array at times of 500, 1000, and 1500 seconds, respectively, as compared to the noise free signals shown in FIGS. 91A, 91D, And exhibits excellent suitability.
해당 영역에서의 공간적으로 상관된 잡음Spatially correlated noise in the region
해당 영역이 해당 신호를 제공하는 해당 영역 내의 공간 상관 잡음은 추정될 수 있고, 해당 영역 내의 자기장 측정으로부터 감산될 수 있다. 공간적으로 상호 연관된 잡음을 추정하는 데는 여러 가지 방법이 있으며, 아래에 예제가 제공된다. 일반적으로, 센서들의 간격 및 센서들의 어레이의 크기는 센서들(8832)의 부분이 해당 영역에 있지 않도록 한다. 해당 영역 밖에 있는 센서의 비율은 예를 들어 50 % 이상일 수 있다.The spatially correlated noise in the region where the region provides the signal can be estimated and subtracted from the magnetic field measurements in that region. There are several ways to estimate spatially correlated noise, and examples are provided below. In general, the spacing of the sensors and the size of the array of sensors ensures that portions of the
각각의 예들에 대해, 다음 단계들이 취해진다. 첫째, "해당 영역"이 설정된다. 여기에서 해당 영역은 해당의 신호가 있는 자기 센서이다. 자기 측정은 공간 상관 잡음으로부터의 로컬 편차가 미리 결정된 임계 값 이상으로 표시되기 때문이다. 해당 영역에서 해당 신호가 존재하는 배열 요소는 서로 인접해 있다. 두 번째로, 해당 영역은 나머지 측정이 수행되는 영역(해당 영역의 부분이 아닌 나머지 자기 센서)에서 제외되어 변환된 자기장 값의 나머지 배열을 제공하고, 나머지는 측정은 지자기 잡음을 추정하는 데 사용된다. 마지막으로, 해당 신호를 포함한 자기 센서 어레이(모든 자기 센서들)에 의해 커버된 전체 영역(해당 영역 + 나머지 영역)으로부터 추정된 지자기 잡음이 감산된다.For each of the examples, the following steps are taken. First, the "corresponding area" is set. Here, the area is a magnetic sensor having a corresponding signal. The magnetic measurement is because the local deviation from the spatial correlation noise is displayed above a predetermined threshold. The array elements in which the corresponding signal exists in the corresponding area are adjacent to each other. Second, the region is excluded from the region where the remaining measurement is to be performed (the remaining magnetic sensor is not part of the region), providing the remaining array of converted magnetic field values, and the remaining measurements are used to estimate the geomagnetism noise . Finally, the estimated geomagnetic noise is subtracted from the entire area (corresponding area + remaining area) covered by the magnetic sensor array (all magnetic sensors) including the signal.
해당 신호를 식별하는 하나의 방법은 다음과 같다. 중앙값 측정된 자기장은 각 자기 센서로부터 어레이를 가로 질러 감산된 후 소정의 진폭 임계치(이 예에서는 .01 nT와 같은)가 적용된다. 임계 값을 초과하는 자기 센서 값은 해당 영역에서 해당 신호로 가정된다.One way to identify the signal is as follows. The median measured magnetic field is subtracted across the array from each magnetic sensor and a predetermined amplitude threshold (such as .01 nT in this example) is applied. The magnetic sensor value exceeding the threshold value is assumed to be the corresponding signal in the corresponding region.
선택적으로, 해당 영역은 확장 기술을 사용하여 약간 확장될 수 있다. 자기장 변화가 갑자기 변하지 않기 때문에 해당 영역이 확장될 수 있다. 예를 들어, 해당 영역은 표준 형태학 영상 처리 기술을 사용하여 확장 후 침식에 기초한 세트 폐쇄 알고리즘을 사용하여 확장 한 다음 결과 영역의 볼록한 선체를 취할 수 있다.Optionally, the area may be slightly extended using an extension technique. Since the magnetic field change does not change suddenly, the area can be expanded. For example, the area may be expanded using a set closure algorithm based on erosion after expansion using standard morphological image processing techniques and then taking the convex hull of the resulting area.
도 95a 내지 도 95c는 각각 500, 1000 및 1500 초에서의 X- 방향의 자기장 성분에 대한 일례의 해당 영역을 도시한다. 각각의 경우에 밝은 색 영역은 "핵심" 해당 영역, 즉 측정 값이 임계 값을 초과 할만큼 배열 중앙값에서 벗어나는 값이다. 더 어두운 색 영역은 영역의 설정 폐쇄 및 볼록 선체 결과로 해당 영역에 포함되는 추가 센서이다. 영역의 닫힘 및 볼록한 선체 설정에 대해 대안적으로, 해당 영역은 X 방향, Y 방향 및 Z 방향의 자기장 성분에 따라 영역의 합집합을 취하거나 또는 임계 단계에서 벡터 값의 2- 노름을 사용한다.95A to 95C show an example of the corresponding region for the magnetic field component in the X-direction at 500, 1000 and 1500 seconds, respectively. In each case, the bright color area is the "core" area, ie the value deviates from the median value of the array so that the measured value exceeds the threshold value. The darker areas are the additional sensors included in the area as a set closure and convex hull result. Alternatively to the closed and convex hull configuration of the zone, the zone takes the union of zones according to the magnetic field components in the X, Y and Z directions, or uses 2-gambling of the vector values in the critical phase.
일단 해당 영역이 식별되면, 그 영역은 제거되고, 나머지 데이터는, 예를 들어, 평면에 맞추거나 2차 스플라인에 피팅(fit)하는 것과 같이 적합하다. 식별된 해당 영역을 포함하여 전체 지역에서 사용할 수 있는 지자기 자기 잡음 추정치를 제공한다. 평면 또는 십진 스플라인에 맞추는 대신 크리깅(Kriging) 기법을 해당 영역이 제거된 데이터에 적용하여 해당 영역의 잡음 추정치를 산출할 수 있다.Once the area is identified, the area is removed and the remaining data is suitable, such as for example, fitting to a plane or fitting to a secondary spline. And provides geomagnetism magnetic noise estimates that are available in the entire region including the identified regions. Instead of fitting to a plane or decimal spline, a kriging technique can be applied to the removed data to calculate the noise estimate for that region.
도 96a, 도 96b 및 도 96c는 X 방향으로 자기장 성분에 대한 데이터에 대한 평면의 맞춤을 도시하고, 96A, 96B 및 96C는 500, 1000 및 1500 초의 시간에 대응한다. 도 96a, 도 96b 및 도 96c에서, 맞춤 평면은 메시 시트이고, 특정 센서 측정은 도트이다. 점들은 비행기를 어느 정도 어둡게 하지만, 모든 경우에 비행기는 적절하게 적합하다. 비행기 가까이에 있지 않은 해당 지역 근처에 몇 가지 지점이 있다. 이는 해당 신호에 영향을 받기는 하지만 임계 값 아래의 레벨에 영향을 미치고 해당 영역을 증가시키는 집합 닫기 및 볼록 선체 밖이기도 하기 때문이다. 이 예를 들어, 예외적인 센서 측정에도 불구하고 잡음 추정이 효과적 일만큼 충분한 다른 센서 요소가 있다. 해당 영역의 더 큰 확장이 사용될 수 있지만, 이 예에서는 필요하지 않다.96A, 96B and 96C illustrate the fit of the plane to the data for the magnetic field component in the X direction, and 96A, 96B and 96C correspond to times of 500, 1000 and 1500 seconds. In Figures 96a, 96b and 96c, the mating plane is a mesh sheet and the specific sensor measurement is a dot. The dots darken the plane to some extent, but in all cases the plane is appropriate. There are several points near the area that are not near the plane. This is because it is affected by the signal but is also close to the closure and outside the convex hull, which affects the level below the threshold and increases the area. For example, in spite of the exceptional sensor measurements, there are other sensor elements that are sufficient for noise estimation to be effective. Larger extensions of the area may be used, but are not needed in this example.
도 97a, 도 97b 및 도 97c는 잡음의 평면 추정을 함으로써 얻어진 X- 방향 자기장 성분에 대한 결과를 도시하고, 도 97a는 센서들 중 하나에서의 자기 측정 및 해당 잡음이 없는 신호를 시간에 따라 도시한다. 도 97b는 잡음 제거 이후의 동일한 센서에서의 결과 및 해당 잡음이 없는 신호를 도시하고, 도 97c는 상이한 축적으로 도 97b의 두 라인(잡음이 없는 및 재구성된)에서의 차이를 도시한다. 알다시피, 잡음 제거가 잘 작동한다.97A, 97B and 97C show the results for the X-directional magnetic field components obtained by the plane estimation of the noise, and Fig. 97A shows the magnetic measurements and the corresponding noise-free signals at one of the sensors, do. FIG. 97B shows the result on the same sensor after noise reduction and the corresponding noise-free signal, and FIG. 97C shows the difference in the two lines of FIG. 97B (noise-free and reconstructed) with different accumulations. As you know, noise cancellation works well.
도 98a, 도 98b 및 도 98c는 X 방향의 자기장 성분에 대한 데이터에 대한 2 차 스플라인의 피팅을 도시하며, 98A, 98B 및 98C는 500, 1000 및 1500 초의 시간에 대응한다. 도 98A, 98B 및 98C에서, 피팅 2차 스플라인은 메시 시트이고, 특정 센서 측정은 도트이다.98A, 98B and 98C illustrate the fitting of the secondary spline to the data for the magnetic field component in the X direction, and 98A, 98B and 98C correspond to times of 500, 1000 and 1500 seconds. In Figures 98A, 98B and 98C, the fitting secondary spline is a mesh sheet and the specific sensor measurement is a dot.
도 99a,도 99b 및도 99c는 잡음의 2 차 스플라인 추정치를 감산함으로써 얻어진 X- 방향 자기장 성분에 대한 결과를 도시한다. 도 99a는 센서들 중 하나에서의 자기 측정 및 해당 잡음이 없는 신호를 시간에 따라 도시한다. 도 99b는 잡음 제거 후의 동일한 센서에서의 결과 및 해당 잡음이 없는 신호를 도시하고, 도 99c는 상이한 축적으로 도 99b의 두 라인(잡음없는 및 재구성된)에서의 차이를 도시한다.Figures 99a, 99b and 99c show the results for the X-directional magnetic field components obtained by subtracting the second order spline estimate of the noise. FIG. 99A shows the self-measurement at one of the sensors and the corresponding noise-free signal over time. FIG. 99B shows the result on the same sensor after noise cancellation and the corresponding noise-free signal, and FIG. 99C shows the difference in the two lines of FIG. 99B (noise-free and reconstructed) with different accumulations.
2개의 UUV를 갖는 예Example with two UUVs
두 개의 UUV가 있는 예가 이제 설명된다. 도 100a. 도 100b 및 도 100c와 관련하여 설명된 바와 같이, 2개의 UUV 각각에 대응하는 2개의 해당 영역은 먼저 단일 UUV와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로 식별된다. 해당 영역은 표준 형태학 영상 처리 기법을 사용하여 침식이 뒤따르는 팽창을 기반으로 설정된 차단 알고리즘을 사용하여 확장되고 결과 영역의 볼록 선체를 취한다.An example with two UUVs is now described. 100a. As described in connection with Figures 100b and 100c, the two corresponding regions corresponding to each of the two UUVs are first identified in a manner similar to that described above with respect to a single UUV. The area is expanded using a block algorithm based on the expansion followed by erosion using standard morphological image processing techniques and takes the convex hull of the resulting area.
도 100a 내지 도 100c는 각각 500, 1000 및 1500 초에서의 X- 방향의 자기장 성분에 대한 예에서의 해당 영역을 도시한다. 각각의 경우에 밝은 색 영역은 "핵심" 해당 영역, 즉 측정 값이 임계 값을 초과 할만큼 배열 중앙값에서 벗어나는 값이다. 더 어두운 색 영역은 영역의 설정 폐쇄 및 볼록 선체 결과로 해당 영역에 포함되는 추가 센서이다. 알 수 있듯이, 두 개의 해당 영역이 식별되며 각 영역은 두 개의 UUV 중 다른 하나에 해당한다. 먼저 볼 수 있는 바와 같이, 해당 영역은 도 100a에 도시된 바와 같이 먼저 분리되고, 도 100b에서 중첩하고, 그런 후에 도 100c에서 다시 분리되며, 이는 두 개의 UUV가 서로 통과하도록 움직이고 있음을 암시한다.Figures 100a to 100c show corresponding regions in the example for magnetic field components in the X-direction at 500, 1000 and 1500 seconds, respectively. In each case, the bright color area is the "core" area, ie the value deviates from the median value of the array so that the measured value exceeds the threshold value. The darker areas are the additional sensors included in the area as a set closure and convex hull result. As can be seen, the two corresponding regions are identified and each region corresponds to the other of the two UUVs. As can be seen, the regions are first separated as shown in Fig. 100A, overlapped in Fig. 100B, and then separated again in Fig. 100C, which implies that the two UUV are moving to pass each other.
일단 해당 영역이 식별되면, 이들은 제거되고, 나머지 데이터는, 예를 들어, 평면에 피팅되거나 2차 스플라인에 피팅하는 것과 같이 적합하다. 식별된 해당 영역을 포함하여 전체 지역에서 사용할 수 있는 지자기 자기 잡음 추정치를 제공한다. 평면 또는 십진 스플라인에 맞추는 대신 크리깅 기법을 해당 영역이 제거된 데이터에 적용하여 해당 영역의 잡음 추정치를 산출할 수 있다.Once the areas are identified, they are removed and the remaining data is suitable, such as fitting to a plane or fitting to a secondary spline. And provides geomagnetism magnetic noise estimates that are available in the entire region including the identified regions. Instead of fitting to a plane or decimal spline, a kriging technique can be applied to the data from which the corresponding region is removed to yield a noise estimate for that region.
도 101a, 도 101b 및 도 101c는 두 UUV 경우에 대해 X 방향으로 자계 성분에 대한 데이터에 2차 스플라인의 피팅을 도시하는데, 여기서 101A, 101B 및 101C는 500, 1000 및 1500 초의 시간에 대응한다. 도 101a, 도 101b 및 도 101c에서, 피팅 2차 스플라인은 메시 시트이고, 특정 센서 측정은 도트이다.101A, 101B and 101C illustrate the fitting of the secondary spline to the data for the magnetic field component in the X direction for both UUV cases, where 101A, 101B and 101C correspond to times of 500, 1000 and 1500 seconds. 101A, 101B and 101C, the fitting secondary spline is a mesh sheet and the specific sensor measurement is a dot.
도 102a, 도 102b 및 도 102c는 2개의 UUV 경우에 대해, 2차 스플라인 추정치를 감산함으로써 얻어진 X 방향 자기장 성분에 대한 결과를 도시한다. 도 102a는 센서들 중 하나에서의 자기 측정 및 해당 잡음이 없는 신호를 시간에 따라 도시한다. 도 102b는 잡음 제거 후의 동일한 센서에서의 결과 및 해당 잡음이 없는 신호를 도시하고, 도 102c는 상이한 축적으로 도 102b의 두 라인(잡음없는 및 재구성된)에서의 차이를 도시한다.Figures 102a, 102b and 102c show the results for the X direction magnetic field components obtained by subtracting the secondary spline estimate for two UUV cases. FIG. 102A shows the self-measurement at one of the sensors and the corresponding noise-free signal over time. FIG. 102B shows the result on the same sensor after noise cancellation and the corresponding noise-free signal, and FIG. 102C shows the difference in the two lines (noise-free and reconstructed) of FIG. 102B in different accumulations.
다이아몬드 상의 회로를 갖는 다이아몬드 질소 공석 센서Diamond Nitrogen Vacuum Sensor with Diamond Circuit
광학 여기 소스, RF 여기 소스 및 광 검출기가 모두 상이한 기판 상에 형성되거나 또는 개별적으로 기계적으로 지지되는 자기 센서 시스템에 비해 다수의 이점을 제공하는 센서 조립체를 갖는 DNV 자기 센서가 이하에 설명된다. 기술된 센서 조립체는 단일의 소형 동종 장치에서 다이아몬드 NV 센서 시스템을 제공한다. 광 여기 소스 및 광학 검출기를 동일한 실리콘 기판과 같은 동일한 조립체 기판 상에 제공함으로써 전체 시스템 비용, 크기 및 중량을 감소시킨다. NV 다이아몬드 물질에 RF 여기 소스를 직접 제공하면 전체 시스템 크기와 무게가 줄어든다. NV 다이아몬드 물질에 직접 광학 검출기를 제공하면 주변에 손실된 NV 중심에서 방출되는 적색 형광의 양이 줄어들어 시스템 효율이 향상된다. 광 여기 소스를 NV 다이아몬드 물질에 직접 제공하면 환경에 손실된 광학 여기 광의 양을 크게 줄임으로써 광학 여기 광의 양을 증가시킬 수 있다. 광학 여기 소스, RF 여기 소스 및 광학 검출기를 NV 다이아몬드 물질에 직접 결합하면, 크기가 현저히 줄어들므로 소형 소비자 및 산업 제품에 사용할 수 있는 NV 다이아몬드 센서가 된다.A DNV magnetic sensor having a sensor assembly that provides a number of advantages over a magnetic sensor system in which an optical excitation source, an RF excitation source, and a photodetector are both formed on different substrates or individually mechanically supported is described below. The described sensor assembly provides a diamond NV sensor system in a single small homogeneous device. The optical excitation source and optical detector are provided on the same assembly substrate, such as the same silicon substrate, to reduce overall system cost, size and weight. Providing the RF excitation source directly to the NV diamond material reduces the overall system size and weight. Providing a direct optical detector to the NV diamond material improves system efficiency by reducing the amount of red fluorescence emitted from the surrounding NV center. Providing the light excitation source directly to the NV diamond material can increase the amount of optical excitation light by greatly reducing the amount of optical excitation light lost to the environment. The direct coupling of the optical excitation source, the RF excitation source and the optical detector to the NV diamond material significantly reduces the size, making it an NV diamond sensor that can be used in small consumer and industrial applications.
일실시예에 따른 NV 중심 자기 센서의 베이스 기판(10310) 및 다이아몬드 조립체(10320), 또는 일반적으로 물질 조립체를 포함하는 센서 조립체(10300)가 도 103a, 도 103b, 도 104a, 도 104b, 도 104c 및 도 105에 도시된다. 도 103a 및 도 103b는 각각 센서 조립체(10300)의 상부 사시도 및 하부 사시도를 도시한다. 도 104a 및도 104b는 각각 다이아몬드 조립체(10320)의 상부 사시도 및 하부 사시도를 도시한다. 도 104c는 다이아몬드 조립체(10320)의 조립체 기판(10350)의 측면도를 도시한다. 도 105는 다이아몬드 조립체(10320)의 평면도이다.A
센서 조립체(10300)는 베이스 기판(10310) 및 베이스 기판(10310) 상에 배치된 다이아몬드 조립체(10320)를 포함한다. 센서 조립체(10300)는 베이스 상에 장착된 칩 형태의 전력/논리 회로(10330)를 더 포함하고, 이것은 다이아몬드 조립체(10320)에 인접한 상부 표면(10312) 상 및 상부 표면(10312)과 마주보는 하부 표면(10314) 상에서 모두, 베이스 기판(10310) 상에 장착된다. 예를 들어, 베이스 기판(10310)에서 연장하는 나사와 같은 부착 요소(10340)는 센서 조립체(10300)를 추가 구성 요소에 결합시킨다. 베이스 기판(10310)은 예를 들어 인쇄 회로 기판(PCB)일 수 있다.The
다이아몬드 조립체(10320)는 조립 기판(10350), 및 NV 다이아몬드 물질(10352), 또는 자기-광학 결함 중심을 갖는 다른 자기-광학 결함 중심 물질을 갖고, 이것은 조립 기판(10350) 위에 형성된다. 도 104a 및 105에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 다이아몬드 조립체(10320)는 조립체 기판(10350) 상에 또는 그 안에 내장된 복수의 광 여기 소스(10354) 및 복수의 광 검출기(10356)를 포함한다. RF 여기 소스(10358)는 NV 다이아몬드 물질(10352) 상에 형성되고, RF 커넥터(10360). 광 여기 소스(10354) 및 RF 여기 소스(10358)는 일반적으로 전자기 여기 소스이다.The
도 103a, 도 104a 및 도 105에 도시된 바와 같이, 광학 여기 소스(10354) 및 광학 검출기(10356)는 도시된 바둑판 배열과 같이 번갈아 가며 배열될 수 있다. 도 103a, 도 104a 및 도 105는 4개의 광 여기 소스(10354) 및 5개의 광 검출기(10356)를 갖는 배열을 도시하고, 다른 수의 광 여기 소스(10354) 및 광 검출기(10356)가 고려된다. 광학 여기 소스(10354) 및 광 검출기(10356)의 교대 배열은 주위로 손실된 NV 다이아몬드 물질(10352)에 의해 방출된 적색 형광의 양을 감소시켜 시스템 효율을 향상시킨다. 광학 여기 소스(10354) 및 광학 검출기(10356)가 교대로 배열될 수 있다.As shown in Figs. 103A, 104A, and 105, the
도 104b 및 도 104c에서, NV 다이아몬드 물질(10352)에 인접한 상부 표면(10366)에 대향하는 조립체 기판(10350)의 하부 표면(10362)은 다수의 연결 패드(10364)를 갖는다. 전도성 관통 연결부(10368)는 연결 패드(10364)를 상부 표면(10366) 광학 여기 소스(10354) 및 복수의 광학 검출기(10356)에 전기적으로 연결되어, 광학 여기 소스(10354)를 제어하고 복수의 광 검출기(10356)로부터 광 신호를 수신한다. 전력/논리 회로(10330)는 베이스 기판(10310)상의 와이어 링(10334)을 통해 광학 여기 소스(10354)의 제어를 허용하고 복수의 광 검출기(10356)로부터 광 신호를 수신하는 커넥션 패드(10364)에 전기적으로 연결된다. 전력/논리 회로(10330)가 베이스 기판(10310)의 바닥 표면(10314) 상에 장착되는 경우에, 배선(10334)은 베이스 기판(10310)을 통해 전력/논리 회로(10330)로 연장할 수 있다.In Figures 104B and 104C the lower surface 10362 of the assembly substrate 10350 opposite the upper surface 10366 adjacent to the
전력/논리 커넥터(10332)는 전력/논리 회로(10330)에 전기적으로 접속된다. 전력/논리 커넥터(10332)는 도 6에 도시된 제어기(680)와 같이 센서 조립체(10300) 외부에 있는 전원 및 제어기(예를 들어, 도 103a 내지 도 105에 도시되지 않음)에 전력/논리 회로(10330)를 연결하도록 하는 복수의 커넥터(10333)을 포함한다. 제어 기능들은 전력 로직 회로들(10330)과 외부 제어기 사이에서 분할될 수 있다. 유사하게, RF 커넥터(10360)는 RF 여기 소스(10358)를 도 6에 도시된 제어기(680)와 같이 센서 조립체(10300) 외부의 전원 및 제어기(도 103a-105에 도시되지 않음)에 연결하도록 한다.The power /
조립체 기판(10350)은 다수의 광학 여기 소스(10354) 및 다수의 광학 검출기(10356)가 형성되는 실리콘과 같은 반도체 물질일 수 있다. 조립 기판(10350)은 예를 들어 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 광학 여기 소스(10354)는 예를 들어, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드(LED)일 수 있다. 광학 여기 소스(10354)는 NV 다이아몬드 물질(10352)에서 형광을 여기시키는 광을 방출하고, 예를 들어 약 532 nm 또는 518 nm의 파장에서 녹색으로 방출할 수 있다. 바람직하게는, 여기 광은 획득 및 검출된 적색 형광 광을 간섭하지 않도록 적색 광이 아니다. 광학 검출기(10356)는 광을 검출하고 특히 NV 다이아몬드 물질(10352)의 적색 형광 대역의 광을 검출한다. 광학 여기 소스(10354) 및 광학 검출기(10356)는 도핑, 이온 주입, 및 패터닝 기술과 같은 실리콘 제조에 대해 알려진 제조 기술을 사용하여 조립체 기판(10350)으로서 단일 실리콘 웨이퍼 상에 형성될 수 있다.Assembly substrate 10350 may be a semiconductor material, such as silicon, in which a plurality of
전력/논리 회로(10330) 및 전력/논리 커넥터(10332)는 PCB일 수 있는 베이스 기판(10310) 상에 탑재된다. 실장은 예를 들면 납땜 등에 의해 행할 수 있다. 광학 여기 소스(10354) 및 광학 검출기(10356)가 조립체 기판(10350) 상에 형성되면, NV 다이아몬드 물질(10352)는 조립체 기판(10350)과 부착된다.The power /
RF 여기 원(10358)은 예를 들어 도 104a에 도시된 바와 같이 코일 형태로 NV 다이아몬드 물질(10352) 상에 형성될 수 있다. RF 여기 소스(10358)는 마이크로파 RF 안테나로서 동작한다. RF 여기 소스(10358)는 NV 다이아몬드 물질(10352) 상에 금속 물질을 형성 한 다음 금속 물질을 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 금속 물질은, 예를 들어 포토 리소그래피 기술에 의해 패턴화될 수 있다.An
도 106a 및 도 106b에 도시된 바와 같이, 금속 물질은 우선 NV 다이아몬드 물질(10352) 상에 박막 시드 층(10370)을 형성한 다음, 시드 층(10370) 상에 필름 금속화(10372)를 증착함으로써 NV 다이아몬드 물질(10352) 상에 형성될 수 있다. 시드 층(10370) 예를 들어, TiW일 수 있고, 필름 금속화(10372)는 예를 들어 Cu일 수 있다. 일단 시드 층(10370) 및 막 메탈화(10372)가 형성되면, 이들은 예를 들어 포토 리소그래피 기술에 의해 RF 여기 소스(10358)를 코일 형상으로 형성하기 위해 패터닝된다. RF 커넥터(10360)는 코일 형 RF 여기 소스(10358)의 일 단부에 형성된다.106A and 106B, the metallic material is first formed by forming a thin film seed layer 10370 on the
본 명세서에 설명된 센서 조립체는 광학 여기 소스, RF 여기 소스 및 광 검출기가 모두 상이한 기판 상에 형성되거나 개별적으로 기계적으로 지지되는 자기 센서 시스템에 비해 많은 이점을 제공한다. 기술된 센서 조립체는 단일의 소형 동종 장치에서 다이아몬드 NV 센서 시스템을 제공한다. 광학 여기 소스 및 광 검출기를 동일한 실리콘 기판과 같은 동일한 조립체 기판 상에 제공함으로써 전체 시스템 비용, 크기 및 중량을 감소시킨다. NV 다이아몬드 물질에 RF 여기 소스를 직접 제공하면 전체 시스템 크기와 중량이 감소된다. NV 다이아몬드 물질에 직접 광학 검출기를 제공하면 주변에 손실된 NV 중심에서 방출되는 적색 형광의 양이 줄어들어 시스템 효율이 향상된다. 광학 여기 소스를 NV 다이아몬드 물질에 직접 제공하면 환경에 손실된 광학 여기 광의 양을 크게 감소함으로써 광 여기 광의 양을 증가시킬 수 있다. 광학 여기 소스, RF 여기 소스 및 광학 검출기를 NV 다이아몬드 물질에 직접 결합하면 크기가 현저히 감소하므로 소형 소비자 및 산업 제품에 사용할 수 있는 NV 다이아몬드 센서가 된다.The sensor assemblies described herein provide many advantages over magnetic sensor systems in which an optical excitation source, an RF excitation source, and a photodetector are both formed on different substrates or individually mechanically supported. The described sensor assembly provides a diamond NV sensor system in a single small homogeneous device. The optical excitation source and photodetector are provided on the same assembly substrate, such as the same silicon substrate, to reduce overall system cost, size and weight. Providing the RF excitation source directly to the NV diamond material reduces the overall system size and weight. Providing a direct optical detector to the NV diamond material improves system efficiency by reducing the amount of red fluorescence emitted from the surrounding NV center. Providing the optical excitation source directly to the NV diamond material can increase the amount of photoexcitation light by greatly reducing the amount of optical excitation light lost to the environment. The direct coupling of optical excitation sources, RF excitation sources and optical detectors to NV diamond materials significantly reduces size, resulting in NV diamond sensors that can be used in small consumer and industrial applications.
도 107a 및도 107b는 다른 실시예에 따른 다이아몬드 조립체를 도시한다. 이 실시예에서, 제 1 RF 여기 소스(10358a) 및 제 2 RF 여기 소스(10358b)를 포함할 수 있는 RF 여기 소스(10358)는 NV 다이아몬드 물질(10352)보다 NV 다이아몬드 물질(10352)의 평면에서 더 크다. 제 1 RF 여기 소스, 제 2 RF 여기 원(10358b)은 NV 다이아몬드 물질(10352)의 대향 측면 상에 있다. NV 다이아몬드 물질(10352)의 평면은 수평이며 도 107a 페이지로 들어가고, 도 107b의 페이지에 평행하다. 도 107a, 및 도 107b가 2개의 RF 여기 소스(10358a 및 10358b)를 도시하지만, 단지 하나의 RF 여기 소스가 제공될 수 있다. 도 107a 및 도 107b의 다이아몬드 조립체는 앞서 개시된 실시예와 유사한 방식으로 광 검출기(10356) 및 광학 여기 소스(10354)를 더 포함할 수 있다.107A and 107B illustrate a diamond assembly according to another embodiment. In this embodiment, an
제 1 RF 여기 소스(10358a) 및 제 2 RF 여기 소스(10358a)의 형상은 도 107a에 도시된 바와 같이 나선형일 수 있다(도 103a, 도 104a 및 도 105와 마찬가지). 나선 형상은 낮은 구동력으로 최대 자기장을 제공하여 우수한 효율을 제공한다. 또한, 나선 형상은 RF 여기 소스의 코일이 더 커지게 하여, 보다 큰 장치에 대해 보다 균일 한 자기장을 허용한다.The shapes of the first RF excitation source 10358a and the second RF excitation source 10358a may be helical as shown in Figure 107a (similar to Figures 103a, 104a, and 105). The helical shape provides the highest magnetic field with low driving force to provide excellent efficiency. In addition, the helical shape allows the coils of the RF excitation source to be larger, allowing a more uniform magnetic field for larger devices.
NV 다이아몬드 물질(10352)의 상부 표면(10380)의 평면 내의 제 1 RF 여기 소스(10358a) 및 제 2 RF 여기 소스(10358a)의 크기는 평면에서의 상부 표면(10380)의 크기보다 크다. 더 큰 크기는 NV 다이아몬드 물질(10352)에 인가된 RF 여기 소스(10358a 및 10358b)에 의해 제공되는 보다 균일한 자기장을 허용한다. 이와 관련하여, RF 여기 소스(10358a 및 10358b)는 NV 다이아몬드 물질(10352) 지지 물질은 NV 다이아몬드 물질(10352)에 측 방향으로 인접한 지지 물질(10700)을 포함한다. 지지 물질은 예를 들어 다이아몬드 이외의 물질일 수 있거나, 실질적으로 NV 중심이 없는 다이아몬드일 수 있다. NV 다이아몬드 물질(10352)의 상부 표면(10380)의 평면 내의 제 1 RF 여기 소스(10358a) 및 제 2 RF 여기 소스(10358a)의 크기는 광 검출기(10356)를 포함하는 검출기 영역(10702)의 크기보다 크다.The size of the first RF excitation source 10358a and the second RF excitation source 10358a in the plane of the upper surface 10380 of the
광 스펙트럼 제어에 의한 형광 조작을 통한 높은 자기 감도High magnetic sensitivity through fluorescence manipulation by optical spectrum control
본 기술의 몇몇 양상들에서, 광자 스펙트럼 제어에 의한 형광 조작을 통해 더 높은 자기 감도 자력계들을 제공하기 위한 방법들 및 시스템들이 개시된다. 다이아몬드 질소 공석 센서의 경우, 공진 마이크로파 주파수와 오프 공진 주파수 사이의 광학적 대비가 기본적으로 감도를 결정한다. 시스템의 총 형광은 원하는 음으로 대전된 NV 중심(NV-)과 자기적으로 중성인 대전되지 않은 NV 중심(NV0)의 조합이다. 본 기술은 광자 스펙트럼을 조작하여, NV0 및 NV- 중심의 형광 스펙트럼의 광자 측파대를 변경할 수 있다. 실온에서 작동하는 동안 NV0 형광 스펙트럼은 NV- 스펙트럼과 겹친다. 따라서, 광자 매개 스펙트럼을 변경함으로써 이들 중첩 스펙트럼들 사이의 분리를 발생시키면 필터가 자력계 장치 및/또는 자력계 장치로부터의 데이터 출력과 함께 사용되어 NV0 광자 방출의 원하지 않는 스펙트럼을 필터링하면서 NV- 광자 방출이 필터링한다.In some aspects of the technique, methods and systems are disclosed for providing higher magnetic sensitivity magnets through fluorescence manipulation by photon spectral control. In the case of a diamond nitrogen vacancy sensor, the optical contrast between the resonant microwave frequency and the off resonant frequency basically determines the sensitivity. The total fluorescence of the system is the combination of the desired negatively charged NV center (NV-) and magnetically neutral non-charged NV center (NV 0 ). The technique can manipulate the photon spectra to change the photon sideband of the NV 0 and NV - centered fluorescence spectra. During operation at room temperature, the NV 0 fluorescence spectrum overlaps the NV - spectrum. Therefore, by changing the photon mediated spectrum raises the separation between these overlapping spectral filter the magnetometer system and / or is used in conjunction with the data output from the magnetometer device NV while filtering the undesired spectrum of NV 0 photon emission-photon emission Lt; / RTI >
DNV 분광법과 관련하여, 광학적 콘트라스트는 총 형광에 대한 NV- 광자 방출의 비율에 의해 정의된다. 총 형광은 NV0 광자 방출, NV- 광자 방출 및 DNV의 다이아몬드로 전송되거나 다른 질소 공석에 흡수된 것과 같이 산란된 광 드라이브로 전송된 광자 방출의 비율이다. 광학 드라이브는 전통적으로 에너지가 더 많고 협 대역이므로 필터링을 쉽게 한다. 광자 측파대에서 비롯된 NV0 중심 및 NV- 중심의 대부분의 형광은 에너지 대 운동량(E 대 k)의 함수이다. 즉, 광자 측파대에서 비롯된 NV0 중심 및 NV- 중심의 형광은 적용된 광학 드라이브와 전도대에서 가전자대로의 전자의 전환을 돕는 광자에 의해 부여된 운동량의 함수이다. 따라서 광자 방출의 스펙트럼 내용의 폭과 모양은 광자 스펙트럼과 E와 k의 편차의 조합의 함수이다.With respect to DNV spectroscopy, the optical contrast is defined by the ratio of NV - photon emission to total fluorescence. Total fluorescence is the ratio of photon emissions delivered to the scattered optical drive, such as NV 0 photon emission, NV - photon emission, and absorbed into DNV diamond or other nitrogen vacancies. Optical drives are traditionally more energy-efficient and narrower, making filtering easier. Most of the NV 0 center and NV - center fluorescence from the photon sideband is a function of energy versus momentum (E vs. k). That is, 0 NV center resulting from photon sideband and NV - the central fluorescence is a function of the momentum imparted by the photon helping electronic transition in the valence and conduction bands in the applied optical drive. Thus, the width and shape of the spectral content of photon emission is a function of the combination of the photon spectra and the deviation of E and k.
실온에서, 광자 스펙트럼이 온도에 의해 지배되기 때문에, NV0 광자 방출 및 NV- 광자 방출의 파장의 형광이 중첩된다. 광자 스펙트럼을 제어하면 응답 형광 스펙트럼을 변경할 수 있어 NV0 광자 방출 및 NV- 광자 방출의 파장 스펙트럼 프로파일을 좁힐 수 있다. 스펙트럼 프로파일을 좁힘으로써, 특정 파장에서의 NV0 광자 방출의 피크 및 다른 특정 파장에서의 NV- 광자 방출은 NV0 및 NV- 스펙트럼의 큰 분리에 기초하여 형광 세기 피크에서 보다 명확한 차이를 나타낸다. 보다 명확하게 정의된 형광 세기 피크는 원치 않는 NV0 광자 방출을 걸러 내기 위해 롱 패스 필터와 같은 필터를 허용하여 나머지 NV- 광자 방출에 대한 광학적 대비를 증가시킨다.At room temperature, since the photon spectra are dominated by temperature, the fluorescence at the wavelengths of NV 0 photon emission and NV - photon emission overlap. By controlling the photon spectra, the response fluorescence spectrum can be changed to narrow the wavelength spectral profile of NV 0 photon emission and NV - photon emission. By narrowing the spectral profile, the peak of NV 0 photon emission at a particular wavelength and the NV-photon emission at another specific wavelength exhibit a clearer difference in fluorescence intensity peak based on the large separation of the NV 0 and NV - spectra. A more clearly defined fluorescence intensity peak allows for a filter such as a long pass filter to filter out unwanted NV 0 photon emissions to increase the optical contrast to the rest of the NV - photon emission.
NV0 및 NV- 스펙트럼은 음향 구동 및 NV0 중심 및 NV- 중심에 의해 경험되는 광자 스펙트럼에 영향을 주는 다이아몬드 형상 최적화를 통해 조작될 수 있다. 예를 들어, 음향 구동은 특정 주파수 또는 특정 주파수 세트에서 다이아몬드의 격자 구조 내에 광자를 생성함으로써 광자 스펙트럼을 증가 및/또는 제어할 수 있다. 특정 주파수에서 광자의 생성은 다이아몬드 내의 NV 중심에 의해 경험되는 광자를 좁힐 수 있어서, 물질의 온도에 기초하여 도입된 것과 같은 다른 광자, 예컨대 격자 진동의 영향을 감소시킬 수 있다. NV 중심이 경험하는 광자의 범위가 좁아지면, NV0 광자 방출 및 NV- 광자 방출에 대한보다 정교한 파장 세기 피크가 발생할 수 있다. 따라서, 특정 주파수에서 다이아몬드를 음향 적으로 구동함으로써, NV0 및 NV- 스펙트럼의 대역폭은 광 필터링을 허용하도록 좁혀질 수 있다. 몇몇 구현에서, 다이아몬드의 형상은 다이아몬드의 공진을 정정함으로써 광자 스펙트럼을 향상 시키도록 변형될 수 있다. 다이아몬드의 공진은 또한 NV0 및 NV- 중심에서 경험하는 광자를 좁힐 수 있다. 몇몇 다른 구현에서, DNV 센서의 다이아몬드에 적용된 광학 드라이브는 광자 측 파대를 감소시키기 위해 NV0 제로 광자 선과 매칭될 수 있다.NV 0 and NV - spectra can be manipulated through diamond shape optimization, which affects the photon excitation and the photon spectra experienced by NV 0 center and NV - center. For example, acoustical drive can increase and / or control the photon spectrum by generating photons within the lattice structure of the diamond at a particular frequency or a specific set of frequencies. The generation of photons at a particular frequency can narrow the photons experienced by the NV centers in the diamond, thereby reducing the effects of other photons, such as those introduced on the basis of the temperature of the material, e.g., lattice vibration. As the range of photons experienced by the NV center becomes narrower, more sophisticated wavelength intensity peaks for NV 0 photon emission and NV - photon emission may occur. Thus, by acoustically driving the diamond at a particular frequency, the bandwidth of the NV 0 and NV - spectra can be narrowed to allow optical filtering. In some implementations, the shape of the diamond can be modified to enhance the photon spectrum by correcting the resonance of the diamond. The resonance of the diamond can also narrow the photons experienced in the NV 0 and NV - centers. In some other implementations, the optical drive applied to the diamond of the DNV sensor may be matched with the NV 0 zero photon line to reduce photon sidebands.
도 108은 NV0 중심들 및 NV- 중심들로부터의 DNV 광학 형광 스펙트럼의 일 예를 나타내는 그래프 도면(10800)이다. DNV 기반의 광학 검출 자기 공명(ODMR) 센서의 경우 의미 있는 신호는 NV- 상태의 형광 변화로 공진 에너지 수준을 나타낸다. 그러나, 비활성 NV0 형광 스펙트럼(10820)은 NV- 형광 스펙트럼(10810)의 원하는 신호와 중첩된다. 따라서, NV- 형광 스펙트럼(10810)의 많은 부분에 대해, NV0 형광 스펙트럼(10820)은 잡음, 궁극적으로 잡음 플로어를 높이고 자기장 감지 감도를 감소시킨다. NV 형광 스펙트럼의 스펙트럼 내용의 대부분은 광자 매개 전이의 결과이다. 간접 대역 갭 물질과 같은 부분 물질에서, 여기자 재결합은 광자의 흡수 및 광자의 방출을 필요로 한다. 방출된 광자는 도 108에 도시된 NV- 형광 스펙트럼(10810) 및/또는 NV0 형광 스펙트럼(10820)의 형광이다. 실온 다이아몬드에는 다이아몬드의 격자 구조에서 경험되는 진동 및 온도에 의해 결정되는 광자 에너지의 볼츠만 분포가 있으며, 이는 다이아몬드의 NV0 및 NV- 중심에서 경험할 수 있는 넓은 광자 스펙트럼을 생성한다. 따라서, 넓은 광자 스펙트럼은 도 108에 도시된 바와 같이 NV- 형광 스펙트럼(10810) 및 NV0 형광 스펙트럼(10820)의 넓은 대역폭을 초래한다. NV- 형광 스펙트럼(10810) 및 NV0 형광 스펙트럼(10820)은 중첩되어, 결과적으로 신호의배경 및 낮은 광학 콘트라스트를 증가시킨다.108 is a
도 109는 가전 자대(10910) 및 전도대(10920)를 도시하는 DNV 센서의 다이아몬드의 간접 대역 갭에 대한 에너지 대 운동량 도면(10900)을 도시한다. 광학 드라이브(10930)가 가전자 대역(10910)의 전자에 인가되어 흡수되면 여기된 전자는 전도대(10920)로 상승한다. 전자가 재결합을 통해 전도대(10920)에서 기저 상태로 되돌아오면 광자가 방출된다. DNV 센서의 다이아몬드 내의 전자가 광자 측파대로 인해 전도대(10920)의 다양한 지점에서 재결합 할 때, 도 108에 도시된 바와 같이 광자(10950)의 형광 스펙트럼이 방출된다. 몇몇 구현에서, 광학 드라이브 주파수(10930)를 제로 광자 선(ZPL)(10940)과 매칭시키는 것은 광자 측파대를 감소시킬 수 있고, 그에 따라 광학 콘트라스트를 증가시킬 수 있다. 그러나 0 Kelvin 근처와 같은 저온에서는 온도로 인한 진동 에너지가 최소화되어 광자 측파대가 최소화된다. 결과로 나오는 광자의 에너지는 ω이며, 여기서 는 판 상수(Plank constant)이고, ω는 2πf와 같은 각 주파수이다. 여기서 f는 주파수이다. 따라서, 광학 드라이브(10930)가 제로 광자 선(zero phonon line, ZPL)(10940)을 따라 적용될 때, 형광 광자(10950)가 방출될 때 형광 스펙트럼은 ZPL 주파수에서 단일 피크를 포함할 것이다. 진동 에너지가 음향 드라이버와 같은 낮은 온도에서 다이아몬드에 도입되면, 추가된 진동 에너지는 광자 보조 전이에 대한 도면(10900)의 운동량 방향으로 전자에 전달될 수 있는 광자 에너지( phonon)를 발생시킨다. 광자 구동 전자들로부터 방출된 결과적인 형광 광자(10950)는 구동된 진동 주파수에 대한 제 2 피크를 초래한다. 구동된 진동 주파수는 실온에서 광자 스펙트럼을 좁히도록 조절될 수 있으며, 이에 의해 실온에서 다이아몬드로부터 방출된 광자(10950)에 대한 형광 스펙트럼을 좁힌다. 몇몇 구현에서, 다이아몬드의 형상은 다이아몬드의 공진을 개별적으로 또는 구동 진동 주파수에 추가하여 광자 스펙트럼을 조작하도록 변형될 수 있다.109 shows an energy versus
도 110은 형광 조작에 의한 파장에 대한 NV0 및 NV- 광자 세기 스펙트럼을 나타내는 그래프(11000)이다. 도 110에 도시된 바와 같이, NV- 형광 스펙트럼(11010) 및 비활성 NV0 형광 스펙트럼(11020)의 원하는 신호는 응답 형광 스펙트럼을 변경시키는 광자 스펙트럼을 제어하기 때문에, 특정 주파수에서 피크에 대한 좁은 대역폭을 포함한다. 광자 스펙트럼 조작은 음향 구동 및/또는 다이아몬드 크기 및/또는 형상 최적화를 통해 제어될 수 있다. 좁은 대역폭 피크는 NV0와 NV- 스펙트럼 사이의 분리를 크게 허용하여 필터링을 사용하여 광학 대비를 높일 수 있다. 예를 들어, 롱 패스 필터(long pass filter)와 같은 필터를 사용하여 원치 않는 NV0 광자 방출을 필터링하면서 최소량의 NV- 광자 방출을 필터링함으로써 광학적 대비를 높일 수 있다. 본 기술은 다이아몬드 내의 광자 함량을 제어할 수 있는 장치를 제공하여 스펙트럼 내용을 제어한다. 이로써 보다 나은 배경 억제 및 전반적으로 더 우수한 광학 대비가 가능하다. 광학적 대비는 전반적인 시스템 감도와 직접 관련될 수 있다. 예를 들어, NV- 형광 스펙트럼(11010)에 대한 보다 좁은 대역폭 피크에 의해, 외부 자기장의 크기의 더 작은 변화가 검출될 수 있다. 어떤 경우에는, 다이아몬드 내의 광자 스펙트럼을 제어함으로써 이론적 한계인 약 25 %에 근접하는 광학적인 대비를 달성할 수 있다.110 is a graph (11000) showing the NV 0 and NV - photon intensity spectra for wavelengths by fluorescence operation. 110, since the desired signals of the NV - fluorescence spectrum 11010 and the inactive NV 0 fluorescence spectrum 11020 control the photon spectra that change the response fluorescence spectrum, a narrow bandwidth for the peak at a certain frequency . Photonic spectral manipulation can be controlled through acoustical drive and / or diamond size and / or shape optimization. Narrow bandwidth peaks allow greater separation between the NV 0 and NV - spectra, allowing filtering to be used to increase optical contrast. For example, a filter such as a long pass filter can be used to filter out unwanted NV 0 photon emissions while filtering the minimum amount of NV - photon emissions to increase optical contrast. The technique controls the spectral content by providing a device that can control the photon content in the diamond. This allows for better background suppression and overall better optical contrast. Optical contrast can be directly related to overall system sensitivity. For example, by a narrower bandwidth peak for the NV - fluorescence spectrum 11010, a smaller change in magnitude of the external magnetic field can be detected. In some cases, by controlling the photon spectra in the diamond, optical contrast approaching the theoretical limit of about 25% can be achieved.
또한, 도 111은 음향 드라이버를 사용하여 광자 스펙트럼 조작을 통해 질소 공석을 갖는 다이아몬드의 형광 조작을 위한 방법(11100)을 나타낸다. 방법(11100)은 질소 공석을 갖는 다이아몬드 및 음향 드라이버를 제공하는 단계를 포함한다(블록 11102). 질소 공석을 갖는 다이아몬드는 다이아몬드의 레이저 여기에 반응하여 다이아몬드로부터의 광자 방출을 검출하도록 구성된 광 검출기를 포함하는 DNV 센서의 부분일 수 있다. 음향 구동기는 압전 음향 구동기 또는 다이아몬드에 진동을 유도하기 위한 임의의 다른 음향 구동기일 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 구동기는 다이아몬드에 진동 에너지를 직접적으로 부여하기 위해 다이아몬드에 결합되거나 다이아몬드에 간격을 두고 간접적으로 진동 에너지를 다이아몬드에 부여할 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 드라이버는 다이아몬드에 대해 배치되어 다이아몬드의 격자의 질소 공석과 평행하게 다이아몬드를 구동할 수 있다.111 also shows a
방법(11100)은 다이아몬드의 공진에 기초하여 광자 스펙트럼을 조작하기 위해 다이아몬드의 형상 및/또는 크기를 변경하는 단계(블록 11104)를 포함할 수 있다. 다이아몬드의 형상은 다이아몬드의 내부 공진을 변화시키도록 변형될 수 있어서 광자 스펙트럼에 대해 온도에 기초하여 부여되는 진동 에너지로부터 발생된 광자가 좁아질 수 있다. 어떤 경우에는, 다이아몬드의 크기가 또한 광자 스펙트럼을 조작하기 위해 공진을 변경하도록 변형될 수 있다.The
방법(11100)은 광자 스펙트럼을 조작하기 위해 음향 드라이버와 함께 다이아몬드를 음향 적으로 구동하는 단계를 더 포함한다(블록 11106). 다이아몬드를 음향 구동하는 것은 광자 스펙트럼을 좁히기 위해 특정 주파수에서 음향 구동기를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 구동기는 압전 음향 구동기일 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 드라이버는 다이아몬드에 대해 배치되어 다이아몬드의 격자의 질소 공석과 평행하게 다이아몬드를 구동할 수 있다.The
상기 방법은 NV- 광자 방출로부터 NV0 광자 방출을 필터링하기 위해 롱 패스 필터를 적용하는 단계를 포함할 수 있다(블록 11108). 롱 패스 필터와 같은 필터를 사용하면 원치 않는 NV0 광자 방출을 필터링하면서 최소량의 NV- 광자 방출을 필터링하여 광학적 대비를 높일 수 있다. 몇몇 구현에서, 롱 패스 필터는 DNV 센서의 광 검출기에 통합될 수 있고 및/또는 광 검출기로부터의 데이터 출력에 적용될 수 있다.The method may include applying a long pass filter to filter the NV 0 photon emission from the NV - photon emission (block 11108). Filters such as the long pass filter can be used to filter unwanted NV 0 photon emissions while filtering the minimum amount of NV - photon emissions to increase optical contrast. In some implementations, the long pass filter can be integrated into the photodetector of the DNV sensor and / or can be applied to the data output from the photodetector.
또한, 도 112는 DNV 센서에 대한 광자 스펙트럼 조작을 위한 음향 구동 주파수를 결정하는 방법(11200)을 도시한다. 방법(11200)은 DNV 센서의 다이아몬드를 0 켈빈에 가하는 단계를 포함할 수 있다(블록 11202). DNV 센서의 다이아몬드는 질소 공석을 포함하고, DNV 센서는 다이아몬드의 레이저 여기에 반응하여 다이아몬드로부터의 광자 방출을 검출하도록 구성된 광 검출기를 포함할 수 있다. 다이아몬드를 0 켈빈 근처에 가하는 것은 다이아몬드를 0 켈빈 근처의 온도까지 저온 냉각시키는 것을 포함할 수 있다.112 also shows a
방법(11200)은 음향 구동기를 사용하여 제 1 주파수에서 DNV 센서의 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 음향적으로 구동하는 단계를 포함한다(블록 11204). 다이아몬드를 음향 구동하는 것은 광자 스펙트럼을 좁히기 위해 특정 주파수에서 음향 구동기를 작동시키는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 구동기는 압전 음향 구동기일 수 있다. 몇몇 구현에서, 음향 드라이버는 다이아몬드에 대해 배치되어 다이아몬드의 격자의 질소 공석과 평행하게 다이아몬드를 구동할 수 있다. 제 1 주파수는 랜덤하게 선택된 주파수, 주파수 범위 내의 주파수 및/또는 주파수 응답 출력에 기초한 주파수일 수 있다.The
방법(11200)은 DNV 센서로부터 NV0 광자 방출의 제 1 세트 및 NV- 광자 방출의 제 1 세트를 검출하는 단계(블록 11206)를 포함한다. DNV 센서로부터의 NV0 광자 방출의 제 1 세트 및 NV- 광자 방출의 제 1 세트의 검출은 DNV 센서의 광 검출기로부터의 데이터 수신 및 처리를 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, NV0 광자 방출의 제 1 세트 및 DNV 센서로부터의 NV- 광자 방출의 제 1 세트는 도 108 및 도 110에 도시된 것과 같은 스펙트럼을 형성할 수 있다.The
방법(11200)은 음향 구동기를 사용하여 DNV 센서의 질소 공석을 갖는 다이아몬드를 제 2 주파수로 음향 구동하는 단계를 포함한다(블록 11208). 제 2 주파수는 랜덤하게 선택된 주파수, 주파수 범위 내의 주파수 및/또는 주파수 응답 출력에 기초한 주파수일 수 있다.The
방법(11200)은 DNV 센서로부터 NV0 광자 방출의 제 2 세트 및 NV- 광자 방출의 제 2 세트를 검출하는 단계를 포함한다(블록(11210)). DNV 센서로부터의 NV0 광자 방출의 제 2 세트 및 NV- 광자 방출의 제 2 세트의 검출은 DNV 센서의 광 검출기로부터의 데이터 수신 및 처리를 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, NV0 광자 방출의 제 2 세트 및 DNV 센서로부터의 NV- 광자 방출의 제 2 세트는 도 108 및 도 110에 도시된 것과 같은 스펙트럼을 형성할 수 있다.The
방법(11200)은 DNV 센서로부터 NV0 광자 방출의 제 2 세트의 피크와 NV- 광자 방출의 제 2 세트 사이의 파장 차이에 기초하여 광자 스펙트럼을 조작하기 위해 음향 드라이버로 다이아몬드를 음향적으로 구동하기 위해 제 2 주파수를 선택하는 단계를 포함한다(블록 11212). 제 2 주파수의 선택은 도 108 보다는 도 110과 유사한 형광 스펙트럼을 생성하는 제 2 주파수에 기초할 수 있다. 몇몇 구현에서, 방법(11200)은 광 검출기에 의해 검출된 NV- 광자 방출로부터 NV0 광자 방출을 필터링하기 위해 롱 패스 필터를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 방법(11200)은 다이아몬드의 공진에 기초하여 광자 스펙트럼을 조작하기 위해 다이아몬드의 형상을 수정하는 단계를 포함할 수 있다.Method (11200) is NV 0 photon claim peak and NV of the second set of discharge from the DNV sensor-driving the diamond to acoustic driver acoustically for operating the photon spectrum on the basis of the wavelength difference between the two sets of photon release (Block 11212). ≪ / RTI > The selection of the second frequency may be based on a second frequency that produces a fluorescence spectrum similar to that of FIG. In some implementations,
광 파이프를 갖는 자력계Magnetometer with light pipe
많은 경우, 다이아몬드에 광을 제공하기 위해 광원이 사용된다. 다이아몬드를 통해 전달되는 광이 많을수록 더 많은 광을 감지하고 분석하여 다이아몬드에서 방출되는 적색 광의 양을 결정할 수 있다. 붉은 광의 양은 다이아몬드에 적용되는 자기장의 세기를 결정하는 데 사용될 수 있다. 부분 경우, 적색광(또는 임의의 적당한 파장)을 검출하는데 사용되는 광 검출기는 전자기 간섭(EMI)에 민감하다. 그러나 어떤 경우에는 전자기 신호가 다이아몬드 근처의 전기 부품에서 방출될 수 있다. 이러한 경우 다이아몬드 조립체의 EMI가 광학 검출기에 영향을 줄 수 있다.In many cases, a light source is used to provide light to the diamond. The more light transmitted through the diamond, the more light is sensed and analyzed to determine the amount of red light emitted from the diamond. The amount of red light can be used to determine the intensity of the magnetic field applied to the diamond. In some cases, the photodetector used to detect red light (or any suitable wavelength) is sensitive to electromagnetic interference (EMI). In some cases, however, electromagnetic signals can be emitted from electrical components near the diamond. In this case, the EMI of the diamond assembly may affect the optical detector.
몇몇 경우에, EMI 유리는 다이아몬드 조립체(또는 관련 전자 기기 또는 신호)로부터 EMI 신호를 차단 및/또는 흡수하는데 사용될 수 있다. 따라서, EMI 유리가 다이아몬드와 광학 검출기 사이에 배치되면, 광학 검출기에 영향을 미치는 EMI의 양이 감소될 수 있다. 자력계의 감도를 높이려면 광학 검출기가 감지하는 다이아몬드에서 방출되는 광의 양을 늘릴 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는 자력계의 민감도가 다이아몬드와 광학 검출기 사이의 광의 비효율적인 전달에 의해 감소된다. 많은 경우에 EMI 유리는 비효율적인 광의 송신기이다. 예를 들어, EMI 유리에 내장된 금속은 EMI 유리를 통과하는 광을 흡수, 차단 또는 반사할 수 있다.In some cases, the EMI glass can be used to isolate and / or absorb EMI signals from the diamond assembly (or associated electronics or signal). Thus, if EMI glass is disposed between the diamond and the optical detector, the amount of EMI affecting the optical detector can be reduced. To increase the sensitivity of the magnetometer, you can increase the amount of light emitted by the diamond that the optical detector detects. Thus, in some cases the sensitivity of the magnetometer is reduced by the inefficient transmission of light between the diamond and the optical detector. In many cases, EMI glass is an inefficient light transmitter. For example, metals embedded in an EMI glass can absorb, block, or reflect light passing through the EMI glass.
몇몇 실시예에서, EMI 차폐물은 다이아몬드 조립체로부터 EMI를 차단하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, EMI 차폐부는 광이 다이아몬드로 또는 다이아몬드로부터 통과할 수 있게 하는 구멍을 포함할 수 있다. EMI 차폐물의 구멍 크기에 따라 부분 EMI가 구멍을 통과할 수 있다. 따라서, 구멍이 작을수록 EMI가 더 많이 통과하지 않게 된다.In some embodiments, the EMI shield may be used to shield EMI from the diamond assembly. In such an embodiment, the EMI shield may include holes that allow light to pass through or from the diamond. Depending on the hole size of the EMI shield, partial EMI can pass through the hole. Therefore, the smaller the hole, the less EMI will pass.
몇몇 경우에, 광 파이프가 EMI 차폐부 내의 구멍을 통해 광을 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광원의 광은 다이아몬드를 통과하고 EMI 차폐부의 구멍을 통과할 수 있다. 광은 광 파이프에 의해 획득되어 광 파이프를 통해 광 검출기로 이동한다. 일반적으로 광 파이프는 광을 투과할 때 효율적이다. 따라서, 다이아몬드로부터 방출되는 비교적 높은 비율의 광이 광 검출기로 전달될 수 있다. 임의의 적합한 광 파이프(예를 들어, 균질화 막대)가 사용될 수 있다.In some cases, a light pipe may be used to transmit light through the aperture in the EMI shield. For example, light from a light source may pass through a diamond and through an aperture in an EMI shield. The light is acquired by the light pipe and travels through the light pipe to the photo detector. In general, a light pipe is effective when transmitting light. Thus, a relatively high proportion of light emitted from the diamond can be transmitted to the photodetector. Any suitable light pipe (e. G., Homogenizing rod) may be used.
도 113a는 일 실시예에 따른 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 예시적인 자력계(11300)는 광원(11305), 다이아몬드(11315), 광 파이프(11325), 광 검출기(11335) 및 실드(11345)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가적인, 더 적은 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다.113A is a block diagram of a magnetometer with a light pipe according to one embodiment. The
전술한 바와 같이, 예를 들어 자석(11340)에 의해 다이아몬드(11315)에 인가된 자계의 크기는 다이아몬드(11315)로부터 방출된 광의 적색광의 양을 측정함으로써 결정될 수 있다. 광원(11305)은 소스 광(11310)을 다이아몬드(11315)로 방출한다. 몇몇 실시예에서, 소스 광(11310)을 다이아몬드(11315)에 초점을 맞추기 위해 하나 이상의 구성 요소가 사용될 수 있다. 광은 다이아몬드(11315)를 통과하고, 변조된 광(11320)은 실드(11345) 내의 구멍을 통과한다. 실드(11345) 내의 구멍을 통과하기 위해, 변조된 광(11320)은 광 파이프(11325)를 통해 통과한다. 실드(11345)의 구멍을 통과한 투과광(11330)은 광 파이프(11325) 및 광 검출기(11335)를 나간다.As described above, the magnitude of the magnetic field applied to the
임의의 적합한 광 검출기(11335)가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 검출기(11335)는 하나 이상의 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광 검출기(11335)는 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서는 광 및/또는 전자기파를 검출하도록 구성될 수 있다. 이미지 센서는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 또는 N형 금속 산화물 반도체(NMOS) 기술의 반도체 전하 결합 소자(CCD) 또는 액티브 픽셀 센서일 수 있다. 임의의 다른 적절한 이미지 센서가 사용될 수 있다.Any
부분 예에서, 다이아몬드(11315)는 EMI를 방출하는 하나 이상의 구성 요소에 의해 둘러싸여있다. 예를 들어, 헬름홀츠 코일이 다이아몬드를 감쌀 수 있다. 경우에 따라 2 차원 또는 3 차원 헬름홀츠 코일을 사용할 수 있다. 예를 들어, 헬름홀츠 코일은 지구 자기장의 크기와 반대 방향으로 동일한 크기의 자기장을 인가함으로써 지구 자기장을 상쇄하는 데 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 헬름홀츠 코일은 임의의 적절한 자기장을 상쇄하고 및/또는 임의의 적절한 자기장을 다이아몬드에 인가하는데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 마이크로파 발생기 및/또는 변조기는 마이크로파를 사용하여 다이아몬드의 NV 중심을 여기시키기 위해 다이아몬드 근처에 위치될 수 있다. 마이크로파 발생기 및/또는 변조기는 광 검출기와 간섭할 수 있는 EMI를 방출할 수 있다.In a partial example,
실드(11345)는 광 검출기(11335)를 EMI로부터 차폐할 수 있다. 예를 들어, 실드(11345)는 전자기 신호를 감쇠시키는 물질일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 실드(11345)는 금속 호일과 같은 고체 금속일 수 있다. 다른 실시예에서, 유리, 플라스틱 또는 종이와 같은 물질은 금속으로 코팅되거나 주입될 수 있다. 광 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 자력계가 EMI를 감소시킴으로써 광 검출기(11335)로부터 수신된 신호의 잡음의 양을 감소시키기 때문에 더욱 민감해진다. 몇몇 경우, 광 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 광 검출기(11335)로부터 수신된 신호가 보다 정확하기 때문에 자력계를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 광 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 신호에 잡음이 적기 때문에 광 검출기(11335)로부터 신뢰성 있고 정확한 신호가 수신되도록 보장한다. 예를 들어, 잡음은 직류(DC) 오프셋을 포함할 수 있다.
광 도파관(11325)은 임의의 적절한 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)는 석영, 실리카, 유리 등으로 제조될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 BK7 또는 BK9 광학 유리와 같은 광학 유리로 만들어진다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 물질이 사용될 수 있다.The
몇몇 실시예에서, 광 도파관(11325)의 하나 이상의 면은 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)의 면은 비 - 녹색 광을 걸러낼 수 있고 녹색 광이 광 파이프(11325), 예를 들어 다이아몬드(11315)를 통과할 수 있게 한다. 다른 예에서, 다이아몬드로부터의 광은 비 적색 광을 걸러 내고 적색광이 광 파이프(11325)를 통과하여 광 검출기(11335)로 통과하는 것을 허용하는 광 파이프(11325)를 포함한다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 필터링 메카니즘이 사용될 수 있다.In some embodiments, one or more surfaces of
또한, 도 113B 및도 113C는 예시적인 실시예에 따른 광 파이프 및 차폐 부의 등각도이다. 대안적인 실시예에서, 추가의, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 도 113b에 도시된 바와 같이, 광 파이프(11325)는 실드(11345)에 의해 축 방향으로 둘러싸여 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325) 및 실드(11345)는 동축이다. 광 파이프(11325)의 단면 형상은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 도 113b에 도시된 실시예에서, 광 도파관(11325)의 단면 형상은 원형이다. 도 113c에 도시된 실시예에서, 광 파이프(11325)의 단면 형상은 8각형이다. 다른 실시예에서, 광 도파관(11325)의 단면 형상은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 유사하게, 차폐부(11345)의 단면 형상은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 차폐 부(11345)의 외형은 다이아몬드(11315), 광 검출기(11335), 광 도파관(11325) 등을 수용하는 하우징의 벽에 적합하도록 적합하다.113B and 113C are isometric views of a light pipe and a shield according to an exemplary embodiment. In alternative embodiments, additional, less, and / or different elements may be used. As shown in Fig. 113B, the
도 113b 및 도 113c에 도시된 실시예에서, 대안적으로, 광 파이프(11325)는 실드(11345)보다 길 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)는 실드(11345)의 단부 표면을 지나 한쪽 또는 양쪽 단부에서 연장될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 실드(11345)는 1인치 길이이다. 다른 실시예에서, 실드(11345)는 1인치 길이보다 짧거나 길 수 있다. 예를 들어, 보다 감도가 더 민감한 광 검출기(11335)와 같이 더 큰 감쇠가 유리한 실시예에서, 차폐 부(11345)는 더 길 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 2인치 길이일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 파이프(11325)는 2인치보다 짧거나 길 수 있다. 예를 들어, 광 도파관(11325)은 하우징 또는 요소들의 배열 내에 끼워지기에 적합한 길이일 수 있다.In the embodiment shown in FIGS. 113B and 113C, alternatively, the
몇몇 실시예에서, 광 파이프(11325)는 광 파이프(11325)의 길이를 따라 테이퍼링될 수 있다. 예를 들어, 한 단부에서 광 파이프(11325)의 직경은 반대쪽에서 광 파이프(11325)의 직경보다 클 수 있다. 임의의 적당한 비율의 직경이 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 발광 다이오드일 수 있는 광원(11305)으로부터의 광을 다이아몬드(11315)에 투과시키는데 사용될 수 있다. 테이퍼링된 광 파이프(11325)를 사용하면 광 파이프 비테이퍼링된 광 파이프(11325)이 사용되는 경우보다 더 수직한 각도로 다이아몬드(11315)에 들어가도록 광 파이프(11325)를 빠져 나가는 광의 초점을 맞추는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 예에서, 좁은 단부는 광원(11305)에 인접할 수 있고, 넓은 단부는 다이아몬드(11315)에 인접할 수 있다.In some embodiments, the
차폐부(11345)의 중앙에 있는 개구부의 크기는 EMI의 하나 이상의 특정 주파수를 차단하도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)의 직경은 5 내지 6 밀리미터일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 도파관(11325)의 직경은 5 밀리미터보다 작거나 6 밀리미터보다 클 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 다이아몬드(11315)의 단면 직경과 동일한 크기 또는 약간 큰 단면적을 갖도록 크기가 정해진다. 이러한 실시예에서, 광 파이프(11325)는 차폐부(11345)의 내부 직경을 최소화하면서(따라서 차폐부치(11345)의 차폐 효과를 최대화하면서), 가능한 한 다이아몬드(11315)로부터 방출된 많은 광을 방출한다.The size of the opening in the middle of the
예시적인 실시예에서, 불균일한 패턴으로 광 파이프(11325)에 진입하는 LED로부터의 광은 보다 균일 한 패턴으로 광 파이프(11325)를 출사할 수 있다. 즉, 광 파이프(11325)는 다이아몬드(11315) 또는 광 검출기(11335)의 표면 영역에 걸쳐 광을 고르게 분포시킬 수 있다. 광 파이프(11325)는 광이 발산하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 광 파이프(11325)는 렌즈 대신에 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, light from an LED entering a
실드(11345)의 외경은 임의의 적당한 크기일 수 있다. 예를 들어, 차폐부(11345)의 외경은 다이아몬드 장치로부터 전자기 신호를 차단 또는 감쇠시켜 광 검출기를 보호하는 크기로 될 수 있다.The outer diameter of the
도 113a 내지 도 113c에 도시된 바와 같이, 광 파이프(11325)는 차폐부(11345)를 통과한다. 즉, 차폐부(11345)는 광 파이프(11325)의 적어도 길이를 따라 광 파이프(11345)를 둘러싸고 있다. 몇몇 실시예에서, 차폐부(11345)는 광 파이프(11302)의 길이를 둘러싸고 있다.As shown in Figs. 113A to 113C, the
도 114는 예시적인 실시예에 따른 2개의 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 예시적인 자력계(11400)는 2개의 광 파이프(11325), 2개의 실드(11345), 다이아몬드(11315), 광 검출기(11335) 및 광 검출기(11350)를 포함한다.114 is a block diagram of a magnetometer with two light pipes according to an exemplary embodiment. The exemplary magnetometer 11400 includes two
자력계(11400)는 광원 파이프(11325) 내로 소스 광(11310)을 전송하는 광원(11305)을 포함한다. 광원(11305)으로부터 전송된 광의 부분은 광 검출기(11350)에 의해 감지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 검출기(11350)는 광 파이프(11325)를 통해 전송된다. 다른 실시예에서, 광 검출기(11350)에 의해 감지된 광은 광 파이프(11325)를 통과하지 않는다. 자력계(11300)와 관련하여 전술한 바와 같이, 다이아몬드(11315)는 광 검출기(11350)의 성능에 지장을 줄 수 있는 EMI를 방출하는 전기 부품과 연관될 수 있다. 그러한 경우에, 차폐부(11345) 중 하나는 다이아몬드(11315)와 광 검출기(11350) 사이에 위치될 수 있다. 광원(11305)으로부터의 광은 광 파이프(11325), 차폐부(11345)의 구멍을 통해 다이아몬드(11315)로 전달된다.The magnetometer 11400 includes a
도 113의 자력계(11300)와 관련하여 논의된 바와 같이, 차폐부(11345)는 다이아몬드(11315)와 관련된 회로로부터 방출된 EMI로부터 광 검출기(11335)를 보호하는데 사용될 수 있다. 따라서, 자력계(11400) 다이아몬드(11315)의 측면 및 다이아몬드(11315)와 연관된 전기 부품을 포함한다.
도 115는 예시적인 실시예에 따른 2 개의 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 자력계(11500)는 광원(11305), 다이아몬드(11315), 관련 차폐부(11345)를 갖는 2개의 광 파이프(11325) 및 2개의 광 검출기(11335)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가의 적은 및/또는 다른 요소가 사용될 수 있다. 도 115에 도시된 실시예에서, 광원(11305)으로부터의 소스 광(11310)은 다이아몬드(11315)를 통과한다. 다이아몬드(11315)에 입사하는 광은 분리될 수 있고 변조된 광의 2개의 스트림(11320)에서 다이아몬드(11315) 실시예에서, 변조된 광의 2개의 스트림(11320)은 반대 방향이다. 다른 실시예에서, 변조된 광(11320)의 두 개의 스트림은 서로 임의의 적절한 방향으로 있다. 몇몇 실시예에서, 변조된 광(11320)의 두 스트림은 소스 광(11310)이 다이아몬드(11315)에 입사하는 방향에 직각인 방향으로 다이아몬드(11315)를 나온다.115 is a block diagram of a magnetometer having two light pipes according to an exemplary embodiment. The magnetometer 11500 includes two
대안적인 실시예에서, 자력계는 다이아몬드(11315)를 나가는 3개 이상의 광 스트림과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드(11315)가 입방체인 경우, 광은 6면 중 하나의 다이아몬드(11315)로 들어갈 수 있다. 이러한 예에서, 최대 5개의 광 흐름이 5개의 다른 측면을 통해 다이아몬드(11315)를 빠져 나올 수 있다. 5개의 광 스트림 각각은 5개의 광 검출기(11335) 중 하나에 전송될 수 있다. 연관된 광 검출기(11335)에 의해 감지되는 다이아몬드(11315)를 나가는 2이상의 광 스트림을 사용하여 증가된 감도를 제공할 수 있다. 라이트 스트림 각각은 동일한 정보를 포함한다. 즉, 광의 흐름에는 같은 양의 적색광이 들어 있다. 각각의 광 스트림은 여러 개의 광 검출기 중 하나에 광 샘플을 제공한다. 따라서, 다이아몬드로부터의 다수의 광 흐름이 사용되는 실시예에서, 동일한 광의 다수 샘플이 획득된다. 다중 샘플을 갖는 것은 중복을 제공하고 시스템이 측정을 검증할 수 있도록 한다. 몇몇 실시예들에서, 다중 측정치들은 평균화되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 결합된 값은 다이아몬드에 적용되는 자기장을 결정하는 데 사용될 수 있다.In an alternative embodiment, the magnetometer may be used with three or more optical
도 116은 예시적인 실시예에 따라 자기장을 측정하는 방법의 흐름도이다. 다른 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 동작들이 수행될 수 있다. 또한, 흐름도 및 화살표의 사용은 조작의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 동작들이 동시에 수행될 수 있다.116 is a flow diagram of a method of measuring a magnetic field in accordance with an exemplary embodiment. In other embodiments, additional, fewer, and / or different operations may be performed. Also, the use of flow charts and arrows is not intended to be limiting with respect to the sequence or flow of operations. For example, in some embodiments, one or more operations may be performed concurrently.
단계(11605)에서, 광원에 의해 광이 생성된다. 임의의 적절한 광원이 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 햇광 또는 환경 광이 광원으로서 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광원에 의해 생성된 광은 녹색광 또는 청색광이다. 몇몇 실시예에서, 필터는 바람직하지 않은 광 주파수(예를 들어, 적색광)를 필터링하기 위해 사용될 수 있다.In
동작(11610)에서, 광원으로부터의 광이 감지된다. 예시적인 실시예에서, 광은 광 검출기를 사용하여 감지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 검출기는 전자기 간섭에 민감하다. 몇몇 실시예에서, 동작(11610)은 수행되지 않는다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 다이아몬드로부터의 광이 감지되고 감지된 광 신호는 미리 결정된 기준값과 비교된다.In
동작(11615)에서, 광원으로부터의 광은 제 1 광 파이프를 통해 투과된다. 광원과 다이아몬드 사이에 위치된 광 검출기를 사용하여 광원으로부터의 광이 감지되는 실시예에서, 제 1 광 파이프는 EMI를 감쇠시키는 물질로 둘러싸일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 다이아몬드 근처의 전기 소자들로부터의 EMI는 광 검출기가 EMI에 의해 영향을 받지 않거나 덜 영향을 받도록 물질을 통해 감쇠될 수 있다. 동작(11610)이 수행되지 않는 것과 같은 몇몇 실시예에서, 동작(11615)은 수행되지 않을 수 있다.In
동작(11620)에서, 광원으로부터의 광은 다이아몬드를 통해 투과된다. 동작(11615)이 수행되는 실시예에서, 제 1 광 파이프로부터의 광은 다이아몬드를 통해 투과된다. 위에서 언급했듯이, 다이아몬드는 자기장의 영향을 받는 NV 중심을 포함할 수 있다. 다이아몬드로부터 방출된 적색광의 양(예를 들어, NV 중심을 경유)은 인가된 자기장에 기초하여 변화할 수 있다.In
제 11625 단계에서, 다이아몬드로부터 방출된 광은 제 2 광 파이프를 통해 투과된다. 동작(11630)에서, 제 2 광 파이프로부터의 광이 감지된다. 예시적인 실시예에서, 광은 EMI에 민감한 광 검출기를 통해 감지된다. 이러한 실시예에서, 광 파이프는 헬름홀츠 코일 또는 마이크로파 발생기/변조기와 같은 다이아몬드 근처의 전기 구성 요소로부터의 EMI를 감쇠시키는 물질로 둘러싸일 수 있다.In
동작(11635)에서, 자기장이 결정된다. 예시적인 실시예에서, 자기장은 크기 및 방향을 갖는 벡터이다. 다른 실시예에서, 동작(11635)은 크기 또는 방향을 결정하는 것을 포함한다. 동작(11610)이 수행되는 실시예에서, 동작(11635)은 제 2 광 파이프의 광원으로부터 방출된 녹색광(또는 임의의 다른 적절한 파장)의 양을 투과된 검출된 적색광(또는 임의의 다른 적합한 파장)의 양과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 광 도파관을 통해 투과된 검출된 적색광의 양은 기준선 량과 비교된다. 다른 실시예에서, 자기장을 결정하는 임의의 적합한 방법이 사용될 수 있다.At
동작(11610)에서, 광원으로부터의 광이 감지된다. 많은 경우에, 광원은 다이아몬드에 광을 제공하는데 사용된다. 다이아몬드를 통해 전달되는 광이 많을수록 더 많은 광을 감지하고 분석하여 다이아몬드에서 방출되는 적색 광의 양을 결정할 수 있다. 붉은 광의 양은 다이아몬드에 적용되는 자기장의 세기를 결정하는 데 사용될 수 있다. 부분 경우, 적색광(또는 임의의 적당한 파장)을 검출하는데 사용되는 광 검출기는 전자기 간섭(EMI)에 민감하다. 그러나 어떤 경우에는 전자기 신호가 다이아몬드 근처의 전기 부품에서 방출될 수 있다. 이러한 경우 다이아몬드 조립체의 EMI가 광 검출기에 영향을 줄 수 있다.In
몇몇 경우에, EMI 유리는 다이아몬드 조립체(또는 관련 전자 기기 또는 신호)로부터의 EMI 신호를 차단 및/또는 흡수하는데 사용될 수 있다. 따라서, EMI 유리가 다이아몬드와 광학 검출기 사이에 배치되면, 광학 검출기에 영향을 미치는 EMI의 양이 감소될 수 있다. 자력계의 감도를 높이려면 광 검출기가 감지하는 다이아몬드에서 방출되는 광의 양을 늘릴 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는 자력계의 민감도가 다이아몬드와 광 검출기 사이의 광의 비효율적인 전달에 의해 감소된다. 많은 경우에 EMI 유리는 비효율적인 광의 송신기이다. 예를 들어, EMI 유리에 내장된 금속은 EMI 유리를 통과하는 광을 흡수, 차단 또는 반사할 수 있다.In some cases, the EMI glass can be used to intercept and / or absorb EMI signals from the diamond assembly (or associated electronics or signal). Thus, if EMI glass is disposed between the diamond and the optical detector, the amount of EMI affecting the optical detector can be reduced. To increase the sensitivity of the magnetometer, the amount of light emitted from the diamond that the photodetector senses can be increased. Thus, in some cases the sensitivity of the magnetometer is reduced by the inefficient transmission of light between the diamond and the photodetector. In many cases, EMI glass is an inefficient light transmitter. For example, metals embedded in an EMI glass can absorb, block, or reflect light passing through the EMI glass.
몇몇 실시예에서, EMI 차폐부는 다이아몬드 조립체로부터 EMI를 차단하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, EMI 차폐부는 광이 다이아몬드로 또는 다이아몬드로부터 통과할 수 있게 하는 구멍을 포함할 수 있다. EMI 차폐부의 구멍 크기에 따라 부분 EMI가 구멍을 통과할 수 있다. 따라서, 구멍이 작을수록 EMI가 더 많이 통과하지 않게 된다.In some embodiments, an EMI shield may be used to shield EMI from the diamond assembly. In such an embodiment, the EMI shield may include holes that allow light to pass through or from the diamond. Depending on the size of the hole in the EMI shield, partial EMI can pass through the hole. Therefore, the smaller the hole, the less EMI will pass.
몇몇 경우에, 광 파이프가 EMI 차폐부 내의 홀을 통해 광을 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광원의 광은 다이아몬드를 통과하고 EMI 차폐부의 구멍을 통과할 수 있다. 광은 광 파이프에 의해 획득되어 광 파이프를 통해 광 검출기로 이동한다. 일반적으로 광 파이프는 광을 전송할 때 효율적이다. 따라서, 다이아몬드로부터 방출되는 비교적 높은 비율의 광이 광 검출기로 전달될 수 있다. 임의의 적합한 광 파이프(예를 들어, 균질화 막대)가 사용될 수 있다.In some cases, a light pipe may be used to transmit light through the hole in the EMI shield. For example, light from a light source may pass through a diamond and through an aperture in an EMI shield. The light is acquired by the light pipe and travels through the light pipe to the photo detector. In general, light pipes are efficient when transmitting light. Thus, a relatively high proportion of light emitted from the diamond can be transmitted to the photodetector. Any suitable light pipe (e. G., Homogenizing rod) may be used.
도 113a는 일 실시예에 따른 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 예시적인 자력계(11300)는 광원(11305), 다이아몬드(11315), 광 파이프(11325), 광학 검출기(11335) 및 실드(11345)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가적인, 더 적은 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다.113A is a block diagram of a magnetometer with a light pipe according to one embodiment. The
상술한 바와 같이, 예를 들어 자석(11340)에 의해 다이아몬드(11315)에 인가된 자기장의 크기는 다이아몬드(11315)로부터 방출된 광의 적색광의 양을 측정함으로써 결정될 수 있다. 광원(11305) 몇몇 실시예에서, 소스 광(11310)을 다이아몬드(11315)에 초점을 맞추기 위해 하나 이상의 구성 요소가 사용될 수 있다. 광은 다이아몬드(11315)를 통과하고, 변조 광(11320)은 실드 내의 구멍을 통과한다. 실드(11345) 내의 구멍을 통과하기 위해, 변조된 광(11320)은 광 파이프(11325)를 통과하여 통과한다. 실드(11345)의 구멍을 통과한 투과광(11330)은 광 검출기(11335)의 광 파이프(11325)를 나간다.As described above, the magnitude of the magnetic field applied to the
임의의 적합한 광학 검출기(11335)가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광학 검출기(11335)는 하나 이상의 발광 다이오드를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광학 검출기(11335)는 이미지 센서일 수 있다. 이미지 센서는 광 및/또는 전자기파를 검출하도록 구성될 수 있다. 이미지 센서는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 또는 N 형 금속 산화물 반도체(NMOS) 기술의 반도체 전하 결합 소자(CCD) 또는 액티브 픽셀 센서일 수 있다. 임의의 다른 적절한 이미지 센서가 사용될 수 있다.Any suitable
몇몇 예에서, 다이아몬드(11315)는 EMI를 방출하는 하나 이상의 구성 요소에 의해 둘러싸여있다. 예를 들어, 헬름홀츠 코일이 다이아몬드를 감쌀 수 있다. 경우에 따라 2차원 또는 3차원 헬름홀츠 코일을 사용할 수 있다. 예를 들어, 헬름홀츠 코일은 지구 자기장의 크기와 반대 방향으로 동일한 크기의 자기장을 인가함으로써 지구 자기장을 상쇄하는 데 사용할 수 있다. 다른 실시예에서, 헬름홀츠 코일은 임의의 적절한 자기장을 상쇄하고 및/또는 임의의 적절한 자기장을 다이아몬드에 가하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 마이크로파 발생기 및/또는 변조기는 마이크로파를 사용하여 다이아몬드의 NV 중심을 여기시키기 위해 다이아몬드 근처에 위치될 수 있다. 마이크로파 발생기 및/또는 변조기는 광 검출기와 간섭할 수 있는 EMI를 방출할 수 있다.In some instances,
차폐부(11345)는 광학 검출기(11335)를 EMI로부터 차폐할 수 있다. 예를 들어, 차폐부(11345)는 전자기 신호를 감쇠시키는 물질일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 차폐부(11345)는 금속 호일과 같은 고체 금속일 수 있다. 다른 실시예에서, 유리, 플라스틱 또는 종이와 같은 물질은 금속으로 코팅되거나 주입될 수 있다. 광학 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 자력계가 EMI를 감소시킴으로써 광학 검출기(11335)로부터 수신된 신호의 잡음의 양을 감소시키기 때문에 더욱 민감해진다. 몇몇 경우, 광학 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 광학 검출기(11335)로부터 수신된 신호가보다 정확하기 때문에 자력계를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 광학 검출기(11335)를 EMI로부터 보호하는 것은 신호에 잡음이 적기 때문에, 광학 검출기(11335)로부터 신뢰성 있고 정확한 신호가 수신되도록 보장한다. 예를 들어, 잡음은 직류(DC) 오프셋을 포함할 수 있다.
광 도파관(11325)은 임의의 적절한 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)는 석영, 실리카, 유리 등으로 제조될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 BK7 또는 BK9 광학 유리와 같은 광학 유리로 만들어진다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 물질이 사용될 수 있다.The
몇몇 실시예에서, 광 파이프(11325)의 하나 이상의 면은 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)의 면은 비-녹색 광을 걸러 낼 수 있고 녹색 광이 광 파이프(11325), 예를 들어 다이아몬드(11315)를 통과할 수 있게 한다. 다른 예에서, 다이아몬드로부터의 광은 비 적색 광을 걸러 내고 적색광이 광 파이프(11325)를 통과하여 광 검출기(11335)로 통과하는 것을 허용하는 광 파이프(11325)를 포함한다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 필터링 메카니즘이 사용될 수 있다.In some embodiments, one or more surfaces of the
또한, 도 113b 및도 113c는 예시적인 실시예에 따른 광 파이프 및 차폐 부의 등각투상도이다. 대안적인 실시예에서, 추가의, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 도 113b에 도시된 바와 같이, 광 파이프(11325)는 실드(11345)에 의해 축 방향으로 둘러싸여 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325) 및 차폐부(11345)는 동축이다. 광 파이프(11325)의 단면 형상은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 도 113b에 도시된 실시예에서, 광 도파관(11325)의 단면 형상은 원형이다. 도 113c에 도시된 실시예에서, 광 파이프(11325)의 단면 형상은 8각형이다. 다른 실시예에서, 광 도파관(11325)의 단면 형상은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 또는 임의의 다른 적합한 형상일 수 있다. 유사하게, 차폐부(11345)의 단면 형상은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 차폐부(11345)의 외형은 다이아몬드(11315), 광학 검출기(11335), 광 도파관(11325) 등을 수용하는 하우징의 벽에 적합하도록 적합하다.113B and 113C are isometric views of a light pipe and a shield according to an exemplary embodiment. In alternative embodiments, additional, less, and / or different elements may be used. As shown in Fig. 113B, the
도 113b 및 도 113c에 도시된 실시예에서, 대안적으로, 광 파이프(11325)는 차폐부(11345)보다 길 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)는 광 파이프(11325)의 단부 한쪽 또는 양쪽 단부에서 차폐부(11345)의 표면. 예시적인 실시예에서, 차폐부(11345)는 1 인치 길이이다. 다른 실시예에서, 차폐부(11345)는 1 인치 길이보다 짧거나 길 수 있다. 예를 들어, 보다 감도가 더 민감한 광 검출기(11335)와 같이 더 큰 감쇠가 유리한 실시예에서, 차폐부(11345)는 더 길 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 2 인치 길이일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 파이프(11325)는 2 인치보다 짧거나 길 수 있다. 예를 들어, 광 도파관(11325)은 하우징 또는 요소들의 배열 내에 끼워지기에 적합한 길이일 수 있다.In the embodiment shown in FIGS. 113B and 113C, alternatively, the
몇몇 실시예에서, 광 파이프(11325)는 광 파이프(11325)의 길이를 따라 테이퍼링될 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)의 일 단부에서의 직경은 대항 단부에서 광 파이프(11325)의 직경보다 클 수 있다. 임의의 적당한 비율의 직경이 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 발광 다이오드일 수 있는 광원(11305)으로부터의 광을 다이아몬드(11315)에 투과시키는데 사용될 수 있다. 테이퍼된 광 파이프(11325)를 사용하면 광 파이프 비테이퍼링된 광 도파관(11325)이 사용되는 것보다 더 수직한 각도로 다이아몬드(11315)에 들어갈 수 있다. 이러한 예에서, 좁은 단부는 광원(11305)에 인접할 수 있고 넓은 단부는 다이아몬드(11315)에 인접할 수 있다.In some embodiments, the
실드(11345)의 중간에 있는 개구부의 크기는 EMI의 하나 이상의 특정 주파수를 차단하도록 크기가 정해질 수 있다. 예를 들어, 광 파이프(11325)의 직경은 5 내지 6 밀리미터일 수 있다. 다른 실시예에서, 광 도파관(11325)의 직경은 5 밀리미터보다 작거나 6 밀리미터보다 클 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광 파이프(11325)는 다이아몬드(11315)의 단면 직경과 동일한 크기 또는 약간 큰 단면적을 갖도록 크기가 정해진다. 이러한 실시예에서, 광 파이프(11325)는 차폐부(11345)의 내부 직경을 최소화하면서(따라서 차폐 장치(11345)의 차폐 효과를 최대화하면서) 가능한 한 다이아몬드(11315)로부터 방출된 많은 광을 방출한다.The size of the opening in the middle of the
예시적인 실시예에서, 불균일한 패턴으로 광 파이프(11325)에 진입하는 LED로부터의 광은 보다 균일한 패턴으로 광 파이프(11325)를 출사할 수 있다. 즉, 광 파이프(11325)는 다이아몬드(11315) 또는 광 검출기(11335)의 표면 영역에 걸쳐 광을 고르게 분포시킬 수 있다. 광 파이프(11325)는 광이 발산하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 광 파이프(11325)는 렌즈 대신에 사용될 수 있다.In an exemplary embodiment, light from an LED entering a
실드(11345)의 외경은 임의의 적당한 크기일 수 있다. 예를 들어, 차폐 부(11345)의 외경은 다이아몬드 장치로부터 전자기 신호를 차단 또는 감쇠시켜 광 검출기를 보호하는 크기로 될 수 있다.The outer diameter of the
도 113a 내지 도 113c에 도시된 바와 같이, 광 파이프(11325)는 차폐부(11345)를 통과한다. 즉, 차폐부(11345)는 광 파이프(11325)의 적어도 부분을 따라 광 파이프(11345)를 둘러싸고 있다. 몇몇 실시예에서, 차폐부(11345)는 광 파이프(11325)의 길이를 둘러싸고 있다.As shown in Figs. 113A to 113C, the
도 114는 예시적인 실시예에 따른 2 개의 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 예시적인 자력계(11400)는 2 개의 광 파이프(11325), 2 개의 차폐부(11345), 다이아몬드(11315), 광 검출기(11335) 및 광 검출기(11350)를 포함한다.114 is a block diagram of a magnetometer with two light pipes according to an exemplary embodiment. The exemplary magnetometer 11400 includes two
자력계(11400)는 소스 파이프(11325) 내로 소스 광(11310)을 전송하는 광원(11305)을 포함한다. 광원(11305)으로부터 전송된 광의 부분은 광 검출기(11350)에 의해 감지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 검출기(11350)는 광 파이프(11325)를 통해 전송된다. 다른 실시예에서, 광 검출기(11350)에 의해 감지된 광은 광 파이프(11325)를 통과하지 않는다. 자력계(11300)와 관련하여 전술한 바와 같이, 다이아몬드(11315)는 광 검출기의 성능에 지장을 줄 수 있는 EMI를 방출하는 전기 부품과 연관될 수 있다. 그러한 경우에, 차폐부(11345) 중 하나는 다이아몬드(11315)와 광 검출기(11350) 사이에 위치될 수 있다. 광원(11305)으로부터의 광은 광 파이프(11325), 차폐부(11345)의 구멍을 통해 다이아몬드(11315)로 전달된다.The magnetometer 11400 includes a
도 113의 자력계(11300)와 관련하여 논의된 바와 같이, 차폐부(11345)는 다이아몬드(11315)와 관련된 회로로부터 방출된 EMI로부터 광 검출기(11335)를 보호하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 자력계(11400)는 다이아몬드(11315)의 어느 측면의 차폐부(11345) 및 다이아몬드(11315)와 연관된 전기 부품을 포함한다.
도 115는 예시적인 실시예에 따른 2 개의 광 파이프를 갖는 자력계의 블록도이다. 자력계(11500)는 광원(11305), 다이아몬드(11315), 관련 차폐부(11345)를 갖는 2 개의 광 파이프(11325) 및 2 개의 광학 검출기(11335)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가의 적은 및/또는 다른 요소가 사용될 수 있다. 도 115에 도시된 실시예에서, 광원(11305)으로부터의 소스 광(11310)은 다이아몬드(11315)를 통과한다. 다이아몬드(11315)에 입사하는 광은 분리될 수 있고, 변조된 광의 2 개의 스트림(11320)에서 다이아몬드(11315) 실시예에서, 변조된 광의 2 개의 스트림(11320)은 반대 방향이다. 다른 실시예에서, 변조된 광(11320)의 두 개의 스트림은 서로 임의의 적절한 방향으로 있다. 몇몇 실시예에서, 변조된 광(11320)의 두 스트림은 소스 광(11310)이 다이아몬드(11315)에 입사하는 방향에 직각인 방향으로 다이아몬드(11315)를 나온다.115 is a block diagram of a magnetometer having two light pipes according to an exemplary embodiment. The magnetometer 11500 includes two
도 115는 다이아몬드(11315)를 빠져 나가는 2 개의 광 스트림을 갖는 자력계를 도시한다. 다른 실시예에서, 자력계는 다이아몬드(11315)를 나가는 3 개 이상의 광 스트림과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드(11315) 광은 6면 중 하나의 다이아몬드(11315)로 들어갈 수 있다. 이러한 예에서, 최대 5 개의 광 흐름이 5 개의 다른 측면을 통해 다이아몬드(11315)를 빠져 나올 수 있다. 5 개의 광 스트림 각각은 5 개의 광 검출기(11335) 중 하나에 전송될 수 있다. 연관된 광 검출기(11335)에 의해 감지되는 다이아몬드(11315)를 나가는 2 이상의 광 스트림을 사용하여 증가된 감도를 제공할 수 있다. 라이트 스트림 각각은 동일한 정보를 포함한다. 즉, 광의 흐름에는 같은 양의 적색광이 들어 있다. 각각의 광 스트림은 여러 개의 광 검출기 중 하나에 광 샘플을 제공한다. 따라서, 다이아몬드로부터의 다수의 광 흐름이 사용되는 실시예에서, 동일한 광의 다수 샘플이 획득된다. 다중 샘플을 갖는 것은 중복을 제공하고 시스템이 측정을 검증할 수 있도록 한다. 몇몇 실시예들에서, 다중 측정치들은 평균화되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 결합된 값은 다이아몬드에 적용되는 자기장을 결정하는 데 사용될 수 있다.115 shows a magnetometer with two optical streams exiting the
도 116은 예시적인 실시예에 따라 자기장을 측정하는 방법의 흐름도이다. 다른 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 동작들이 수행될 수 있다. 또한, 흐름도 및 화살표의 사용은 조작의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 동작들이 동시에 수행될 수 있다.116 is a flow diagram of a method of measuring a magnetic field in accordance with an exemplary embodiment. In other embodiments, additional, fewer, and / or different operations may be performed. Also, the use of flow charts and arrows is not intended to be limiting with respect to the sequence or flow of operations. For example, in some embodiments, one or more operations may be performed concurrently.
동작(11605)에서, 광원에 의해 광이 생성된다. 임의의 적절한 광원이 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 햇광 또는 환경 광이 광원으로서 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광원에 의해 생성된 광은 녹색광 또는 청색광이다. 몇몇 실시예에서, 필터는 바람직하지 않은 광 주파수(예를 들어, 적색광)를 필터링하기 위해 사용될 수 있다.In
동작(11610)에서, 광원으로부터의 광이 감지된다. 예시적인 실시예에서, 광은 광 검출기를 사용하여 감지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 검출기는 전자기 간섭에 민감하다. 몇몇 실시예에서, 동작(11610)은 수행되지 않는다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 다이아몬드로부터의 광이 감지되고 감지된 광 신호는 미리 결정된 기준값과 비교된다.In
동작(11615)에서, 광원으로부터의 광은 제 1 광 파이프를 통해 투과된다. 광원과 다이아몬드 사이에 위치된 광 검출기를 사용하여 광원으로부터의 광이 감지되는 실시예에서, 제 1 광 파이프는 EMI를 감쇠시키는 물질로 둘러싸일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 다이아몬드 근처의 전기 소자들로부터의 EMI는 광 검출기가 EMI에 의해 영향을 받지 않거나 덜 영향을 받도록 물질을 통해 감쇠될 수 있다. 동작(11610)이 수행되지 않는 것과 같은 몇몇 실시예에서, 동작(11615)은 수행되지 않을 수 있다.In
동작(11620)에서, 광원으로부터의 광은 다이아몬드를 통해 투과된다. 동작(11615)이 수행되는 실시예에서, 제 1 광 파이프로부터의 광은 다이아몬드를 통해 투과된다. 위에서 언급했듯이, 다이아몬드는 자기장의 영향을 받는 NV 중심을 포함할 수 있다. 다이아몬드로부터 방출된 적색광의 양(예를 들어, NV 중심을 경유)은인가된 자기장에 기초하여 변화할 수 있다.In
단계(11625)에서, 다이아몬드로부터 방출된 광은 제 2 광 파이프를 통해 투과된다. 동작(11630)에서, 제 2 광 파이프로부터의 광이 감지된다. 예시적인 실시예에서, 광은 EMI에 민감한 광 검출기를 통해 감지된다. 이러한 실시예에서, 광 파이프는 헬름홀츠 코일 또는 마이크로파 발생기/변조기와 같은 다이아몬드 근처의 전기 부품으부터의 EMI를 감쇠시키는 물질로 둘러싸일 수 있다.In
동작(11635)에서, 자기장이 결정된다. 예시적인 실시예에서, 자기장은 크기 및 방향을 갖는 벡터이다. 다른 실시예에서, 동작(11635)은 크기 또는 방향을 결정하는 것을 포함한다. 동작(11610)이 수행되는 실시예에서, 동작(11635)은 제 2 광 파이프의 광원으로부터 방출된 녹색광(또는 임의의 다른 적절한 파장)의 양을 투과된 검출된 적색광(또는 임의의 다른 적합한 파장)의 양과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 광 도파관을 통해 투과된 검출된 적색광의 양은 기준선 량과 비교된다. 다른 실시예에서, 자기장을 결정하는 임의의 적합한 방법이 사용될 수 있다.At
발광 다이오드를 갖는 자력계Magnetometer with light emitting diode
많은 경우, 다이아몬드에 광을 제공하기 위해 광원이 사용된다. 다이아몬드를 통해 전달되는 광이 많을수록 더 많은 광을 감지하고 분석하여 다이아몬드에서 방출되는 적색 광의 양을 결정할 수 있다. 적색 광의 양은 다이아몬드에 적용되는 자기장의 세기를 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 어떤 경우에는, 레이저가 다이아몬드에 광을 제공하는데 사용된다. 레이저는 다이아몬드에 집중된 광을 제공할 수 있으며 비교적 쉽게 광선을 집중시킬 수 있다.In many cases, a light source is used to provide light to the diamond. The more light transmitted through the diamond, the more light is sensed and analyzed to determine the amount of red light emitted from the diamond. The amount of red light can be used to determine the intensity of the magnetic field applied to the diamond. Thus, in some cases, a laser is used to provide light to the diamond. Lasers can provide concentrated light to the diamond and can concentrate the light relatively easily.
그러나, 레이저는 모든 용도에 대해 가장 효과적인 광원이 아닐 수 있다. 예를 들어, 부분 레이저는 편광된 광을 생성한다. NV 중심의 축이 모두 같은 방향으로 배향될 수는 없으므로 레이저의 편광된 광이 다른 방향으로 배향된 NV 중심보다 한 방향으로 배향된 NV 중심을 여기시킬 수 있다. 모든 방향(또는 둘 이상의 방향)에서 감도가 요구되는 경우, 편광되지 않은 광이 사용될 수 있다. 비 편광은 다른 배향의 NV 중심에(더) 균일하게 영향을 줄 수 있다. 그러한 경우에, 발광 다이오드(LED)와 같은 광원이 광원으로서 사용될 수 있다. 어떤 경우에는, 비 편광 광을 생성하는 레이저가 사용될 수 있다. 예를 들어 헬륨 - 네온(HeNe) 레이저를 사용할 수 있다.However, a laser may not be the most effective light source for all applications. For example, a partial laser produces polarized light. Since the axes of the NV center can not all be oriented in the same direction, the laser's polarized light can excite the NV center oriented in one direction rather than the NV center oriented in the other direction. When sensitivity is required in all directions (or in more than one direction), unpolarized light may be used. Non-polarized light can (even) more affect NV centers of different orientations. In such a case, a light source such as a light emitting diode (LED) may be used as the light source. In some cases, a laser that produces unpolarized light may be used. For example, a helium-neon (HeNe) laser can be used.
몇몇 경우, 레이저는 LED에 비해 상대적으로 부피가 크고 크기가 크다. 이러한 경우 NV 중심이 있는 다이아몬드를 사용하는 자력계의 광원으로 LED를 사용하면보다 작고 다양한 센서를 제공할 수 있다. 어떤 경우에는 레이저가 LED보다 광을 생성하는 데 전력을 더 많이 사용한다. 그러한 경우에, LED는 배터리와 같은 전원이 더 오래 지속되고, 작아지며 및/또는 더 적은 전력을 제공할 수 있게 한다.In some cases, lasers are relatively bulky and large in size compared to LEDs. In this case, LEDs can be used as the light source of a magnetometer using NV-centered diamond to provide smaller and more diverse sensors. In some cases, lasers use more power to generate light than LEDs. In such a case, the LED allows a power source such as a battery to last longer, smaller, and / or provide less power.
도 117은 예시적인 실시예에 따른 자력계의 블록도이다. 예시적인 자력계(11700)는 LED(11705), 광원 광(11710), 다이아몬드(11715), 적색광(11720), 필터(11725), 필터링된 광(11730), 광 검출기(11735) 및 무선 주파수 송신기(11745)를 포함한다. 또는 다른 요소들이 사용될 수 있다.117 is a block diagram of a magnetometer in accordance with an exemplary embodiment. The
LED(11705)는 소스 광(11710)을 생성하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 광원이 소스 광(11710)을 생성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 비 편광 광을 생성하는 광원이 사용될 수 있다. LED가 사용되는 실시예에서, 임의의 적절한 LED가 사용될 수 있다. 예를 들어, LED(11705)는 주로 녹색광, 주로 청색광 또는 적색광보다 짧은 파장을 갖는 임의의 다른 적합한 광을 방출할 수 있다.LED 11705 can be used to generate source light < RTI ID = 0.0 > 11710. < / RTI > In another embodiment, any suitable light source may be used to generate source light 11710. [ For example, a light source that generates unpolarized light may be used. In an embodiment where an LED is used, any suitable LED may be used. For example, the LED 11705 can emit primarily green light, mainly blue light, or any other suitable light having a shorter wavelength than red light.
몇몇 실시예에서, LED(11705)는 백색광과 같은 임의의 적절한 광을 방출한다. 광은 다이아몬드(11715)에 들어가기 전에 하나 이상의 필터를 통과할 수 있다. 필터는 원하는 파장이 아닌 광을 필터링할 수 있다.In some embodiments, the LED 11705 emits any suitable light, such as white light. Light may pass through more than one filter before entering
소스 광(11710)은 LED(11705)에 의해 방출된다. 소스 광(11710)은 임의의 적절한 광일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 소스 광(11710)은 500 나노 미터(nm)와 600 나노 미터 사이의 파장을 갖는다. 예를 들어, 소스 광(11710)은 532 nm(예를 들어, 녹색 광), 550 nm 또는 518 nm의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 소스 광(11710)은 청색(예를 들어, 450 nm만큼 낮은 파장을 가짐)일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 소스 광(11710)은 450 nm보다 낮은 파장을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 소스 광(11710)은 적색 이외의 임의의 색의 가시 광선일 수 있다.The source light 11710 is emitted by the LED 11705.
예시적인 다이아몬드(11715)는 하나 이상의 질소 공석 중심(NV 중심)을 포함한다. 위에서 설명한 것처럼 NV 중심의 각 축은 여러 방향 중 하나의 방향으로 배향될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각각의 NV 중심은 4 개의 방향 중 하나의 방향으로 배향된다. 몇몇 실시예에서, 임의의 특정 축 방향을 갖는 NV 중심의 분포는 다이아몬드(11715) 전체에 걸쳐 균일하다. 다이아몬드(11715)는 임의의 적당한 크기일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다이아몬드(11715)는 소스 광(11710)이 비교적 높은 광 밀도를 제공하도록 크기가 정해진다. 즉, 다이아몬드 중심(11715)은 NV 중심의 전부 또는 거의 전부가 소스 광(11710)에 의해 여기되도록 크기가 정해질 수 있다. 부분 예에서, LED(11705)는 레이저보다 적은 광을 방출한다. 그러한 경우에, NV 중심의 전부 또는 거의 전부가 여기되도록 LED(11705)와 함께 더 얇은 다이아몬드가 사용될 수 있다. 다이아몬드는 소스 라이트(11710)가 이동하는 방향으로 "더 얇을"수 있다. 따라서, 소스 광(11710)은 다이아몬드(11715)를 통해 더 짧은 거리를 이동한다.
자석(11740)은 자기장을 제공하는데 사용될 수 있다. 다이아몬드(11715)에 자기장이 가해지고 다이아몬드(11715)를 통해 광이 이동하는 경우, NV 중심은 다이아몬드(11715)로부터 방출된 적색광의 양을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 소스 광(11710)이 순수한 녹색광이고 다이아몬드(11715)에 인가된 자기장이 없는 경우, 다이아몬드(11715)로부터 방출된 적색광(11720)은 적색광(11720)의 베이스 라인 레벨로서 사용된다. 마그넷(11740)을 통해와 같이 다이아몬드(11715)에 인가되는 자기장이 존재할 때, 적색광(11720)의 양은 세기가 변한다. 따라서, 적색광(11720)에서베이스 라인으로부터의 적색광의 양(예를 들어, 다이아몬드(11715)에 인가된 자기장이 없음)을 모니터함으로써, 다이아몬드(11715)에 인가된 자기장이 측정될 수 있다. 부분 예에서, 다이아몬드(11715)로부터 방출된 적색광(11720)은 임의의 적합한 파장일 수 있다.
고주파 송신기(11745)는 다이아몬드(11715)에 전파를 송신하는데 사용될 수 있다. 다이아몬드(11715)에 의해 흡수된 전파의 주파수에 기초하여 다이아몬드(11715)로부터 방출된 적색광의 양은 변화한다. 따라서, 고주파 송신기(11745)로부터 방출된 전파의 주파수는 광 검출기(11735)에 의해 감지된 적색 광의 양이 변할 수 있다. 무선 주파수 송신기(11745)에 의해 방출된 전파의 주파수에 대한 광 검출기(11735)에 의해 감지된 적색광의 양을 모니터링함으로써, 자석(11740)에 의해 다이아몬드(11715)에 인가된 자계의 세기가 결정될 수 있다.The
예시적인 실시예에서, 광 검출기(11735)는 다이아몬드(11715)로부터 방출된 광을 수신하는데 사용된다. 광 검출기(11735)는 다이아몬드(11715)로부터 방출된 광을 분석하도록 구성된 임의의 적절한 센서일 수 있다. 예를 들어, 광 검출기(11735) 적색광(11720)에서 적색광의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.In the exemplary embodiment,
도 117에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예는 필터(11725)를 포함한다. 필터(11725)는 적색광(11720)을 필터링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 필터(11725)는 적색광이 필터(11725)를 통과하도록 허용하는 적색 필터일 수 있다 대안 적 실시예들에서, 임의의 적절한 필터(11725)가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 필터(11725)는 사용되지 않는다. 필터(11725)를 포함하는 실시예에서, 다이아몬드(11715)로부터 방출된 적색광(11720)은 필터(11725)를 통과하고(필터(11725)로부터 방출된) 필터링된 광(11730)은 광 검출기(11735)로 진행한다. 필터(11725)가 사용되면, 광 검출기(11735)가 해당 광(예를 들어, 적색 광)만을 검출하고 다른 광(예를 들어, 녹색 광, 청색 광 등)이 광 검출기(11735)의 감도에 영향을 주지 않기 때문에 더 큰 감도가 달성될 수 있다.As shown in Figure 117, some embodiments include a
도 118은 예시적인 실시예에 따른 자력계의 분해도이다. 예시적인 자력계(11800)는 LED(11805), 하우징(11810), 광원 광 센서(11815), 미러 관 조립체(11820), 전자기 유리(11825), 집광기(11830), 유지 링(11835), 다이아몬드 조립체(11840), 집광기(11845), 변조된 광 센서(11850), 센서 플레이트(11855), 및 렌즈 튜브 결합기(11860)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가의, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 또한,도 118에 도시된 실시예는 단지 설명을 위한 것이지 요소의 방향, 크기 또는 위치와 관련하여 제한하려는 것이 아니다.118 is an exploded view of a magnetometer in accordance with an exemplary embodiment.
예시적인 LED(11805)는 LED(11805)에 의해 생성된 환경 열로 방산하도록 구성된 방열판을 포함한다. 도 118에 도시된 실시예에서, LED(11805)의 적어도 일부분예를 들어, 원통형 부분)은 하우징(11810) 내에 맞추어 장착된다. 하우징(11810) 내의 LED(11805)에 인접하여 미러 튜브 조립체(11820)가 있다. 미러 튜브 조립체(11820)는 LED(11805)로부터의 광을 집속 빔에 집중하도록 구성된다.The
광원 광 센서(11815)는 LED(11805)로부터 방출된 광의 부분을 수신하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 광원 광 센서(11815)는 녹색 필터를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 소스 광 센서(11815)는 대부분 또는 모든 녹색 광을 수신한다. 소스 광 센서(11815)가 사용되는 실시예에서, 소스 광 센서(11815)에 의해 감지된 녹색 광량은 변조된 광 센서(11850)에 의해 감지된 적색 광의 양과 비교되어 다이아몬드 조립체(11840)에 적용된 자기장의 크기를 결정할 수 있다. 전술 한 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 소스 광 센서(11815)는 사용될 수 없다. 이러한 실시예에서, 변조된 광 센서(11850)에 의해 감지된 적색광의 양은 다이아몬드 조립체(11840)에 인가된 자기장의 크기를 결정하기 위해 적색광의 기본 양과 비교될 수 있다.Light source
소스 광 센서(11815)를 사용하는 것과 같은 몇몇 실시예에서, 전자기 유리(11825)는 소스 광 센서(11815)와 다이아몬드 조립체(11840) 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다이아몬드 조립체(11840)는 전자기 간섭(EMI) 신호를 발생시킨다. 부분 예에서, 소스 광 센서(11815)는 EMI 신호에 민감할 수 있다. 즉, 소스 광 센서(11815)는 소스 광 센서(11815)에 영향을 미치는 EMI가 적을 때 더 잘 수행된다. 전자기 유리(11825)는 광이 전자기 유리(11825)를 통과할 수 있게 하지만 전자기 신호의 송신을 금지한다. 임의의 적합한 전자기 유리(11825)가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 임의의 적합한 EMI 감쇠기가 사용될 수 있다.In some embodiments, such as using the source
집광기(11830)는 미러 튜브 조립체(11820)(및/또는 전자기 유리(11825))로부터의 광을 보다 좁은 광 빔으로 집중시키도록 구성될 수 있다. 농축기(11830)는 포물선과 같은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 다이아몬드 조립체(11840)는 하나 이상의 NV 중심을 갖는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 집광기(11830)는 LED의 단면적과 유사한 단면적을 갖는 광의 빔에 LED(11805)로부터의 광을 집중시킬 수 있다. 즉, LED(11805)로부터의 광은 LED(11805)로부터 가능한 한 많은 광이 다이아몬드를 통과하도록 및/또는 가능한 한 많은 NV 중심이 되도록 다이아몬드를 광으로 가장 효과적으로 흡수시키도록 집중될 수 있다. 농축기(11830)는 농축기(11830)를 하우징(11810) 내의 안전한 위치에 유지하도록 구성된 링 장착부를 포함할 수 있다.
다이아몬드 조립체(11840)는 임의의 적합한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술 한 바와 같이, 다이아몬드 조립체(11840)는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 다이아몬드 조립체(11840)는 다이아몬드 조립체(11840)의 중심에 위치될 수 있다. 다이아몬드 조립체(11840)는 또한 다이아몬드에 인가된 전자기 신호를 변조하도록 구성된 하나 이상의 회로 보드를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 다이아몬드 조립체(11840)는 헬름홀츠 코일을 포함한다. 예를 들어, 3 차원 헬름홀츠 코일은 원하지 않는 자기장을 상쇄하거나 방해하여 다이아몬드에 영향을 줄 수 있다. 예시적인 실시예에서, 회로 보드 또는 다른 전자 기기는 EMI 신호를 방출할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다이아몬드 조립체(11840)는 다이아몬드로부터 방출된 적색광이 변조된 포토 센서(11850)를 통과할 수 있게하는 적색 필터를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 적색 필터는 다이아몬드와 변조된 광 센서(11850) 사이에서 적당한 위치에 위치할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 적색 필터는 사용될 수 없다.
몇몇 실시예에서, 유지 링(11835)은 자력계(11800)의 하나 이상의 요소를 하우징(11810) 내에 유지시키는데 사용될 수 있다.도 118은 2 개의 유지 링(11835)을 도시하지만, 임의의 적절한 개수의 유지 링(11835) 익숙한. 몇몇 실시예에서, 유지 링(11835)은 사용될 수 없다.In some embodiments, retaining
농축기(11830)와 유사하게, 농축기(11845)는 다이아몬드 조립체(11840)로부터 방출된 광을 보다 좁은 빔으로 집중시키도록 구성된다. 예를 들어, 집광기(11830)는 변조된 광 센서(11850)와 동일하거나 유사한 단면적을 갖는 빔으로 광을 집중시키도록 구성될 수 있다. 집광기(11845)는 다이아몬드 조립체(11840)로부터 가능한 한 많은 광을 변조된 광센서(11850)으로 집속시키도록 구성될 수 있다. 변조된 광 센서(11850)에 의해 감지되는 다이아몬드 조립체(11840)로부터 방출되는 광량을 증가시킴으로써 자력계(11800)의 감도가 증가될 수 있다.Similar to
위에서 언급한 바와 같이, 전자기 유리(11825)는 다이아몬드 조립체(11840)와 변조된 광 센서(11850) 사이에 위치하여 변조된 광 센서(11850)를 다이아몬드 조립체(11840)으로부터 방출된 EMI 신호로부터 보호할 수 있다. 센서 플레이트(11855)는 변조된 광 센서(11850)가 집광기(11845)(및/또는 다이아몬드 조립체(11840))로부터 집중된 광선을 수용하도록 제 위치에 변조된 광 센서(11850)를 고정하는데 사용될 수 있다. 렌즈 튜브 커플러(11860)는 하우징(11810)에 대한 엔드 캡(end cap)으로서 사용될 수 있고, 이에 의해 다양한 요소를 하우징(11810) 내부의 제 위치에 유지할 수 있다.As noted above, the
도 119는 예시적인 실시예에 따라 자기장을 검출하는 방법의 흐름도이다. 다른 실시예에서, 추가, 더 적은, 및/또는 상이한 동작들이 수행될 수 있다. 또한, 흐름도 및 화살표의 사용은 동작의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 동작들이 동시에 수행될 수 있다.119 is a flow diagram of a method of detecting a magnetic field in accordance with an exemplary embodiment. In other embodiments, additional, fewer, and / or different operations may be performed. Also, the use of flow diagrams and arrows is not intended to be limiting with respect to the sequence or flow of operations. For example, in some embodiments, one or more operations may be performed concurrently.
동작(11905)에서, 전력이 발광 다이오드(LED)에 제공된다. 임의의 적절한 양의 전력이 제공될 수 있다. 예를 들어, 5 밀리 와트(mW) LED를 사용할 수 있다. LED는 두 개 이상의 AA배터리로 전원 공급이 가능하다. 다른 실시예에서, LED는 더 많은 또는 더 적은 전력을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, LED에 제공되는 전력의 양은 특정 애플리케이션에 기초하여 조정된다. 몇몇 실시예에서, 동작(11905)은 LED에 펄스 전력을 제공하여 LED가 번갈아 가며 밝아 지도록 한다. 이러한 실시예에서, 임의의 적절한 주파수 및/또는 패턴이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 동작(11905)은 임의의 적절한 장치가 비 편광을 방출하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.In
동작(11910)에서, LED로부터 방출된 광이 감지된다. LED에서 광을 감지하는 것은 광 검출기를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 동작(11910)은 LED로부터 방출된 녹색광의 양을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동작(11910)은 수행되지 않는다.In
동작(11915)에서, LED로부터의 광은 다이아몬드에 집중된다. 다이아몬드는 하나 이상의 NV 중심을 포함할 수 있다. 광은 LED의 광으로 가능한 한 많은 NV 중심을 자극하도록 집중될 수 있다. 임의의 적절한 집속 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, LED 또는 광 파이프를 사용하여 LED에서 다이아몬드로 광을 집중시킬 수 있다.In
동작(11920)에서, 다이아몬드로부터의 광은 광 검출기에 집중된다. LED의 광은 다이아몬드를 통과하고 다이아몬드에 의해 변조되며 다이아몬드에서 방출된다. 다이아몬드에서 방출된 광은 가능한 한 다이아몬드에서 방출된 많은 광이 광 검출기에 의해 검출되도록 검출기에 초점을 맞춘다. 동작(11925)에서, 다이아몬드로부터의 광이 광 검출기에 의해 감지된다. 예시적인 실시예에서, 동작(11925)은 다이아몬드로부터 방출된 적색광의 양을 결정하는 것을 포함한다.In
동작(11930)에서, 다이아몬드에 인가된 자기장이 결정된다. 동작(11910)이 수행되는 실시예에서, 다이아몬드에 의해 방출된 적색광의 양은 LED로부터 방출된 녹색광의 양과 비교되어 자기장을 결정한다. 동작(11910)이 수행되지 않는 실시예에서, 다이아몬드로부터 방출된 적색광의 양은 적색광의 기본 양과 비교된다. 다른 실시예에서, 다이아몬드에 인가된 자기장을 결정하는 임의의 적합한 방법이 사용될 수 있다.At
예시적인 실시예에서, LED로부터 방출된 광의 잡음이 보상될 수 있다. 이러한 실시예에서, LED로부터 방출된 광의 잡음은 동작(11910)에 사용되는 광 검출기와 같은 광 검출기에 의해 검출될 수 있다. LED로부터 방출된 광의 잡음은 다이아몬드를 통과하고 동작(11925)에 사용된 광 검출기와 같은, 다이아몬드로부터 방출된 광을 감지하는 광 검출기에 의해 감지된다. 일 실시예에서, 동작(11910)에서 검출된 광의 양은 동작(11930)에서 검출된 광으로부터 감산된다. 감산의 결과는 다이아몬드에 의한 광의 변화이다.In an exemplary embodiment, the noise of the light emitted from the LED can be compensated. In this embodiment, the noise of the light emitted from the LED can be detected by a photodetector, such as a photodetector used in
이중 RF 소스를 갖는 다이아몬드 질소 공석 센서Diamond Nitrogen Vacuum Sensor with Dual RF Source
도 120은 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서(12000)의 부분을 도시하는 개략도이다. 도 6에 도시된 자기 센서는 단일 RF 여기 소스(630)를 사용했다. 도 120에 도시된 DNV 센서(12000)는 두 개의 분리된 RF 요소를 사용한다. 상부 RF 요소(12004) 및 하부 RF 요소(12008)는 마이크로 웨이브 RF를 다이아몬드(12020)에 제공하기 위해 사용된다. 도 120에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(12020)는 두 RF 요소(12004 및 12008) 사이에 샌드위치된다. RF 소자들(12004 및 12008) 사이에서 공간(12006)이 모든 광의 진입 또는 퇴출에 사용될 수 있다. 또한, 광은 공간(12002 및/또는 12010)을 통해 센서로 들어가거나 빠져 나갈 수 있다. 따라서, 다양한 위치로부터 다이아몬드(12020) 상에 광을 보일 수 있고, 광 다이오드와 같은 광 센서가 다양한 위치에서 사용되어 적색광 다이아몬드(12020)를 빠져 나간다.120 is a schematic diagram showing a portion of a
도 121은 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 밀폐형 DNV 센서의 도면이다. 이러한 구현에서, RF 요소는 2 개의 회로 보드(12112) 상에 위치한다. 도 121에 도시되지는 않았지만, 도 123의 12320으로 도시된 다이아몬드는 회로 보드(12112) 사이에 위치한다. RF 요소는 하나 이상의 스파이럴 요소 n 개의 루프 수. 예를 들어, 각각의 RF 요소는 2, 3, 4 등 루프를 갖는 단일 나선형을 포함할 수 있다. 다른 구현들에서, RF 요소는 서로 겹쳐 쌓인 2, 3, 4, 5 등과 같은 다수의 나선을 포함할 수 있다. 이러한 구현에서 각 나선의 루프 수는 동일하거나 다를 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 각각의 RF 요소는 각각 4 개의 루프를 갖는 5 개의 나선을 포함한다. 이러한 요소는 융합 접착된 다층 유전체를 사용하여 만들 수 있다.121 is a diagram of a closed DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. In this implementation, the RF element is located on two
스페이서(12114)는 개개의 회로 보드를 분리한다. 센서 조립체는 또한 유지 링(12108) 및 플라스틱 장착 판(12116)을 포함한다. 도시된 센서 조립체는 1 인치 ID 렌즈 튜브와 같은 렌즈 튜브(12104)와 함께 포함된다. 센서 조립체는 또한 센서 조립체에 전력을 공급하는데 사용될 수 있는 직류 커넥터(12106)를 포함한다. 조립체는 또한 광 센서(12140)를 포함한다.The
이 도시된 구현에서, RF 요소들은 동축 케이블일 수 있는 RF 공급 케이블(12102)로부터 공급된다. RF 공급 케이블(12102)은 RF 커넥터(12110)를 통해 조립체에 부착된다. 다른 구현에서, 제 2 RF 공급 케이블이 사용될 수 있다. 이 구현에서 각 RF 요소는 별도의 RF 신호를 사용하여 공급된다.In this illustrated implementation, the RF components are supplied from an
도 122a 및 122b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립 부의 개략도이다. 예시된 조립체 부분은도 121에 도시된 구현에서 사용될 수 있다.도 122a는 조립체의 일 측면을 도시한다. 이면은 광이 RF 요소들 사이의 다이아몬드에 도달하도록 하는 진입 부(12202)를 포함한다. 이 구현에서 입구 부분은 조립체의 중심에 있다. 다른 구현들에서, 입구 부분은 조립체의 직경을 따라 RF 요소들 사이에 위치될 수 있다.122A and 122B are schematic views of an assembly of a DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. The illustrated portion of the assembly can be used in the embodiment shown in Figure 121. Figure 122a shows one side of the assembly. The back side includes an
도 122b는 도 122a에 도시된 조립체의 대향 측면을 도시한다. RF 요소(12214)를 포함하는 회로 기판 요소는 RF 요소를 분리하는 공간(12212)과 함께 도시되어있다. RF 요소에 RF 소스 신호를 제공하는 RF 커넥터(12210)가 도시되어있다. 광 센서(12240)는 또한 조립의 중간에 도시되어 있다. 사진 센서 아래에는 출구 부분이 있다. 광이 진입 부(12220)를 통해 비추어 질 때, 광은 2 개의 RF 요소들 사이의 조립체 내에 포함된 다이아몬드(도시되지 않음)를 통과 할 것이다. 광은 다이아몬드를 통과하여 조립체의 반대쪽으로 나가고 포토 센서(12240)에 도달한다. 광 센서는 광의 파장과 같은 광의 특성을 측정할 수 있다.Figure 122B shows the opposite side of the assembly shown in Figure 122A. The circuit board element comprising the
도 123은 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 일부의 단면도이다. DNV 센서의 그 부분은 도 122a 및 122b에 도시된 조립체의 부분과 동일하고 도 121에 도시된 DNV 센서에서 사용될 수 있다. 센서 조립체의 단면은 그 조립체(12330)의 그 부분에 도시된 바와 같이 이루어진다. 다이아몬드(12320)는 상부 RF 요소(12304)와 하부 RF 요소(12308) 사이에 위치하는 것으로서 가시화된다. 스페이서(12310)는 RF 요소(12304 및 12308)를 분리한다. 조립체의 진입부는 다이아몬드(12320) 바로 위에 도시되어있다. 광은 이 진입부를 통해 조립체로 들어갈 수 있고 다이아몬드(12320)을 통과할 수 있다. 다이아몬드를 빠져 나오는 광은 조립체의 출구 부분을 통과하여 광 센서(12340)에 도달할 수 있다. 공간을 통한 부가적인 출구 부분이 또한 사용될 수 있다. 따라서, 광은 다이아몬드의 면 및/또는 다이아몬드의 모서리를 통해 획득될 수 있다.123 is a cross-sectional view of a portion of a DNV sensor having dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. The portion of the DNV sensor is identical to the portion of the assembly shown in Figures 122a and 122b and can be used in the DNV sensor shown in Figure 121. [ A cross section of the sensor assembly is made as shown in that part of the
전술한 바와 같이, RF 요소는 별도의 RF 공급에 의해 공급될 수 있고, 다이아몬드의 다양한 면 및/또는 에지로부터 광이 획득될 수 있다. 도 124는 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서를 도시하는 개략도이다. DNV 센서는 광원 및 포커싱 렌즈 조립체(12402)를 포함한다. 광원은 레이저 또는 LED와 같은 다양한 광원일 수 있다. 도 124에서 광원은 LED이다. 히트 싱크(12408)는 광원으로부터 열을 방출하기 위해 사용된다. DNV 조립체는 요소 구조(12406)에 수용되고 아래에서 더 상세하게 설명된다. 도시된 구현에서, 소자 구조(12460)는 센서 내에 고정된다. 이 구현이 별도의 RF 공급을 포함하기 때문에, 2 개의 RF 케이블(12404)이 DNV 조립체에 제공된다. 따라서 RF 소자에 제공되는 RF 신호는 동일하거나 피드 신호가 다를 수 있다. 몇몇 구현에서, RF 신호는 NV 다이아몬드 조립체의 구성 요소의 구성에 기초하여 상이하다. 예를 들어, 한 RF 요소가 다른 RF 요소와 비교하여 NV 다이아몬드보다 약간 더 멀리 있는 경우, 다른 RF 신호를 사용하여 거리의 차이를 고려할 수 있다.As described above, the RF elements can be supplied by separate RF feeds, and light can be obtained from various sides and / or edges of the diamond. 124 is a schematic diagram illustrating a DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. The DNV sensor includes a light source and a focusing
도 125는 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 도 124의 DNV 센서의 단면도이다. 따라서, DNV 센서는 광원 방열판(12508)을 포함한다. 또한, 광원 및 초점 렌즈 조립체 내의 요소들 및 소자 구조가 보여 질 수 있다. 광원 및 초점 렌즈 조립체는 LED(12502) 및 하나 이상의 초점 렌즈(12504)를 포함한다. LED(12502)로부터의 광은 NV 다이아몬드(12520) 상에 하나 이상의 초점 렌즈(12504)를 사용하여 집속된다. 이 구현에서, 광은 NV 다이아몬드(12520)의 가장자리에 들어가고 NV 다이아몬드(12520)의 하나 이상의 면으로부터 방출된다. 도 125에서, NV 다이아몬드(12520)의 상부면 및 하부면 모두로부터 광이 방출된다. 따라서, NV 다이아몬드 위아래에 위치한 2 개의 광 센서 조립체(12540 및 12542)가 있다. 이들 광 센서 조립체(12540 및 12542)는 NV 다이아몬드(12520)로부터 방출되는 광을 검출하는 광 다이오드를 포함할 수 있다.125 is a cross-sectional view of the DNV sensor of FIG. 124 with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. Thus, the DNV sensor includes a light source heat sink 12508. [ In addition, elements and element structures within the light source and the focus lens assembly can be seen. The light source and focus lens assembly includes an
NV 다이아몬드는 2 개의 RF 요소(12530 및 12532) 사이에 위치한다. 이들 RF 요소는 NV 다이아몬드 전체에 균일하게 마이크로파 RF 신호를 제공한다. 광은 NV 다이아몬드(12520)의 상면 및하면을 통해 방출되어 광 센서 조립체(12540 및 12542) 중 하나로 이동한다. 광 센서 조립체(12540 및 12542) 사이에는 감쇠기(12534)가 있다. 감쇠기는 생성된 RF를 감소시키거나 제거하고, 센서의 다른 요소들과의 간섭을 피하기 위해 RF 요소에 의해 감지된다. 방출된 광은 각 광 센서 조립체와 NV 다이아몬드 사이에 있는 광 파이프(12536)를 통해 이동한다. 다양한 구현에서, 광 파이프의 적어도 부분은 감쇠기 내에 위치된다. 이러한 구성은 광 감지 어레이가 NV 다이아몬드에 더 가깝게 배치되고 센서의 EMI에 영향을 받지 않게 한다. 감쇠기 내의 광 도파관의 부분을 수용하는 이점에 대한 더 자세한 설명은 본 출원과 같은 날에 출원된 "광 도관을 갖는 자력계"라는 제목의 미국 특허 출원 번호 __ / ___, ___, 이들은 본원에 참고로 포함된다.The NV diamond is located between the two
도 126은 몇몇 예시적인 구현에 따른 듀얼 RF배치 및 레이저 장착을 갖는 DNV 센서를 도시하는 개략도이다. 도시된 구현에서, 광원은 레이저 및 초점 렌즈 조립체(12602)에 포함된 레이저로 변경되었다. 도시된 구현에서, NV 다이아몬드는 조절 가능한 구조로 수용된다. 회전 가능한 조절 조립체(12604)는 NV 다이아몬드가 회전되도록 한다. x-y-z 조절 조립체(12606)는 NV 다이아몬드 및 다양한 요소가 3D 공간에 배치되도록 한다. NV 다이아몬드의 위치가 변경될 수 있기 때문에, NV 다이아몬드 조립체로 광의 진입을 조절하는 데 사용되는 x-y 조정 조립체(12604)가 있다.126 is a schematic diagram illustrating a DNV sensor with dual RF placement and laser mounting in accordance with some exemplary implementations. In the illustrated implementation, the light source was changed to a laser included in the laser and
도 127은 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치 및 레이저 장착을 갖는도 126에 도시된 DNV 센서의 단면도이다. NV 다이아몬드(12720)는 2 개의 RF 요소(12732) 사이에 위치한다. 광 파이프(12730)는 NV 다이아몬드로부터 2 개의 광 감지 조립체(12740) 중 하나로 이동하기 위해 NV 다이아몬드(12720)의 면을 빠져 나가는 광의 경로를 제공한다. 다양한 구현에서, 각 광 파이프(12730)의 최소한 일부는 감쇠기(12734)와 함께 수용된다. 다른 구현에서, DNV 센서는 감쇠기(12734)를 포함하지 않는다. 회전 가능한 조정 조립체는 NV 다이아몬드 및 RF 요소와 같은 관련 요소, 예를 들어, NV 다이아몬드 조립체가 이렇게 하면 다이아몬드의 광이 진입하는 부분을 변경하고 NV 다이아몬드(12720)에서 나오는 광이 어디에서 획득되는지 변경할 수 있다. 예를 들어, NV 다이아몬드는 가장자리 나면에서 다이아몬드에 광이 들어가도록 회전시킬 수 있다.Figure 127 is a cross-sectional view of the DNV sensor shown in Figure 126 with dual RF devices and laser mounts in accordance with some exemplary implementations. The
x-y-z 조정 조립체는 NV 다이아몬드 조립체 내의 NV 다이아몬드 및 관련 요소의 위치가 변경되도록 한다. 이 조립체는 광이 NV 다이아몬드에 들어가는 위치와 방출된 광이 어디에서 획득 될지에 대한 제어를 허용한다. x-y 조정 조립체는 NV 다이아몬드 조립체 내의 NV 다이아몬드의 회전 및 위치에 관계없이 광이 NV 다이아몬드 조립체에 들어갈 수 있도록 광원도 움직일 수 있게 한다.The x-y-z adjustment assembly allows the location of the NV diamond and related elements in the NV diamond assembly to change. This assembly allows control over where the light enters the NV diamond and where the emitted light will be obtained. The x-y adjustment assembly allows the light source to move so that light enters the NV diamond assembly, regardless of the rotation and position of the NV diamond within the NV diamond assembly.
도 128a 및 128b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립체 부분의 개략도이다. 도 128a는 DNV 센서의 조립 부의 일 측면을 도시하고, 도 128b는 조립체의 대향 측면을 도시한다. 예시된 구현에서, 두 개의 광 방출 섹션(1280 및 12810)이있다. 이들 부분은 방출된 광이 조립체를 떠나 포토 소자에 의해 검출되도록 한다. 조립체는 상부 RF 요소(12804) 및 하부 RF 부분(12806)의 2 개의 RF 요소를 포함한다. 이들 RF 요소는 동일한 RF 신호를 사용하여 공급될 수 있거나 RF 커넥터(12802) 및 RF 커넥터(12812)를 통해 별개 RF 신호가 공급될 수 있다. NV 다이아몬드(12804, 12806) 사이에 위치한다. 광원으로부터의 광은 RF 요소(12804, 12806) 사이의 공간을 통해 다이아몬드에 진입한다. 광은 광 출사 부(12808 및 12810)를 통해 NV 다이아몬드로부터 방출된다.128A and 128B are schematic diagrams of an assembly portion of a DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. 128a shows one side of the assembly of the DNV sensor, and Fig. 128b shows the opposite side of the assembly. In the illustrated implementation, there are two light emitting
도 129a 및 129b는 몇몇 예시적인 구현에 따른 이중 RF 장치를 갖는 DNV 센서의 조립체 부분의 개략도이다. 도 129a 및 129b는 도 128a 및 128b에 도시된 DNV 센서의 조립체를 더 도시한다. NV 다이아몬드(12920)는 스페이서 또는 플라스틱 정렬판과 같은 다이아몬드 정렬판 내에 위치하는 것으로 도시되어있다. 예시된 구현에서, RF 소자 사이에 광이 들어간다. 예를 들어, 광은 조립체의 광 침투 부분(12910)을 통해 다이아몬드에 진입할 수 있다. RF 요소(12902 및 12904)는 RF 피드 케이블 커넥터(12906 및 12908)와 함께도 129a에 도시된다.129A and 129B are schematic views of an assembly portion of a DNV sensor with dual RF devices in accordance with some exemplary implementations. 129A and 129B further illustrate the assembly of the DNV sensor shown in Figs. 128A and 128B. NV diamond 12920 is shown as being located in a diamond alignment plate such as a spacer or plastic alignment plate. In the illustrated implementation, light enters between the RF devices. For example, light may enter the diamond through the light-penetrating
다이아몬드 질소 공석 센서를 위한 감소된 지령 세트 제어기Reduced command set controller for diamond nitrogen vacancy sensors
다음은 DNV(diamond nitrogen vacancy)와 같은 다중 RF 신호 및 자기 측정을위한 디지털 출력 신호의 동기 제어를 제공하기 위한 방법, 장치 및 시스템과 관련된 다양한 개념의 보다 상세한 설명이다. 본 기술은 유연하고 민감한 DNV 자기 계측을 위해 제어된 단일 사이클 타이밍 요구 사항을 통해 동기 제어를 제공할 수 있다. 몇몇 구현에서, 개시된 시스템은 구성 가능한 신호 합성기에 결합된 축소 명령 세트(RISC) 프로세서를 포함한다. 구성 가능한 신호 합성기는 수신된 데이터의 주파수 시프트, 디지털 출력 및 초기 동기 전처리를 위한 단일 사이클 명령을 수행하여 디지털 제어, 획득 및 파형 생성이 동기화를 위해 동일한 클럭 사이클에서 수행될 수 있도록 구성될 수 있다. 본 기술의 특별히 고안된 단일주기 동작은 디지털 제어, 획득 및 파형 생성에 보다 정확하고 결정적인 타이밍을 제공할 수 있다. 부분 구현에서 RF 파형 생성 및 디지털 제어 출력은 간단한 시퀀스에서부터 복잡한 적응 제어 패턴에 이르는 구성 가능한 패턴으로 조정된다.The following is a more detailed description of the various concepts related to methods, apparatus and systems for providing synchronous control of multiple RF signals such as diamond nitrogen vacancy (DNV) and digital output signals for magnetic measurements. This technology can provide synchronous control through controlled single-cycle timing requirements for flexible and sensitive DNV magnetic measurements. In some implementations, the disclosed system includes a reduced instruction set (RISC) processor coupled to a configurable signal synthesizer. The configurable signal synthesizer may be configured to perform a single cycle instruction for frequency shift, digital output and initial synchronization pre-processing of the received data so that digital control, acquisition and waveform generation can be performed in the same clock cycle for synchronization. The technology's specially designed single-cycle operation can provide more accurate and deterministic timing for digital control, acquisition and waveform generation. In a partial implementation, the RF waveform generation and digital control outputs are adjusted to a configurable pattern ranging from a simple sequence to a complex adaptive control pattern.
도 130은 단일 주기 합성, 제어 및 획득 시스템(13000)의 구현의 개관을 도시하는 블록도이다. 시스템(13000)은 DNV 센서의 다이아몬드 질소 공석과 같은 자기 계측을 위해 다중 RF 신호 및 디지털 출력 신호를 제어하도록 구성된다. 몇몇 구현에서, 시스템(13000)은 FPGA(field-programmable gate array)로서 구현될 수 있거나 ASIC(application specific integrated circuit)으로서 구현될 수 있다. 시스템 13000은 RF 파형 합성, 디지털 제어 및 획득을 위한 단일 사이클 집적 회로로 구현된다. 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템의 보다 상세한 구현이 도 131의 시스템(13100)으로 도시되어있다.130 is a block diagram illustrating an overview of an implementation of a single period synthesis, control, and
시스템(13000)은 데이터 처리 또는 획득 시스템(도시되지 않음)과 같은 외부 시스템으로부터 DNV 감지 정보를 수신하고, 프로그램 카운터(13020), 프로그램 메모리(13030) 및 획득 처리기(13080)과 통신적으로 연결된다. 호스트 인터페이스(13010)는 호스트 인터페이스(13010)를 통해 시스템(13000)과 통신할 수 있는, 도 132의 시스템(13200)과 같은 데이터 처리 시스템에 연결될 수 있다. 따라서, 데이터 처리 시스템은 프로그램 메모리(13030)에 대한 호스트 인터페이스(13010)를 통해 시스템(13000)에 제어 명령과 같은 명령을 축소 명령 세트로부터 출력할 수 있다. 데이터 획득 시스템은 또한 DNV 센서로부터의 펄스 처리된 데이터와 같은, 호스트 인터페이스(13010)를 통해 획득 프로세서(13080)로부터의 출력을 수신할 수 있다. 따라서, 호스트 인터페이스(13010)는 시스템(13000)의 컴포넌트와 외부 시스템 간의 통신을 제공한다. 호스트 인터페이스(13010)의 보다 상세한 설명이 도 131 및 도 132a의 호스트 인터페이스(13110)로서 도시되어 있다. 호스트 인터페이스(13010)는 프로그램 메모리(13030) 및 점프 제어(13070)와 통신하는 프로그램 카운터(13020)에 통신적으로 연결된다. 프로그램 카운터(13020)의 보다 상세한 구현이 도 131 및 도 131b의 프로그램 카운터(13120)에 도시된다. 프로그램 메모리(13030)의 보다 상세한 구현은 도 131 및 도 131c의 프로그램 메모리(13130a, 13130b)로서 도시된다. 점프 제어(13070)의 보다 상세한 구현은 도 131 및 도 132d 내지 도 132e의 지연(13140a) 및 점프 제어(13140b)를 갖는 점프 제어로서 도시된다. 프로그램 메모리(13030)는 디코더(13040)를 통해 출력을 인가되는 RF 파형을 생성하기 위한 CORDIC(좌표 회전 디지털 컴퓨터) 합성(13050)의 RF 파형 발생기, 레이저 온/오프 타이밍을 제어하는 디지털 제어부(13060)를 포함하고, 점프 제어(13070)는 프로그램 카운터(13020)에 피드백을 제공한다.
CORDIC 합성(13050)은 디지털 업 또는 다운 컨버전을 제공하고, RF 파형 생성을 위해 런타임 구성 가능 기본 주파수 및 증가를 가질 수 있다. CORDIC 합성(13050)의 RF 파형 발생기는 RF 파형에 대한 사인파를 생성하기 위해 누산기에 의해 사용되는 램프의 경사도에 대한 단일 값을 출력하는 주파수 증분 및 주파수베이스 값을 이용한다. 정현파는 업 컨버터를 통해 처리되어 DNV 센서와 같은 자계 측정 구성 요소에 적용되는 RF 파형 신호를 생성한다. 몇몇 구현에서, CORDIC 합성(13050)은 RF 파형을 위상 시프트할 수 있다. 예를 들어 아날로그 또는 디지털 스위치를 임의의 파형 생성에 사용할 수 있다. RF 파형 발생기 및 CORDIC 합성(13050)의 보다 상세한 구현이 도 131 및 도 132f의 RF 파형 발생기(13150)로서 도시된다.
디지털 제어기(13050)는 DNV 센서와 같은 자기 계측 컴포넌트의 여러 측면에 대한 타이밍 제어를 제공한다. 디지털 제어기(13050)는 RF 게이팅 또는 스위치들을 포함하고 부가적인 제어를 위한 추가적인 일반 입력 또는 출력을 포함할 수 있다. 디지털 제어 장치(13050)는 DNV 센서의 질소 공석을 여기시키기 위한 레이저와 같은 자기 측정 요소의 활성화를 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다. 디지털 제어기는 멀티플렉서(MUX)를 통해 CORDIC 출력을 0으로 변환하여 RF 신호가 DNV 센서에 적용되지 않도록 할 수도 있다. 몇몇 구현에서, 디지털 제어기(13050)는 레이저의 광 펄스를 제어하기 위해 음향-광학 변조기(AOM)에 사용될 수 있고 및/또는 위상 시프트 제어에 사용될 수 있다. 디지털 제어(13050)는 디지털 I/Q와 같은 I/Q 구성 요소에 출력을 더 제공할 수 있다. 디지털 제어(13060)의 보다 상세한 구현은 도 131 및 도 132g의 디지털 제어(13160)로서 도시된다.
획득 프로세서(13080)는 DNV 센서의 광 검출기로부터 수신된 데이터와 같은 자기 계측 컴포넌트로부터 수신된 데이터의 초기 동기 전처리를 제공한다. 상기 획득 프로세서(13080)는 적색광, 적외선, 레이저 등의 데이터의 획득과 같은 데이터의 동시 획득을 위한 2 개의 코히어런트(coherent) 채널을 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 채널은 최대 4까지 체인 가능할 수 있다. 광 검출기를 갖는 구현에서, 획득 프로세서(13080)에 의해 수신된 데이터는 50 MHz, 100 MHz, 200 MHz 또는 그 이상의 속도일 수 있다. 시스템(13000)에서 외부 시스템으로 전송되는 데이터의 양을 줄이기 위해 획득 처리기는 데이터를 사전 처리하여 출력되는 데이터의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 몇몇 구현에서, 획득 프로세서(13080)는 DNV 센서의 광 검출기와 같은 자계 측정 구성 요소로부터 샘플을 동기 획득하고, 데이터의 데시메이션(decimation)과 같은 데이터를 전처리한다. 몇몇 구현에서, 획득 프로세스(13080)는 미리 결정된 수의 클럭 사이클 동안 누산기를 트리거하기 위한 디지털 출력을 포함할 수 있고, 그 다음 데이터의 처리를 위해 두 개의 적분 윈도우로부터 감산한다. 시스템(13000)의 단일주기를 기반으로 일관된 트리거를 제공함으로써 획득된 데이터의 전처리가보다 일관성을 유지할 수 있으므로 일관성없는 트리거로 인해 획득된 데이터의 민감도가 증가하고 잡음이 감소한다. 몇몇 구현에서, 획득 프로세서(13080)는 DC 블록 또는 AC 결합과 유사한 효과에 대한 디지털 적으로 제어 가능한 오프셋을 포함할 수 있다. 획득 프로세서(13080)의 보다 상세한 구현이 도 131 및 도 132h의 획득 프로세서(13170)로서 도시된다.
도시된 실시예에서, 시스템(13000)은 RF 파형을 생성하기 위한 CORDIC 합성기(13050)의 RF 파형 발생기, 레이저를 제어하기 위한 디지털 제어(13060) 온/오프 타이밍, 및 획득 프로세서(13080)는 동일한 클럭 사이클에서 동작한다. 프로그램 카운터(13020)가 디지털 제어(13050) 및 획득 프로세서(13080)에 대해 지연이 구현되도록 하는 동안 주 카운터(미도시)가 RF 파형 생성을 구동한다. 단일 사이클은 CORDIC 합성(13050), 디지털 제어(13060) 및 획득 처리기(13080)의 조정을 위한 레이저 및/또는 마이크로파 결정론적 타이밍 제어를 제공할 수 있다. 따라서, 단일주기는 CORDIC 합성(13050)의 RF 파형 생성으로 레이저 및 획득 처리기를 제어하기 위해 디지털 제어(13060)를 단단히 묶는다. 단일주기는 CORDIC 합성(13050), 디지털 제어(13060) -사이클은 CORDIC 합성(13050)에 의한 동기식 스텝 주파수 복소수 파형 합성을 허용하며 기본 시간을 잃지 않고 조정된 대용량 주파수 재조정(예를 들어, > 1GHz)을 허용한다. 단일 사이클 시스템(13000)은 또한 RF 파형 합성을 위한 주파수의 동기식 감소된 명령 세트 프로그램 제어를 제공할 수 있다. 단일 사이클을 구비한 도 1의 시스템(13000)도 또한 RF 파형 발생기, 디지털 제어 및/또는 획득 처리기에 별도의 구성 요소를 사용하는 시스템에 비해 중복 구성 요소를 감소시킨다. 몇몇 구현에서, 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13000)은 또한 2- 사이클 구현을 위해 구성될 수도 있다.In the illustrated embodiment, the
시스템(13000)은 조건부 브랜칭을 포함하여 클럭 사이클 당 하나의 명령을 발행하는 RISC(reduced instruction set) 엔진을 이용할 수 있다. 몇몇 구현에서, 감소된 명령 세트는 무조건 점프(jmp), 조건 점프(cjmp), 루프 카운터의 설정(setc <카운터 값>), 주파수의 설정(setf <주파수 값>), 디지털 제어 출력 자기장(seto <출력 자기장 값>), 주파수 증가(incf <증가 값>) 및 지정된 사이클 수(del <사이클 수 값>)에 대한 지연의 설정.
파라미터 변동을 수행하는 포괄적인 시스템으로서, 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13000)은 디지털 제어 장치(13060)를 통한 레이저 온/오프 타이밍을 위한 잠금 - 단계 정밀도, 시퀀싱된 마이크로파 파형 합성 및 RF 파형 발생기 및 CORDIC 합성(13050), 획득 프로세서(13070)를 통한 데이터 획득, 및 레이저 및/또는 마이크로파 결정론적 타이밍 제어를 포함할 수 있다. 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13000)은 여기 신호의 신속한 조정을 가능하게 하고, 타이밍을 잃지 않고 넓은 주파수 범위에서 튜닝함으로써 효과적인 실험을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 도시된 구성 요소 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 구성 요소를 포함할 수 있다. 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 구성 요소, 상이한 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 제공될 수 있다.A single cycle synthesis, control and
전술한 바와 같이, 도 131은 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13100)의 예시적인 구현을 도시한 회로도이다. 하나 이상의 구현에서, 도 131의 회로에 의해 구현되는 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13100)은 RF 내지 광학 영역에서 여러 가지 다양한 계측기 및 센서를 제어하는 고유한 요구 사항에 맞게 맞춤화된 DNV 애플리케이션을 위해 구성된 전용 하드웨어이다. RISC(reduced instruction set) 엔진은 조건부 분기의 경우에도 클록주기마다 하나의 명령어를 실행하도록 구성된다. RF 파형 발생기는 실행 시간 구성 가능한 기본 주파수 및 증분을 사용하여 디지털 업/다운 변환을위한 RF 파형을 CORDIC 합성에 제공한다. 디지털 제어 블록은 레이저 타이밍, RF 게이팅 및 추가 일반 제어 입력/출력(I / O)을 제공한다. 획득 처리기 블록은 적외선, 적외선(IR), 레이저 및 기타 유형의 광 획득을 동시에 수행할 수 있도록 두 개의 일관된 채널(잠재적으로 4까지 체인 가능)을 제공하도록 구성된다. 상기 획득 처리 블록은 또한 샘플들을 동기식으로 획득하고 DC 블로킹 또는 AC 결합과 같은 효과들을 허용하는 디지털 제어 가능한 아날로그 오프셋을 제공하도록 구성된다.131 is a circuit diagram illustrating an exemplary implementation of a single cycle synthesis, control, and
단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13100)의 유리한 특징의 예는 RF 파형 생성, 레이저 제어 및 데이터 획득의 단일 사이클 결정론적 타이밍 조정, 동기 스텝 주파수 복잡한 파형 합성, 주파수의 동기식 RISC 프로그램 제어, 시간축 상실 없이 조정된 대용량(예 : 1GHz 이상) 주파수 재조정 및 최소 명령 세트.Examples of advantageous features of the single cycle synthesis, control and
자기 계측에 사용하기 위한 소규모 또는 단일 칩, 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13000, 13100)을 제공함으로써, 시스템(13000, 13100)은 DNV 자력계를 구비한다., 단일 사이클 합성, 제어, 및 획득 시스템(13000, 13100)의 적용예는 단일 칩을 DNV 센서에 통합하고, 단일 칩을 DNV 기반의 지구 위치 시스템에 통합하고, 단일 칩을 분산 측정 포인트 시스템에 통합하는 단일 칩을 비밀 통신 시스템에 통합하는 DNV 이상 탐지 시스템이다. 무인 항공기(UAV), 마이크로 무인 항공기(μUAV), 미사일), 해저, 지하 및 감시(예 : 인공위성, 군집 위성 등)와 같은 소형 폼 팩터 무인 시스템에 단일 칩을 통합함으로써, 단일 칩을 낮은 SWAP(크기, 중량 및 전력) 응용에 통합하고 단일 칩, 단일 사이클 합성, 제어 및 획득 시스템(13000, 13100)을 사용하여 자동 실험 최적화를 수행한다.By providing a small or single chip, single cycle synthesis, control and acquisition system (13000, 13100) for use in magnetic measurements, the system (13000, 13100) comprises a DNV magnetometer. Single cycle synthesis, control, The application of the system (13000, 13100) integrates a single chip into a DNV sensor, integrates a single chip into a DNV-based geolocation system, integrates a single chip into a distributed measurement point system, DNV anomaly detection system. By integrating a single chip into a small form factor unmanned system such as UAV, UAV, missile, submarine, underground and surveillance (eg satellites, Size, weight, and power) applications and performs automated experiment optimization using a single-chip, single-cycle synthesis, control, and acquisition system (13000, 13100).
도 132는 본 기술의 부분 양상들을 구현하기 위한 시스템(13200)의 일례를 나타내는 도면이다. 시스템(13200)은 하나 이상의 프로세서 또는 하나 이상의 처리 시스템을 포함할 수 있는 처리 시스템(13202)을 포함한다. 프로세서는 하나 이상의 프로세서가 될 수 있다. 처리 시스템(13202)은 명령어들을 실행하기 위한 범용 프로세서 또는 특정 목적의 프로세서를 포함할 수 있고, 소프트웨어 및/또는 명령어들을 저장하기 위한 휘발성 또는 비 휘발성 메모리와 같은 기계 판독 가능 매체(13219)를 더 포함할 수 있다. 프로그램. 기계 판독 가능 매체(13210 및/또는 13219)에 저장될 수 있는 명령들은 다양한 통신 및 처리 기능을 제공 할뿐만 아니라 다양한 네트워크에 대한 액세스를 제어 및 관리하기 위해 처리 시스템(13202)에 의해 실행될 수 있다. 명령들은 또한 디스플레이(13212) 및 키패드(13214)와 같은 다양한 사용자 인터페이스 장치들을 위해 처리 시스템(13202)에 의해 실행되는 명령들을 포함할 수 있다. 처리 시스템(13202)은 입력 포트(13222) 및 출력 포트(13224)를 포함할 수 있다. 입력 포트(13222) 및 출력 포트(13224) 각각은 하나 이상의 포트를 포함할 수 있다. 입력 포트(13222) 및 출력 포트(13224)는 동일한 포트(예를 들어, 양방향 포트)일 수 있거나 상이한 포트일 수 있다.132 is a diagram illustrating an example of a system 13200 for implementing partial aspects of the present technique. The system 13200 includes a processing system 13202 that may include one or more processors or one or more processing systems. A processor may be one or more processors. The processing system 13202 may include a general purpose processor or a special purpose processor for executing instructions and may further include a machine readable medium 13219 such as a volatile or nonvolatile memory for storing software and / can do. program. The instructions that may be stored in the machine-
처리 시스템(13202)은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 예로서, 처리 시스템(13202)은 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있다. 프로세서는 범용 마이크로 프로세서, 마이크로 제어기, DSP, ASIC, FPGA, PLD, 제어기, 상태 머신, 게이팅된 로직, 개별 하드웨어 구성 요소, 또는 정보의 계산 또는 다른 조작을 수행할 수 있는 임의의 다른 적절한 장치일 수 있다.The processing system 13202 may be implemented using software, hardware, or a combination thereof. By way of example, processing system 13202 may be implemented with one or more processors. The processor may be a general purpose microprocessor, microcontroller, DSP, ASIC, FPGA, PLD, controller, state machine, gated logic, discrete hardware component, or any other suitable device capable of performing computation or other manipulation of information have.
기계 판독 가능 매체는 하나 이상의 기계 판독 가능 매체일 수 있다. 소프트웨어는 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로 코드, 하드웨어 설명 언어 또는 기타로 언급되는 지시 사항, 데이터 또는 이들의 조합을 의미하는 것으로 광범위하게 해석된다. 명령들은 코드(예를 들어, 소스 코드 포맷, 바이너리 코드 포맷, 실행 가능한 코드 포맷, 또는 임의의 다른 적절한 포맷의 코드)를 포함할 수 있다.The machine-readable medium may be one or more machine-readable media. Software is broadly interpreted as meaning software, firmware, middleware, microcode, hardware description language or any other instruction, data, or combination thereof. The instructions may include code (e.g., source code format, binary code format, executable code format, or any other suitable format of code).
머신 - 판독 가능 매체(예를 들어, 13219)는 ASIC의 경우와 같은 처리 시스템에 통합된 저장부를 포함할 수 있다. 기계 - 판독 가능 매체(예를 들어, 13210)는 또한 RAM, 플래시 메모리, ROM, PROM(programmable read-only memory), EPROM(Erasable PROM), 레지스터, 하드 디스크, 이동식 디스크, CD-ROM, DVD 또는 임의의 다른 적절한 저장 장치와 같은, 처리 시스템의 외부 저장 장치도 포함할 수 있다. 본 기술의 당업자는 처리 시스템(13202)에 대해 기술된 기능을 어떻게 구현하는 것이 최선인지를 인식할 것이다. 본 발명의 일 양상에 따르면, 기계 판독 가능 매체는 명령들로 인코딩되거나 저장되는 컴퓨터 판독 가능 매체이며, 이는 명령어와 다른 시스템 사이의 구조적 및 기능적 상호 관계를 정의하며, 명령어의 기능성을 실현할 수 있다. 명령들은 예를 들어 처리 시스템(13202) 또는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능할 수 있다. 명령은 예를 들어, 본 기술의 방법을 수행하기 위한 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램일 수 있다.A machine-readable medium (e.g., 13219) may include a storage integrated in a processing system, such as in the case of an ASIC. The machine-readable medium (e.g., 13210) may also be embodied in a computer readable medium such as RAM, flash memory, ROM, programmable read-only memory (PROM), erasable programmable read-only memory (EPROM) But may also include external storage of the processing system, such as any other suitable storage device. Those skilled in the art will recognize how best to implement the described functionality for processing system 13202. [ According to one aspect of the present invention, a machine-readable medium is a computer-readable medium encoded or stored with instructions that defines the structural and functional interrelationships between the instructions and other systems and may implement the functionality of the instructions. The instructions may be executable by, for example, processing system 13202 or one or more processors. The instructions may be, for example, a computer program containing code for performing the methods of the present technique.
네트워크 인터페이스(13216)는 네트워크(예를 들어, 인터넷 네트워크 인터페이스)에 대한 임의의 유형의 인터페이스일 수 있으며,도 132에 도시된 임의의 컴포넌트들 사이에 상주할 수 있다. 버스(13204)를 통해 프로세서에 연결될 수 있다.Network interface 13216 may be any type of interface to a network (e.g., an Internet network interface) and may reside between any of the components shown in FIG. May be coupled to the processor via bus 13204.
디바이스 인터페이스(13218)는 디바이스에 대한 임의의 타입의 인터페이스일 수 있으며, 도 132에 도시된 성분들 중 임의의 것 사이에 상주할 수 있다. 장치 인터페이스(13218)는 예를 들어 시스템(13200)의 포트(예를 들어, USB 포트)에 플러그되는 외부 장치(예를 들어, USB 장치)에 대한 인터페이스일 수 있다. 몇몇 구현에서, 장치 인터페이스(13218)은 도 130의 호스트 인터페이스일 수 있고, 여기에서 도 130의 장치의 기능들 중 적어도 일부는 처리 시스템(13202)에 의해 수행된다.Device interface 13218 may be any type of interface to the device and may reside between any of the components shown in FIG. Device interface 13218 may be an interface to an external device (e.g., a USB device) plugged into a port (e.g., a USB port) of system 13200, for example. In some implementations, the device interface 13218 may be the host interface of FIG. 130, wherein at least some of the functionality of the device of FIG. 130 is performed by the processing system 13202.
자기 검출 시스템으로부터의 3차원 자기장의 복원Reconstruction of a three-dimensional magnetic field from a magnetic detection system
다이아몬드 결정 격자의 축Axis of diamond crystal lattice
NV 다이아몬드 물질(620)에 의해 생성된 세기 응답에 의해 얻어진 측정으로부터 시스템(600)에 충돌하는 총 자기장 벡터를 유도할 때, 자기장 벡터의 정확한 복구를 허용하고 신호 대 잡음 정보를 최대화하도록 NV 다이아몬드 물질(620)의 다이아몬드 격자의 축의 배향을 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 상술한 바와 같이, NV 다이아몬드 물질(620)는 임의로 배향될 수 있고, 따라서, 알 수 없는 배향의 축을 갖는다. 따라서, 이러한 경우에, 제어기(680)는 NV 다이아몬드 격자의 실제배향의 정확한 추정을 계산하도록 구성될 수 있으며, 이는 사용 전에 교정 방법으로서 현장에서 수행될 수 있다. 이 정보는 이어서 시스템(600) 상에 작용하는 알려지지 않은 외부 자기장의 전체 벡터 정보를 정확하게 복원하는데 사용될 수 있다.To derive the total magnetic field vector impinging on the
시작하기 위해, 전체 자기장 벡터의 측정이 발생하는 시스템(600)에 대한 바람직한 지리 공간 좌표 기준 프레임이 설정된다. 도 133a 및도 133b에 도시된 바와 같이, {x, y, z} 직교 축을 갖는 데카르트 기준 프레임이 사용될 수 있지만, 임의의 기준 프레임 및 방위가 사용될 수 있다. 도 133a는 "표준"배향을 갖는 다이아몬드 격자의 단위 셀(13300)을 도시한다. 다이아몬드 격자 축은 네 가지 방향으로 떨어질 것이다. 따라서, 원하는 좌표 기준 프레임에 대한 표준 배향에서의 4개의 축은 다음에 대응하는 단위 벡터로서 정의될 수 있다:To begin, a preferred geospatial coordinate reference frame for the
(b1) (b1)
간략함을 위해, 수학식 b1의 4개의 벡터는 단일 행렬(As)에 의해 표현될 수 있고, 이것은 단위 셀(13300)의 표준배향을 나타낸다:For simplicity, the four vectors of equation b1 can be represented by a single matrix A s , which represents the standard orientation of the unit cell 13300:
(b2) (b2)
축(i)과 축(j) 사이의 각도는 다음의(i,j)th에 의해 또한 주어질 수 있다:The angle between axis (i) and axis (j) can also be given by (i, j) th :
(b3) (b3)
도 133b는 좌표 기준 프레임에 대해 미지 축 방위를 갖는 임의로 배치된 NV 다이아몬드 물질을 나타내는 단위 셀(13300 ')이다. 설정된 좌표 기준 프레임을 참조하여 표준 배향 매트릭스(AS)를 정의함으로써, 133B)은 표준배향 매트릭스의 회전 및/또는 반사를 통해 얻어질 수 있다. 이것은 3 차원 직교 데카르트 공간을 나타내는 일반적인 3x3 행렬로 정의되고. 이 단계에서 알려지지 않은 변환 행렬 R을 적용함으로써 달성될 수 있다. 변환 행렬은 다음과 같이 원하는 행렬(A)을 얻는데 사용될 수 있다:133B is a unit cell 13300 'representing an arbitrarily placed NV diamond material having an unknown axis orientation relative to a coordinate reference frame. By defining a standard orientation matrix (A S ) with reference to the set coordinate reference frame, 133B) can be obtained through rotation and / or reflection of the standard orientation matrix. This is defined as a general 3x3 matrix representing three-dimensional orthogonal Cartesian space. Can be achieved by applying an unknown transformation matrix R at this stage. The transformation matrix can be used to obtain the desired matrix A as follows:
(b4) (b4)
총 자기장 벡터의 도출Derivation of total magnetic field vector
도 3 내지 도 5를 참조하여 전술 한 바와 같이, 시스템(600)에 작용하는 총 자기장은 형광으로 측정될 수 있다. 이들 측정은, 센서 상에 충돌하는 총 자기장이 결정될 수 있는 선형 시스템으로서 모델링될 수 있다:As described above with reference to Figures 3-5, the total magnetic field acting on the
(b5) (b5)
여기서, 은 센서 시스템 내부에서 작용하는 자기장 벡터를 나타내며 좌표 좌표계에 상대적인 직교 좌표로 표현된다. 4 개의 임의로배치된 NV 중심 다이아몬드 격자 축 각각으로의 자기장 벡터의 투영을 나타낸다. ; 은 센서 잡음 벡터를 나타낸다. 은 측정 벡터를 나타내며, 여기서 ith 요소는 센서 축 i에 대한 자기장의 추정된 투영을 나타낸다. 단위로 환산하면, 측정 벡터가 DNV 센서의 고유 단위(마이크로파 공명 주파수의 관점에서)에서 자기장 세기 단위로 변환되었다고 가정한다. 또한, 용어는 결정치보다 의 요소 별 절대 값을 나타낸다.here, Represents the magnetic field vector acting within the sensor system and is expressed in Cartesian coordinates relative to the coordinate system. And the projection of the magnetic field vector into each of four randomly arranged NV center diamond grating axes. ; Represents the sensor noise vector. Represents the measurement vector, where i th The element represents the estimated projection of the magnetic field to the sensor axis i. , It is assumed that the measurement vector has been converted to a magnetic field intensity unit in the intrinsic unit of the DNV sensor (in terms of the microwave resonance frequency). Also, The term Represents the absolute value of each element.
수학식(b5)의 자기장 측정에 대한 선형 모델이 주어지면, 시스템(600) 상에서 작용하는 총 자기장의 최소 제곱 추정치는 다음 수학식에 의해 주어질 수 있다:Given a linear model for the magnetic field measurement of equation (b5), the least square estimate of the total field acting on the
(b6) (b6)
상기 수학식에서, + 첨자는 무어-펜로즈의 의사 역을 나타낸다. AT의 3개의 4-요소 컬럼이 선형으로 독립적이기 때문에, 수학식(b6)은 다음으로서 재기록될 수 있다:In the above equation, the + suffix represents the pseudo-order of Moore-Penrose. Since the three 4-element columns of A T are linearly independent, equation (b6) can be rewritten as:
(b7) (b7)
수학식(b7)에서, (아래에 더 구체적으로 확립됨)가 치환되었다. R이 직교 행렬이기 때문에, 수학식(b7)은 다음으로 감소될 수 있다:In the equation (b7) (More specifically established below). Since R is an orthogonal matrix, equation (b7) can be reduced to:
(b8) (b8)
식(b7) 내지(b8)에서, 모든 측정치가 동등하게 가중되었다고 가정하였다. 그러나, 축의 부분이 측정치의 편차가 적거나 다른 이유로 선호되는 경우, 최적의 최소 제곱 추정을 위해 각 축마다 다른 가중치를 사용할 수 있다. 가 측정 및 각각에 대한 양의 가중치 및 를 나타내면, 총 자기장에 대한 가중된 최소 제곱 공식은 다음과 같이 기록될 수 있다:In the equations (b7) to (b8), it was assumed that all measurements were equally weighted. However, if the portion of the axis is less favorable for different measurements or for other reasons, different weights may be used for each axis for optimal least squares estimation. ≪ RTI ID = 0.0 > and < / RTI > , The weighted least squares formula for the total magnetic field can be written as:
(b9) (b9)
수학식(b9)에 기초하여, 수학식(b6)의 일반화된 최소 제곱 해법은 이제 다음과 같이 기록될 수 있다:Based on equation (b9), the generalized least-squares solution of equation (b6) can now be written as:
(b10) (b10)
결함(예를 들어, 격자 오정렬, 불순물 등)이 없고 센서 잡음이 없는 완전한 NV 다이아몬드 물질(620)의 경우, 는 b와 같아야 한다. 그러나 불완전한 시스템에서는 성능 메트릭을 사용하여 측정과 관련된 오류를 판별하는 것이 가능하다. 사용될 수 있는 하나의 가능한 메트릭은 최소 제곱 솔루션에 의해 최소화된 잔차 벡터의 2- 노름(norm)이다. 이러한 메트릭(r)은 다음에 의해 주어질 수 있다.For a complete NV diamond material 620 without any defects (e.g., lattice misalignment, impurities, etc.) and no sensor noise, Should be equal to b. However, in an incomplete system it is possible to use performance metrics to determine errors related to measurements. One possible metric that can be used is the 2-norm of the residual vector minimized by the least squares solution. Such a metric r may be given by:
(b11) (b11)
잔류 벡터는 측정 진폭에 비례하기 때문에, 진정한 자기장의 크기는 변화하는 참 자기장이 존재하는 경우에도 일관된 메트릭을 제공하기 위해 메트릭을 정규화하는데 사용될 수 있다:Since the residual vector is proportional to the measured amplitude, the magnitude of the true magnetic field can be used to normalize the metric to provide a consistent metric even in the presence of a varying field of magnetic field:
(b12) (b12)
실제 자기장이 알려지지 않은 경우, 측정 벡터 크기가 메트릭을 정규화하는데 사용될 수 있다:If the actual magnetic field is not known, the measurement vector magnitude can be used to normalize the metric:
(b13) (b13)
NV 다이아몬드 물질에서의 절대 축의배향의 추정Estimation of orientation of absolute axis in NV diamond material
식(4)의 식(5)으로의 간단한 대체에 의해, 시스템(600)에 의해 얻어진 측정치는 표준 방위각 매트릭스로 표현될 수 있다:By a simple substitution into equation (5) in equation (4), the measurements obtained by
(b14) (b14)
전술 한 바와 같이, 영구 자석(예를 들어, 제 1 자기장 발생기(670)) 및/또는 코일(예를 들어, 제 2 자기장 발생기(675))은 각각의 자기장 측정치에 상응하는 로렌츠 딥을 적절히 분리하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이 시점에서 센서 축의 방향은 알 수 없다. 따라서, 바람직한 딥 분리를 발생시키는 bbias로 정의된 필요한 바이어스 또는 제어 자기장은 알려지지 않았다.As noted above, permanent magnets (e.g., first magnetic field generator 670) and / or coils (e.g., second magnetic field generator 675) may be used to properly isolate a Lorentz dip corresponding to each magnetic field measurement . However, at this time, the direction of the sensor axis is unknown. Thus, the required bias or control field, defined as b bias , which produces the desired dip separation, is not known.
아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 적절한 측정 목적을 위해 4 개의 로렌츠 딥을 똑같이 분리할 수 있는 복수의 bbias 벡터가 존재한다. 더욱이, 다이아몬드 격자의 미지의 방위를 결정하기 위해, 완벽하게 동일한 딥 분리를 초래할 바이어스 자기장을 정확하게 위치시키거나 적용할 필요가 없으며, 이는 외부 자기장의 자기장 측정 동안보다 적절할 수 있다. 이 경우, 4 개의 딥을 충분히 분리하는 bbias 벡터는 다이아몬드 격자의 알 수없는 방향을 결정하기에 충분할 수 있으므로 이 단계에 적합한 실행 가능한 bbias 벡터를 증가시킬 수 있다. 그러나 충분한 스펙트럼 딥 분리는 딥의 폭과 교정 자기장의 계획된 크기에 따라 달라질 수 있다(아래 설명 참조). 딥의 폭은 다이아몬드 구성 및 센서 레이저 및/또는 RF 여기 메커니즘에 따라 다르다. 고유한 센서 특성으로 인한 결과적인 폭을 기준으로, 크기 및 방향은 교정 테스트로 인해 발생할 것으로 예상되는 최대 스펙트럼 변화가 인접한 로렌츠 딥 사이에서 충분한 분리를 유지할 수 있도록 하기에 충분해야 한다.As will be described in greater detail below, there are a plurality of b- bias vectors that can equally divide the four Lorentz dips for proper measurement purposes. Moreover, in order to determine the unknown orientation of the diamond grating, there is no need to accurately position or apply a bias magnetic field which would result in perfectly the same dip separation, which may be more appropriate during magnetic field measurements of the external magnetic field. In this case, the bbias vector sufficiently separating the four dips may be sufficient to determine the unknown direction of the diamond lattice, so that an executable bbiase vector suitable for this step can be increased. However, sufficient spectral dip separation can vary depending on the width of the dip and the planned size of the calibration field (see below). The width of the dip depends on the diamond configuration and sensor laser and / or RF excitation mechanism. Based on the resulting width due to inherent sensor characteristics, the size and orientation should be sufficient to ensure that the maximum spectral variation expected to result from the calibration test is sufficient to maintain adequate separation between adjacent Lorentz dips.
도 134는 실행 가능한 bbias 바이어스 벡터 자기장을 결정하는 단계를 도시한다. 도 134에 도시된 바와 같이, 제 1 자기장 발생기(670)는 미지의 배향(13300 ')을 갖는 다이아몬드에 다수의 자기장이 인가되도록 하나 이상의 위치 및/또는 배향으로 임의적으로 배치될 수 있다. 형광 세기 응답의 측정은 제 1 자기장 발생기(670)의 각각의 위치 및/또는 방위에 대해 취해진 다. 일단 4 개의 로렌츠 쌍을 적절히 분리하는 형광 세기 응답(13400)이 생성되면, 제 1 자기장 발생기(670)의 위치는 유지되고 공정은 교정 시험으로 진행될 수 있다. 다른 경우, 분리 공정은 제 2 자기장 발생기(675)에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 제어기(680)는 제 2 자기장 발생기(675)가 원하는 분리가 발생할 때까지 다중 자기장을 생성하도록 제어할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 1 및/또는 제 2 자기장 발생기는 제 1 및/또는 제 2 자기장 발생기를 유지하고 소정의 웰에 위치시키도록 제어될 수 있는 피봇 조립체(예를 들어, 짐벌 조립체)에 부착될 수 있다. 제어된 배향의 세트를 형성함으로써 원하는 로렌츠 분리 및/또는 교정 자기장을 형성한다(후술 됨). 이 경우, 제어기(680)는 제 1 및/또는 제 2 자기장 발생기를 갖는 피봇 조립체를 제어하여 제 1 및/또는 제 2 자기장 발생기를 소정의 방향으로 위치시키고 유지할 수 있다.Figure 134 shows the step of determining an operable b bias bias vector magnetic field. As shown in FIG. 134, the first magnetic field generator 670 may be arbitrarily disposed in one or more positions and / or orientations such that a plurality of magnetic fields are applied to the diamond having the unknown orientation 13300 '. Measurement of the fluorescence intensity response is taken for each position and / or orientation of the first magnetic field generator 670. Once a
4 개의 로렌츠 딥을 적절하게 분리하는 적절한 교정 bbias 자기장이 발견된 후에, 대응하는 바이어스 자석의 자기장 투영의 측정 벡터 mbias가 획득된다. 측정 벡터는 식(b5)에 기술된 선형 모델과 유사한 방식으로 표현될 수 있다:After a suitable calibration b bias magnetic field is found to properly separate the four Lorentz dips, the measurement vector m bias of the magnetic field projection of the corresponding bias magnet is obtained. The measurement vector can be expressed in a manner similar to the linear model described in equation (b5): < EMI ID =
(b15) (b15)
식(b5)에 관해서 위에서 언급했듯이, 식(b15)에 나타난 변수는 동일하지만 적용된 바이어스 자기장과 관련하여 표현된다.As mentioned above with respect to equation (b5), the variables shown in equation (b15) are the same but are expressed in terms of the applied bias magnetic field.
이 시점에서 네 개의 로렌츠 딥 중 어느 것이 아직 알려지지 않은 센서 축에 해당하는지 알 수 없다. 그러나, 축 순서의 임의의 가능한 순열이 적절한 직교 행렬을 AS에 적용함으로써 캡쳐될 수 있고, 본 명세서에 설명된 프로세스가 데이터를 가장 잘 나타내는 직교 행렬을 추정하기 때문에, 축 순서의 임의의 순열은 변환에 의해 보상된다. 이로 인해, 축은 일반적으로 제로 자기장 분할 주파수에 가장 가까운 로렌츠 딥이 a1로 할당되고, 두 번째로 가장 가까운 것이 a2로 할당되는 식으로 할당될 수 있다.At this point, you can not tell which of the four Lorentz dips corresponds to an unknown sensor axis. However, since any possible permutation of axis orders can be captured by applying the appropriate orthogonal matrix to A S , and since the process described herein estimates an orthogonal matrix that best represents the data, Lt; / RTI > For this reason, the axis can generally be assigned such that the Lorentz dip closest to the zero field division frequency is assigned to a 1 , and the second closest is assigned to a 2 .
자기장 투사의 사인 복원Restoration of sign of magnetic field projection
센서 측정의 대칭성으로 인해, 얻어진 mbias 벡터는 4 개의 구성 요소 각각에 고유한 부호 정보를 갖지 않는다. 그러나 서명 정보는 다음 프로세스를 사용하여 복구할 수 있다.Due to the symmetry of the sensor measurement, the resulting m bias vector has no sign information unique to each of the four components. However, signature information can be recovered using the following process.
4개의 축 상의 자기장 벡터의 투사는 벡터(ATb)에 의해 주어진다. 투사의 합은 다음마다 0과 동일하게 초기에 간주될 수 있다:The projection of the magnetic field vectors on the four axes is given by the vector (A T b). The sum of the projections can be initially considered equal to 0 every time:
(b16) (b16)
상기 수학식(b16)에서, 은 모두 0으로 이루어진 벡터를 나타낸다. 벡터 의 원소의 합이 0과 같은 경우, 다이아몬드의 4 개 축으로의 투영이 x와 동일한 자기장 벡터 b가 발견될 수 있다. 이와 관련하여, 자기장 벡터 b는 다음과 같이 정의될 수 있다:In the above equation (b16) Represents a vector consisting of all zeros. vector Is equal to zero, then a magnetic field vector b with the same projection of the diamond along the four axes as x can be found. In this regard, the magnetic field vector b can be defined as:
(b17) (b17)
다이아몬드의 4개의 축 상의 자기장 벡터(b)의 투사는 다음에 의해 주어질 수 있다:The projection of the magnetic field vector (b) on the four axes of the diamond can be given by:
(b18) (b18)
수학식 1 내지 2로부터의 As 행렬에 대한 값은 다음을 제공하기 위해 수학식(b18)에 플러깅될 수 있다:The values for the matrix A s from
(b19) (b19)
x의 모든 요소의 합이 0이라고 초기에 간주되었기 때문에, 수학식(b19)은 다음으로 감소될 수 있다: Since the sum of all elements of x is initially assumed to be zero, equation (b19) can be reduced to:
(b20) (b20)
따라서 b 축 벡터가 존재하고 다이아몬드의 축 상에 투영된 점은 x와 같으며 식(b16)의 초기 추정이 증명된다. 따라서 다이아몬드에 충돌하는 모든 자기장의 축 투영의 합은 0과 같으며 잡음이 없는 경우, 얻은 측정 값도 0으로 합계된다. 따라서, 바이어스 측정을 위한 부호 정보는 이 기본 원리에 따라 복구될 수 있다. 이 특정 단계는 바이어스 자기장의 예상치가 예상되는 소음 수준보다 훨씬 큰 경우 특히 유용한다.Thus, the point where the b-axis vector exists and projected onto the axis of the diamond is equal to x and the initial estimate of equation (b16) is proved. Thus, the sum of the axial projections of all magnetic fields impinging on the diamond is equal to zero, and if there is no noise, the measured values obtained are also summed to zero. Therefore, the code information for the bias measurement can be recovered according to this basic principle. This particular step is particularly useful when the estimate of the bias field is much greater than the expected noise level.
이제 도 135를 참조하면, 일 실시예에 따른 바이어스 자기장 측정치로부터 사인 정보를 복구하는 방법을 설명한다. 우선, 단계(13510)에서, 네 개의 측정 중 가장 큰 것이 양수 또는 음수의 부호 값으로 임의로 설정된다. 이것이 선택되면 다음 단계는 식(b16)의 원리가 유지되도록 이 기호 선택에 따라 결정된다. 예를 들어, 도 134에 도시된 바와 같이, 4 개의 측정치들 중 가장 큰 것, 즉 측정치(13410a)는 양의 값으로 할당된다. 다음으로, 단계(13511)에서, 두 번째로 큰 측정 값(예를 들어,도 134에 도시된 측정 값(13410b))은 음수로 설정된다. 두 번째로 큰 측정 값을 음수로 설정하면 가장 큰 측정 값에 할당된 양수 값이 0으로 오프셋될 수 있다. 단계(13512)에서, 세 번째로 큰 측정(예를 들어,도 134의 측정(13410c))은 음의 부호 값이 할당된다. 정의상 두 번째로 큰 측정 값이 가장 큰 측정 값보다 작기 때문에 세 번째로 큰 측정 값의 음의 부호 값은 가장 큰 측정 값을 0으로 더 멀리 상쇄한다. 마지막으로, 단계(13513)에서, 가장 작은 측정치는 4 개의 측정치의 총합이 대략적으로 0이 되도록 허용하는 양 또는 음의 값으로 할당된다. 도 134에서, 가장 작은 측정 값(13410d)에는 양의 값이 할당된다. 따라서, 이 프로세스 후에, 적절하게 서명된 mbias 벡터가 얻어질 수 있다.Referring now to Figure 135, a method for recovering sign information from a bias magnetic field measurement according to one embodiment will be described. First, in
4 개의 로렌츠 딥을 깨끗하게 분리하고 바이어스 장의 측정 결과를 수집한 바이어스 장 적용 후 일련의 교정 테스트를 수행할 수 있다. 도 135에 도시된 바와 같이, 일련의 p 개의 공지된 외부 자기장이 고정된 bbias 자기장과 함께 인가되고, 결과적인 센서 측정치가 수집된다. 몇몇 실시예에서, 일련의 적어도 3 개의 p(p≥3) 약한 자기장이 인가된다. 특정 실시예에서, 적어도 3 개의 비평면(non-coplanar) p 약한 자기장이 인가된다. 또 다른 실시예에서, 3 개의 직교하는 p(p≥3) 개의 약한 자기장이 인가된다. 특정 실시예에서, 4 내지 5 p(p = 4, 5, ...)의 약한 자기장이 인가된다. 이러한 자기장은 제 2 자기 발생기(675)에 의해 인가될 수 있고, 따라서 제어기(680)에 의해 제어될 수 있다. 공지된 인가된 외부 자기장은 다음의 매트릭스로 표현될 수 있다:A series of calibration tests can be performed after the application of the bias field to cleanly separate the four Lorentz dips and collect the measurement results of the bias field. As shown in Figure 135, a series of p known external magnetic fields are applied with the fixed b bias magnetic field and the resulting sensor measurements are collected. In some embodiments, a series of at least three p (p? 3) weak magnetic fields are applied. In certain embodiments, at least three non-coplanar weak magnetic fields are applied. In yet another embodiment, three orthogonal p (p? 3) weak magnetic fields are applied. In certain embodiments, a weak magnetic field of 4 to 5 p (p = 4, 5, ...) is applied. This magnetic field can be applied by the second magnetic generator 675 and thus can be controlled by the controller 680. [ A known applied external magnetic field can be expressed by the following matrix:
(b21) (b21)
수학식(b21)에서, bk는 k=1...p에 대해 k번째 자기장을 나타낸다. 각 bk에 대응하는 얻어진 측정치(mk)는 다음으로서 위에 기재된 선형 모델에 의해 나타날 수 있다:In equation (b21), b k represents the k-th magnetic field for k = 1 ... p. The resulting measurement (m k ) corresponding to each b k can be represented by the linear model described above as:
(b22) (b22)
외부 자기장(bk)에만 대응하는 mk의 일부는 다음에 의해 적절한 부호 값과 함께 격리될 수 있다:A portion of m k corresponding only to the external magnetic field b k may be isolated with an appropriate sign value by:
(b23) (b23)
상기 수학식에서, 는 하다마드(즉, 요소-와이즈) 매트릭스 생성물을 나타내며, sgn(□)은 요소-와이즈 부호 함수를 나타낸다. 이 단계에서 AT는 알려지지 않은 채로 남아 있다. 하지만, ATbbias가 추정될 수 있다. 이것은 수학식(23)에서 ATbbias를 로 치환함으로써 가능하다:In the above equation, Denotes a Hadamard (i.e., element-wise) matrix product, and sgn () denotes an element-wise code function. At this stage, A T remains unknown. However, the A T b bias can be estimated. This means that A T b bias in equation (23) : ≪ RTI ID = 0.0 >
(b24) (b24)
수학식 22와 23을 조합하면, 도출된 교정 측정치는 다음으로서 기록될 수 있다:By combining equations (22) and (23), the derived calibration measurements can be recorded as:
(b25) (b25)
상기 수학식(b25)에서, .In the above equation (b25) .
매트릭( 및 )을 정의함으로써, 외부 자기장 및 그 대응하는 측정치는 다음에 의해 컴팩트하게 나타날 수 있다:Matrix And ), The external magnetic field and its corresponding measurement can be represented compactly by: < RTI ID = 0.0 >
(b26) (b26)
일단 알려진 B 및 측정된 가 얻어졌으면, 수학식(b26)은 다음으로서 확장될 수 있다:Once known B and measured Is obtained, equation (b26) can be extended as follows: < RTI ID = 0.0 >
(b27) (b27)
수학식(b19)으로부터,, 는 증명되었고, 이에 따라 위의 수학식(b27)으로 치환되었다. As의 단일 값이 알려지고 동일(즉, 약 1.15)하기 때문에 잡음 항( )은 표현( )에서 채색되거나 크게 증폭되지 않을 것이다. 따라서, 새로운 잡음 항으로서 표현( )을 처리할 수 있다:From equation (b19), Was proved, and thus replaced by the above equation (b27). Since the single value of A s is known and equal (i.e., about 1.15), the noise term ) Is the expression ) Or will not be greatly amplified. Thus, as a new noise term, ) Can be processed:
(b28) (b28)
수학식 27과 28을 조합하는 것은 다음을 초래한다:Combining
(b29) (b29)
수학식(29)의 양쪽 면의 전치를 취하는 것은 다음을 제공한다:Taking the transpose of both sides of equation (29) provides:
(b30) (b30)
다음 단계에서, 수학식(b30)에서 와 사이에서 최소 제곱 피트를 제공하는 직교 행렬( )이 바람직하다. 몇몇 최소 제곱 공식은 직교 행렬()로의 병진 및/또는 각 오류를 도입할 수 있다. 예를 들어, 오류는 표준배향으로부터 추정된 배향으로의 축의 중심의 병진의 형태로 또는 주어진 축 사이에서 수학식(b3)에 도시된 각도에서의 변화에서 행렬( )을 표준배향 행렬(As)에 적용할 때 도입될 수 있다. 따라서, 표준배향으로부터 추정된 배향으로 회전할 때 서로에 대한 축의 상대 배향을 실질적으로 유지할 수 있는 최소-제곱 피트가 바람직하다. 이러한 관점에서, 직교 행렬은 다음으로서 표현될 수 있다:In the next step, in equation (b30) Wow An orthogonal matrix < RTI ID = 0.0 > ) Is preferable. Some least-squares formulas are orthogonal matrices ( ) And / or introduce each error. For example, the error can be expressed in the form of a translation of the center of the axis from the standard orientation to the estimated orientation, or in a change in angle at the angle shown in equation (b3) ) To a standard orientation matrix (A s ). Thus, a minimum-square pit is desirable that can substantially maintain the relative orientation of the axes relative to one another when rotating from a standard orientation to an estimated orientation. In this regard, an orthogonal matrix can be expressed as:
(b31) (b31)
수학식(b31)에서, O(3)은 직교 3x3 행렬의 그룹을 나타내고,∥□∥F 는 프로베니우스 노름을 나타낸다.In equation (b31), O (3) represents a group of orthogonal 3 × 3 matrices, and ∥ □ ∥ F represents the Provenius gambling.
위에서와 같이 직교 행렬( )을 정의함으로써, 특정한 문제는 을 해결하기 위해 직교 프로크러스트로 감소될 수 있다. 먼저, 다음이 정의된다:As described above, the orthogonal matrix ( ), Then the specific problem is Lt; RTI ID = 0.0 > pro-crust < / RTI > First, the following is defined:
(b32) (b32)
Z의 단일 평가 절하 분해는 다음을 얻도록 수행된다:A single devaluation decomposition of Z is performed to obtain:
(b33) (b33)
수학식(b33)에서, U는 Z의 좌측 단일 벡터를 포함하는 직교 3x3 행렬이고; Σ는 Z의 단일 값을 포함하는 직교 3x3 행렬이고; VT는 Z의 우측 단일 벡터를 포함하는 직교 3x3 행렬이다. 위에서 주어지면,(b33)의 직교 프로크러스트 문제에 대한 해법은 다음에 의해 주어진다:In equation (b33), U is an orthogonal 3x3 matrix containing the left singular vector of Z; [Sigma] is an orthogonal 3x3 matrix containing a single value of Z; V T is an orthogonal 3 × 3 matrix containing the right singular vector of Z. Given above, the solution to the orthogonal pro-crust problem of (b33) is given by:
(b34) (b34)
따라서, 수학식(b34)을 통해, 진정한 축배향 행렬(A)을 제공하기 위해 표준배향 행렬(As)에 적용될 수 있는 추정치( )가 얻어진다. 따라서, A의 추정치( )는 다음을 산출하기 위해 수학식(b4)을 적용함으로써 얻어질 수 있다:Thus, through equation (b34), it is possible to obtain an estimate (A s ) that can be applied to the standard orientation matrix A s to provide a true averaged matrix A ) Is obtained. Thus, the estimate of A ( ) Can be obtained by applying equation (b4) to yield:
(b35) (b35)
전술한 실시예에서, 직교 프로 크러스트(Orcogonal Procrustes) 문제는 최소 제곱합에 의해 도입될 수 있는 이동 및/또는 각도 오류를 감소시키는 이점을 제공하고, 따라서 필요한 회전 행렬의 정확한 추정을 제공한다. 회전 행렬을 정확하게 추정함으로써, 자기 광학 결함 중심 물질을 갖는 자기장 검출 시스템에서 임의로 배치된 격자 구조의 방위의 정확한 추정이 생성된다. 이것은, 자기 검출 시스템(600) 내의 다이아몬드의 방향을 제어기(680)에 의해 계산되고 제어될 수 있고 사전 제조 공정에 대한 필요 없이 감지가 시작되기 전에 수행될 수 있는 간단한 교정 방법으로 결정하는 과정을 감소시킨다. 시력 보조 검사를 위해 센서 또는 추가 장비에 대해 격자 구조를 배향시키는 것. 또한, 위와 같이, NV 다이아몬드 물질(620)의 축의 실제배향의 정확한 추정이 얻어 질 수 있고, 이하에서 더 설명되는 자기 감지를 위한 외부 자기장의 회복이 개선될 수 있다.In the above embodiment, the Orcogonal Procrustes problem provides the advantage of reducing movement and / or angular error that can be introduced by minimum sum of squares, thus providing an accurate estimate of the required rotation matrix. By accurately estimating the rotation matrix, an accurate estimate of the orientation of the arbitrarily placed lattice structure in the magnetic field detection system with the magneto-optically defective center material is generated. This reduces the process of determining the orientation of the diamond within the
전술한 실시예를 사용하여 축들이 결정되면, 바이어스 자석의 자기장은 축 방향의 새로운 지식과 함께 후술되는 방법을 사용하여 최적으로 재 지향될 수 있다.When the axes are determined using the above-described embodiment, the magnetic field of the bias magnet can be optimally redirected using the method described below with new knowledge of the axial direction.
편향 자기장의 인가Application of deflection magnetic field
다이아몬드 격자의 축의배향이 결정되면, 바이어스 자기장이 로렌츠 딥을 깨끗하게 분리하고 식별된 다이아몬드 격자 상에 자기장 투영의 부호 평가를 얻도록 적용될 수 있다.Once the orientation of the axis of the diamond grating is determined, the bias magnetic field can be applied to cleanly separate the Lorentz dip and obtain a sign estimate of the magnetic projection on the identified diamond grating.
전술한 바와 같이, 마이크로파 공진 주파수의 베이스 라인 세트는 외부 자기장이 존재하지 않을 때 생성되는 주파수로서 정의된다. 바이어스 자석 또는 바이어스 코일이 존재하지 않을 때(즉, 바이어스 자석 또는 바이어스 코일이 예를 들어 제 1 및 제 2 자기장 발생기(670, 675)에 의해 시스템에 내부적으로 추가되지 않은 경우),베이스 라인 공진 주파수는 모든 다이아몬드 축 4 개(예를 들어, 모두 약 2.87 GHz). 바이어스 자석 또는 코일이 도입되면(예를 들어, 제 1 자기장 발생기(670) 및/또는 제 2 자기 발생기(675)에 의해 적용되는 경우), 4 축의베이스 라인 공진 주파수는 바이어스 자석의 자기장을 각각 4 개의 축 중 하나만이 고유한다. 공지된 바이어스 자기장을 인가함으로써, 0이 아닌 외부 자기장의 크기 및 방위는 베이스 라인 주파수 오프셋에 대한 각 축의 마이크로파 공진 주파수에서의 추가 시프트를 평가함으로써 결정될 수 있는데, 이는 아래에 더 상세히 설명 될 것이다.As described above, the base line set of the microwave resonance frequency is defined as a frequency generated when no external magnetic field is present. When no bias magnet or bias coil is present (i.e., the bias magnet or bias coil is not internally added to the system by, for example, the first and second magnetic field generators 670, 675), the baseline resonance frequency (For example, all about 2.87 GHz). When a bias magnet or coil is introduced (e.g., applied by the first magnetic field generator 670 and / or the second magnetic generator 675), the baseline resonance frequency of the four axes is set to the magnetic field of the bias magnet of 4 Only one of the axes is unique. By applying a known bias magnetic field, the magnitude and orientation of the non-zero external magnetic field can be determined by evaluating an additional shift in the microwave resonance frequency of each axis with respect to the baseline frequency offset, as will be described in greater detail below.
바이어스 자기장이 없는 외부 자기장에 대해, 4 개의 축들 각각에 대응하는 마이크로파 공명 스펙트럼의 로렌츠 딥은 상당히 중첩될 수 있다. 이러한 중첩은 외부 자기장의 다중 축으로의 투영이 유사하거나 로렌츠 딥의 폭이 외부 자기장으로 인한 공진 주파수 시프트의 차이보다 훨씬 클 때 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 시스템(600)의 부분으로서 인가된 외부 바이어스 자석은 로렌츠 스펙트럼 분광을 크게 분리함으로써 중첩을 최소화하여 각 축상의 외부 자기장 프로젝션의 독특한 회복을 가능하게 하는데 사용될 수 있다.For an external magnetic field without a bias magnetic field, the Lorentz dip of the microwave resonance spectrum corresponding to each of the four axes can be significantly overlapped. This overlap can occur when the projection of the external magnetic field onto multiple axes is similar or when the width of the Lorentz dip is much larger than the difference in resonant frequency shift due to the external magnetic field. In this case, the externally biased magnets applied as part of the
다음은 제 1 자기장 발생기(670)(예를 들어, 영구 자석) 및/또는 제 2 자기장 발생기(675)(예를 들어, 3 축 헬름홀츠 코일 시스템)를 통한 최적의 바이어스 자기장이 일 실시예에 따른 제어기(680)를 도시한다. 일단 최적의 바이어스 자기장이 결정되면, 다이아몬드에 대한 바이어스 자석 자기장의 방향은 원하는베이스 라인 쉬프트를 생성하도록 결정될 수 있다.Next, an optimal bias magnetic field through a first magnetic field generator 670 (e.g., a permanent magnet) and / or a second magnetic field generator 675 (e.g., a three axis Helmholtz coil system) Controller 680 is shown. Once the optimal bias magnetic field is determined, the direction of the bias magnet field for the diamond can be determined to produce the desired baseline shift.
다이아몬드 격자의 축의배향을 결정할 때 상기와 유사하게, 바이어스 자석(예를 들어, 제 1 자기장 발생기(670) 및/또는 제 2 자기장 발생기(675))에 의해 생성된 자기장은 벡터 로 표현된다. 위에서 언급했듯이, 다이아몬드의 4 개 축 각각에 대한 바이어스 자기장의 투영은 에 의해 주어진다. 중앙화 제로-자기장 분할 주파수(예를 들어, 약 2.87 GHz)에 대한 마이크로파 공진 주파수(f)의 시프트된 기본선 세트는 다음에 의해 주어질 수 있다:Similarly to the above when determining the orientation of the axis of the diamond grating, the magnetic field generated by the bias magnet (e.g., first magnetic field generator 670 and / or second magnetic field generator 675) Lt; / RTI > As mentioned above, the projection of the bias magnetic field to each of the four axes of the diamond Lt; / RTI > The shifted base line set of the microwave resonant frequency (f) for a centralized zero-field division frequency (e.g., about 2.87 GHz) can be given by:
(b36) (b36)
식(b36)에서, γ는 약 28 GHz / T의 질소 공석 자기장 비를 나타낸다는 것을 알 수 있다.In equation (b36), it can be seen that? Represents a nitrogen vacancy magnetic field ratio of about 28 GHz / T.
센서의 특성 및 특정 애플리케이션에 따라 센서의 최적 성능은 다양한 기준 주파수 세트에서 달성될 수 있다. 그러나 모든 임의의 기본 주파수 세트가 실현 가능하지는 않는다. 따라서, 상응하는 요구된 바이어스 자기장이 계산될 수 있는 베이스 라인 오프셋을 생성하기 위한 기준이 결정될 수 있다.Depending on the nature of the sensor and the particular application, the optimal performance of the sensor can be achieved in a variety of reference frequency sets. However, not all arbitrary fundamental frequency sets are feasible. Thus, a criterion for generating a baseline offset at which a corresponding desired bias magnetic field can be calculated can be determined.
먼저, f는 중심 제로 자기장 분할 주파수에 대한 마이크로파 공진 주파수의 바람직한 베이스 라인 세트를 나타내도록 정의될 수 있으며, 다음과 같이 표현될 수 있다:First, f can be defined to represent a preferred set of baselines of the microwave resonant frequency with a center zero magnetic field splitting frequency, and can be expressed as:
(b37) (b37)
수학식(b36)을 이용하여, f를 생성하는 bbias가 존재하면, 다이아몬드의 4개의 축 상으로의 bbias의 투사는 다음에 의해 주어질 수 있다:Using equation (b36), if the bias b of generating f is present, the projection b of the bias in the four axes of the diamond may be given by the following:
(b38) (b38)
축 투영의 부호 값에 관계없이(즉, 양 또는 음), 마이크로파 공명 주파수 의 동일한 쌍이 시스템(600)에 의해 생성될 것이다. 따라서, 각 축 투영 결과베이스 라인에 영향을 미치지 않고 양수 또는 음수가 된다.Regardless of the sign value of the axial projection (i.e., positive or negative), the microwave resonance frequency The same pair of < / RTI > Thus, each axis projection result is positive or negative without affecting the baseline.
f를 생성하는 bbias가 실제로 존재하는 지를 확인하기 위해, 바이어스 자기장 bbias가 4 개의 다이아몬드 축에 대한 bbias의 투영이 0으로 적용될 때만 존재한다는 개념이 적용되며, 이는 식(b16) -( b20)에서 진정한 것으로 위에 도시되었다. 따라서, 이 개념은 다음으로서 표현될 수 있다:In order to verify that b bias to produce f actually exists, the notion that the bias magnetic field bbias exists only when the projection of bbias for the four diamond axes is applied as 0, ) Was shown above as true. Thus, this concept can be expressed as:
(b39) (b39)
따라서 식(b39)의 합이 0이 되는 집합 {s_1, s_2, s_3, s_4}가 발견 될 경우 원하는 기준선 f를 생성하는 bbias 벡터가 존재한다. 위의 수학식(b17)으로부터, bbias는 다음에 의해 주어질 수 있다:Thus equation (b39) if the sum is found to be set to be a 0 {s_1, s_2, s_3, s_4} there is a bias vector b to generate a desired reference line f. From equation (b17) above, bias b can be given by the following:
(b40) (b40)
원하는 기준선 f를 생성하는 b_bias 벡터를 생성하는 {s_1, s_2, s_3, s_4} 세트가 결정되면, 로렌츠 딥은 첫 번째 자기장을 사용하여 적절한 바이어스 자기장을 적용하여 원하는 분리로 미세 조정할 수 있다(670) 및/또는 제 2 자기장 발생기(675)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 공명 스펙트럼에서 인접 쌍의 각각의 쌍간의 균등 한 이격은 다음베이스 라인 세트로 나타낼 수 있다:Once the set {s_1, s_2, s_3, s_4} that produces the b_bias vector that produces the desired baseline f is determined, the Lorentz dip can fine tune to the desired separation by applying the appropriate bias magnetic field using the first magnetic field (670) And / or a second magnetic field generator 675. For example, in a microwave resonance spectrum, the even spacing between each pair of adjacent pairs can be represented by the following set of baselines:
(b41) (b41)
위의 식은 임의의 에 대해 유지된다. 인접한 딥의 쌍 사이의 거리는 2α이다. 또한 투영 합계가 0이될 수 있는 가능한 집합 {s_1, s_2, s_3, s_4}은 {1, -1, -1,1}이다. 따라서, 수학식(b40) 및(b41)로부터, 동일하게 분리된 기본선 세트를 생성할 bbias는 다음에 의해 주어진다:The above equation is arbitrary Lt; / RTI > The distance between pairs of adjacent dips is 2 alpha. The possible set {s_1, s_2, s_3, s_4} that the projection sum can be zero is {1, -1, -1,1}. Thus, from equations (b40) and (b41), the b bias to generate the equally-separated base line set is given by:
(b42) (b42)
다이아몬드가 좌표 기준 프레임에 대해 표준배향이라고 가정하면(즉, A = As), 수학식(b42)은 다음으로 감소될 것이다:Assuming that the diamond is a standard orientation for the coordinate reference frame (i.e., A = A s ), equation (b42) will be reduced to:
(b43) (b43)
하지만, 대안적으로, bbias는 또한 진정한 축배향이 위에 기재된 방법을 이용하여 추정된 후에 결정될 수 있다. 예를 들어, 임의로 배향된 다이아몬드에 대해 동일하게 분리된 기본선 세트를 생성할 bbias는 수학식(b35)을 수학식(b42)으로 치환함으로써 주어져서, 다음을 산출한다:Alternatively, however, the b bias may also be determined after the true toast flavor has been estimated using the method described above. For example, the b bias to produce a base line set that is equally separated for arbitrarily oriented diamonds is Given by replacing equation (b35) with equation (b42), the following is calculated: < EMI ID =
(44) (44)
마이크로파 공진 스펙트럼에서의 딥의 최대 분리 또는 단일 축 쌍이 또한 달성될 수 있다. 최대 분리는 다음의 기본선 세트에 의해 나타날 수 있다:A maximum separation or single axis pair of dips in the microwave resonance spectrum can also be achieved. The maximum separation may be indicated by the following basic line set:
(b45) (b45)
상기 수학식은 임의의 에 대해 유지된다. 인접한 딥의 1차 쌍 및 3개의 다른 피크 쌍 사이의 분리는 2a일 것이다. 위에 기재된 바와 같이, 0으로 합산하는 투사의 합에서 초래되는 가능한 세트{s1, s2, s3, s4}는 {-1, -1, -1, 1}이다. 따라서, 수학식 40과 45로부터, 최대 단일 딥 분리된 기본선 세트를 생성할 bbias는 다음에 의해 주어진다:The equation Lt; / RTI > The separation between the primary pair of adjacent dips and the three different peak pairs would be 2a. As described above, the possible set {s 1 , s 2 , s 3 , s 4 } resulting from the sum of the projections summing to zero is {-1, -1, -1, 1}. Thus, from
(b46) (b46)
다이아몬드가 좌표 기준 프레임에 대해 표준 배향에 있다고 가정하면(즉, A=As), 수학식(b46)은 다음으로 감소될 것이다:Assuming that the diamond is in a standard orientation with respect to the coordinate reference frame (i.e., A = A s ), equation (b46) will be reduced to:
(b47) (b47)
수학식(b47)이 4개의 축배향 중 하나(a4)에 직접 대응한다는 것이 주지되어야 한다.It should be noted that the equation (b47) is directly corresponding to the four toast one direction (a 4).
대안적으로, bbias는 또한 진정한 축배향이 위에 기재된 방법을 이용하여 추정된 후에 결정될 수 있다. 예를 들어, 임의로 배향된 다이아몬드에 대해 최대 분리된 기본선 세트를 생성할 bbias는 수학식(b35)을 수학식(b46)으로 치환함으로써 주어져서, 다음을 산출한다:Alternatively, bbias may also be determined after the true toast flavor is estimated using the method described above. For example, b bias can create up to separate the base line setting with respect to the oriented diamond optionally jueojyeoseo by substituting the equation (b35) by the equation (b46), and calculates the following:
(b48) (b48)
외부 자기장의 측정Measurement of external magnetic field
원하는 바이어스 자기장을 갖는 바이어스 자석 및/또는 코일이 제 1 및/또는 제 2 자기장 발생기(670, 675)를 사용하여 시스템(600)에 인가되어 원하는 기저선 세트의 마이크로파 공진 주파수를 생성하면, 외부 자기장이 측정될 수 있다. 다이아몬드 센서의 위치에서 외부 자기장을 로 정의하면 식(b5)이 다음으로서 표현될 수 있다:When a bias magnet and / or coil having a desired bias magnetic field is applied to the
(b49) (b49)
외부 자기장에 대응하는 m 일부는 m을 바이어스 자기장(b_bias)의 공지된 돌출부와 비교함으로써 분리될 수 있으며, 이는 다음으로서 표현될 수 있다:The portion of m corresponding to the external magnetic field can be separated by comparing m with known projections of the bias magnetic field b_bias, which can be expressed as: < RTI ID = 0.0 >
(b50) (b50)
수학식(b50)에서, ㅀ는 하다마드(요소-방식) 행렬 곱을 나타낸다. 결과적인 mext는 각 축 상의 bext의 투사에 대한 적절한 부호를 가져, mext가 bext를 추정하기 위해 m 대신에 사용되는 경우, 수학식(b5) 내지(b13)에 도시된 접근법을 이용하여 bext의 명백한 복원을 허용한다.In equation (b50), ㅀ represents the Hadamard (element-wise) matrix multiplication. The resulting m ext has the appropriate sign for the projection of b ext on each axis, and if m ext is used instead of m to estimate b ext , we can use the approach shown in equations (b5) through (b13) To allow explicit restoration of b ext .
상기에 기초하여, 알려지지 않은 외부 자기장 벡터가 정확하게 추정되고 복원될 수 있다. 무화과. 도 137은 전술한 방법을 사용하여 시스템(600)의 제어기(680)에 의해 구현되는 바와 같은 외부 자기장 벡터의 복원 방법을 도시하는 흐름도이다. 단계(13710)에서, 각각의 다이아몬드 축에 대한 로렌츠 응답 사이에 원하는 분리를 생성할 바이어스 자기장은 상술한 방법(예컨대, 동일한 분리 또는 최대 분리 계산)을 사용하여 계산된다. 일단 이것이 결정되면, 제 1 자기장 발생기(670)(예를 들어, 영구 자석)는 원하는 자기장을 생성하도록 배치될 수 있거나 제 2 자기장 발생기(675)(예를 들어, 3 축 헬름홀츠 코일)는 제어기(680) 원하는 자기장을 생성한다. 다음으로, 단계(13720)에서, 도 135에 도시된 전술한 부호 복원 방법을 사용하여 각 로렌츠 쌍에 상대적인 방향(즉, 부호 값)이 할당된다.Based on the above, an unknown external magnetic field vector can be accurately estimated and restored. FIG. 137 is a flow chart illustrating a method for reconstructing an external magnetic field vector as implemented by controller 680 of
일단 로렌츠 응답이 적절한 바이어스 자기장의 인가에 의해 최적으로 분리되고 그 쌍의 부호 값이 할당되면, 시스템(600)에 충돌하는 총 자기장의 측정 데이터가 단계(13730)에서 수집된다. 그 다음, 단계(13740)에서 외부 자기장으로 인한 로렌츠 딥의 변화는 주어진 다이아몬드 축에 투영된 자기장 벡터의 적용과 ms = -1 스핀 상태 사이의 결과적인 에너지 분할 사이의 선형 관계와 ms = +1 스핀 상태. 단계(13750)에서, 이 시프트 정보는 수학식(b49) 내지 (b50)을 사용하여 기술된 방법과 함께 사용되어 외부 자기장 b_ext의 추정치를 계산한다.Once the Lorentz response is optimally separated by the application of the appropriate bias magnetic field and the code value of the pair is assigned, measurement data of the total magnetic field impinging on the
본 명세서에 개시된 발명 개념의 실시예는 그 바람직한 실시예를 참조로 하여 상세히 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.Although the embodiments of the inventive concepts disclosed herein have been described in detail with reference to the preferred embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that variations and modifications may be made within the spirit and scope of the invention.
자기 대역 통과 필터A magnetic band-pass filter
이하에서는, 자기 적 통신에서의 신호에 대한 필터링 및 다이아몬드 질소 공석(DNV) 센서를 이용한 이상 검출을 제공하기 위한 방법, 장치 및 시스템과 관련된 다양한 개념의보다 상세한 설명이 있다. 본 기술은 대역 통과 필터를 제공하여 사용자가 이상 탐지를 위한 특정 주파수 신호와 통신을 위한 제한된 환경 잡음을 허용하는 작동 주파수 대역에 집중할 수 있게 한다. 필터링된 신호는 통신 및 이상 탐지를 위해 신호 대 잡음(SNR)을 증가시킨다. 필터링된 신호는 불필요한 신호를 감소시키고 운영자는 신호를 더 잘 해석할 수 있다. 자기 매체를 이용한 자기 통신은 지하 관통 응용 및 수중 환경에 유리한 특징을 제공한다. 자기 통신의 적용에 대한 제한은 시끄러운 작동 환경이다. 개시된 기술은 적절한 자기 필터링을 제공함으로써 이 문제를 해결한다.Hereinafter, there is a more detailed description of the various concepts related to the method, apparatus and system for filtering the signal in magnetic communication and providing anomaly detection using a diamond nitrogen vacancy (DNV) sensor. The technique provides a bandpass filter to allow the user to focus on an operating frequency band that allows for limited environmental noise for communication with specific frequency signals for anomaly detection. The filtered signal increases signal to noise (SNR) for communication and anomaly detection. The filtered signal reduces unwanted signals and allows the operator to better interpret the signal. Magnetic communication using magnetic media provides advantageous features for underground penetration applications and underwater environments. The restriction on the application of magnetic communication is a noisy operating environment. The disclosed technique solves this problem by providing appropriate magnetic filtering.
몇몇 구현에서, 대상 기술의 시스템은 목표 주파수 영역 외부의 자기 통신 신호를 감쇠시킨다. 전기적 세계에서, 대역 통과 필터는 저항기 및 캐패시터 및/또는 다른 수동 또는 능동 소자의 조합을 사용하여 실현될 수 있다. 그러나 자기장에서는 솔레노이드 및 반자성 물질을 사용하여 원하는 필터링 기능을 수행할 수 있다.In some implementations, the system of the subject technology attenuates the magnetic communication signal outside the target frequency range. In the electrical world, bandpass filters can be realized using resistors and capacitors and / or a combination of other passive or active elements. In a magnetic field, however, a solenoid and a semi-magnetic material can be used to perform the desired filtering function.
도 138은 로우 패스 필터(13810) 및 하이 패스 필터(13820)를 갖는 DNV 센서(13800)의 질소 공석을 갖는 다이아몬드(13802)의 개략도이다. 도 138에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터(13810) 및 고역 통과 필터(13820)는 협력하여 자기 대역 통과 필터를 형성한다. 저역 통과 필터(13810)는 다이아몬드(13802)를 코어로 사용하는 솔레노이드에 의해 형성되고, 저항(13812) 및 다이아몬드(13802)의 부분에 대해 고리가 형성된 도전성 물질(13814)의 루프를 포함한다. 몇몇 구현에서, 도전성 물질의 루프(13814)는 다이아몬드(13802)에 대한 복수의 루프를 포함할 수 있다. 저항(13812)은 루프(13814)의 제 1 단부 및 루프(13814)의 제 2 단부에 전기적으로 연결된다. 몇몇 구현에서, 저항(13812)은 일정한 저항이다. 다른 구현들에서, 저항기(13812)는 전위차계 또는 다른 동조 가능한 저항기 요소와 같은 가변 저항기일 수 있다. 가변 저항으로, 저항의 수정은 선택적으로 고주파 자기 신호들의 세트를 감쇠시킬 수 있다. 즉, 예를 들어 전위차계에 의해 적용된 저항에 대한 수정은 저역 통과 필터(13810)에 의해 감쇄되는 상부 주파수를 변경할 수 있다. 따라서, 보다 높은 주파수의 자기 신호는 감쇠되어 DNV 센서(13800)에 의해 검출되는 예상 신호에 관한 잡음을 감소시킬 수 있다. 루프(13814) 및 저항기(13812)에 의해 형성된 솔레노이드는 변화하는 자기장에 저항하고 변화하는 자기장의 변화율에 비례하는 반대 전계를 생성하며, 이는 교번하는 자기장에 더 큰 영향을 미친다. 몇몇 구현에서, 루프(13814) 및 저항(13812)에 의해 형성된 솔레노이드는 저역 통과 필터(13810)의 형상을 제어하는 커패시터를 포함할 수 있다.138 is a schematic diagram of a
고역 통과 필터(13820)는 다이아몬드(13802)에 대해 배치된 반자성 물질(13822)에 의해 형성된다. 반자성 물질(13822)은 외부 자기장에 의해 반발된다. 반자성 물질(13822)은 적용된 환경 자기장. 선택된 반자성 물질(13822)에 기초하여, 필터링된 자기 신호에 대한 저주파가 변경될 수 있다. 몇몇 구현에서, 반자성 물질(13822)는 약 0.9의 투자율을 가질 수 있다. 반자성 물질(13822)은 DC 전류 또는 장치들로부터 방출된 저주파 자기 신호들을 걸러내는 DC 차단기로서 작용할 수 있다.The high-
고역 통과 필터(13820)로서의 반자성 물질(13822) 및 저역 통과 필터(13810)로서의 하나 이상의 솔레노이드의 조합을 사용하여, DNV 센서(13800)를 위한 대역 통과 필터가 형성될 수 있다. 저역 통과 필터(13810)가 튜너 블 저항(13812)을 사용하면, 교류 자기장의 감쇠가 원하는 주파수 대역에 대해 최적화될 수 있다. 즉, 로우 패스 필터(13810)에 대한 저항을 변화시키는 것은 하이 패스 필터(13820)가 저주파 자기 신호를 필터링하는 동안 감쇠되는 고주파 자기 신호를 변화시킬 수 있다.Using a combination of one or more solenoids as a
도 139는 필터링을 사용하지 않고 테스트 신호(13904)를 포함하는 예시적인 자기 신호(13902)를 나타내는 그래프 다이어그램(13900)이다. 자기 신호(13902)는 관리 가능한 자기 잡음 플로어(magnetic noise floor)를 갖는 농촌 지역에서 구동되는 차량에 배치된 DNV 센서 기반 장비의 사용에 대응한다. 이 장비는 자기 신호를 읽는 데 사용되었으며 DNV 센서가 배치된 차량은 매우 시끄럽다. 이는 장비 근접과 결합되어, 예시적인 자기 신호(13902)의 잡음으로부터 테스트 신호(13904)를 복원하는 것을 어렵게 한다. 자기 신호(13902)의 잡음이 주어지면, 자기 신호 잡음을 제거 및/또는 감소시키는 필터링 메커니즘을 제공하면, 테스트 신호(13904)와 같은 특정 해당 신호를 수신 할 때 신호 선명도(SNR)를 증가시켜보다 선명하게 제공할 수 있다.Figure 139 is a graphical diagram 13900 illustrating an exemplary
도 140은 로우 패스 필터(14010)를 가지며 환경의 자기장(14050), 환경의 자기장의 변화(14052) 및 필터를 위한 로우 패스 필터에 의한 유도 자기장(14054)을 도시하는 DNV 센서(14002)의 다이아몬드 고주파 신호를 도시한다. 도시된 구성에서, 다이아몬드(14002)는 전도성 물질의 루프(14012) 및 저역 통과 필터(14010)로서 작용하는 저항기(14014)로 구성된 솔레노이드의 코어로서 작동한다. 다이아몬드(14002)는 외부 자기장(14050), B 외부 자기장(14050, B)이 환경으로부터의 외부 자기 잡음에 기초한 자기장(14052)의 변화 ΔB에 의해 변화될 때, 자기장(14052)의 변화 ΔB는 솔레노이드가(EMF = -NΔΦ / Δt)에 따른 자기장(14052)의 변화율에 비례하여 반대인 도전성 물질(14012)의 전류(14016)(여기에서 ΔΦ는 자속의 변화 임)이고, Δt는 여기서, N은 다이아몬드(14002)에 대한 전도성 물질(14012)의 권수이고, EMF는 유도된 전자기력(EMF)이다. 발생된 EMF에 기인 한 유도 전류(14016)는 미분항 ΔΦ / Δt로 인해 고주파 자기 신호에 더 큰 영향을 미치며, 효과는 전도성 물질(14012)에서의 턴 수 N과 몇몇 실시예에서, 가변 저항기(14014)는 저역 통과 필터(14010)의 동작 영역을 변경하는데 사용될 수 있다. 몇몇 구현에서, 가변 저항기(14014)는 전위차계일 수 있다. 몇몇 구현에서, 가변 저항기(14014)는 전도성 물질(14012)의 루프의 제 1 단부 및 전도성 물질(14012)의 루프의 제 2 단부에 결합되어 저역 통과 필터(14010)를 형성할 수 있다. 몇몇 구현에서,(14012) 및 저항기(14014)는 저역 통과 필터(14010)의 형상을 제어하는 커패시터를 포함할 수 있다.140 shows a block diagram of a
몇몇 구현에서, 제어기는 가변 저항기(14014) 및/또는 가변 저항기(14014)를 조정하기 위한 구성 요소에 결합될 수 있다. 예를 들어, 디지털 전위차계가 가변 저항기(14014)로서 사용될 수 있고 제어기가 구성될 수 있다 가변 저항기(14014)의 저항을 변경한다. 몇몇 구현에서, 제어기는 저역 통과 필터(14110)를 선택적으로 감쇠시키기 위해 가변 저항기(14014)의 저항을 변경하도록 구성될 수 있다. 선택적 감쇠는 검출된 자기 교란 또는 자기 신호의 세기 및/또는 방향에 응답하여 수행된다.In some implementations, the controller may be coupled to a component for adjusting the
다른 구현에서, 제어기는 DNV 센서(14000)의 방위를 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, DNV 센서(14000)는 DNV 센서(14000)의 회전 방위 또는 더 많은 방향의 수정을 허용하도록 구조에 장착될 수 있다. 예를 들어, DNV 센서(14000)는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 하나 이상의 방향으로 기계적으로 또는 달리 회전될 수 있는 다른 적절한 구조에 장착될 수 있다. DNV 센서(14000)의 방위의 변경은 검출된 자기 교란 또는 자기 신호의 세기 및/또는 방향에 응답할 수 있다.In other implementations, the controller may be configured to change the orientation of the
또한, 도 141은 제 1 저역 통과 필터(14110) 및 제 2 저역 통과 필터(14120)를 갖는 DNV 센서(14100)의 다이아몬드(14102)를 도시한다. 도시된 구성에서, 다이아몬드(14102)는 제 1 저역 통과 필터(14110)의 제 1 솔레노이드의 코어(14122) 및 제 2 저항기(14124)로 구성된 제 2 저역 통과 필터(14120)의 제 2 솔레노이드의 코어와 같은 제 1 루프(14122) 및 제 2 저항기(14124)를 포함한다. 몇몇 구현에서, 제 1 루프 및/또는 제 2 루프는 여러 개의 루프의 전도성 물질로 제조될 수 있다. 도시된 실시예에서, 도전성 물질의 제 1 루프(14112)는 다이아몬드(14102)에 대해 제 1 평면에 위치되고 도전성 물질의 제 2 루프(14122)는 다이아몬드(14102)에 대해 제 2면에 위치되어 제 1 및 제 2면이 직교한다. 따라서, 제 1 저역 통과 필터(14110)는 제 1 공간배향에 대한 저역 통과 필터이고, 제 2 저역 통과 필터(14120)는 제 2 공간배향의 저역 통과 필터이다. 몇몇 구현에서, 도전성 물질의 제 1 루프(14112) 및 도전성 물질의 제 2 루프(14122) 및 제 2 저항기(14124)에 의해 형성된 제 1 저항기(14114) 및/또는 제 2 솔레노이드에 의해 형성된 제 1 솔레노이드는 로우 패스 필터(14110, 14120)를 포함한다.141 also shows a
제 1 저항(14114)과 제 2 저항(14124)이 동일한 저항을 갖는 경우, 저역 통과 필터(14110, 14120)로부터의 감쇠는 유도된 EMF로 인해 제 1 저역 통과 필터(14110)와 제 2 저역 통과 필터(14120)사이의 대각선에서 가장 강하다. 제 1 저항(14114)이 제 2 저항(14124)보다 더 큰 저항을 갖는다면, 저역 통과 필터(14110, 14120)로부터의 감쇠는 제 1 저역 통과 필터(14110)가 제 2 평면보다 더 위치된 제 1면에 더 가깝게 될 것이다. 제 2 저역 통과 필터(14120)가 위치된다. 몇몇 구현에서, 제 1 저항(14114) 및/또는 제 2 저항(14124)은 가변 저항일 수 있다. 몇몇 구현에서, 제 1 가변 저항(14114) 및/또는 제 2 가변 저항(14124)은 전위차계일 수 있다. 몇몇 구현에서, 제 1 저항(14114)은 도전성 물질(14112)의 제 1 루프의 제 1 단부 및 도전성 물질(14112)의 제 1 루프의 제 2 단부에 결합되어 제 1 저역 통과 필터(14110)를 형성할 수 있다. 제 2 레지스터(14124)는 도전성 물질(14122)의 제 2 루프의 제 1 단부(예를 들어, 제 3 단부) 및 도전성 물질(14122)의 제 2 루프의 제 2 단부(예를 들어, 제 4 단부)에 결합되어 제 2 저역 통과 필터(14120)를 형성할 수 있다.When the
제 1 가변 저항기(14114)는 제 1 저역 통과 필터(14110)의 동작 영역을 독립적으로 변화시키는데 사용될 수 있고 제 2 가변 저항기(14124)는 제 2 저역 통과 필터(14120)의 동작 영역을 독립적으로 변화시키는데 사용될 수 있다. 저역 통과 필터(14110, 14120)의 동작 영역의 독립적인 변경은 최대 감쇠의 공간적 배향을 변경하여, 유도된 EMF로 인한 최대 감쇠의 공간적 배향을 수정하는 것을 제공할 수 있다. 따라서, 몇몇 구현에서, 제어기는 제 1 가변 저항기(14114) 및/또는 제 1 가변 저항기(14114) 및 제 2 가변 저항기(14124)를 조정하기 위한 구성 요소 및/또는 제 2 가변 저항기(14124)를 조정하기 위한 구성 요소에 결합되어 다이아몬드(14102)에 관한 최대 감쇠의 공간 배향을 수정할 수 있다. 예를 들어, 디지털 전위차계가 제 1 가변 저항기(14114) 및/또는 제 2 가변 저항기(14124)로서 사용될 수 있으며, 제어기는 제 1 가변 저항기(14114) 및/또는 제 2 가변 저항기(14124)의 저항을 수정하도록 구성될 수 있다. 몇몇 구현에서, 본원에 더 상세히 설명된 바와 같이, 제어기는 제 1 가변 저항기(14114) 및/또는 제 2 가변 저항기(14124)의 저항을 수정하여 제 1 저역 통과 필터(14110) 및/또는 제 2 저역 통과 필터(14110)를 선택적으로 감쇠하도록 구성될 수 있다. 선택적 감쇠는 자기 방해 및 자기 신호의 디텍(detec)의 세기 및/또는 방향에 응답할 수 있다. 몇몇 구현에서, 전위차계와 같은 제 1 가변 저항기(14114)에 대한 정정은 제 1 공간 배향에 대한 제 1 저역 통과 필터(14110)에 대한 고주파 자기 신호들의 세트를 감쇠시킨다. 전위차계와 같은 제 2 가변 저항기(14124)에 대한 정정은 제 2 공간배향에 대한 제 2 저역 통과 필터(14120)에 대한 고주파 자기 신호들의 세트를 감쇠시킨다.The first
부분 다른 구현에서, 다이아몬드(14102)는 제 3 루프의 도전성 물질 및 제 3 저항으로 구성된 제 3 저역 통과 필터의 제 3 솔레노이드의 코어로서 동작한다. 몇몇 구현에서, 제 3 루프는 다수의 전도성 물질 루프로 제조될 수 있다. 도전성 물질의 제 3 루프는 제 3 평면이 제 1 저역 통과 필터(14110)의 제 1 평면 및 제 2 저역 통과 필터(14120)의 제 2 평면과 직교하도록 다이아몬드(14102)에 대해 제 3 평면에 위치될 수 있다. 따라서, 제 3 저역 통과 필터는 제 3 공간 배향을 위한 저역 통과 필터이다. 제 3 레지스터는 도전성 물질의 제 3 루프의 제 1 단부(예를 들어, 제 5 단부) 및 도전성 물질의 제 3 루프의 제 2 단부(예를 들어, 제 6 단부)에 결합되어 제 3 저역 통과 필터 세 번째 저항은 전위차계와 같은 가변 저항일 수 있다. 몇몇 구현에서, 제 3 가변 저항에 대한 변경은 제 3 공간배향에 대한 제 3 저역 통과 필터에 대한 고주파 자기 신호들의 세트를 감쇠시킨다. 제 3 저역 통과 필터, 제 3 저항기, 제 3 루프 등은 상술 한 바와 같이 제 1 저역 통과 필터(14110), 제 1 저항기(14114), 제 1 루프(14112) 등과 유사한 방식으로 추가로 구성 및/또는 사용될 수 있다. 제 3 저역 통과 필터는 제 3 공간배향으로 위치된다. 따라서, 제 1 저역 통과 필터(14110), 제 2 저역 통과 필터(14120) 및 제 3 저역 통과 필터를 이용하여, 각 가변 저항기에 인가된 저항의 변화는 다이아몬드(14102)에 대한 최대 감쇠의 공간적 배향을 수정할 수 있다.In a partial alternative embodiment, the
여기에 설명된 임의의 DNV 센서(13800, 14000, 14100)에서, 반자성 물질(13822)와 같은 반자성 물질이 본 명세서에서보다 상세하게 설명되는 바와 같이 고역 통과 필터용으로 이용될 수 있다.In any of the
도 142는 반자성 물질(14210)에 대한 DNV 센서(14200)의 다이아몬드(14202)를 도시하고 유도 자기장(14220)에 대한 반자성 물질(14210)의 자극(14212)의 정렬을 도시한다. 반자성 물질(14210)은 외부 자성 자기장(B)을 생성하고, 반자성 물질(14210)은 인가된 환경 자기장에 역 평행하게 정렬되는 유도 자기장(B1)을 생성한다.142 shows the
도 143은 외부 또는 적용된 환경 자기장 B와 관련하여 고역 통과 필터에서 사용하기 위한 반자성 물질의 거동을 도시한다. 곡선 14300은 반자성 물질의 자성 M의 변화를 외부 또는 인가된 환경 자기장, B를 포함한다. 도 143에 도시된 바와 같이, 반자성 물질의 자기장은 인가된 자기장과 반대이고, 반자성 물질에 대한 일정한 자기장이 달성될 때까지 지연을 포함한다. 지연은 외부 자기장에 대해 역 평행하게 정렬되고 외부 자기장과 반대되는 재구성을 위해 일정 시간을 필요로 하는 극(14212)과 같은 영역을 갖는 반자성 물질(14210)와 같은 반자성 물질에 기인한다. 그러나, 이러한 효과는 순간적이지 않을 수 있고, 반자성 물질은 커패시터의 충전 시간과 유사한 충전 시간을 경험한다. 따라서, 고주파수 자기 신호는 느린 변조 신호보다 배향에서 더 적은 시간을 소비한다. 이는 자기 신호의 고주파수 일부가 반자성 물질을 통과하게하고 자기 신호의 저주파수 일부는 필터링된다. 반자성 물질의 투자율 및 크기는 효과를 변화시킬 수 있다.143 shows the behavior of the semi-magnetic material for use in a high-pass filter in conjunction with an external or applied environmental field B;
다시 도 142을 참조하면, 선택된 반자성 물질(14210)에 기초하여, 필터링된 자기 신호에 대한 저주파가 변경될 수 있다. 몇몇 구현에서, 반자성 물질(14210)은 약 0.9의 자기 투자율을 가질 수 있다. 반자성 물질(14210)은 DC 전류 또는 장치들로부터 방출된 저주파 자기 신호들을 필터링하기 위해 DC 차단기로서 작용할 수 있다. 몇몇 구현에서, 반자성 물질(14210)는 다이아몬드(14202)의 단부에 위치될 수 있다. 몇몇 구현에서, 반자성 물질(14210)는 하나 이상의 전류 또는 기대된 DC 전류의 위치에 기초하여 다이아몬드(14202) 다른 실시예에서, DNV 센서(14200)는 전류 또는 예상된 DC 전류 또는 디바이스에 관한 반자성 물질(14210)을 정렬시키도록 회전될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 반자성 물질(14210)는 DNV 센서(14200)의 다이아몬드(14202)의 대향 단부에 위치될 수 있다. 또한, 물질의 반자성 큐브는 DNV 센서(14200)에 대해 형성될 수 있다. 또한 추가 구현에서, 반자성 물질(14210)은 액체 물질일 수 있고, DNV 센서(14200)의 다이아몬드(14202)는 액체 반자성 물질(14210) 내에 위치될 수 있거나 그렇지 않으면 반자성 물질(14210)에 의해 둘러싸일 수 있다.Referring again to Figure 142, based on the selected
도 144는 검출된 자기장에 기초하여 DNV 센서에 대한 저역 통과 필터의 필터링 주파수를 변경하기 위한 방법(14400)을 도시한다. 방법(14400)은 다이아몬드 질소 공석 센서를 제공하는 단계를 포함한다(블록 14402). DNV 센서는 DNV 센서(13800, 14000, 14100, 14200) 중 임의의 것일 수 있다. 몇몇 구현에서, DNV 센서는 DNV 센서(14000)와 유사할 수 있으며, 질소 공석 및 로우 패스 필터를 갖는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 저역 통과 필터는 다이아몬드 둘레에배치된 전도성 물질의 루프 및 루프의 제 1 단부 및 루프의 제 2 단부에 연결된 가변 저항기를 포함할 수 있다. 다른 구현에서, DNV 센서는 DNV 센서(14100)와 유사할 수 있으며, 질소 공석, 제 1 공간배향의 제 1 저역 통과 필터, 및 제 2 공간배향의 제 2 저역 통과 필터를 갖는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 제 1 저역 통과 필터는 다이아몬드의 제 1 부분 주위에 배치된 도전성 물질의 제 1 루프 및 제 1 루프의 제 1 단부 및 제 1 루프의 제 2 단부에 연결된 제 1 가변 저항을 포함할 수 있다. 제 2 저역 통과 필터는 다이아몬드의 제 2 부분 둘레에 배치된 제 2 도전성 물질의 루프 및 제 2 루프의 제 1 단부(예를 들어, 제 3 단부)에 결합된 제 2 가변 저항기 및 제 2 단부(예를 들어, 제 4 단부)에 결합된다. 도전성 물질의 제 1 루프는 제 1 평면 내에 배치될 수 있고, 도전성 물질의 제 2 루프는 제 2 평면에 배치될 수 있다. 몇몇 구현에서, 제 1 평면 및 제 2 평면은 직각이다. 몇몇 구현에서, 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기는 전위차계이다. 몇몇 다른 구현에서, DNV 센서는 도전성 물질의 제 3 루프가 제 3 평면에 위치되도록 다이아몬드의 제 3 부분 주위에 배치된 도전성 물질의 제 3 루프를 더 포함할 수 있다. 제 3 평면은 제 1 평면 및 제 2 평면에 직각일 수 있다. 또 다른 구현에서, DNV 센서(14000, 14100) 중 어느 하나는 여기에 설명된 반자성 물질(14210)과 같은 반자성 물질을 포함할 수 있다.144 shows a
방법(14400)은 간섭하는 자기 신호를 검출하는 단계를 더 포함한다(블록 14404). 간섭하는 자기 신호의 검출은 DNV 센서로 간섭하는 자기 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 간섭 자기 신호의 검출은 DNV 센서와 전기 통신하는 제어기로 수행된다. 다른 구현들에서, 간섭 자기 신호를 검출하는 것은 제어기와 전기 통신하는 또 다른 구성 요소와 함께 있을 수 있다. 간섭하는 자기 신호의 검출은 단순히 소정의 고주파수 이상의 자기 신호의 방향을 검출하는 것을 포함할 수 있다.The
방법(14400)은 검출된 자기 신호에 기초하여 제 1 가변 저항기 또는 제 2 가변 저항기 중 하나 이상의 값을 변경하는 단계를 더 포함한다(블록 14406). 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기에 대한 값의 변경은 제어기에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 구현에서, 제어기는 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기에 대한 디지털 전위차계를 변경하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 다른 구현들에서, 제어기는 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기의 저항에 대한 값을 수정하도록 또 다른 구성 요소를 수정할 수 있다. 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기에 대한 저항 값을 0 또는 실질적으로 제로 저항 값으로 변경하면 실질적으로 모든 고주파 자기 신호를 감쇠시킬 수 있다.The
몇몇 구현에서, 하나 이상의 저역 통과 필터는 실질적으로 모든 고주파 자기 신호를 감쇠시키고, 테스트 신호가 검출 될 때까지 가변 저항기의 저항 값을 조정하거나 또는 가변 저항기의 저항 값을 필터링을 위한 미리 결정된 주파수 값이 달성 될 때까지 감쇠를 증가시키는 단계를 포함한다.In some implementations, the one or more low pass filters attenuate substantially all high frequency magnetic signals, adjust the resistance value of the variable resistor until a test signal is detected, or adjust the resistance value of the variable resistor to a predetermined frequency value for filtering And increasing the attenuation until it is achieved.
도 145는 검출된 자기장에 기초하여 저역 통과 필터로 DNV 센서의 방위를 변경하기 위한 다른 방법(14500)이다. 방법(14500)은 다이아몬드 질소 공석 센서를 제공하는 단계를 포함한다(블록 14502). DNV 센서는 DNV 센서(13800, 14000, 14100, 14200) 중 임의의 것일 수 있다. 몇몇 구현에서, DNV 센서는 DNV 센서(14000)와 유사할 수 있으며, 질소 공석 및 로우 패스 필터를 갖는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 저역 통과 필터는 다이아몬드 둘레에배치된 전도성 물질의 루프 및 루프의 제 1 단부 및 루프의 제 2 단부에 연결된 가변 저항기를 포함할 수 있다. 다른 구현에서, DNV 센서는 DNV 센서(14100)와 유사할 수 있으며, 질소 공석, 제 1 공간배향의 제 1 저역 통과 필터, 및 제 2 공간배향의 제 2 저역 통과 필터를 갖는 다이아몬드를 포함할 수 있다. 제 1 저역 통과 필터는 다이아몬드의 제 1 부분 주위에 배치된 도전성 물질의 제 1 루프 및 제 1 루프의 제 1 단부 및 제 1 루프의 제 2 단부에 연결된 제 1 가변 저항을 포함할 수 있다. 제 2 저역 통과 필터는 다이아몬드의 제 2 부분 주위에 배치된 제 2 도전성 물질의 루프 및 제 2 루프의 제 1 단부(예를 들어, 제 3 단부)에 결합된 제 2 가변 저항기 및 제 2 단부(예를 들어, 제 4 단부)에 결합된다. 도전성 물질의 제 1 루프는 제 1 평면 내에 배치될 수 있고, 도전성 물질의 제 2 루프는 제 2 평면에 배치될 수 있다. 몇몇 구현에서, 제 1 평면 및 제 2 평면은 직각이다. 몇몇 구현에서, 제 1 가변 저항기 및/또는 제 2 가변 저항기는 전위차계이다. 몇몇 다른 구현에서, DNV 센서는 도전성 물질의 제 3 루프가 제 3 평면에 위치되도록 다이아몬드의 제 3 부분 주위에 배치된 도전성 물질의 제 3 루프를 더 포함할 수 있다. 제 3 평면은 제 1 평면 및 제 2 평면에 직각일 수 있다. 또 다른 구현에서, DNV 센서(14000, 14100) 중 어느 하나는 여기에 설명된 반자성 물질(14210)과 같은 반자성 물질을 포함할 수 있다.145 is another
방법(14500)은 자기 신호를 검출하는 단계를 더 포함한다(블록 14504). 자기 신호의 검출은 DNV 센서로 자기 신호를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 구현에서, 자기 신호의 검출은 DNV 센서와 전기 통신하는 제어기로 수행된다. 다른 구현들에서, 자기 신호를 검출하는 것은 제어기와 전기 통신하는 또 다른 구성 요소와 함께 있을 수 있다. 자기 신호의 검출은 소정의 고주파수 이상의 자기 신호의 방위를 단순히 검출하는 것을 포함할 수 있다.The
방법(14500)은 검출된 자기 신호에 기초하여 DNV 센서의 루프의 방위를 변경하는 단계를 더 포함한다(블록 14506). DNV 센서의 루프의 방위의 변경은 제어기에 의해 수행될 수 있다. DNV 센서의 루프의 방위의 변경은 DNV 센서의 방위를 변경하는 것을 포함할 수 있고 및/또는 DNV 센서의 다이아몬드의 방위와 무관하게 루프의 방위를 변경할 수 있다. 몇몇 구현에서, 제어기는 서보, 액추에이터 등과 같은 기계적 구성 요소를 통해 DNV 센서 및/또는 루프 및 DNV 센서의 방향을 변경하기 위한 명령을 포함할 수 있다.The
자기 웨이크 검출기The magnetic wake detector
본 기술의 몇몇 양상들에서, 대전된 입자들을 이동시킴으로써 생성된 작은 자기장들을 검출하기 위한 방법들 및 구성들이 개시되어있다. 예를 들어, 지구 대기를 통해 이동하는 고속으로 움직이는 대전 입자는 개시된 실시예에 의해 검출될 수 있는 작은 자기장을 생성한다. 하전된 입자의 소스는 미사일, 항공기, 초음속 글라이더 등과 같은 고속 이동하는 차량을 포함한다. 작은 자기장을 검출하기 위해 고도로 민감한 자력계(예 : DNV 센서)가 사용될 수 있다. DNV 센서는 0.01T 감도를 제공할 수 있다. 이러한 자력계는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 자력계(예 : 펨토 -Tesla 레벨 측정 감도)보다 더 민감할 수 있다.In some aspects of the technique, methods and configurations are disclosed for detecting small magnetic fields generated by moving charged particles. For example, fast moving particles traveling through the Earth's atmosphere produce a small magnetic field that can be detected by the disclosed embodiments. Sources of charged particles include high-speed moving vehicles such as missiles, aircraft, supersonic gliders, and the like. A highly sensitive magnetometer (eg a DNV sensor) can be used to detect small magnetic fields. DNV sensors can provide 0.01T sensitivity. Such a magnetometer may be more sensitive than a superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer (eg, femto-Tesla level measurement sensitivity).
대전된 입자의 공급원의 다른 예로서, 제트 엔진은 연소 과정의 부산물로서 이온을 생성할 수 있다. 또 다른 예는 글라이더가 대기를 통과 할 때 플라즈마 장을 생성하는 초 - 소닉 글라이더를 포함한다. 이 플라즈마 장은 대전된 입자를 생성할 수 있다. 개시된 검출기는 또한 수중에서 자기장을 검출할 수 있다. 따라서, 로켓 추진되는 어뢰는 이온 플럭스를 생성할 수 있다. 대전된 입자, 예를 들어, 이온은 주변 공기에 의해 감속될 때까지 일정 기간 동안 상당히 빠르게 움직이고 있다. 이러한 빠르게 움직이는 이온(하전된 입자)은 대기에서 낮은 레벨의 자기장을 생성할 수 있다. 이 자기장은 여기에 설명된대로 하나 이상의 감지기로 감지할 수 있다.As another example of a source of charged particles, a jet engine can produce ions as a by-product of the combustion process. Another example includes an ultra-sonic glider that produces a plasma field as the glider passes through the atmosphere. This plasma field can produce charged particles. The disclosed detector can also detect the magnetic field in water. Thus, a rocket-propelled torpedo can produce ion fluxes. The charged particles, e. G., Ions, are moving quite fast for a period of time until decelerated by the ambient air. These fast-moving ions (charged particles) can generate low-level magnetic fields in the atmosphere. This magnetic field can be detected by one or more detectors as described herein.
본 기술은 제트 엔진배기 가스와 같은 대전 입자 소스에 의해 생성된 자기장을 검출하기 위한 민감한 자기 센서(예를 들어, DNV 센서)의 어레이로서 사용될 수 있다. 단일 검출기는 검출기를 통해 생성된 자기장을 검출하는 데 사용될 수 있다. 일 구현에서, 검출기의 범위는 10 킬로미터 이하이다. 다른 구현에서, 검출기의 범위는 1 킬로미터이다. 이 구현에서 단일 탐지기는 10km 경사 범위 내의 자기장을 감지할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 자기 센서는 해안을 따라 또는 다른 해당 영역(예컨대, 발전소, 군사 기지 등의 중요한 인프라)으로부터 멀리 떨어져 퍼져있을 수 있다. 또한 여러 라인의 센서를 사용하여 시스템이 미사일 탄도를 설정할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 자기 센서로부터의 데이터는 수동 시스템의 전체 검출 능력을 향상시키기 위해 수동 음향 센서로부터의 데이터와 함께(예를 들어, 제트 엔진의 소리를 듣기 위해) 사용될 수 있다. 몇몇 양태들에서, 센서들은 적기가 가까워서 제트가 이륙 또는 착륙 할 때(예를 들어, 저고도에 있을 때) 모니터링을 제공하기에 충분히 작을 수 있다. 다양한 구현에서, 검출기는 저전력 및 영구적일 수 있다(예를 들어, 유인원 없이 항상 시청). 따라서, 이들 검출기는 현재의 스텔스 기술에 의해서조차 검출될 수없는 대상 솔루션에 기초한 은밀한(예를 들어, 수동적인) 감시에 사용될 수 있다.The technique may be used as an array of sensitive magnetic sensors (e.g., a DNV sensor) for detecting magnetic fields generated by charged particle sources such as jet engine exhaust. A single detector may be used to detect the magnetic field generated by the detector. In one implementation, the range of detectors is less than 10 km. In another implementation, the range of the detector is one kilometer. In this implementation, a single detector can sense a magnetic field within a 10 km slope range. In another embodiment, the magnetic sensors may be spread along the coast or away from other areas (e.g., critical infrastructure such as power plants, military bases, etc.). The system can also set missile trajectory using multiple lines of sensors. In one or more embodiments, the data from the magnetic sensor may be used (e. G., To hear the sound of the jet engine) with data from the passive acoustic sensor to improve the overall detection capability of the passive system. In some aspects, the sensors may be small enough to provide monitoring when the jet is close (e.g., at low altitudes) as the bandit is close. In various implementations, the detector may be low power and permanent (e.g., always watching without an ape). Thus, these detectors can be used for covert (e.g., passive) monitoring based on a target solution that can not be detected even by current stealth techniques.
도 146은 몇몇 예시적인 구현에 따른 저고상도(14608)에서의 비행체(14602)를 도시한다. 비행체(14602)는 순항 미사일, 항공기, 또는 초 - 음파 글라이더일 수 있다. 비행체(14602)는 지형(14606)에 의해 야기된 높은 혼란(clutter) 및 은밀함 때문에 레이더 추적을 쉽게 피할 수 있다. 항공기 레이더조차도 지구를 향해 스캔하고 작고 은밀한 표적을 추적하는 데 따른 격렬한 혼란 문제 때문에 이러한 물체를 감지하고 추적하지 못할 수 있다. 예를 들어, AWACS 나 Hawkeye와 같은 고공 비행 감시 레이더는 때때로 순항 미사일을 탐지할 수 있지만, 비용이 많이 들고 공기 중에 있어야하며, 신호대 잡음비(SNR)가 충분해야 작동할 수 있다. 높은 혼란 상황. 단거리 레이더는 탐지 능력을 제공하지만 상당한 전력이 필요하며 미사일의 비행 고도가 낮기 때문에 미사일을 매우 짧은 기간 동안 볼 수 있다. 제한된 시야각의 창은 미사일이 육로 기반 시스템(특히 회전하는 경우)에 의해 쉽게 놓칠 수 있게 하는데, 그 이유는 트랙을 구축하기에 충분한 시야 내에서 지속되지 않기 때문이다. 본 기술은 크루즈 미사일의 제트배기에서 이온의 빠른 이동에 의해 생성된 약한 자기장을 검출하기 위해 DNV 센서와 같은 고감도 자기 센서를 사용한다. 예를 들어, DNV 센서는 DNV 센서에 작용하는 자기장을 측정한다. DNV 센서는 지구에서 사용될 때 지구 자기장에 영향을 미치는 다른 자기장이 없다고 가정할 때 지구 자기장을 측정한다. DNV는 자기장의 크기와 방향을 모두 제공하는 자기 벡터를 측정한다. 다른 자기장이 DNV 센서의 범위 내에 있으면 측정된 자기장이 변경된다. 이러한 변화는 다른 자기장의 존재를 나타낸다.FIG. 146 shows a vehicle 14602 in a low elevation view 14608 in accordance with some exemplary implementations. The aircraft 14602 may be a cruise missile, an aircraft, or a super-sound wave glider. The aircraft 14602 can easily avoid radar tracking due to the high clutter and latitude caused by the terrain 14606. [ Even aircraft radars may not be able to detect and track these objects because of intense confusion over scanning the earth and tracking small, covert targets. For example, high-flying surveillance radars such as AWACS and Hawkeye can sometimes detect cruise missiles, but they are expensive and must be in the air and can operate with a good signal-to-noise ratio (SNR). High chaos situation. Short-range radars provide detection capabilities, but require significant power and low missile flight altitudes, so missiles can be seen for a very short period of time. The window of limited viewing angles makes it easy for missiles to be missed by land based systems (especially when they are spinning) because they do not last long enough to build a track. The technique uses a high-sensitivity magnetic sensor, such as a DNV sensor, to detect the weak magnetic field generated by the fast movement of ions in the jet exhaust of a cruise missile. For example, the DNV sensor measures the magnetic field acting on the DNV sensor. DNV sensors measure the Earth's magnetic field when used on Earth, assuming there is no other magnetic field affecting the Earth's magnetic field. DNV measures magnetic vectors that provide both magnitude and direction of the magnetic field. If the other magnetic field is within the range of the DNV sensor, the measured magnetic field is changed. These changes represent the presence of other magnetic fields.
DNV 센서를 사용할 때, 각각의 샘플은 DNV 센서에 영향을 미치는 자기장을 나타내는 벡터이다. 따라서 시간 경과에 따른 측정을 사용하여 시간상의 위치 및 따라서 대상의 경로를 결정할 수 있다. 간격을 두고 있는 여러 개의 DNV 센서를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 동시에 측정되는 여러 DNV 센서의 감지된 자기 벡터를 결합할 수 있다. 하나의 예로서, 결합된 벡터는 떨림 플롯을 구성할 수 있다. 푸리에 변환과 같은 분석을 사용하여 여러 측정 값의 공통 잡음을 결정할 수 있다. 그런 다음 공통 잡음을 다양한 측정에서 제외할 수 있다.When using the DNV sensor, each sample is a vector representing the magnetic field affecting the DNV sensor. Thus, measurements over time can be used to determine the location in time and thus the path of the object. Multiple DNV sensors spaced apart may be used. For example, you can combine the sensed magnetic vectors of several DNV sensors that are measured simultaneously. As an example, the combined vector may constitute a tremor plot. Analysis such as Fourier Transform can be used to determine the common noise of several measurements. The common noise can then be excluded from the various measurements.
단일 또는 다중 DNV 센서로부터의 일방향 측정은 다양한 자성 모델에서 벡터를 사용하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 치수, 질량, 객체의 수, 하나 이상의 객체의 위치 등을 추정하는 여러 모델을 사용할 수 있다. 측정은 각 모델의 오류를 결정하는 데 사용할 수 있다. 오류가 가장 낮은 모델은 DNV 센서로 측정되는 자기장을 생성하는 물체를 가장 정확하게 나타내는 것으로 식별할 수 있다. 하나 이상의 최상의 모델에 대한 변경은 모델의 오류를 줄이기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어 유전 알고리즘을 사용하여 모델 오류를 줄이기 위해 모델을 변경하여 보다 정확한 모델을 결정할 수 있다. 모델의 오류율이 미리 결정된 임계 값보다 낮아지면 모델은 감지된 자기장을 생성하는 물체의 수와 물체의 크기 및 질량을 식별하는 데 도움을 줄 수 있다.One-way measurements from single or multiple DNV sensors can be used to use vectors in various magnetic models. For example, you can use several models to estimate dimensions, mass, number of objects, location of one or more objects, and so on. Measurements can be used to determine the error of each model. The model with the lowest error can be identified as the most accurate representation of the object producing the magnetic field measured by the DNV sensor. Changes to one or more best models can be applied to reduce errors in the model. For example, genetic algorithms can be used to change a model to reduce model errors to determine a more accurate model. If the error rate of the model is lower than a predetermined threshold, the model can help to identify the number of objects generating the sensed magnetic field and the size and mass of the object.
비행체(14602)가 연소 엔진을 사용하면, 배기 가스(14604)가 생성 될 것이다. 배기(14604)는 비행체(14602)를 빠져 나올 때 고속으로 움직이는 하전 입자를 포함할 수 있다. 이들 대전된 입자는 기술된 구현에 의해 검출될 수 있는 자기장을 생성한다. 지구는 비교적 정적인 자기장을 가지고 있기 때문에, 탐지기는 지구의 정적 자기장으로부터 교란 또는 변화를 감지할 수 있다. 이러한 변화는 비행 물체(14602)에 기인할 수 있다.If the air vehicle 14602 uses a combustion engine,
도 147은 다양한 예시적인 구현에 따른 자기장 검출기를 도시한다. 센서(14706)는 센서(14706) 머리 위로 지나가는 비행체(14702)의 자기장(14704)를 탐지할 수 있다. 센서(14706)는 센서(14706)가 비행체(14702)를 탐지하기 위한 신호를 방출하지 않는다는 점에서 수동적일 수 있다. 따라서, 센서(14706)는 수동적이다 그 사용은 다른 센서에 의해 탐지되지 않는다. 예를 들어, DNV 기반의 자기 센서와 같은 자기 센서는 검출되지 않고 높은 감도로 자기장을 검출할 수 있다. 자기 센서(예 : DNV 센서)가 장착된 다수의 노드에 의해 형성된 센서 네트워크는 예를 들어 국경을 따라, 해안가 또는 원격 위치의 부표에 배치될 수 있다. 예를 들어, 북극권 근처에 먼 조기 경고 선이 설치될 수 있다.147 shows a magnetic field detector according to various exemplary implementations. The sensor 14706 can detect the magnetic field 14704 of the flying object 14702 passing over the head of the sensor 14706. [ The sensor 14706 may be passive in that the sensor 14706 does not emit a signal for detecting the air vehicle 14702. [ Thus, the sensor 14706 is passive and its use is not detected by other sensors. For example, a magnetic sensor such as a DNV-based magnetic sensor can detect a magnetic field with high sensitivity without being detected. A sensor network formed by a plurality of nodes equipped with magnetic sensors (e.g., DNV sensors) may be located, for example, along the border, at a buoy at a waterfront or remote location. For example, a distant early warning line could be installed near the Arctic Circle.
도 148a 및 148b는 다양한 예시적인 구현에 따른 검출기 어레이의 부분을 도시한다. 검출기(14802, 14804)는 비행체(14806)에 의해 생성된 자기장을 검출할 수 있다. 영역 내에 배치된 검출기 어레이가 주어지면, 다중 검출기로부터의 데이터는 추가 분석을 위해 결합될 수 있다. 예를 들어, 검출기들(14802 및 14804)로부터의 데이터는 결합되고 분석되어 비행체(14806)의 속도 및 위치와 같은 측면들을 결정할 수 있다. 하나의 예로서, 도 148a에 도시된 제 1 시간에서, 검출기(14802)는 비행체(14806)로부터 생성된 자기장을 검출할 수 있다. 검출기(14804)는 이 자기장을 검출할 수 없을 수도 있거나 그 자기장을 검출할 수 있지만, 더 멀리 떨어진 거리를 감안하면 검출기(14802)에 의해 검출된 자기장에 비해 검출된 자기장은 더 약할 것이다.단일 시점으로부터의 이 데이터는 그 비행체(14806)의 위치를 계산하는 데 사용될 수 있다. 제 3 검출기로부터의 데이터는 비행체(14806)의 위치를 삼각 측량하는 데에도 사용될 수 있다. 단일 검출기로부터의 데이터는 비행체(14806)의 경사 위치를 검출하는 데 사용될 수 있으므로 유용할 수도 있다. 이 결합된 데이터는 비행체(14806)의 속도를 결정하는 데에도 사용될 수 있다.148A and 148B illustrate portions of a detector array in accordance with various exemplary implementations. The
또한, 시간에 따른 하나 이상의 검출기로부터의 데이터가 사용될 수 있다. 도 148b에서, 비행체(14806)는 그 경로를 계속 하였다. 검출기(14804)에 의해 검출된 자기장은 비행체가 검출기(14804)에 접근함에 따라 세기가 증가하지만, 검출기(14802)에 의해 검출된 자기장은도 148a에서 검출된 자기장에 비해 약할 것이다. 세기의 차이는 검출기(14804)에 더 가깝고 검출기(14802)로부터 멀어지는 비행 물체에 기초한다. 이 정보는 비행 물체(14806)의 궤도를 결정하는데 사용될 수 있다.In addition, data from one or more detectors over time can be used. In Fig. 148B, the
전술한 바와 같이, 단일 검출기로부터의 데이터는 비행 물체의 경사 범위를 계산하는데 사용될 수 있다. 경사 범위는 검출된 자기장의 세기와 비교하여 비행체의 자기장의 알려진 세기에 기초하여 계산될 수 있다. 이 두 값을 비교하면 물체가 탐지기로부터 나온 거리에 대한 추정치가 제공된다. 그러나 정확한 위치는 알 수 없으며 가능한 위치 목록이 알려져 있다(경사 범위). 비행체의 속도는 시간 경과에 따라 검출된 자기장 측정치를 비교함으로써 추정될 수 있다. 예를 들어, 단일 탐지기는 일정 기간 동안 비행 물체의 자기장을 감지할 수 있다. 비행체가 탐지기쪽으로 또는 멀리 이동할 때 얼마나 빨리 자기장이 증가하거나 감소하는지를 사용하여 비행체의 예상 속도를 계산할 수 있다. 일정 기간 동안 자기장을 모니터링함으로써 더 나은 위치 추정치를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 단일 탐지기로부터의 첫 번째 탐지에서 마지막 탐지까지의 자기장을 모니터링하는 것은 비행체의 가능한 위치 및/또는 속도를 더 정확하게 추정하는 데 사용될 수 있다. 상대적으로 오랜 시간 동안 자기장이 감지되면, 비행체는 탐지기에 가깝게 머리 위로 빠르게 날아가는 빠른 움직이는 물체이거나 감지기에서 멀리 떨어져 있는 움직임이 느린 물체이다. 자기장의 세기의 변화율은 물체가 빠르게 움직이는 물체인지 또는 느리게 움직이는 물체인지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서 비행체의 가능한 위치를 크게 줄일 수 있다.As described above, the data from the single detector can be used to calculate the inclination range of the flying object. The slope range can be calculated based on the known strength of the magnetic field of the flying object compared to the intensity of the detected magnetic field. Comparing these two values provides an estimate of the distance the object has come from the detector. However, the exact location is unknown and a list of possible locations is known (slope range). The speed of the flight vehicle can be estimated by comparing the detected magnetic field measurements over time. For example, a single detector can sense the magnetic field of a flying object for a period of time. You can calculate the anticipated speed of a flight by using how quickly the magnetic field increases or decreases as it travels toward or away from the detector. A better position estimate may be used by monitoring the magnetic field for a period of time. For example, monitoring the magnetic field from the first detection to the last detection from a single detector can be used to more accurately estimate the possible location and / or speed of the air vehicle. If a magnetic field is detected for a relatively long period of time, the object is either a fast moving object that flies over the head close to the detector, or a slow moving object that is far from the detector. The rate of change of the strength of the magnetic field can be used to determine if an object is a fast moving object or a slow moving object. Therefore, it is possible to greatly reduce the possible position of the flying object.
자기장의 시간 이력은 또한 비행체의 유형을 검출하는데 사용될 수 있다. 로켓 추진 물체는 초기에는 일정한 추력을 가질 수 있다. 따라서, 대전 입자는 비행체로부터 추진된 후 일정 시간 동안 균일 한 방식으로 움직일 것이다. 따라서, 검출된 자기장은 범위 영향이 고려 될 때 시간에 대해 검출 가능한 양의 균일성을 가질 것이다. 반대로, 극 초음속 물체는 이러한 균일성이 부족하다. 예를 들어, 극 초음속 물체를 둘러싸는 플라즈마 장을 떠난 이온은 균일 한 방식으로 방출되지 않는다. 즉, 이온은 다양한 방향으로 이동한다. 이러한 이온에 기초한 검출된 자기장은 비행 물체의 범위에 의존하지 않는 많은 변화를 가질 것이다. 따라서, 범위 영향을 고려하여 자기장의 세기를 분석하면, 자기장이 균일한지 또는 시간에 따라 큰 변동을 갖는지를 결정할 수 있다. 추가 데이터를 사용하여 이 분석을 구체화할 수 있다. 예를 들어, 물체의 속도를 계산하고 결정하는 것은 결정된 속도로 날 수없는 가능한 비행 물체를 제거하는 데 사용될 수 있다. 또한 다양한 유형의 감지기의 데이터를 사용할 수 있다. 레이더(Radar) 데이터, 음향 데이터(acoustic data) 등은 검출기 데이터와 함께 사용되어 가능한 비행 물체의 유형을 제거할 수 있다.The time history of the magnetic field can also be used to detect the type of the vehicle. The rocket propulsion body may initially have a constant thrust. Therefore, the charged particles will move in a uniform manner for a certain period of time after being propelled from the flying body. Thus, the detected magnetic field will have a detectable amount of uniformity over time when range effects are considered. Conversely, hyperspeed objects lack such uniformity. For example, ions leaving a plasma field surrounding an hypersonic object are not emitted in a uniform manner. That is, ions move in various directions. The detected magnetic field based on these ions will have many variations that are not dependent on the range of the flying object. Therefore, by analyzing the intensity of the magnetic field in consideration of the range effect, it can be determined whether the magnetic field is uniform or has a large variation with time. Additional data can be used to materialize this analysis. For example, calculating and determining the speed of an object can be used to eliminate possible flying objects that can not fly at a determined speed. You can also use data from various types of detectors. Radar data, acoustic data, etc. may be used in conjunction with the detector data to remove the type of flying object that is possible.
다수의 센서들로부터 결합된 데이터는 또한 비행체와 관련된 데이터를 보다 정확하게 계산하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 두 개의 개별 감지기를 사용하여 속도 범위 및 비행 물체의 가능한 위치를 계산할 수 있는 시간차이다. 제 1 검출기는 제 1 시간에 비행체를 먼저 검출할 수 있다. 제 2 검출기는 제 2 시간에 비행체를 먼저 검출할 수 있다. 두 탐지기 사이의 알려진 거리와 두 탐지기의 범위를 사용하여 단일 탐지기의 데이터를 사용하는 것과 비교하여 비행 객체의 속도와 위치 추정을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 비행 물체는 첫 번째 탐지기의 반대편에 있는 것이 아니라 두 개의 탐지기 사이에 있는 것으로 결정된다. 또한, 비행 물체의 방향이 추론될 수 있다. 세 번째 탐지기를 추가하면 비행 물체의 위치를 삼각 측량할 수 있다.Combined data from multiple sensors can also be used to more accurately calculate data associated with a craft. For example, it is a time difference in which two individual detectors can be used to calculate the speed range and the possible position of the flying object. The first detector may detect the air vehicle first at a first time. The second detector can detect the airplane first at the second time. Using the known distance between two detectors and the range of two detectors can greatly improve the speed and position estimation of the flying object compared to using data from a single detector. For example, a flying object is determined to be between two detectors rather than on the opposite side of the first detector. In addition, the direction of the flying object can be inferred. By adding a third detector, you can triangulate the position of the flying object.
다이아몬드 질소 공석 감지된 페로-플루이드 수중 청음기Diamond Nitrogen Vacuum Detected Ferro-Fluid Hydrophone
도 149는 몇몇 예시적인 구현에 따른 수중 청음기(14900)을 개략적으로 도시한다. 다양한 구현에서, 수중 청음기(14900)의 구성 요소는 하우징(14902) 내에 포함될 수 있다. 수중 청음기(14900)은 노출된 강유전체(14904)를 포함한다. 이 실시예에서, 수중 청음기은 공기, 물, 유체 등에 노출될 수 있다. 자석(14908)은 강유전체(14904)를 활성화시킨다. 몇몇 구현에서, 자석(14908)은 강유존체(14904)를 수중 청음기. 다른 실시예에서, 막은 강유전체(14904)를 수용하는데 사용될 수 있다. 강유전체(14904)가 활성화되면, 자석(14908)으로부터의 자기장에 기초하여 형상을 형성한다. 자석(14908)은 전자석의 영구 자석이다. 음파가 강유전체(14904)에 부딪히면 강유전체의 모양이 바뀐다. 강철 유체가 변화함에 따라, 강철 유체(14904)로부터의 자기장이 변화한다. 하나 이상의 DNV 센서(14906)는 자기장의 이러한 변화를 검출하는데 사용될 수 있다. DNV 센서(14906)에 의해 측정된 자기장 변화는 음향 신호로 변환될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 전기적 프로세서가 강자성 유체(14904)의 움직임을 음향 데이터로 변환하는 데 사용될 수 있다. 수중 청음기 14900은 의료 기기 및 차량 내에서 사용할 수 있다.149 schematically illustrates a
저장 기(도시되지 않음)는 추가의 강유전체를 보유하기 위해 사용될 수 있다. 필요에 따라, 음파 탐지에 사용되는 강유전체(14904)는 저장부로부터의 추가 강철 유체에 의해 보충될 수 있다. 예를 들어 센서는 현재 사용중인 철근의 양을 감지하고 추가 철근의 양을 주입하기 위해 저장부를 제어할 수 있다.A reservoir (not shown) may be used to hold the additional ferroelectric. If desired, the ferroelectric 14904 used for sonar detection can be supplemented by additional steel fluids from the reservoir. For example, the sensor can sense the amount of rebar currently in use and control the reservoir to inject additional rebar amounts.
도 150은 몇몇 예시적인 구현에 따른 수중 청음기을 갖는 차량(15002)의 부분을 도시하는 개략도이다. 수중 청음기의 구성 요소는 도 149에서 설명된 것과 유사하다. 강철 유체(15004)는 자석(15008)에 의해 활성화된다. 이 구현에서 강철 유체(15004)는 공동(15010)과 함께 포함된다. 자석(15008)은 강철 유체(15004)는 차량이 움직이는 경우에도 공동(15010) 내에 포함된다. 공동(15010)이 밀폐되지 않기 때문에, 강철 유체(15004)는 차량이 주행하는 유체에 노출된다. 예를 들어, 차량이 잠수함 인 경우, 강철 유체(15004)는 물에 노출된다. 다른 구현에서, 차량은 공기 중에 이동하고 강철 유체(15004)는 공기에 노출된다.150 is a schematic diagram showing a portion of a
강철 유체(15004)는 용기(15012)에 저장될 수 있다. 강철 유체(15004)는 이어서 공동(15010) 내로 주입될 수 있다. 또한, 작동 중에 강철 유체(15004) 15010)은 용기(15012)로부터 강철 유체로 보충될 수 있다.The
음파가 강철 유체(15004)와 접촉함에 따라, 강철 유체(15004)는 모양이 바뀐다. 형상의 변화는 하나 이상의 DNV 센서(15006)에 의해 검출될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 DNV 센서가 사용될 수 있다. 다른 구현에서는 DNV 센서 어레이가 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 DNV 센서가 캐비티(15010) 주위의 링 내에 위치될 수 있다. DNV 센서(15006)로부터의 판독은 음향 신호로 변환될 수 있다.As the sound waves come in contact with the
도 151은 몇몇 예시적인 구현에 따른 저장 막을 갖는 수중 청음기를 갖는 차량의 부분을 도시하는 개략도이다. 이 구현은 도 150에 도시된 실시예와 유사한 구성 요소를 포함한다. 다르게는 막(15114)이 공동(15010)의 부분 또는 전체 개구부를 덮는다. 막(15114)은 강자성 유체(15004)를 공동 15010.151 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having a hydrophone with a storage membrane in accordance with some example implementations. This implementation includes components similar to the embodiment shown in FIG. Alternatively,
도 152는 몇몇 예시적인 구현에 따른 수중 청음기를 구비 한 차량의 부분을 도시하는 개략도이다. 이러한 구현에서, 강철 유체(15204)는 임의의 공동 내에 포함되지 않는다. 오히려, 강철 유체(15204)는 차량의 외부에 위치한다. 자석(15008)은 강철 유체(15204)를 제 위치에 포함 시키는데 사용된다. 일 실시예에서, 자석(15008)은 차량 내에 위치된다. 다른 구현들에서, 자석(15008)은 차량의 외부에 위치된다. 또 다른 구현에서, 자석(15008)의 일부는 차량 내에 위치되고 자석(15008)의 일부는 차량의 외부에 위치된다.152 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle with a hydrophone in accordance with some exemplary implementations. In this implementation, the
도 153은 몇몇 예시적인 구현에 따른 저장 막을 갖는 수중 청음기을 갖는 차량의 부분을 도시하는 개략도이다. 도 152와 유사하게, 강철 유체(15204)는 차량의 외부에 위치된다. 강철 유체(15204)는 차량 근처에 강철 유체(15204)를 함유하는 막(15314) 내에 봉입된다. 이 실시예에서, 자석(15008)은 강철 유체(15204)를 수용하는데 사용될 수 있지만 강철 유체(15204)가 차량에 충분히 근접하여 DNV를 허용할 수 있도록 자석(15008)과 막(15314)의 조합이 사용될 수 있다 센서를 사용하여 강철 유체(15204)의 변화를 판독할 수 있다.153 is a schematic diagram illustrating a portion of a vehicle having a hydrophone with a storage membrane in accordance with some exemplary implementations. 152, the
다이아몬드 질소 공석을 갖는 AC 벡터 자기 비정상 검출AC vector magnetic anomaly detection with diamond nitrogen vacancies
또한, 도 154는 본 발명의 일 실시예에 따른 AC 자기 벡터 이상 검출을 위한 시스템(15400)의 개략도이다. 시스템(15400)은 광 여기를 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(15420) 또는 광 자기 결함 중심을 갖는 또 다른 광 자기 결함 중심 물질에 지향시키는 광학 여기 소스(15410)를 포함한다. RF 여기 소스(15430)는 NV 방사선을 NV 다이아몬드 물질(15420)에 제공한다. 자기장 발생기(15470)는 NV 다이아몬드 물질(15420)에서 검출되는 자기장을 발생시킨다.154 is a schematic diagram of a
자기장 발생기(15470)는 예를 들어, 직교성을 갖는 자기장을 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 자기장 발생기(15470)는 제 1 자기장 발생기(15470a) 및 제 2 자기장 발생기(15470b)를 포함하는 것과 같은 2 개 이상의 자기장 발생기를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 자기장 발생기(15470a, 15470b)는 모두 헬름홀츠 코일일 수 있다. 제 1 자기장 발생기(15470a)는 NV 다이아몬드 물질(15420)에서 제 1 방향(15472a)을 갖는 자기장을 제공하도록 배치될 수 있다. 제 2 자기장 발생기(15470b)는 NV 다이아몬드 물질(15420)에서 제 2 방향(15472b)을 갖는 자기장을 제공하도록 배열될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 자기장 발생기(15470a) 및 제 2 자기장 발생기(15470b) 모두는 NV 다이아몬드 물질(15420)에서 비교적 균일 한 자기장을 제공한다. 제 2 방향(15472b)은 예를 들어 제 1 방향(15472a)에 직각일 수 있다. 시스템(15400)은 물체(15415)가 자기장 발생기(15470)와 NV 다이아몬드 물질(15420) 사이에 배치되도록 배치될 수 있다.The
상기 자기장 발생기(15470)의 2 이상의 자기장 발생기는 동일한 위치에 배치될 수도 있고, 서로 분리될 수도 있다. 2 개 이상의 자기장 발생기가 서로 분리되어있는 경우, 2 개 이상의 자기장 발생기는 예를 들어 1 차원 또는 2 차원 어레이와 같은 어레이로 배열될 수 있다.The two or more magnetic field generators of the
시스템(15400)은 광 검출 시스템(15405) 각각이 광학 검출기(15440), 광학 여기 원(15410) 및 NV 다이아몬드 물질(15420)을 포함하는 하나 이상의 광학 검출 시스템(15405)을 포함하도록 배열될 수 있다. 더욱이, 자기장 발생기(15470)의 자기장 발생기는 광학 검출 시스템(15405)과 비교하여 상대적으로 높은 전력을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 시스템(15405)은 광학 시스템(15405)에 대해 비교적 낮은 전력을 요구하는 환경에 배치될 수 있으며 한편 자기장 발생기(15470)는 비교적 강한 자기장을 가하기 위해 자기장 발생기(15470)에 대해 이용 가능한 비교적 높은 전력을 갖는 환경에 배치될 수 있다.The
시스템(15400)은 광 검출기(15440)로부터 광 검출 신호를 수신하고 광학 여기 소스(15410), RF 여기 소스(15430) 및 자기장 생성기(15470)를 제어하도록 구성된 제어기(15480)를 더 포함한다. 제어기는 단일 제어기 또는 여러 제어기. 다수의 제어기를 포함하는 제어기의 경우, 제어기 각각은 시스템(15400)의 상이한 구성 요소를 제어하는 것과 같이 상이한 기능을 수행할 수 있다. 자기장 발생기(15470)는 예를 들어 증폭기(15460)를 통해 제어기(15480)에 의해 제어될 수 있다.The
RF 여기 소스(15430)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(15430)는 도 3와 관련하여 전술한 바와 같이 접지 ms = 0 스핀 상태와 ms = ± 1 스핀 상태 사이의 전이 에너지로 공진하는 광자 에너지로 RF 방사를 방사하도록 제어된다.The
광학 여기 소스(15410)는, 예를 들어, 녹색으로 광을 방출하는 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(15410)는 NV 다이아몬드 물질(15420)로부터의 적색에서 형광을 유도하며, 여기서 형광은 여기 상태로부터 기저 상태로의 전자 전이에 상응한다. NV 다이아몬드 물질(15420)로부터의 광은 광학 필터(15450)를 통해 지향되어(예를 들어, 녹색에서) 여기 대역의 광을 걸러 내고, 차례로 광 검출기(15440)에 의해 검출된 적색 형광 대역의 광을 통과시킨다. 광 여기 광원(15410)은 NV 다이아몬드 물질(15420)의 형광을 여기시키는 것 외에도, 기저 상태(3A2)의 ms = 0 스핀 상태의 모집단을 최대 편광 또는 다른 원하는 편광으로 재설정하는 역할을 한다.The
제어기(15480)는 광 검출기(15440)로부터 광 검출 신호를 수신하고 광 여기 소스(15410), RF 여기 소스(15430) 및 자기장 발생기(15470)를 제어하도록 배치된다. 제어기는 광 여기 소스(15410), RF 여기 소스(15430) 및 자기장 발생기(15470)의 동작을 제어하기 위해, 처리기(15410) 및 메모리(15484)를 포함할 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있는 메모리(15484)는 광 여기 소스(15410), RF 여기 소스(15430) 및 및 자기장 발생기(15470)를 제어할 수 있는 명령을 저장할 수 있다. 즉, 제어기(15480)는 제어를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.The
자기장의 ODMR 검출ODMR detection of magnetic field
동작의 일 실시예에 따르면, 제어기(15480)는 광학 여기 소스(15410), RF 여기 소스(15430) 및 자기장 발생기(15470)의 동작을 제어하여 광학적으로 검출된 자기 공명(ODMR)을 수행한다. NV 중심의 4 가지 상이한 배향 클래스의 방향을 따라 정렬된 NV 중심의 NV 축을 따른 자기장(Bz)의 성분은, 예를 들어, 도 155에 도시된 바와 같이, 램지 펄스 방식에 따른 ODMR 펄스 시퀀스를 사용함으로써, ODMR에 의해 결정될 수 있다. 도 155는 광학 여기 소스(15410)에 의해 제공되는 광 여기 펄스(15510) 및 RF 여기 소스(15430)에 의해 제공되는 마이크로파(MW) 펄스(15520)를 도시한다. 각 광 펄스(15510) 사이에, 2 개의 MW 펄스들(15520)이, 시간 τ에 의해 분리된 채, 그리고 주어진 RF 주파수에서 제공된다. 이해를 용이하게 하기 위해, 비록 더 많은 수의 RF 주파수들이 사용될 수 있지만, 3 개의 상이한 주파수들인 MW1, MW2 및 MW3을 갖는 3 개의 MW 펄스들(15520)이 도 155에 도시된다. 세 가지 다른 주파수, MW1, MW2 및 MW3은 각각 세 가지 다른 NV 중심 방향에 상응한다. 이를 통해 검출된 채널의 공간 방향을 결정할 수 있다.According to one embodiment of operation,
도 156은 2.9 내지 3.0 GHz 범위의 RF 주파수의 함수로서 검출된 다이아몬드 물질(15420)의 형광 신호를 도시한다. 도 156은 MW1, MW2 및 MW3에 상응하는 마이크로파 주파수가 상응하는 딥으로 도시된 형광에서 3 개의 딥을 도시한다. 딥은 3 개의 다이아몬드 격자 방향에 대해 NV 축을 따른 자기장 성분에 각각 대응한다. 도 156은 제로 자기장 2.87 GHz 라인(여기서, ms = ± 1 스핀 상태의 분할이 없음) 이상의 RF 주파수에 대해서만 형광에서의 딥을 도시하고, 일반적으로 2.87 GHz 라인 아래에 3 개의 대응하는 딥을 또한 나타낸다. 제로 자기장 2.87 GHz 라인 위의 형광에서의 3 개의 딥은 ms = +1 스핀 상태에 대응하고, 제로 자기장 2.87 GHz 라인 아래의 형광에서의 3 개의 딥은 ms = -1 스핀 상태에 대응한다. 위에서 논의한 바와 같이 해당 딥스 간의 광자 에너지의 차이는 2gμBBz로 주어지며, 여기서 g는 g- 인자, μB는 보어 마그네톤(Bz)은 NV 축을 따른 외부 자기장의 성분이므로 Bz 3 개의 다이아몬드 격자 방향 각각이 결정될 수 있다. 한편, 도 156은 3 개의 다이아몬드 격자 방향에 각각 대응하는 형광의 딥을 도시하고, 예를 들어 4 개의 다이아몬드 격자 방향이 대신 사용될 수 있다. 크기 및 방향을 포함하는 자기장 벡터는 상이한 격자 방향을 따르는 Bz 성분에 기초하여 결정될 수 있다.Figure 156 shows the fluorescence signal of the
시스템(15400)은 자기장 발생기(15470)를 제어함으로써 코드를 변조함으로써 자기장 발생기(15470)로부터 NV 다이아몬드 물질(15420)로 코드 패킷을 전송할 수 있다. 전송된 코드 패킷이 복조될 수 있다. 전송된 코드 패킷은 하나의 채널이 제 1 자기장 발생기(15470a)에 의해 생성된 자기장에 기초한 2 개의 채널과 같은 2 개 이상의 채널을 따라 전송될 수 있고, 제 2 채널은 제 2 자기장에 의해 생성된 자기장 발생기(15470b)에 의해 전송된다. 제 1 및 제 2 자기장 발생기(15470a 및 15470b)에 의해 생성된 자기장은 본 발명의 물질이 존재하지 않는 NV 다이아몬드 물질(15420)에서 서로 직각일 수 있으며, 본 물질은 자기장 발생기 NV 다이아몬드 물질(15420)에 의해 검출될 수 있다. 본 물질은 자기장 발생기(15470a 및 15470b)와 NV 다이아몬드 물질(15420) 사이에 있을 필요는 없다는 것을 알아야한다.The
이진 시퀀스를 포함할 수 있는 코드 패킷은 시간 가변 자기장을 생성하도록 자기장 발생기(15470)를 제어하는 프로세서(15480)에 의해 변조되고, NV 다이아몬드 물질(15420)에 코드 패킷을 전송한다. 구체적으로, 프로세서(15480)는 상이한 채널에 대한 상관된 코드가 낮은 상호 상관(상이한 상관 코드들 사이)에 대해 최적화되고 양호한 자동 상관을 갖는 각 채널에 대해 골드 코드와 같은 상이한 상관 코드를 변조한다. 2 개의 채널의 경우에, 프로세서(15480)는 제 1 상관 코드를 송신하도록 제 1 자기장 발생기(15470a)를 제어할 수 있고, 제 2 상관 코드를 송신하도록 제 2 자기장 발생기(15470b)를 더 제어할 수 있다. 따라서, 상관된 코드 패킷은 제 1 자기장 발생기(15470a)를 통해 제 1 상관 코드용이고, 제 2 자기장 발생기(15470b)를 통해 제 2 상관 코드용으로 다른 하나가 2 개의 채널을 통해 송신된다. 상관된 코드들은 연속 위상 변조에 의해 변조될 수 있고, 예를 들어 MSK 주파수 변조에 의해 변조될 수 있다.A code packet, which may include a binary sequence, is modulated by a
상관 코드들을 사용하는 코드 패킷들의 전송은 간단한 DC 전송과 비교하여 이득을 제공할 수 있다. 특히, 긴 코드는 증가된 이득을 제공하지만, 전송에 더 긴 시간을 요구한다.The transmission of code packets using correlation codes can provide a gain compared to a simple DC transmission. In particular, long codes provide increased gain, but require longer transmission times.
자기장 발생기(15470)에 의해 송신된 변조된 코드 패킷은 전술한 바와 같이 ODMR 기술을 이용하여 검출되고 복조된다. 프로세서(15480)는 정합 필터를 사용하여 상관 코드 패킷을 복조한다. 정합 필터는 각 채널 및 격자 방향을 따른 각 자기장 투영에 대해 전송된 상관 코드와 상관 관계가 있다. 상이한 채널들에 대한 변조가 동시에 수행될 수 있음을 주목해야한다. 마찬가지로, 상이한 채널들에 대한 복조는 동시에 수행될 수 있다. 도 157a는 제 1 자기장 발생기(15470a)에 의해 제공된 자기장에 대응하는 3 개의 격자 방향을 따른 자기장 성분에 대한 정합 필터링된 제 1 상관 코드를 도시하고, 도 157b는 제 2 자기장 발생기(15470b)에 의해 제공된 자기장에 대응하는 3 개의 격자 방향을 따른 자기장 성분에 대한 정합 필터링된 제 2 상관 코드를 도시한다. 3 개의 다이아몬드 격자 방향 각각에 대해 도시된 스파이크는 3 개의 격자 방향 각각을 따른 투영된 자기장에 대응한다. 크기 및 방향 모두를 포함하는 자기장 벡터는 3 개의 격자 방향을 따라 투영된 자기장에 기초하여 재구성될 수 있다.The modulated code packet transmitted by the
자기장이 NV 다이아몬드 물질(15420)에 의해 느껴지는 자기장 발생기(15470)에 의해 생성된 자기장에 영향을 주는 대상(15415)이 존재하면, NV 다이아몬드 물질(15420)에서 검출된 자기장 벡터가 변할 것이다. 도 158은 제 1 상관 코드가 제 1 자기장 발생기(15470a)를 통해 전송되는 경우, 자기장 발생기(15470)와 NV 다이아몬드 물질(15420) 사이에 대상물(15415)이 배치된 경우에 대한 두 개의 상관 코드에 대해 재구성된 자기장 벡터를 도시하고, 제 2 상관 코드는 제 2 자기장 발생기(15470b)를 통해 전송된다. 도 158은 객체(15415)가 철기 객체인 경우와 객체(15415)가 존재하지 않는 경우, 두 가지 경우 모두를 도시한다.If the
그러나, 제 1 상관 코드에 대한 재구성된 자기장 벡터는 객체가 없는 경우에 비해 약 46°회전하고 제 2 상관 코드는 객체가 없는 경우에 대해 약 28°회전한다. 즉, 철 대상은 제 2 자기장 발생기(15470b)에 의해 인가된 NV 다이아몬드 물질(15420)에서의 자기장보다 제 1 자기장 발생기(15470a)에 의해 적용된 NV 다이아몬드 물질(15420)에서의 자기장에 영향을 미친다. 이 결과는 두 가지 통찰을 제공하는데, 먼저, 시스템(15400)은 송신기로서 작용하는 자기장 발생기(15470)에 의해 생성된 NV 다이아몬드 물질(15420)에 의해 감지된 자기장에 영향을 미치는 철 대상물로 인한 자기 편차를 검출할 수 있고, 직교 프로빙 자기장을 제공하는 채널이 동시에 적용될 수 있으므로 프로빙된 자기 매개 변수가 증가한다. 재구성된 자기장 벡터는 철 금속 물체의 존재로 인해 방향을 바꾸는 것 외에도 크기가 변할 수 있다. 채용된 ODMR 기술의 AC 특성은 DC 바이어스를 감소시킨다.However, the reconstructed magnetic field vector for the first correlation code rotates about 46 degrees relative to the absence of the object and the second correlation code rotates about 28 degrees for no object. That is, the iron object affects the magnetic field in the
주파수 기반의 검출Frequency-based detection
본 시스템은 자기장 발생기(15470)에 의해 제공되는 자기장의 주파수 의존 감쇠에 기초한 주파수 기반 검출을 가능하게 한다. 도 158은 철 금속 물체의 자기 이상 검출을 도시하고, 전기 전도성 물질로 형성된 물체와 같은 비철금속 물체가 또한 검출될 수 있다. 예를 들어, 비철금속 물체가 자기장 발생기(15470)에 의해 제공된 자기장에서 주파수 의존 감쇠를 제공하는 경우, 비철금속 물체가 검출될 수 있다.The system enables frequency-based detection based on the frequency dependent attenuation of the magnetic field provided by the
주파수 기반 검출은 검출된 보다 큰 범위의 물체를 허용할 수 있지만, 주파수 기반 검출은 덜 시끄러운 환경에서의 동작을 더 허용할 수 있다. 이 경우, 주파수 범위는 잡음이 적은 범위로 설정된다.Frequency based detection may allow for a larger range of objects that are detected, but frequency based detection may further allow for operation in less noisy environments. In this case, the frequency range is set to a range where noise is small.
자기 비정상 검출Magnetic abnormality detection
AC 자기 벡터 이상 검출을 위한 시스템(15400)은 제어기(15480)의 메모리(15484)에 저장되거나 메모리(15484)와 별도로 저장될 수 있는 기준 라이브러리를 더 포함할 수 있다. 어느 경우에도, 기준 라이브러리는 처리기(15482)에 접근 가능하다. 기준 라이브러리는 상이한 대상에 상응하는 기준 자기장 벡터를 포함한다. 기준 라이브러리는 제 1 자기장 발생기(15470a)에 의해 생성된 자기장에 대응하는 제 1 상관 코드 및 제 2 자기장 발생기(15470b)에 의해 생성된 자기장에 대응하는 제 2 상관 코드 모두에 대한 기준 자기장 벡터를 포함한다.The
기준 라이브러리로부터의 제 1 상관 코드 및 제 2 상관 코드에 대한 기준 자기장 벡터는 시스템(15400)에 의해 결정된 재구성된 자기장 벡터와 비교될 수 있다. 대상체는 기준 라이브러리로부터의 기준 자기장 벡터와 시스템(15400)에 의해 결정된 재구성된 자기장 벡터 사이의 일치에 근거하여 식별될 수 있다. NV 다이아몬드 물질(15420)에 인가된 자기장의 상이한, 바람직하게는 직교인 편광에 상응하는 2 개 이상의 상관 코드를 사용하면,두 가지 편광에 대한 일치가 식별에 필요하기 때문에 대상체의 식별에 있어서 증가된 정확도를 제공한다..The reference field vector for the first correlation code and the second correlation code from the reference library can be compared to the reconstructed magnetic field vector determined by the
전술한 바와 같이, 향상된 자기 비정상 검출을 제공하는 것은 NV 다이아몬드 물질 또는 다른 자기 광학 물질에서 2 개 이상의 개별 자기장을 발생시키는 자기장 발생기를 통합함으로써 달성될 수 있으며, 자기장은 서로. 자기장은 2 개 이상의 상이한 채널에서 생성될 수 있으며, 2 개의 상이한 채널에서의 인접한 자기 대상물로 인한 자기장에 대한 영향은 증가된 자기 파라미터의 수를 제공하여 대상의 식별을 향상시킨다.As described above, providing improved magnetic anomaly detection can be achieved by incorporating a magnetic field generator that generates two or more discrete magnetic fields in an NV diamond material or other magneto-optical material, and the magnetic fields are different from each other. The magnetic field can be generated in two or more different channels and the effect on the magnetic field due to adjacent magnetic objects in the two different channels provides an increased number of magnetic parameters to improve the identification of the object.
서로 다른 채널에 자기장을 가하는 것은 적용된 자기장을 변조하고 상관 코드 패킷을 전송 한 후 코드 패킷을 검출 및 복조함으로써 달성될 수 있다. 상이한 채널들에 대한 상이한 상관 코드들은 상호 상관이 작은 이진 시퀀스들이다. 상관 코드 패킷은 상이한 다이아몬드 격자 방향을 따라 자기장 성분을 제공하는 정합 필터링을 사용하여 복조될 수 있다. 그런 다음 자기장을 사용하여 자기 벡터를 재구성하여 다른 채널에 대해 재구성된 자기장 벡터를 제공할 수 있다. 각 채널의 재구성된 자기장 벡터는 상이한 자기 물질 프로파일을 갖는 대상에 대응하는 기준 자기장 벡터와 비교되어 대상을 식별할 수 있다.Applying a magnetic field to a different channel can be achieved by modulating the applied magnetic field and transmitting the correlated code packet and then detecting and demodulating the code packet. The different correlation codes for the different channels are binary sequences with small cross-correlation. The correlation code packet may be demodulated using matched filtering to provide a magnetic field component along a different diamond grating direction. The magnetic field can then be used to reconstruct the magnetic vector to provide a reconstructed magnetic field vector for the other channel. The reconstructed magnetic field vector of each channel may be compared with a reference magnetic field vector corresponding to an object having a different magnetic material profile to identify the object.
전도성 물질에 대한 결함 검출기Defect detector for conductive material
질소 - 빈자리 중심(NV 중심)은 합성 다이아몬드로 의도적으로 제조될 수 있는 다이아몬드 결정 구조의 결함이다. 일반적으로, 녹색 광 및 마이크로파 방사선에 의해 여기 될 때, NV 중심은 다이아몬드가 적색광을 생성하게 한다. 자극된 NV 중심 다이아몬드가 외부 자기장에 노출되면 다이아몬드가 적색광을 생성하고 광의 세기가 변화하는 극초단파 방사의 주파수. 변화를 측정함으로써 NV 중심을 사용하여 자기장 세기를 정확하게 탐지할 수 있다.The nitrogen-vacancy center (NV center) is a defect in the diamond crystal structure that can be intentionally produced with synthetic diamond. Generally, when excited by green light and microwave radiation, the NV center causes the diamond to generate red light. The frequency of microwave radiation where stimulated NV centered diamonds generate red light and the intensity of light changes when exposed to external magnetic fields. By measuring the change, the magnetic field strength can be accurately detected using the NV center.
아래에서보다 상세히 설명되는 다양한 실시예에서, NV 중심을 갖는 하나 이상의 다이아몬드를 사용하는 자력계가 도전성 물질의 결함을 검출하는 데 사용될 수 있다. 암페어의 법칙에 따르면, 도체를 통과하는 전류는 도체의 길이를 따라 자기장을 생성한다. 유사하게, 자기장은 도체를 통해 전류를 유도할 수 있다. 일반적으로 전류가 통과하는 크기, 모양 및 물질이 연속적으로 균일 한 도체는 도체 길이를 따라 연속적인 자기장을 생성한다. 반면에 균열, 단선, 변형된 부분, 구멍, 구덩이, 틈, 불순물, 이상 등과 같은 변형이나 결함이 있는 동일한 도선은 길이 방향을 따라 연속적인 자기장을 생성하지 않습니다. 지휘자. 예를 들어, 변형을 둘러싼 영역은 변형없이 도체의 부분을 둘러싸는 영역과 다른 자기장을 가질 수 있다. 도체가 끊어지는 것과 같은 변형은 브레이크의 한쪽에 있는 자기장이 다른쪽에 있는 자기장과 다를 수 있다.In various embodiments described in more detail below, a magnetometer using one or more diamonds with NV centers can be used to detect defects in the conductive material. According to Ampere's law, the current through a conductor creates a magnetic field along the length of the conductor. Similarly, a magnetic field can induce a current through a conductor. In general, conductors with uniformly uniform size, shape, and material through which current passes create a continuous magnetic field along the length of the conductor. On the other hand, the same conductors with deformations or defects, such as cracks, broken lines, deformed parts, holes, pits, gaps, impurities, defects, etc., do not produce a continuous magnetic field along their length. conductor. For example, the area surrounding the deformation may have a different magnetic field than the area surrounding the part of the conductor without distortion. Deformation such as a conductor break may cause the magnetic field on one side of the brake to differ from the magnetic field on the other side.
예를 들어, 철도 트랙 레일은 자력계를 사용하여 기형을 검사할 수 있다. 전류는 레일에 유도될 수 있으며, 전류는 레일 주위에 자기장을 생성한다. 자력계는 레일의 길이를 따라 또는 레일의 부분을 따라 자력계를 통과시켜 사용할 수 있다. 자력계는 레일의 길이를 따라 통과하므로 레일의 중심 축에 대해 동일한 위치에 있을 수 있다. 자력계는 레일의 길이를 따라 자기장을 감지한다.For example, a railway track rail can be inspected for malformations using a magnetometer. The current can be induced in the rail, and the current creates a magnetic field around the rail. The magnetometer can be used along the length of the rail or along the rail to pass through the magnetometer. The magnetometer passes along the length of the rail and can therefore be in the same position relative to the center axis of the rail. The magnetometer detects the magnetic field along the length of the rail.
몇몇 실시예에서, 검출된 자기장은 예상되는 자기장과 비교될 수 있다. 검출된 자기장이 예상된 자기장과 다른 경우, 결함이 레일에 존재하는 것으로 결정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 레일의 길이를 따라 검출된 자기장은 레일의 대부분과 상이한 자기장을 갖는 영역에 대해 검사될 수 있다. 레일의 대부분과 다른 자기장을 갖는 영역은 레일의 결함과 관련이 있는 것으로 결정될 수 있다.In some embodiments, the detected magnetic field can be compared to the expected magnetic field. If the detected magnetic field differs from the expected magnetic field, it can be determined that the defect is present on the rail. In some embodiments, the detected magnetic field along the length of the rails can be inspected for areas having magnetic fields that are different from most of the rails. A region having a different magnetic field than most of the rails can be determined to be related to the defects of the rails.
전술한 원리는 철도 트랙의 레일을 점검하는 것 이외의 많은 시나리오에 적용될 수 있다. 자력계는 임의의 적합한 도전성 물질에서 기형을 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 자력계는 터빈 블레이드, 바퀴, 엔진 구성 요소와 같은 기계 부품의 기형을 감지하는 데 사용할 수 있다.The above principle can be applied to many scenarios other than checking the rails of railroad tracks. The magnetometer may be used to detect malformations in any suitable conductive material. For example, a magnetometer can be used to detect malformations of mechanical components such as turbine blades, wheels, and engine components.
또한, 도 159a 및 도 159b는 예시적인 실시예에 따른 물질의 변형을 검출하기 위한 시스템의 블록도이다. 예시적인 시스템(15900)은 도체(15905), 교류(AC) 소스(15910), 코일(15915) 및 자력계(15930)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가적인, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다.Figures 159a and 159b are also block diagrams of a system for detecting deformation of a material according to an exemplary embodiment.
도체(15905)는 도전성 물질의 길이이다. 몇몇 실시예에서, 도체(15905)는 상자성이다. 몇몇 실시예에서, 도체(15905)는 강자성이다. 전도체(15905)는 임의의 적합한 길이일 수 있고 임의의 적합한 단면 형상을 가질 수 있다.
도 159a 및 도 159b에서 15920로 표시된 화살표에 의해 표시된 전류는 도체(15905)를 통한 유도 전류의 방향을 도시한다. 도 159a 및 도 159b에 도시된 실시예에서, AC 소스(15910) 및 코일(15915)은 유도 전류(15920)을 유도한다. 예를 들어, AC 소스(15920)로부터의 전류는 코일(15915)을 통과하여, 코일(15915) 주위에 자기장을 생성할 수 있다. 코일(15915) 유도 전류(15920)는 도체(15905)에 충분히 근접하게 위치되어 유도 전류(15920)를 생성할 수 있다. 유도 전류(15920)는 코일(15915)로부터 떨어진 도체(15905)를 따른 방향으로 이동한다. 대안적 실시예에서, 어떠한 적당한 시스템도 유도 전류(15920)를 생성하는 데 사용할 수 있다.The current indicated by the
도 159a 및 159b에 도시된 실시예에서, AC 소스(15910)는 코일(15915)에 전력을 공급하는 데 사용된다. AC 소스(15910)는 임의의 적절한 교류 소스일 수 있다. 예를 들어, 전력선 또는 교류 전력을 얻는 전통적인 방법을 사용할 수 있다. 또 다른 예에서, 철도 차량에 전력을 공급하기 위해 사용되는 철도의 제 3 레일이 AC 소스(15910)로서 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 철도의 교차 게이트 트리거가 AC 소스(15910)로서 사용될 수 있다.In the embodiment shown in Figures 159a and 159b, an
예시적인 실시예에서, 유도된 전류(15920)는 교류이다. 몇몇 실시예에서, 유도 전류(15920)의 주파수는 변경될 수 있다. 유도된 전류(15920)에 의해 생성된 자기장은 유도된 전류(15920)의 주파수에 기초하여 변화할 수 있다. 따라서, 상이한 주파수를 사용함으로써, 설명한 바와 같이 상이한 주파수에 의해 생성된 자기장을 측정함으로써 도체(15920) 아래에서 더 자세히 설명한다. 예를 들어, 상이한 주파수의 빠른 시퀀스가 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 다수의 주파수가 동시에 인가될 수 있고 결과적인 자기장은 복조될 수 있다. 예를 들어, 결함 또는 불완전한 주변의 에디 전류에 의해 생성된 벡터 자기장의 공간 모양 및 패턴은 적용된 여기 자기장의 주파수와 함께 변경된다. 결함 또는 불완전한 주변의 3 차원 데카르트 자기장 패턴은 한 번에 하나의 주파수에서 측정되고 이미지화될 수 있다. 검출된 자기장 패턴은(예를 들어, 디지털 매체 또는 연속적인 아날로그 매체에) 저장될 수 있다. 검출된 자장 패턴은 이전에 측정된 이미지와 비교되어 결점 또는 결함의 성질 및/또는 결함 또는 불완전한 위치의 가능성 있는 분류 또는 식별을 생성할 수 있다.In an exemplary embodiment, the induced current 15920 is alternating current. In some embodiments, the frequency of the inductive current 15920 may be varied. The magnetic field generated by the induced current 15920 may vary based on the frequency of the induced current 15920. [ Thus, by using different frequencies, the
도체(15905)를 통과하는 유도 전류(15920)는 자기장을 발생시킨다. 자기장은 숫자 15925로 표시된 화살표로 표시된 도체(15905) 주위의 방향을 갖는다. 자력계(15930)는 도체(15905)의 길이를 따라 통과될 수 있다. 도 159a 및 도 159b는 자력계(15930)의 경로를 표시하는 도체(15905)의 길이와 평행하는 화살표를 포함한다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 경로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도체(15905)가 만곡된(예를 들어, 코너 둘레의 철도 레일처럼) 실시예에서, 자력계(15930)는 도체(15905)의 곡률을 따라갈 수 있다.The induced current 15920 passing through the
자력계(15930)는 도체(15905)의 길이를 따라 자기장 벡터의 크기 및/또는 방향을 측정할 수 있다. 예를 들어, 자력계(15930)는 길이(L)를 따라 다수의 샘플 포인트에서 자기장의 크기 및 방향을 측정한다. 샘플 지점에서 도체(15905)와 동일한 방향으로 도체(15905)를 형성한다. 예를 들어, 자력계(15930)는 도체(15905) 위에있는 동안 도체(15905)의 길이를 따라 통과할 수 있다.The
임의의 적절한 자력계가 자력계(15930)로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자력계는 NV 중심을 갖는 하나 이상의 다이아몬드를 사용한다. 자력계(15930)는 기형에 의해 야기되는 전도체(15905) 주위의 자기장의 변화를 검출하는데 적합한 감도를 가질 수 있다. 어떤 경우에는, 비교적 둔감한 자력계(15930)가 사용될 수 있다. 그러한 경우, 도체(15905)를 둘러싸는 자기장은 상대적으로 강해야한다. 이러한 경우들에서, 상대적으로 강한 자기장을 생성하기 위해 도체(15905)를 통과하는데 요구되는 전류는 비실용적이거나 위험할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 자력계(15930)는 약 10-9 테슬라(1 나노 테슬라)의 감도를 가질 수 있고 도체(15905)로부터 약 1 내지 10 미터 떨어진 거리에서 결함을 검출할 수 있다. 이러한 예에서, 도체 15905는 직경 0.2 미터의 강관이 될 수 있다. 일 실시예에서, 도체(15905)를 통과하는 전류는 약 1 Ampere(Amp) 수 있고, 자력계(15930)는 도체(15905)로부터 약 1 미터 떨어져있을 수 있다. 다른 예에서, 도체(15905)를 통과하는 전류는 약 100 Amps 자력계(15930)는 약 10 미터 떨어져 있을 수 있다. 자력계(15930)는 임의의 적합한 측정 속도를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 자력계(15930)는 초당 100 만회까지의 공간에서 특정 지점에서 자기장의 크기 및/또는 방향을 측정할 수 있다. 예를 들어, 자력계(15930)는 초당 100,000, 1 만, 5 만회를 취할 수 있다.Any suitable magnetometer can be used as the
자력계(15930)가 자기장의 방향을 측정하는 실시예에서, 도체(15905)에 대한 자력계(15930)의 방향은 도체(15905)의 길이를 따라 유지될 수 있다. 자력계(15930)가 도체 15905에서 자기장의 방향을 모니터링할 수 있다. 자기장의 방향이 변경되거나 기대 값과 다른 경우, 변형이 도체(15905)에서 빠져 나가는 것으로 결정될 수 있다.In an embodiment in which the
이러한 실시예에서, 자력선(15905) 주위의 자기장이 도체(15905)의 길이를 따라 균일하더라도, 자기장의 방향이 도체(15905)의 길이 방향을 따라 균일하기 때문에 자력계(15930)는 도체(15905)와 동일한 방향으로 유지될 수 있다. 예를 들어,도 159a의 유도된 전류 자장 방향(15925)을 참조하면, 도체(15905) 위의 자기장의 방향은 도면의 우측을 가리킨다(예를 들어, "오른 손잡이"). 도체(15905) 아래의 자기장의 방향은 도면의 좌측을 가리킨다. 유사하게, 자기장의 방향은 도체(15905)의 우측에 있는 지점에서 하강한다. 동일한 원리에 따라, 자기장의 방향은 도체(15905)의 좌측에 있는 지점에서 위로 향한다. 유도 전류(15920)가 도체(15905)의 길이를 따라(예를 들어, 도체(15905)의 아래, 도체(15905)의 아래, 도체(15905)의 위쪽으로 12도 등으로) 도체(15905)와 동일한 방향으로 유지된다면 자기장의 방향은 도체(15905)의 길이를 따라 동일하거나 실질적으로 유사 할 것으로 예상될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 유도 전류(15920)의 특성은 알 수 있다(예를 들어, 암페어, 주파수 등) 도체(15905) 주위의 자기장의 크기 및 방향이 계산될 수 있다.In this embodiment, even though the magnetic field around the magnetic lines of
자력계(15930)가 자기장의 방향이 아니라 자기장의 크기를 측정하는 실시예에서, 자력계(15930)는 도체(15905)의 길이를 따라 도체(15905) 주위의 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있고, 자력계 15930)는 도체(15905)의 길이를 따라 동일한 배향으로 유지되지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 자력계(15930)는 도체(15905)의 길이를 따라 도체(15905)로부터 동일한 거리로 유지될 수 있다 공기가 자력계(15930)와 도체(15905) 사이의 거리이므로 도체(15905)의 길이를 따라).In embodiments where the
도 159a는 도체(15905)가 변형을 포함하지 않는 시스템(15900)을 도시한다. 도 159b는 도체(15905)가 단선(15935)을 포함하는 시스템(15900)을 도시한다. 도 159b에 도시된 바와 같이, 유도 전류(15920)의 일부는 반사된 전류(15940)에 의해 도시된 바와 같이 단절된 부분(15935)으로부터 반사된다. 도 159b에 도시된 바와 같이, 유도 전류 자기장 방향(15925)은 유도 전류(15920)에 대응한다. 반사 전류 자기장 방향(15945)은 반사 전류(15940)에 대응한다. 유도 전류(15920)은 반사된 전류(15940)와 반대 방향으로 이동하기 때문에 유도 전류 자기장 방향(15925)은 반사 전류 자기장 방향(15945)과 반대이다.Figure 159a shows a
브레이크(15935)가 도체(15905)의 부분들 사이의 도전성을 파괴하는 완전 브레이크 인 몇몇 실시예에서, 유도된 전류(15920)의 크기는 반사된 전류(15940)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 결합된 전도체(15905) 주위의 자기장은 0 또는 실질적으로 0이 될 것이다. 즉, 유도 전류(15920)에 의해 생성된 자기장은 반사된 전류(15940)에 의해 생성된 동일하지만 반대 인 자기장에 의해 상쇄된다. 그러한 실시예에서, 브레이크(15935)는 측정된 자기장을 비교함으로써 자력계(15930) 실질적으로 제로 인 기대된 자기장(0이 아닌 양인)에 도달한다. 자력계(15930)가 브레이크(15935)에 더 가깝게 이동함에 따라, 검출된 자기장의 크기는 감소한다. 몇몇 실시예에서, 측정된 자기장이 임계 값 아래에 있을 때 브레이크(15935)가 존재한다고 결정될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 임계 값은 ±0.1 %, ± 1 %, ± 5 %, ± 10 %, ± 15 %, ± 50 % 또는 기대되는 임의의 다른 적절한 부분과 같은 기대 값의 백분율일 수 있다 값. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 임계 값이 사용될 수 있다.In some embodiments in which the
브레이크(15935)가 유도 전류(15920)의 일부가 브레이크(15935)를 통과하거나 그 주위를 통과하게 하는 실시예에서, 반사 전류(15940)의 크기는 유도 전류(15920)의 크기보다 작다. 따라서, 반사된 전류(15940)에 의해 생성된 자기장은 유도 전류(15920)에 의해 생성된 자기장의 크기보다 작다. 유도된 전류(15920) 및 반사된 전류(15940)의 크기는 동일하지 않을 수 있지만, 유도된 전류 자기장 방향(15925) 및 반사된 전류 자기장 방향(15945)은 여전히 반대이다. 따라서, 순 자기장은 유도된 전류 자장 방향(15925)의 자기장이다. 순 자기장의 크기는 유도된 전류(120)에 의해 생성된 자기장의 크기에서 반사된 전류(15940)에 의해 생성된 자기장의 크기를 뺀 크기이다. 전술한 바와 같이, 자력계(15930)에 의해 측정된 자기장은 임계 값과 비교될 수 있다. 브레이크(15935)의 심각도, 크기 및/또는 형상에 따라, 자력계(15930)에 의해 감지된 순 자기장은 임계 값보다 작거나 같을 수 없다. 따라서 임계 값을 조정하여 시스템의 감도를 조정할 수 있다. 즉, 임계 값이 예상 값으로부터 벗어날수록, 도체(15905)의 변형은 감지된 자기장의 크기를 임계 값보다 작게 하는 것이다. 따라서, 임계 값이 더 작을수록, 시스템(15900)에 의해 검출된 더 미세한, 더 작은, 덜 심각한 등의 변형이 있다.In embodiments where the
전술한 바와 같이, 도체(15905) 주위의 자기장의 방향은 도체(15905)의 변형을 감지하는 데 사용될 수 있다. 도 160은 예시적인 실시예에 따른 변형된 도체를 통과하는 전류 경로를 도시한다. 도 160은 단지 예시적이고 설명적인 것을 의미하며, 시스템의 기능과 관련하여 제한하려는 것은 아니다.As described above, the direction of the magnetic field around
도체(15905)에 관해서 상술 한 바와 같이, 전류는 도체(16005)를 통과할 수 있다. 전류 경로(16020)는 전류의 방향을 도시한다. 도 160에 도시된 바와 같이, 전도체(16005)는 변형 부(16035)를 포함한다. 변형 부(16035)는 크랙, 함몰부, 불순물과 같은 임의의 적합한 변형일 수 있다. 전도체(16005)를 통과하는 전류는 변형부(16035)를 포함하지 않은 부분에서 전도체(16005) 주위로 균일하게 확산한다. 어떤 경우에는, 전류는 도체(16005)의 중심에서보다 도체(16005)의 표면에 더 집중될 수 있다.As described above with respect to the
몇몇 실시예에서, 변형부(16035)는 전류 흐름을 허용하지 않거나 저항하지 않는 전도체(16005)의 일부가다. 따라서, 전도체(16005)를 통과하는 전류는 변형부(16035) 주위로 흐른다. 도 159a에 도시된 바와 같이, 유도 전류 자기장 방향(15925)은 유도 전류(15920)의 방향에 수직이다. 따라서, 도 159a에 도시된 바와 같이,전도체(15905)가 변형부를 포함하지 않을 시, 전도체(15905) 주위의 자기장의 방향은 전도체(15905)의 길이를 죽 따른 전도체(15905)의 길이에 수직이다.In some embodiments, the
도 160에 도시된 바와 같이, 도체(16005)가 전류가 흐르는 변형(16035)을 포함하는 경우, 전류 경로(16020)로 나타낸 바와 같이, 전류의 방향이 변화한다. 변형 부(16035) 주위를 흐르는 전류는 도체(16005)의 길이와 평행하지 않다. 따라서, 만곡된 전류 경로(16020)에 대응하는 전류 경로에 의해 생성된 자기장은 도체(16005)의 길이에 수직이 아니다. 따라서, 자력계(15930)가 도체(16005)의 길이를 따라 통과하는 경우, 도체(16005) 주위의 자기장의 방향 변화는 변형(16035)이 존재함을 나타낼 수 있다. 자력계(15930)가 변형(16035)에 접근함에 따라, 도체(16005) 주위의 자기장의 방향은 도체(16005)의 길이에 수직 인 것으로부터 변화한다. 자력계(15930)가 변형(16035)을 따라 통과함에 따라, 자기장 피크 자력계(15930)가 변형부(16035)로부터 멀어짐에 따라 감소한다. 자기장의 방향의 변화는 변형부(16035)의 위치를 나타낼 수 있다. 도 159b에 도시된 바와 같이, 부분 예에서, 도체는 전류의 부분을 반사하는 변형을 가질 수 있고, 도 160에 도시된 바와 같이, 전류의 흐름을 편향시킨다.As shown in FIG. 160, when the
변형(16035)의 크기, 형태, 유형 등은 변형(16035)을 둘러싸는 자기장의 공간 방향을 결정한다. 몇몇 실시예에서, 변형(16035) 주위의 자기장의 다중 샘플을 취하여지도를 생성할 수 있다. 자기장의 예시적인 실시예에서, 샘플들 각각은 자기장의 크기 및 방향을 포함한다. 변형(16035)을 둘러싸는 자기장의 공간 형상에 기초하여, 변형(16035)의 크기, 형태, 유형 등과 같은 변형(16035)의 하나 이상의 특성이 결정될 수 있다. 예를 들어, 자기장을 이용하여 변형(16035)이 덴트, 균열, 전도체 내의 불순물 등인지 여부를 결정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 변형(16035)을 둘러싼 자기장의 맵은 공지된 기형의 데이터베이스와 비교될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 변형(16035)은 데이터베이스로부터 가장 유사한 매칭 변형과 유사하거나 동일하다고 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 변형(16035)은 임계 스코어를 넘는 유사성 스코어를 갖는 데이터베이스의 변형과 유사하거나 동일하다고 결정될 수 있다. 유사성 스코어는 측정된 자기장과 데이터베이스의 하나 이상의 공지된 자기장 사이의 유사성을 측정하는 임의의 적합한 스코어일 수 있다.The size, shape, type, etc. of the
자력계는 많은 상이한 상황에서 전도성 물질의 결함을 검출하는데 사용될 수 있다. 일 예시에서, 자력계는 철도 레일의 결함을 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 철도 차량은 레일을 따라 위치되어 트랙을 따라 이동할 수 있다. 자력계는 레일에서 적당한 거리에 자동차에 위치할 수 있으며, 차량이 궤도를 따라 주행 할 때 하나 이상의 레일 주위에서 자기장을 모니터링할 수 있다. 이러한 예에서, 전류는 공지된 정지 위치에서 하나 이상의 레일에서 유도될 수 있다. 다른 실시예에서, 레일에 전류를 유도하는 코일은 이동하는 차에 위치할 수 있고 자력계와 함께 움직일 수 있다.The magnetometer can be used to detect defects in the conductive material in many different situations. In one example, the magnetometer can be used to detect faults in railway rails. In this example, the railway vehicle is positioned along the rail and can move along the track. The magnetometer can be positioned in the car at a suitable distance from the rails and can monitor the magnetic field around one or more rails as the vehicle travels along the track. In this example, the current may be induced at one or more rails at a known stop position. In another embodiment, the coils inducing currents in the rails may be located in a moving vehicle and move with the magnetometer.
이러한 예에서, 자력계는 전형적인 레일 카 또는 특수 레일 카 장치에 위치될 수 있다. 자력계는 장착될 수 있고 및/또는 레일 카는 하나 이상의 레일에 대하여 자력계의 방향을 유지하는 방식으로 설계될 수 있다. 경우에 따라, 예를 들어, 지형의 범프 또는 딥, 자동차 내의 사람 또는 화물의 이동, 레일의 불완전 함 등으로 레일과 함께 자력계의 완벽한 방향을 유지하는 것이 실현 가능하지 않을 수 있다. 하나 이상의 자이로 스코프는 하나 이상의 레일에 대한 자력계의 상대적 위치를 추적하는데 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 임의의 적절한 시스템이 수중 음파 탐지기(sonar), 레이저 또는 가속도계와 같은 자력계의 상대 위치를 추적하는데 사용될 수 있다. 시스템은 그에 따라 예상되는 자기장의 크기 및/또는 방향을 조정하기 위해 상대 위치의 변화를 사용할 수 있다.In this example, the magnetometer can be located in a typical railcar or special railcar device. The magnetometer may be mounted and / or the railcar may be designed in such a way that it maintains the orientation of the magnetometer relative to one or more rails. In some cases, it may not be feasible to maintain the magnetometer's perfect orientation with the rail, for example due to bumps or dips of the terrain, movement of people or cargo in the car, incompleteness of the rail, and the like. One or more gyroscopes may be used to track the relative position of the magnetometer relative to one or more rails. In an alternative embodiment, any suitable system may be used to track the relative position of the magnetometer, such as sonar, laser or accelerometer. The system may then use a change in relative position to adjust the magnitude and / or direction of the expected magnetic field.
또 다른 예에서, 자력계는 파이프의 기형을 검출하는데 사용될 수 있다. 어떤 경우에는 파이프가 묻힐 수도 있고 물 아래 있을 수도 있다. 도체가 변형되는지 검사되는 시나리오에서, 물과 같은 상대적으로 전도성인 물질로 둘러싸여있는 경우, 자력계는 코일에 비교적 가깝게 위치하여 도체에 전류를 유도할 수 있다. 도체는 상대적으로 전도성인 물질로 둘러싸여 있기 때문에, 도체를 통과하는 전류의 세기는 코일에서 멀어 질수록 훨씬 빨리 줄어들 것이다. 자력계는 공기와 같은 비교적 비전도성인 물질로 둘러싸인 도체와 비교된다 . 이러한 조건에서, 코일은 자력계로 도체를 따라 이동할 수 있다. 자력계와 코일은 코일로부터의 자기장이 자력계와의 과도한 간섭을 일으키지 않을만큼 충분히 분리될 수 있다.In another example, a magnetometer can be used to detect the malformation of the pipe. In some cases, the pipe may be buried or under water. In a scenario where a conductor is checked for deformation, the magnetometer is located relatively close to the coil and can induce a current in the conductor when surrounded by a relatively conductive material such as water. Because the conductors are surrounded by relatively conductive material, the intensity of the current through the conductor will decrease much faster as it moves away from the coil. Magnetometers are compared to conductors surrounded by relatively nonconductive materials such as air. Under these conditions, the coil can move along the conductor to the magnetometer. The magnetometer and the coil can be separated sufficiently that the magnetic field from the coil does not cause undue interference with the magnetometer.
부분 예에서, 자력계는 파이프 내의 누출을 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 파이프 라인을 통해 이송되는 부분 유체는 자기 적 특성을 갖습니다. 그러한 경우, 유체 및/또는 파이프는 자화될 수 있다. 자력계(예 : 자력계의 어레이)는 파이프를 따라 이동하여 상기 설명된 바와 같이 파이프 주위의 검출된 자기장의 불일치를 검출할 수 있다. 자기장의 차이나 변화는 파이프에서 유체 누출로 인해 발생할 수 있다. 따라서 자력계를 사용하여 자기장의 차이나 변화를 감지하면 파이프에 누출이 있음을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 파이프로부터 흐르는 유체 또는 가스의 스트림 또는 제트는 스트림 또는 제트 주변의 자기장에 의해 검출될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 체적 누설 률은 자기장(예를 들어, 자기장의 크기)에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어 누설률을 사용하여 누출 교정의 우선 순위를 지정할 수 있다.In a partial example, the magnetometer can be used to detect leaks in the pipe. For example, the partial fluid that is transported through the pipeline has a magnetic property. In such a case, the fluid and / or the pipe may be magnetized. A magnetometer (e.g., an array of magnetometers) may move along the pipe to detect a discrepancy in the detected magnetic field around the pipe as described above. The difference or change in the magnetic field can be caused by fluid leakage from the pipe. Therefore, using a magnetometer to detect the difference or change in the magnetic field can indicate a leak in the pipe. For example, a stream or jet of fluid or gas flowing from a pipe may be detected by a magnetic field in the stream or around the jet. In some embodiments, the volume leakage rate can be determined based on the magnetic field (e.g., the magnitude of the magnetic field). For example, the leak rate can be used to prioritize leak corrections.
몇몇 실시예에서, 전류는 도체 내에 유도되지 않을 수 있다. 그러한 실시예들에서, 임의의 적절한 자기장은 자력계에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 지구는 자기장을 생성한다. 검사 대상 물질이 빗나가거나 그렇지 않으면 지구 자기장에 영향을 줄 수 있다. 검사된 물질이 연속적이라면, 지구 자기장의 편향은 물질의 길이를 따라 동일하거나 유사한다. 그러나 변형이나 결함이 있는 경우 지구 자기장의 변형은 기형 또는 결함 주변에서 달라집니다.In some embodiments, the current may not be induced in the conductor. In such embodiments, any suitable magnetic field can be detected by the magnetometer. For example, the Earth generates a magnetic field. The material to be inspected may be deflected or otherwise affect the earth's magnetic field. If the inspected material is continuous, the deflection of the earth's magnetic field is the same or similar along the length of the material. However, in the case of deformations or defects, the deformation of the Earth's magnetic field will vary around the deformity or defect.
몇몇 실시예에서, 임의의 다른 적절한 자기 소스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 소스 자석은 상자성의 물질에 적용될 수 있다. 상자성 물질 주위의 자기장은 여기에 설명된 원리를 사용하여 물질의 변형을 감지하는 데 사용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 자력계는 소스 자석에 비교적 근접하여 위치될 수 있다.In some embodiments, any other suitable magnetic source may be used. For example, the source magnet can be applied to paramagnetic materials. The magnetic field around the paramagnetic material can be used to detect deformation of the material using the principles described herein. In this embodiment, the magnetometer can be positioned relatively close to the source magnet.
전술한 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 측정된 자기장은 예상되는 자기장과 비교된다. 예상되는 자기장은 임의의 적절한 방식으로 결정될 수 있다. 다음 설명은 예상되는 자기장을 결정할 수 있는 방법의 한 예이다.As described above, in some embodiments, the measured magnetic field is compared to the expected magnetic field. The expected magnetic field may be determined in any suitable manner. The following description is an example of how the expected magnetic field can be determined.
도체 내에 전류를 유도하기 위해 코일이 사용되는 실시예들(예를 들어, 도 159a 및 도 159b에 도시된 실시예들)에서, 도체에서 코일의 자기장의 세기 Bcoil은 결정될 수 있고, 수학식(c1)을 사용하여 계산된다:In embodiments in which coils are used to induce currents in the conductors (e.g., the embodiments shown in Figs. 159a and 159b), the magnitude B coil of the magnetic field of the coils in the conductors can be determined, c1): < RTI ID = 0.0 >
(c1) (c1)
식(c1)에서 μ는 코일과 도체(예 : 도체 15905) 사이의 매질의 투자율(Newtons / Amp2), I는 코일을 통과하는 전류(Amps), dlcoil은 코일 와이어(미터), r_cr은 코일에서 레일(미터)까지의 스칼라 거리이다. 식(c1)의 코일의 자기장의 크기는 코일 정렬 중심에 대해 대칭 인 원형 프로파일을 갖는 벡터 양으로 변환될 수 있고, 따라서 식과 일치하는 방사상 관계로 원주 방향으로 일정하다(c1).In the equation (c1), μ is the magnetic permeability of the medium between the coil and conductor (eg conductor 15905) (Newtons / Amp2), I is the current passing through the coil (Amps), dl coil is the coil wire (meter), r_cr is the coil To the rail (meter). The magnitude of the magnetic field of the coil of equation (c1) can be transformed into a vector quantity with a circular profile symmetrical with respect to the coil alignment center, and thus is constant in the circumferential direction in a radial relationship consistent with the equation (c1).
레일에서의 순방향 전류(Irail)는 수학식(c2)을 이용하여 계산될 수 있다:The forward current (I rail ) at the rail can be calculated using equation (c2): < RTI ID = 0.0 >
(c2) (c2)
수학식(c2)에서, a는 전도체(헨리)의 자화율이다.In equation (c2), a is the magnetic susceptibility of the conductor (Henry).
레일 자기 B-필드의 자기장의 크기는 다음이다:The magnitude of the magnetic field in the rail magnetic B-field is:
(c3) (c3)
식(c3)에서, rrm은 레일에서 자력계까지의 거리이고, dlrail은 코일의 자기장이 레일과 상호 작용하는 위치에서 레일 길이 및 자력계(미터)의 위치이다.In equation (c3), r rm is the distance from the rail to the magnetometer, and dl rail is the rail length and position of the magnetometer (meter) where the coil's magnetic field interacts with the rail.
몇몇 실시예에서, 자력계는 하나 이상의 방향으로 자기장의 크기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 자력계는 3 개의 직교 방향(x, y 및 z)에서 자기장의 크기를 측정할 수 있다. 식(c4)는 x, y 및 z 방향으로 검출된 자기장의 측정된 크기(Bx, By 및 Bz 각각)와 자력계(Bmeas)로 측정된 자기장의 벡터 사이의 관계를 보여준다. (예를 들어 다이폴 모델을 사용하여):In some embodiments, the magnetometer can measure the magnitude of the magnetic field in one or more directions. For example, a magnetometer can measure the magnitude of a magnetic field in three orthogonal directions (x, y, and z). Equation (c4) shows the relationship between the measured magnitudes of the magnetic fields detected in the x, y and z directions (Bx, By and Bz respectively) and the vector of the magnetic field measured by the magnetometer (B meas ). (For example using the dipole model):
(c4) (c4)
철도가 균일하고 균질하다면, Bmeas는 본질적으로 Brail과 같다. 수학식(c5)에서 레일 내에 결함, 변형, 변형 등이 존재할 때, 측정된 자기 벡터 Bmeas는 수학식 (c5)에서 나타난 바와 같이 변형으로 인해 변환(Ft) 함수에 의해 레일의 예상된 자기장 Brail과 다르다.If the railway is homogeneous and homogeneous, B meas is essentially equal to B rail . When there is a defect, a deformation, a deformation, or the like in the rail in Equation (c5), the measured magnetic vector Bmeas is transformed by transformation (F t ) due to deformation as shown in equation (c5) B rail .
(c5) (c5)
평행 이동 함수의 선형 확장은 다음과 같은 기준과 측정된 자기장 사이의 차이로부터 레일 비정상에 의해 야기된 변화를 검출하기 위한 대수 식 분리 위치 δ를 허용한다:The linear expansion of the translation function allows an algebraic separation position δ to detect the variations caused by rail anomalies from the difference between the measured reference and the following criteria:
(c6) (c6)
(c7) (c7)
(c8) (c8)
그러므로,therefore,
(c9) (c9)
식(c6) -(c9)에서, ' '는 자력계에서 도체를 따라 변형된 거리, Irail은 도체를 통과하는 전류, k는 특정 측정 샘플을 나타낸다. 예시적인 실시예에서, 100 개의 샘플이 취해진 다. 다른 실시예에서, 100개보다 많거나 적은 샘플이 취해진다. 고속 푸리에 변환 알고리즘(또는 임의의 다른 적절한 알고리즘)을 통해 처리될 때, 잡음이 억제될 수 있고, 기준 자기장(Brail)로부터의 에코 또는 불균일한 이탈은 다음 수학식에 따라 거리□의 자력계에 대한 알려진 위치 및 방향에서의 레일 브레이크와 상관 관계가 있다:In Eqs. (C6) - (c9), '' is the distance of strain along the conductor in the magnetometer, I rail is the current through the conductor, and k is the specific measurement sample. In the exemplary embodiment, 100 samples are taken. In another embodiment, more or less than 100 samples are taken. When processed through a fast Fourier transform algorithm (or any other suitable algorithm), noise can be suppressed and echoes or non-uniform deviations from the reference magnetic field (B rails ) can be calculated for a magnetometer of distance & Correlates with rail brakes in known positions and orientations:
(c10) (c10)
(c11) (c11)
위의 식을 사용하여 자력선에서 변형까지의 거리는 도체(I)에 유도된 전류와 도체에서 특정 거리에 있는 측정된 자기장을 기반으로 결정될 수 있다.Using the above equation, the distance from the magnetic line to the deformation can be determined based on the current induced in the conductor I and the measured magnetic field at a specific distance from the conductor.
도 159a 및 도 159b에 도시된 실시예에서, 하나의 자력계(15930)는 변형을 모니터하기 위해 도체(15905)의 길이를 따라 통과하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 2 개 이상의 자력계(15930)가 사용될 수 있다. 다수의 자력계(15930)는 임의의 적절한 방식으로 도체(15905) 주위에 배향될 수 있다. 다중 자기장 계(15930)를 사용하는 것은 경우에 따라 이점을 제공한다. 예를 들어, 다수의 자력계(15930)를 사용하는 것은 도체(15905) 둘레에 다수의 샘플 포인트를 동시에 제공한다. 몇몇 예에서, 다중 샘플 포인트는 중복될 수 있고 샘플의 정확성을 검사하는데 사용될 수 있다. 부분 예에서, 도체(15905) 주위에 다수의 샘플 포인트가 퍼져있는 경우, 가장 큰 이탈 각을 갖는 도체(15905) 주위의 지점에 자력계(15930)가 있는 기회가 증가한다. 즉, 도체(15905) 주위의 다수 지점을 샘플링하면, 자기장(15930)가 도체(15905) 주위의 자기장의 최대 변화에 기초하여 도체(15905)의 이상을 검출 할 기회가 증가한다.In the embodiment shown in Figures 159a and 159b, one
도 161은 예시적인 실시예에 따른 변형을 검출하는 방법의 흐름도이다. 다른 실시예에서, 추가, 더 적은 또는 상이한 동작들이 수행될 수 있다. 또한, 흐름도 및/또는 화살표의 사용은 조작의 순서 또는 흐름과 관련하여 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 2 개 이상의 동작들이 동시에 수행될 수 있다.161 is a flow diagram of a method for detecting deformation according to an exemplary embodiment. In other embodiments, additional, fewer, or different operations may be performed. Also, the use of the flowcharts and / or arrows is not intended to be limiting with regard to the sequence or flow of operations. For example, in some embodiments, two or more operations may be performed concurrently.
단계 16105에서, 기대되는 자기장이 결정된다. 예시적인 실시예에서, 예상되는 자기장은 크기 및 방향(예를 들어, 벡터)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 예상되는 자기장은 크기 또는 방향을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 예상되는 자기장은 도체에 유도된 전류에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 전원 및 코일을 사용하여 도체에 전류를 유도할 수 있다. 코일을 통과하는 전류 및 코일과 도체(및 임의의 다른 적절한 변수) 사이의 거리에 기초하여, 도체를 통한 유도 전류가 계산될 수 있다. 자력계에 대한 코일의 위치를 알 수 있으므로 유도 전류의 방향을 알 수 있다. 도체를 통과하는 전류가 알려 지거나 계산되는 경우 도체 주변의 지점에서의 자기장을 계산할 수 있다. 따라서 자력계가 존재하는 도체 주위의 지점에서의 자기장은 변형이 존재하지 않는다고 가정하고 유도된 전류에 기초하여 계산될 수 있다.In
다른 실시예에서, 예상되는 자기장은 자력계를 사용하여 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 변형은 도체 둘레의 자기장의 변화를 검출함으로써 검출될 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나 이상의 초기 측정은 자력계를 사용하여 취해질 수 있다. 하나 이상의 초기 측정치는 예상된 자기장으로서 사용될 수 있다. 즉, 도체가 도체의 길이를 따라 변형되지 않는다면, 도체를 따른 자기장은 초기 측정과 동일하거나 실질적으로 유사 할 것이다. 다른 실시예에서, 예상되는 자기장을 결정하기 위한 임의의 적절한 방법이 사용될 수 있다.In another embodiment, the expected magnetic field may be determined using a magnetometer. As described above, deformation can be detected by detecting a change in the magnetic field around the conductor. In this embodiment, one or more initial measurements may be taken using a magnetometer. One or more initial measurements may be used as the expected magnetic field. That is, if the conductor is not deformed along the length of the conductor, the magnetic field along the conductor will be the same or substantially similar to the initial measurement. In other embodiments, any suitable method for determining the expected magnetic field may be used.
동작(16110)에서, 자기장이 감지된다. 예시적인 실시예에서, 자력계는 도체의 길이를 따라 도체 둘레의 자기장을 측정하는데 사용된다. 동작(16115)에서, 자력계는 도전성 물질의 길이를 따라 이동한다. 자력계는 도체의 길이를 따라 이동하면서 도체에 대한 방향을 유지할 수 있다. 자력계가 전도성 물질의 길이를 따라 이동함에 따라 자력계를 사용하여 전도성 물질의 길이를 따라 다수의 샘플을 수집할 수 있다.At
동작(16120)에서, 감지된 자기장과 예상된 자기장 사이의 차이가 임계치와 비교된다. 예시적인 실시예에서, 감지된 자기장과 예상된 자기장 사이의 차이의 절대 값은 임계치와 비교된다. 그러한 실시예에서, 차이의 크기가 사용되며 값의 부호가 아니다(예를 들어, 음의 값은 양의 값으로서 취급된다). 임계 값은 임의의 적합한 임계 값일 수 있다. 예를 들어, 감지된 벡터의 크기와 예상된 벡터의 크기 사이의 차이는 임계 세기 값과 비교될 수 있다. 다른 예에서, 감지된 벡터의 방향과 예상된 벡터의 방향 간의 차이는 문턱 값과 비교될 수 있다. 임계 값은 원하는 감도 수준에 따라 선택할 수 있다. 임계 값이 높을수록 시스템의 감도는 낮아집니다. 예를 들어, 벡터 각도의 차이에 대한 임계 값은 5-10 마이크로 라디안일 수 있다. 다른 실시예에서, 임계 값은 5 마이크로 라디안 미만이거나 10 마이크로 라디안보다 클 수 있다.At
감지된 자기장과 기대된 자기장 사이의 차이가 임계 값보다 큰 경우, 동작(16135)에서 결함이 존재 하는지를 결정할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 감지된 자기장 및 예상된 자기장의 충분히 큰 차이는 도체의 이상, 도체의 변형 등을 나타낼 수 있다. 감지된 자기장과 예상된 자기장 사이의 차이가 임계치보다 크지 않다면, 동작(16140)에서 결함이 없다고 결정될 수 있다. 즉, 감지 자기장이 예상 자기장에 충분히 가깝다면, 도체 내에 충분히 큰 변칙, 파손, 변형 등이 없다고 판단될 수 있다.If the difference between the sensed magnetic field and the expected magnetic field is greater than the threshold, then it may be determined at
원 위치의 전력 충전Power charging in one position
도 46에 도시된 바와 같은 광범위한 전력선 하부 구조는 도시, 임계 전력 시스템 요소, 주택 및 사업을 연결한다. 인프라 구조에는 오버 헤드 및 매립된배전선, 송전선, 제 3의 레일 전력선 및 수중 케이블이 포함될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시예들에서, 다양한 전력선들 중 하나 이상이 차량 시스템(16200)의 전력 시스템을 충전하는데 사용될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 임의의 적합한 전자기장 소스가 차량 시스템(16200). 예를 들어 셀룰러 폰 전송 타워와 같은 전송 타워가 차량 시스템(16200)의 시스템에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.The broad powerline infrastructure as shown in Figure 46 connects cities, critical power system components, homes and businesses. Infrastructure may include overhead and buried distribution lines, transmission lines, third rail power lines and underwater cables. In the various embodiments described herein, one or more of the various power lines may be used to charge the power system of
몇몇 실시예에서, 직류(DC)를 갖는 도체가 사용될 수 있다. 코일에 대해 자기장을 이동시킴으로써 코일에 전류가 유도될 수 있다. 자기장이 코일에 대해 움직이지 않으면, 전류는 유도되지 않는다. 따라서, 도체가 도체를 통과하는 AC 전류를 갖는다면, 도체 주위의 자기장은 시변한다. 이러한 예에서, 코일은 코일에 대해 고정될 수 있고 도체에 전류가 유도될 수 있다. 그러나, DC 전류가 도체를 통과하면, 도체 주위에 정적 자기장이 발생한다. 따라서, 도체에 대하여 코일이 움직이지 않으면 코일에 전류가 흐르지 않는다. 그러한 경우에, 코일이 도체에 대해 이동하면, 전류가 코일에 유도 될 것이다. 따라서, 전력선이 DC 전력을 갖는 실시예에서, 차량 및/또는 코일은 전력선에 대해 이동할 수 있다. 예를 들어, 차량은 동력선의 길이를 따라 이동할 수 있다. 다른 예에서, 차량은 자기장 내에서 코일을 이동시킴으로써 위치를 진동시킬 수 있다.In some embodiments, a conductor with direct current (DC) may be used. Current can be induced in the coil by moving the magnetic field relative to the coil. If the magnetic field does not move with respect to the coil, no current is induced. Thus, if a conductor has an AC current through the conductor, the magnetic field around the conductor is time-varying. In this example, the coil can be fixed with respect to the coil and a current can be induced in the conductor. However, when a DC current passes through a conductor, a static magnetic field is generated around the conductor. Therefore, if the coil does not move with respect to the conductor, no current flows through the coil. In such a case, when the coil moves relative to the conductor, a current will be induced in the coil. Thus, in embodiments in which the power line has DC power, the vehicle and / or the coil may move relative to the power line. For example, the vehicle can move along the length of the power line. In another example, the vehicle can vibrate its position by moving the coil within the magnetic field.
차량 시스템(16200)이 공중 차량 인 실시예에서, 전력선은 가공 선이될 수 있다. 이러한 실시예에서, 차량 시스템(16200)은 오버 헤드 라인에 충분히 근접하여 비행하여 전력 시스템을 충전하기 위해 충전 장치에 충분한 전류를 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전력선은 지하 전력선일 수 있다. 이러한 실시예에서, 공중 차량 시스템(16200)은지면 가까이에서 비행할 수 있다. 그러한 실시예에서, 전자기장은 지구를 통과하여 차량 시스템(16200)에 충분한 전력을 제공하기에 충분히 강할 수 있다. 대안의 실시예에서, 차량 시스템(16200)은 전력을 충전하기 위해 매설된 전력선 위 또는 그 위에 착륙할 수 있다 . 차량 시스템(16200)이 육상 - 기반 차량 인 실시예들에서, 동작(16305)은 매립된 전력 라인을 위치시키는 것을 포함할 수 있다.In an embodiment where the
동작(16310)에서, 차량 시스템(16200)은 전력선으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 전력선을 식별 및/또는 위치시킨 후에, 차량 시스템(16200)은 적절한 항해 시스템 및 추진 장치를 이용하여 차량 시스템(16200)이 전력선에 충분히 근접하게 움직일 수 있게 한다.At
동작(16315)에서, 충전 시스템은 전력선과 함께 배향된다. 예시적인 실시예에서, 충전 시스템은 하나 이상의 코일을 포함한다. 도 50은 예시적인 실시예에 따른 차량의 예시이다. 예시적인 무인 항공기 시스템(UAS)(5000)은 동체(5005) 및 날개(5010)를 포함한다. 대안의 실시예에서, 추가의, 더 적은, 및/또는 상이한 요소가 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동체(5005)는 배터리 시스템을 포함한다. 동체(5005)는 컴퓨팅 시스템, 전자 장치, 센서, 화물 등과 같은 다른 구성 요소를 수용할 수 있다.At
예시적인 실시예에서, 대전 시스템의 하나 이상의 코일이 날개(5010)에 위치될 수 있다. 예를 들어, 날개(5010)의 각각은 코일을 포함할 수 있다. 코일은 임의의 적절한 방식으로 날개(5010)에 위치될 수 있다. 예를 들어, 코일은 윙(5010) 내의 보이드 내에 위치된다. 다른 예에서, 코일은 윙(5010)에 본딩, 융합, 적층 또는 부착된다. 이러한 예에서, 코일은 날개(5010)를 구성하거나 코일이 날개(5010)의 외부 또는 내부 표면에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 코일은 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있다. UAS 5000은 설명 목적으로만 사용된다. 다른 실시예에서, 임의의 적합한 차량이 사용될 수 있고 고정 날개 항공기가 아닐 수 있다.In an exemplary embodiment, one or more coils of the charging system may be located in the vane 5010. [ For example, each of the wings 5010 may include a coil. The coil may be positioned in the wing 5010 in any suitable manner. For example, the coil is positioned in the void in the wing 5010. [ In another example, the coils are bonded, fused, laminated or attached to the wing 5010. In this example, the coil may constitute a wing 5010, or a coil may be attached to the outer or inner surface of the wing 5010. In other embodiments, the one or more coils may be disposed at any suitable location.
도체의 임의의 적절한 코일은 배터리를 충전하는데 사용될 수 있는 전류를 유도하는데 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코일은 유도 장치이다. 예를 들어, 코일은 중심 축에 대해 감겨 진 도체를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 코일이 사용될 수 있다. 예를 들어, 코일은 구형으로 권취될 수 있다. 다른 실시예에서, 충전 장치는 다이폴, 패치 안테나 등을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 동작(16315)은 코일에 유도된 전류를 최대화하기 위해 코일을 배향시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 동작(16315)은 코일에서의 자기장의 방향이 코일의 중심 축에 평행하도록 코일을 배향시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 예에서 자력계는 코일에서 자기장의 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, UAS(5000)의 날개(5010) 각각은 코일 및 자력계를 포함한다. 차량이 회전식 차량(예를 들어, 헬리콥터 형 또는 쿼드 - 헬리콥터 형 차량) 인 실시예에서, 차량은 동력선 둘레의 고정된 위치에서 자기 자신을 방위로 움직여 자기장의 방향을 코일의 중심 축.Any suitable coil of conductors may be used to derive a current that can be used to charge the battery. In an exemplary embodiment, the coil is an inductive device. For example, the coil may include a conductor wound about a central axis. In other embodiments, any suitable coil may be used. For example, the coil may be wound spherically. In other embodiments, the charging device may include a dipole, a patch antenna, or the like. In an exemplary embodiment,
예시적인 실시예에서, 동작(16315)은 가능한 한 전력선에 가깝게 코일을 얻도록 차량을 조종하는 것을 포함한다. 도 164는 예시적인 실시예에 따른 도체로부터의 거리 대 자기장의 세기의 그래프이다. 16405 행은 1000A 전도체의 자기장 세기를 나타내고 16410은 100A 전도체의 자기장 세기를 표시한다. 도 164에 도시된 바와 같이, 자기장의 크기는 자기장의 소스로부터의 거리의 역에 비례하는 비율로 감소한다. 따라서,In an exemplary embodiment,
여기서 B는 자기장의 크기이고, r은 자기장 소스로부터의 거리이다. 예를 들어, r은 전력선으로부터의 거리이다. 따라서, 코일이 전력선에 더 가까울수록 코일에서 더 많은 전력이 유도되어 배터리를 충전할 수 있다. Where B is the magnitude of the magnetic field and r is the distance from the magnetic field source. For example, r is the distance from the power line. Thus, the closer the coil is to the power line, the more power is drawn from the coil to charge the battery.
그러나, 몇몇 실시예에서, 실질적인 제한은 차량과 전력선 사이에 최소 거리가 유지되도록 지시할 수 있다. 예를 들어, 차량이 파손되거나 전력선을 습격하면 차량이 손상될 수 있다. 이러한 예에서 차량은 제어 또는 충돌을 잃을 수 있다. 다른 예에서, 전력선은 고전압 및/또는 고전류를 갖는다. 예를 들어, 전력선 사이의 전압은 5 천 내지 7 천 볼트 사이일 수 있고, 전력선은 약 100 암페어(Amp)를 전송할 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 라인은 7 천 볼트 이상 또는 5 천 볼트 미만의 전압을 가질 수 있다. 유사하게, 전력선은 100 암페어 미만 또는 100 암페어를 초과할 수 있다. 이러한 예에서, 차량이 동력선에 충분히 근접하면, 정전기 방전이 발생할 수 있다. 이러한 방전은 차량을 손상시킬 수 있는 플라즈마 방전일 수 있다.However, in some embodiments, a substantial limitation may be indicated to maintain a minimum distance between the vehicle and the power line. For example, a vehicle can be damaged if the vehicle is broken or the power line is attacked. In this example, the vehicle may lose control or collision. In another example, the power line has a high voltage and / or a high current. For example, the voltage between the power lines can be between 5,000 and 7,000 volts, and the power line can transmit about 100 amps. In another embodiment, the power line may have a voltage of greater than 7,000 volts or less than 5,000 volts. Similarly, the power line may be less than 100 amperes or more than 100 amperes. In this example, if the vehicle is sufficiently close to the power line, an electrostatic discharge may occur. Such a discharge may be a plasma discharge which may damage the vehicle.
예시적인 실시예에서, 차량은 전력선으로부터 약 1 미터 떨어져 있다. 예를 들어, 하나 이상의 코일은 전력선으로부터 1 미터 떨어져 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 차량은 전력선으로부터 1 내지 10 미터 떨어져 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 차량은 동력선으로부터 10 내지 20 미터 떨어져 있을 수 있다. 대안적인 실시예에서, 차량은 전력선으로부터 1 미터 또는 20 미터 이상 떨어져있다.In an exemplary embodiment, the vehicle is about 1 meter away from the power line. For example, one or more coils may be located one meter away from the power line. In another embodiment, the vehicle may be 1 to 10 meters away from the power line. In another embodiment, the vehicle may be 10 to 20 meters away from the power line. In an alternative embodiment, the vehicle is at least 1 meter or 20 meters away from the power line.
동작(16320)에서, 전원이 충전될 수 있다. 예를 들어, 전원은 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다. 코일에 유도된 전류는 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전력선의 전력은 교류(AC) 전력일 수 있다. 그러한 실시예에서, AC 전력에 의해 생성된 자기장은 번갈아 나타나고, 코일에 유도된 전류는 번갈아 나타난다. 차량은 하나 이상의 배터리를 충전하기 위해 유도 전류를 직류로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다.At
동작(16325)에서, 전력선을 갖는 충전 시스템의 방위가 유지될 수 있다. 예를 들어, 차량은 전력선으로부터 적절한(예를 들어, 안전한) 거리를 유지하면서 코일에 유도된 전류의 양을 최대화할 수 있다.In
차량이 정지 위치(예를 들어, 육상 차량 또는 회전 차량)에서 충전될 수 있는 실시예에서, 차량은 전력선 근처에서 일관된 위치를 유지할 수 있다. 차량이 동력 라인을 따라 이동하는 실시예(예를 들어, 차량이 주행 중 충전 중이거나 차량이 고정 날개 형 차량인 경우)에서, 차량은 동력선의 경로를 따라갈 수 있다. 예를 들어, 오버 헤드 전력선이 지지 기둥 사이에 처지는 경우가 있다. 이러한 예에서, 차량이 동력선의 길이를 따라 주행할 때 차량은 동력선의 처짐(예를 들어, 현수 단면)을 따를 수 있다. 예를 들어, 차량은 동력선으로부터 일정 거리를 유지할 수 있다.In embodiments in which the vehicle can be charged in a stationary position (e.g., a land vehicle or a rotating vehicle), the vehicle can maintain a consistent position near the power line. In an embodiment in which the vehicle travels along a power line (e.g., when the vehicle is charging while in motion or when the vehicle is a fixed wing type vehicle), the vehicle may follow the path of the power line. For example, overhead power lines may sag between support columns. In this example, the vehicle may follow the deflection (e.g., suspension cross-section) of the power line as the vehicle travels along the length of the power line. For example, the vehicle can maintain a certain distance from the power line.
차량은 임의의 적절한 방식으로 전력선으로부터 거리를 유지할 수 있다. 예를 들어, UAS 5000은 각 날개(5010)에 자력계를 포함할 수 있다. UAS 5000은 자력계를 사용하여 전력선의 위치를 삼각 측량할 수 있다. 예를 들어, 전력선 둘레의 자기장의 방향은 전력선의 길이에 수직이다(예를 들어, 전류 이동 방향에 수직). 따라서, 측정된 자기장의 방향에 기초하여, 전력선의 방향이 결정될 수 있다. 전력선으로부터의 거리를 결정하기 위해 각 자력계에서 측정된 자기장의 크기를 사용하여 전력선까지의 거리를 삼각 측량할 수 있다. 다른 실시예에서, 차량으로부터 전력선까지의 거리를 결정하기 위해 임의의 다른 적절한 장치가 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량에는 레이저, 카메라, 초음파 센서, 초점 평면 배열 또는 적외선 센서를 사용하여 동력선의 위치를 감지할 수 있다.The vehicle can maintain a distance from the power line in any suitable manner. For example, the
전력 라인 검사를 위한 급속한 고해상도 자기장 측정Rapid, high-resolution magnetic field measurement for power line inspection
본 기술의 부분 양상들에서, 전력 전달 또는 분배 라인들에서의 결함들의 검출에 대한 다이아몬드 질소 - 공석(DNV) 적용에 대한 방법들 및 구성들이 개시된다. 전력 인프라의 특징적인 자기 서명은 인프라 검사에 사용될 수 있다. 예를 들어, 결함이 없는 전원선은 특징적인 자기 서명을 갖는다. 전력선의 자기 서명을 측정하고 예상되는 자기 서명과 비교할 수 있다. 측정된 차이는 송전선에 결함이 있음을 나타낼 수 있다.In partial aspects of the present technique, methods and configurations for diamond nitrogen-vacancy (DNV) application for the detection of defects in power delivery or distribution lines are disclosed. The characteristic self signature of the power infrastructure can be used for infrastructure testing. For example, a faultless power line has a characteristic self signature. The self-signature of the powerline can be measured and compared to the expected self-signature. The measured difference may indicate a fault in the transmission line.
몇몇 구현에서, 자기 센서가 송전선의 자기 서명을 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 자기 센서는 유인 차량에 장착될 수 있다. 유인 차량은 송전선을 따라 움직여 송전선의 자기 서명을 측정할 수 있다. 다른 구현들에서, 자기 센서는 무인 차량에 포함될 수 있다. 송전선은 또한 무인 차량을 항해하는 데 사용될 수 있어 무인 선로 감시가 가능하다. 무인 차량은 전력선을 사용하여 기동할 수 있으며 결함에 대해 동일한 전력선을 검사할 수 있다.In some implementations, a magnetic sensor may be used to measure the magnetic signature of the transmission line. For example, a magnetic sensor can be mounted on a manned vehicle. The manned vehicle can move along the transmission line to measure the self signature of the transmission line. In other implementations, the magnetic sensor may be included in an unmanned vehicle. Transmission lines can also be used to navigate unmanned vehicles, allowing unattended line monitoring. Unmanned vehicles can be started using power lines and can inspect the same power lines for defects.
자기장이 측정되기 때문에, 이러한 자기장의 측정은 육안 또는 시각, 광학 및 레이저 검사 방법과 같은 다른 검사 방법에 영향을 미치는 열악한 가시 조건에 의해 방해받지 않는다. 따라서 시력이 좋지 않은 날씨 또는 식물이 전력선을 초과하여 자란 경우 전력이 떨어지는 등의 결함을 감지할 수 있다.Since the magnetic field is measured, the measurement of these magnetic fields is not hindered by poor visibility conditions that affect other inspection methods such as visual or visual, optical and laser inspection methods. Thus, it can detect defects such as poor visual acuity or power loss when plants grow over power lines.
몇몇 구현에서, 본 기술은 하나 이상의 자기 센서, 자기 항해 데이터베이스, 및 무인 차량의 위치 및 방위를 제어할 수 있는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 자기장 측정을 위한 DNV 자기 센서의 자기장에 대한 높은 감도가 활용될 수 있다. DNV 자기 센서는 또한 저렴한 비용, 공간, 무게 및 전력(C-SWAP)이 가능하며 빠른 정착 시간의 이점을 제공한다. DNV 자기장 측정을 통해 UAS 시스템은 전원 라인과 정렬되고 전력선 인프라 경로를 따라 신속하게 이동한다. 내비게이션은 시인 상태가 좋지 않은 곳이나 GPS가 거부된 곳에서 가능하다. 또한, UAS 동작은 은밀한 전송을 용이하게 하는 전력선에 근접하여 발생할 수 있다. DNV 기반의 자기 센서는 기존의 자기 센서보다 약 100배 작을 수 있으며 비슷한 감도를 가진 센서보다 약 10 만배 빠른 반응 시간을 가질 수 있다.In some implementations, the techniques may include one or more magnetic sensors, a self-navigating database, and a feedback loop capable of controlling the position and orientation of the unmanned vehicle. High sensitivity to the magnetic field of the DNV magnetic sensor for magnetic field measurement can be utilized. DNV magnetic sensors also offer low cost, space, weight and power (C-SWAP) and provide fast settling time benefits. With the DNV magnetic field measurement, the UAS system is aligned with the power line and moves quickly along the powerline infrastructure path. Navigation is possible in places where visibility is poor or where GPS is rejected. Also, the UAS operation may occur in proximity to a power line that facilitates covert transmission. DNV-based magnetic sensors can be about 100 times smaller than conventional magnetic sensors and can have reaction times as fast as 100,000 times faster than sensors with similar sensitivities.
도 44는 본 기술의 몇몇 구현에 따른 전력선(4404, 4406 및 4408)을 따른 UAS(4402) 항해의 예를 도시 한 개념도이다. UAS 4402는 항해 용 전력선의 고유한 자기 서명을 활용하여 경로 마그네틱 특성에 대한 사전 지식 없이도 UAS 4402의 도로 및 고속도로로 사용될 수 있다. 도 45a에 도시된 바와 같이, UAS(4402)의 날개에 부착된 2 개의 자기 센서들 A 및 B(도 44의 4410 및 4412)의 신호 세기의 비는 예의 3개 라인 송전선 구조물(4404, 4406 및 4408)의 중심선으로부터 거리 x의 함수로서 변한다. 비율이 1에 가까운 지점 4522 일 때, UAS(4402)는 전력 송전선 구조상에 집중되고, 포인트(4520)에서 x = 0이다.Figure 44 is a conceptual diagram illustrating an example of
도 2b에 도시된 모든(3) 와이어로부터 합성 자기장(B- 자기장)(4506). 이 자기장은 UAS의 하나 이상의 자기 센서에 의해 측정된 자기장 세기의 실례이다. 이 예에서, 자기장(208)의 피크는 중간 라인(4406)의 위치 위에 있는 UAS(4402)에 대응한다. UAS(4402)가 2 개의 자기 센서를 가질 때, 센서는 포인트(4502 및 4504)에 대응하는 세기를 판독 할 것이다. UAS 또는 UAS의 원격 장치는 조합된 판독 값을 계산할 수 있다. 그러나, 도시된 구성 요소 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 구성 요소를 포함할 수 있다. 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 구성 요소, 상이한 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 제공될 수 있다.(B-field) 4506 from all (3) wires shown in FIG. 2B. This magnetic field is an example of the magnetic field strength measured by one or more magnetic sensors of the UAS. In this example, the peak of the magnetic field 208 corresponds to the
다양한 구현으로서, UAS와 같은 차량은 DNV 센서와 같은 하나 이상의 항해 센서를 포함할 수 있다. 차량의 목표는 초기 목적지로 여행하고 가능하면 최종 목적지로 돌아오는 것이다. 공지된 항해 시스템은 차량을 중간 위치로 항해하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, UAS는 중간 위치로 GPS 및/또는 인간이 제어하는 내비게이션을 사용하여 비행할 수 있다. 그러면 UAS는 전력선과 같은 전원의 자기 서명을 찾기 시작할 수 있다. 전력선을 찾기 위해 UAS는 DNV 센서를 사용하여 지속적으로 측정을 수행할 수 있다. UAS는 원, 직선, 곡선 패턴 등으로 비행할 수 있으며 기록된 자기장을 모니터링할 수 있다. 자기장은 전력선의 알려진 특성과 비교되어 전력선이 UAS 부근인지 식별 할 수 있다. 예를 들어, 측정된 자기장은 전력선의 공지된 자기장 특성과 비교되어 측정된 자기장을 생성하는 전력선을 식별할 수 있다. 또한 전기 인프라에 관한 정보는 측정된 자기장과 함께 현재 소스를 식별하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이전에 촬영되어 기록된 자기 측정에 관한 데이터베이스를 사용하여 UAS의 위치를 결정하는 데 도움이 되는 현재 판독 값을 비교할 수 있다.As various implementations, a vehicle such as a UAS may include one or more navigation sensors such as a DNV sensor. The vehicle's goal is to travel to its initial destination and return to its final destination whenever possible. The known navigation system can be used to navigate the vehicle to an intermediate position. For example, the UAS can fly using GPS and / or human controlled navigation to an intermediate location. The UAS can then start looking for a self-signature on a power source, such as a power line. To locate the powerline, the UAS can use the DNV sensor to perform measurements continuously. The UAS can fly in circular, straight, curved patterns, etc., and can monitor the recorded magnetic field. The magnetic field can be compared to known characteristics of the power line to identify whether the power line is near the UAS. For example, the measured magnetic field may be compared to a known magnetic field characteristic of the power line to identify a power line that produces the measured magnetic field. Information about the electrical infrastructure can also be used to identify the current source along with the measured magnetic field. For example, a database of previously recorded and recorded magnetic measurements can be used to compare current readings to help determine the location of the UAS.
다양한 구현에서, UAS가 전력선을 식별하면, UAS는 전력선에 대해 알려진 고도 및 위치에 위치한다. 예를 들어, UAS가 전력선을 따라 비행하면 자기장은 최대 값에 도달 한 다음 UAS가 전력선에서 멀어질수록 감소하기 시작한다. 알려진 거리를 한 번 스위핑한 후, UAS는 자기장이 가장 강한 지점으로 되돌아 갈 수 있다. 전력선 및 자기 판독 값의 알려진 특성에 따라 UAS는 전력선 유형을 결정할 수 있다.In various implementations, when the UAS identifies a powerline, the UAS is located at a known elevation and location relative to the powerline. For example, if a UAS follows a powerline, the magnetic field reaches its maximum value and then begins to decrease as the UAS moves away from the powerline. After sweeping a known distance once, the UAS can return to the strongest point of the magnetic field. Depending on the known characteristics of the power line and magnetic readings, the UAS can determine the powerline type.
전류 소스가 식별되면, UAS는 자기장이 식별된 전력선 위의 표고와 일치하는 기지의 값이 될 때까지 표고를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 49에 도시된 바와 같이, 자기장 세기는 전류 소스 위의 높이를 결정하는데 사용될 수 있다. 또한 UAS는 측정된 자기장을 사용하여 전력선 바로 위로부터 오프셋된 위치에 놓을 수 있다. 예를 들어, UAS가 현재 소스 위에 배치되면 UAS는 현재 소스에서 오프셋 위치로 측면으로 이동할 수 있다. 예를 들어 UAS는 현재 소스의 왼쪽 또는 오른쪽으로 10 킬로미터 이동할 수 있다.Once the current source is identified, the UAS may change the altitude until the magnetic field is at a known value consistent with the elevation above the identified power line. For example, as shown in FIG. 49, the magnetic field strength can be used to determine the height above the current source. The UAS can also be placed in an offset position directly above the power line using the measured magnetic field. For example, if a UAS is placed above the current source, the UAS can move sideways from the current source to the offset location. For example, the UAS can move 10 kilometers to the left or right of the current source.
UAS는 컴퓨터(4606)를 통해 비행 경로로 프로그램될 수 있다. 다양한 구현에서 UAS가 위치를 정하면 UAS는 목적지까지 도달하기 위해 비행 경로를 사용할 수 있다. 다양한 구현에서, 송전선에 의해 생성된 자기장은 송전선에 수직이다. 이러한 구현에서, 차량은 검출된 자기장에 수직으로 비행하게 된다. 일 예시에서, UAS는 검출된 전력선을 목적지까지 따라갈 수 있다. 이 예에서, UAS는 검출된 자기장을 원래 자기장 값에 가깝게 유지하려고 시도 할 것이다. 이를 위해 UAS는 고도를 변경하거나 전력선과 관련하여 위치를 유지하기 위해 옆으로 이동할 수 있다. 예를 들어 표고가 상승하는 전력선은 UAS와 전력선 사이의 거리가 감소함에 따라 검출된 자기장의 세기가 증가한다. UAS의 항해 시스템은 이 증가된 자력을 감지하고 UAS의 고도를 증가시킬 수 있다. 또한 기내 계기판은 UAS의 고도 표시를 제공할 수 있다. 항해 시스템은 또한 UAS를 옆으로 움직여서 UAS를 전력선과 관련된 적절한 위치에 유지할 수 있다.The UAS may be programmed via the
자기장은 UAS가 송전선의 위치로부터 벗어남에 따라 더 약하거나 더 강하게될 수 있다. 자기장의 변화가 감지되면 항해 시스템이 적절한 수정을할 수 있다. DNV 센서가 하나만 있는 UAS의 경우, 자기장이 미리 정해진 양 이상 감소하면 항해 시스템이 정정할 수 있다. 예를 들어, UAS는 측정된 오류가 오류 예산보다 큰 경우 UAS가 그의 과정을 수정하려고 시도하는 오류 예산을 가질 수 있다. 자기장이 감소하면 항해 시스템은 UAS가 왼쪽으로 이동하도록 지시할 수 있다. 항해 시스템은 자기장을 계속 모니터링하여 왼쪽으로 이동하면 오류가 수정되었는지 확인할 수 있다. 자기장이 더 감소하면 내비게이션 시스템은 UAS에게 현재 소스에 대해 원래 위치로 오른쪽으로 비행 한 다음 오른쪽으로 더 이동하도록 지시할 수 있다. 자기장의 세기가 감소하면 내비게이션 시스템은 UAS가 자기장을 높이기 위해 고도를 낮추어야한다고 추론할 수 있다. 이 예에서 UAS는 원래 전류 소스를 통해 직접 비행하지만, 전류 소스가 더 낮은 고도에 있기 때문에 전류 소스와 UAS 사이의 거리가 증가했습니다. 이 자기장의 피드백 루프를 사용하여 항해 시스템은 UAS를 중심에 놓거나 현재 소스의 오프셋에 유지할 수 있다. 자기장의 세기가 증가하면 동일한 분석을 수행할 수 있다. 내비게이션은 측정된 자기장이 비행 경로 내의 UAS와 같은 적절한 범위 내에있을 때까지 기동할 수 있다.The magnetic field may become weaker or stronger as the UAS deviates from the transmission line location. If changes in the magnetic field are detected, the navigation system can make appropriate corrections. For a UAS with only one DNV sensor, the navigation system can correct if the magnetic field decreases by more than a predetermined amount. For example, a UAS may have an error budget in which the UAS attempts to modify its course if the measured error is greater than the error budget. As the magnetic field decreases, the navigation system can direct the UAS to move to the left. The navigation system continues to monitor the magnetic field and move to the left to see if the error has been corrected. As the magnetic field further decreases, the navigation system can instruct the UAS to fly right to its original position for the current source and then to move further to the right. As the magnetic field strength decreases, the navigation system can infer that the UAS should lower the altitude to increase the magnetic field. In this example, the UAS originally flowed directly through the current source, but because the current source is at a lower elevation, the distance between the current source and the UAS has increased. Using this magnetic field feedback loop, the navigation system can center the UAS or keep it at the offset of the current source. If the intensity of the magnetic field increases, the same analysis can be performed. The navigation can be activated until the measured magnetic field is within the appropriate range, such as the UAS in the flight path.
UAS는 또한 코스 교정을 결정하기 위해 하나 이상의 DNV 센서로부터의 벡터 측정치를 사용할 수 있다. DNV 센서의 판독 값은 감지된 자기장의 방향을 나타내는 벡터이다. UAS가 감지기 자기장의 크기가 감소함에 따라 UAS가 전력선의 위치를 알게되면 벡터는 UAS가 그 방향을 수정하기 위해 이동해야하는 방향의 표시를 제공할 수 있다. 예를 들어, 자기장의 세기는 이상적인 위치에서 임계 값만큼 감소될 수 있다. 이 자기장의 자기 벡터는 자기장의 세기를 높이기 위해 UAS가 수정해야하는 방향을 나타내는 데 사용할 수 있다. 다시 말해, 자기장은 장의 방향을 나타내며 UAS는이 방향을 사용하여 자기장의 세기를 증가시키는 데 필요한 정확한 방향을 결정할 수 있다. UAS의 비행 경로가 송전선 위로 되돌아 갈 수 있도록 보정할 수 있다.The UAS may also use vector measurements from one or more DNV sensors to determine course calibration. The reading of the DNV sensor is a vector representing the direction of the sensed magnetic field. As the UAS learns the position of the power line as the size of the detector magnetic field decreases, the vector can provide an indication of the direction the UAS should move to correct that direction. For example, the intensity of the magnetic field can be reduced by a threshold value at an ideal position. The magnetic vector of this magnetic field can be used to indicate the direction that the UAS should modify to increase the strength of the magnetic field. In other words, the magnetic field represents the direction of the field, and the UAS can use this direction to determine the exact direction needed to increase the strength of the magnetic field. You can calibrate the UAS's flight path so that it can go back over the transmission line.
단일 차량에 다수의 센서를 사용함으로써 필요한 기동 량을 감소시키거나 함께 기동을 제거할 수 있다. 항해 시스템은 여러 센서 각각에서 측정된 자기장을 사용하여 UAS가 왼쪽, 오른쪽, 위 또는 아래로 이동하여 경로를 수정해야하는지 확인할 수 있다. 예를 들어, 두 DNV 센서가 더 강한 자기장을 읽는 경우, 항해 시스템은 UAS가 고도를 높이도록 지시할 수 있다. 다른 예로서, 좌측 센서가 예상보다 강하지 만 우측 센서가 예상보다 약한 경우, 항해 시스템은 UAS를 좌측으로 이동할 수 있다.By using multiple sensors in a single vehicle, the required amount of maneuver can be reduced or the maneuver can be eliminated. The navigation system can use the measured magnetic field at each of the various sensors to determine if the UAS should be moved left, right, up or down to modify the path. For example, if two DNV sensors read a stronger magnetic field, the navigation system could direct the UAS to raise the altitude. As another example, if the left sensor is stronger than expected but the right sensor is weaker than expected, the navigation system can move the UAS to the left.
하나 이상의 센서로부터의 현재 판독뿐만 아니라, 판독의 최근 이력이 UAS 코스를 수정하는 방법을 식별하기 위해 항해 시스템에 의해 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 오른쪽 센서의 세기가 약간 증가한 다음 감소하면 왼쪽 센서가 감소한 반면, 항해 시스템은 UAS가 비행 경로의 왼쪽으로 멀리 이동하여 UAS 위치를 그에 따라 수정할 수 있을 것으로 판단할 수 있다.In addition to the current reading from one or more sensors, a recent history of reading may also be used by the navigation system to identify how to modify the UAS course. For example, if the intensity of the right sensor is slightly increased then decreasing, the left sensor will decrease, while the navigation system will be able to move the UAS farther to the left of the flight path and modify the UAS position accordingly.
또한, 도 46은 본 기술의 몇몇 구현에 따른 예시적인 UAS 항해 시스템(4600)의 고레벨 블록도를 도시한다. 몇몇 구현에서, 본 기술의 UAS 항해 시스템은 다수의 DNV 센서(4602a, 4602b, 4602c), 항해 데이터베이스(4604), 및 UAS 위치 및 방향을 제어하는 피드백 루프를 포함한다. 다른 구현에서, 차량은 차량을 항해하는데 사용되는 항해 컨트롤을 포함할 수 있다. 예를 들어, 항해 컨트롤은 차량의 방향, 고도, 속도 등을 변경할 수 있다. DNV 자기 센서(4602a-4602c)는 자기장에 대한 높은 감도, 낮은 C-SWAP 및 빠른 안정 시간을 갖습니다. DNV 자기장 측정은 UAS가 특성 자기장을 통해 전력선과 정렬되고 전력선 경로를 따라 신속하게 이동하도록 한다. 그러나, 도시된 구성 요소 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 구성 요소를 포함할 수 있다. 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 구성 요소, 상이한 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 제공될 수 있다.46 also shows a high-level block diagram of an exemplary
또한, 도 47은 전력선 인프라 구조의 예를 도시한다. 도 47에 도시된 바와 같은, 광범위한 전력선 인프라가 도시들, 중대한 전력 시스템 요소들, 가정 및 기업체들을 연결한다. 인프라에는 오버 헤드 및 매립된 배전선, 송전선로, 철도 선로 및 제 3 레일 전력선 및 수중 케이블이 포함될 수 있다. 각 요소에는 고유한 전자기 및 공간 서명이 있다. 전기장과는 달리, 자기 서명은 인공 구조 및 전기 차폐에 의해 최소한으로 영향을 받는다는 것을 이해할 수 있다. 인프라의 특정 요소는 명확한 자기 및 공간 서명을 가지며 불연속성, 케이블 처짐, 전력 소비 및 기타 요소가 탐색을 위해 활용될 수 있는 자기 서명의 변형을 생성함을 이해한다.Figure 47 also shows an example of a power line infrastructure. As shown in Figure 47, a wide powerline infrastructure connects cities, critical power system components, homes and businesses. Infrastructure may include overhead and buried power lines, transmission lines, railway lines and third rail power lines and underwater cables. Each element has its own electromagnetic and spatial signature. It is understood that, unlike the electric field, the self signature is minimally affected by the artificial structure and electrical shielding. It is understood that certain elements of the infrastructure have distinct magnetic and spatial signatures, and discontinuities, cable deflections, power consumption and other factors produce variations of the self signature that can be exploited for exploration.
도 48a 및 도 48b는 오버 헤드 전력선 및 지하 전력 케이블에 대한 자기장 분포의 예를 도시한다. 지상 및 매설 전원 케이블은 모두 자기장을 방출하며 전기장과 달리 쉽게 차단되거나 차폐되지 않는다. 자연 지구 및 다른 사람이 만든 자기장 소스는 절대 위치의 거친 값을 제공할 수 있다. 그러나 여기에 설명된 민감한 자기 센서는 상당한 거리에서 전력선과 같은 강력한 인공 자석 소스를 찾을 수 있다. UAS가 움직이면서 측정은 자기 소스(점 소스, 라인 소스 등)의 공간 구조를 나타내기 위해 사용되어 전력선을 그와 같이 식별할 수 있다. 또한, 일단 UAS가 검출되면 자력을 통해 전력선으로 유도할 수 있다. 전력선의 위치가 결정되면 구조가 결정되고 전력선 경로가 따라 가고 그 특성이 절대 위치를 결정하기 위해 자기 방식점과 비교된다. 고정 전원 라인은 극 및 타워의 위치 및 상대 위치가 알려지므로 정밀한 위치 기준을 제공할 수 있다. 소형 온보드 데이터베이스는 웨이포인트에 대한 기준 서명 및 위치 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 도시된 구성 요소 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 구성 요소를 포함할 수 있다. 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 구성 요소, 상이한 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 제공될 수 있다.48A and 48B show examples of magnetic field distributions for overhead power lines and underground power cables. Ground and underground power cables all emit magnetic fields and are not easily blocked or shielded, unlike electric fields. Natural earth and other magnetic field sources can provide a coarse value of absolute position. However, the sensitive magnetic sensors described here can find powerful artificial magnet sources such as power lines at considerable distances. As the UAS moves, the measurements can be used to indicate the spatial structure of the magnetic source (point source, line source, etc.) so that the power line can be identified as such. Also, once the UAS is detected, it can be guided to the power line through the magnetic force. Once the position of the power line is determined, the structure is determined and the power line path follows and the characteristic is compared with the magnetic way point to determine the absolute position. The fixed power line can provide a precise location reference since the pole and tower positions and relative positions are known. A small onboard database can provide reference signature and location data for waypoints. However, not all illustrated components may be required, and one or more implementations may include additional components not shown in the figures. Variations of the arrangement and type of components can be made, and additional components, different components or fewer components can be provided.
또한, 도 49는 중심선으로부터의 거리의 함수로서 전력선의 자기장 세기의 예를 도시하며, 심지어 저 전류 분배선이 10km를 초과하는 거리까지 검출될 수 있음을 나타낸다. 여기서 DNV 센서는 0.01μT 감도(1e-10T)를 제공하며 모델링 결과는 수십 km 이상에서 고전류 송전선(예 : 1000A - 4000A)을 감지할 수 있음을 나타낸다. 이러한 강한 자기 소스는 UAS가 아래에 설명된 바와 같이 국부 화된 상대 자기장 세기 및 전력선 구성의 특징적인 패턴을 사용하여 스스로 정렬할 수 있는 전력선에 자신을 안내할 수 있게 한다.Figure 49 also shows an example of the magnetic field strength of the power line as a function of the distance from the center line and even shows that the low current line wiring can be detected up to a distance exceeding 10 km. Here, the DNV sensor provides 0.01 μT sensitivity (1e-10T) and the modeling results indicate that it can detect high current transmission lines (eg, 1000A - 4000A) at over a dozen kilometers. This strong magnetic source allows the UAS to guide itself to a power line that can be aligned by itself using the localized relative magnetic field strength and the characteristic pattern of the power line configuration as described below.
또한, 도 50은 DNV 센서(5004, 5006)가 구비된 UAS(5002)의 예를 도시한다. 도 51은 전력선에 근접 할 때 DNV 센서에 의해 감지된 측정된 차분 자기장의 플롯이다. 단일 DNV 센서만으로 전력선 감지를 수행할 수 있지만 여러 와이어 센서를 사용하여 복잡한 와이어 구성을 위한 정밀 정렬을 수행할 수 있다. 예를 들어, 차동 신호는 전계 세기의 주간 및 계절 변동의 영향을 제거할 수 있다. 그러나, 도시된 구성 요소 모두가 요구될 수 있는 것은 아니며, 하나 이상의 구현은 도면에 도시되지 않은 부가 구성 요소를 포함할 수 있다. 구성 요소의 배열 및 유형의 변형이 이루어질 수 있으며, 추가 구성 요소, 상이한 구성 요소 또는 더 적은 구성 요소가 제공될 수 있다.50 shows an example of the
다양한 다른 구현에서, 차량은 또한 송전선, 전력선 및 전력 유틸리티 장비를 검사하는데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량에는 하나 이상의 자기 센서, 자기 웨이포인트 데이터베이스 및 UAS 비행 제어에 대한 인터페이스가 포함될 수 있다. 본 기술은 자기장 측정을 위해 DNV 자기 센서의 자기장에 대해 높은 감도를 활용할 수 있다. DNV 자기 센서는 또한 저렴한 비용, 공간, 무게 및 전력(C-SWAP)이 가능하며 빠른 정착 시간의 이점을 제공한다. DNV 자기장 측정은 UAS가 전력선과 정렬되고 전력선 경로를 따라 신속하게 이동하고 열악한 가시 조건 및/또는 GPS 거부 환경에서 탐색할 수 있게 한다. DNV 기반의 자기 센서는 기존의 자기 센서보다 약 100배 작으며 EMDEX LLC Snap 휴대용 자기장 측정기와 비슷한 감도를 가진 센서보다 약 10 만배 빠른 반응 시간을 갖는다.In various other implementations, vehicles may also be used to inspect transmission lines, power lines, and power utility equipment. For example, the vehicle may include one or more magnetic sensors, a magnetic waypoint database, and an interface to UAS flight control. The technology can take advantage of the high sensitivity to the magnetic field of the DNV magnetic sensor for magnetic field measurements. DNV magnetic sensors also offer low cost, space, weight and power (C-SWAP) and provide fast settling time benefits. DNV magnetic field measurements allow the UAS to align with power lines and quickly move along the powerline path and navigate in harsh visibility and / or GPS rejection environments. The DNV-based magnetic sensor is about 100 times smaller than the conventional magnetic sensor and has a reaction time about 100,000 times faster than the sensor with the sensitivity similar to that of the EMDEX LLC Snap portable magnetic field measuring device.
DNV 센서의 빠른 안정화 시간 및 낮은 C-SWAP은 낮은 C-SWAP UAS 시스템으로부터의 상세한 전력선 특성의 신속한 측정을 가능하게 한다. 하나 이상의 구현에서 전력선은 장거리에서 일상적으로 소형 무인 공중 차량(UAV)을 통해 효율적으로 측량될 수 있으며, 이는 자동화된 현장 이상 식별을 통해 새로운 문제 및 이슈를 식별할 수 있다. 다른 실시예에서, 육상 차량 또는 잠수정은 전력선을 검사하는데 사용될 수 있다. 인력 검사원은 초기 검사를 수행 할 필요가 없습니다. 대상 기술의 검사는 정량적이며 따라서 원격 비디오 해법이 될 수 있으므로 인간의 해석에 종속되지 않습니다.The fast stabilization time and low C-SWAP of the DNV sensor enable rapid measurement of detailed power line characteristics from low C-SWAP UAS systems. In one or more implementations, power lines can be routinely metered over long distances through small unmanned aerial vehicles (UAVs), which can identify new problems and issues through automated field anomaly identification. In another embodiment, land vehicles or submersibles can be used to inspect power lines. The personnel inspector does not need to perform an initial inspection. The inspection of the target technology is quantitative and thus can be a remote video solution and is not dependent on human interpretation.
또한, 도 52는 몇몇 구현에 따른 정상 전력 라인(5204) 및 비정상 전력 라인(5202)에 대한 측정된 자기장 분포의 예를 도시한다. 정상적인 전력 라인에 대한 측정된 자기장 분포의 피크 값은 중심선(예를 들어, d = 0) 근처에 있다. 본 기술의 검사 방법은 단일 및 다중 와이어 전송 시스템에 사용할 수 있는 고속 이상 매핑 기술이다. 본 솔루션은 기존 소프트웨어 모델링 도구를 활용하여 검사 데이터를 분석할 수 있다. 하나 이상의 구현에서, 정상적인 전력선 세트의 데이터는(예를 들어, 변칙 또는 결함을 갖는) 다른 전력선의 검사로부터 생성된 데이터에 대한 비교 기준으로서 사용될 수 있다. 와이어 및 지지 구조물에 대한 손상은 공칭 자기장 특성을 변경하고 정상적인 전력선 세트의 공칭 자기장 특성과 비교하여 감지된다. 자기장 측정은 건물, 나무 등과 같은 다른 구조물에 의해 최소한으로 영향을 받는 것으로 이해된다. 따라서, 측정된 자기장은 전력선의 정상 세트 및 측정된 자기장의 크기로부터의 데이터와 비교될 수 있고, 미리 결정된 임계치와 상이하다면, 이상이 존재 함을 나타낼 수 있다. 또한, 차이 데이터 간의 벡터 판독 값을 비교하여 예외의 존재를 결정하는 데 사용할 수 있다.Figure 52 also shows an example of a measured magnetic field distribution for
도 165a 및 도 165b는 예시적인 실시예에 따른 송전선에서의 변형을 검출하기 위한 시스템의 블록도이다. 예시적인 시스템(100)은 송전선(16505) 및 자력계(16530)를 포함한다. 자력계는 차량 내에 포함될 수 있다.165A and 165B are block diagrams of a system for detecting deformation in a transmission line according to an exemplary embodiment. The
전류는 16520으로 표시된 화살표에 의해 표시된 바와 같이 송전선(16505)을 통해 흐른다. 도 165a 및 도 165b는 송전선(16505)을 통해 흐르는 전류의 방향을 도시한다. 전류(16520)가 송전선(16505)을 통과함에 따라, 자기장이 생성된다(16525). 자력계(16530)는 송전선로(16505)의 길이를 따라 통과될 수 있다. 도 165a 및 165b는 자력선(16530)의 상대 경로를 나타내는 송전선로(16505)의 길이에 평행한 화살표를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 적당한 경로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 송전선로(16505)가 만곡된 몇몇 실시예에서, 자력계(16530)는 송전선로(16505)의 곡률을 따라갈 수 있다. 또한, 자력계(16530)는 송전선로(16505)로부터 일정한 거리를 유지할 필요가 없다.The current flows through the
자력계(16530)는 송전선로(16505)의 길이를 따라 자기장의 크기 및/또는 방향을 측정할 수 있다. 예를 들어, 자력계(16530)는 길이를 따라 다수의 샘플 포인트에서 자기장의 크기 및 방향을 측정한다. 샘플 포인트에서 송전선(16505)과 동일한 방향으로 송전선(16505)의 송전선(16505)에 연결된다. 예를 들어, 자력계(16530)는 송전선(16505) 위에 있는 동안 송전선(16505)의 길이를 따라 통과할 수 있다.The magnetometer 16530 can measure the magnitude and / or direction of the magnetic field along the length of the
임의의 적절한 자력계가 자력계(16530)로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자력계는 NV 중심을 갖는 하나 이상의 다이아몬드를 사용한다. 자력계(16530)는 기형에 의해 야기된 송전선(16505) 주위의 자기장의 변화를 검출하는데 적합한 감도를 가질 수 있다. 부분 예에서, 비교적 둔감 한 자력계(16530)가 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 송전선(16505)을 둘러싸는 자기장은 상대적으로 강해야 한다. 예를 들어, 자력계(16530)는 약 10-9 테슬라(1 나노 테슬라)의 감도를 가질 수 있다. 송전선로는 큰 전류를 전달할 수 있으므로 먼거리에서 송전선로에서 발생하는 자기장을 감지할 수 있다. 예를 들어, 고전류 송전선의 경우, 자력계(16530)는 전송 원으로부터 10 킬로미터 떨어져있을 수 있다. 자력계(16530)는 임의의 적합한 측정 속도를 가질 수 있다. 예를 들어, 자력계(16530)는 1 초당 10,000 번 공간의 특정 지점에서 자기장의 크기 및/또는 방향을 측정할 수 있다. 다른 예에서, 자력계(16530)는 초당 5 만회의 측정을 취할 수 있다. DNV 센서의 동작에 대한 더 자세한 설명은 본 출원과 동일한 날에 출원된 "자기장의 과민성 검출 장치 및 방법"이라는 제목의 미국 특허 출원 번호 __ / ___, ___에 기재되어 있으며, 참조로 통합된다.Any suitable magnetometer can be used as the magnetometer 16530. In some embodiments, the magnetometer uses one or more diamonds having an NV center. Magnetometer 16530 may have sensitivity to detect a change in magnetic field around
자력계(16530)가 자기장의 방향을 측정하는 몇몇 실시예에서, 송전선(16505)에 대한 자력계(16530)의 방향은 송전선(16505)의 길이를 따라 유지될 수 있다. 자력계(16530)가 길이 전송 선로(16505)의 자기장의 방향을 모니터링함으로써, 자기장의 방향이 모니터링될 수 있다. 자기장의 방향이 변경되거나 기대 값과 다른 경우, 송전선(16505)에서 변형이 존재함이 결정될 수 있다.In some embodiments in which the magnetometer 16530 measures the direction of the magnetic field, the direction of the magnetometer 16530 relative to the
몇몇 실시예에서, 자력계(16530)는 송전선(16505) 주위의 자기장이 송전선(16505)의 길이를 따라 균일하더라도, 자기장의 방향이 송전송(16505) 주위의 다른 지점에서 다르기 때문에 송전선(16505)의 동일한 배향에서 유지될 수 있다. 예를 들어,도 165a의 자기장 방향(16525)을 참조하면, 송전선(16505) 위의 자기장의 방향은 송전선(16505)의 오른쪽을 가리키고 있다(예를 들어, 플레밍의 "오른손 법칙"에 따라). 자력계를 갖춘 차량은 자력계의 송전선(16505)에 대한 상대적인 위치를 알 것입니다. 예를 들어, 공중 차량은 그 상대 위치가 송전선(16505)보다 높거나 그 송전선으로부터 갈라진 알려진 거리임을 알고 있을 것이지만, 지상 기반의 차량은 자신의 상대적 위치가 송전선(16505) 아래이거나 그 송전선으로부터 갈라진 알려진 길이라는 알 것입니다. 송전선(16505)에 대한 자력계의 상대적인 위치에 기초하여, 방향 자기 벡터는 송전선(16505)의 결함을 나타내기 위해 모니터링될 수 있다.In some embodiments, the magnetometer 16530 may be used to determine the magnitude of the magnetic field of the
자력계(16530)가 자기장의 방향이 아닌 자기장의 크기를 측정하는 몇몇 실시예에서 자력계(16530)는 송전선(16505)의 길이를 따라 송전선(16505) 주위의 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있고, 자력계(16530)는 송전선(16505)의 길이를 따라 동일한 방향으로 유지되지 않을 수 있다. 그러한 실시예에서, 자력계(16530)는 송전선(16505)의 길이를 따라 송전선(16505)으로부터 동일한 거리에 유지될 수 있다(공기와 같은 동일한 물질이 송전선(16505)의 길이를 따라 자력계(16530)와 송전선(16505) 사이에 있다고 가정한다).In some embodiments, where the magnetometer 16530 measures the magnitude of the magnetic field, rather than the direction of the magnetic field, the magnetometer 16530 may be located at any appropriate location around the
도 165a는 송전선(16505)이 변형을 포함하지 않는 시스템을 도시한다. 도 165b는 송전선(16505)이 결함(16535)을 포함하는 것을 도시한다. 결함(16535)은 송전선의 균열, 송전선의 손상, 송전선의 열화된 부분 등일 수 있다. 결함(16535)은 무결함 송전선을 통한 전류 흐름에 영향을 미치는 송전선의 상태이다. 도 165b에 도시된 바와 같이, 전류(16520)의 일부는 반사된 전류(16540)에 의해 도시된 바와 같이 결함(16535)으로부터 다시 반사된다. 도 10b에서와 같이, 자기장 방향(16525)은 전류(16520)에 대응한다. 반사된 전류 자기장 방향(16545)은 반사된 전류(16540)에 상응한다. 전류(16520)는 반사된 전류(16540)로부터 반대 방향으로 이동하기 때문에 자기장 방향(16525)은 반사된 전류 자기장 방향(16545)과 반대이다. 따라서, 송전선에서 측정된 자기장은 전류(16520)와 반사된 전류(16540) 둘 모두에 기초할 것이다. 이 자기장은 자기장(16525)과 크기가 다르고 아마 방향도 다를 것이다. 자기장(16525 및 16545) 간의 차이는 계산되어 결함(16535)의 존재를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 예들에서, 자력계(16530)가 결함(16535)에 더 가깝게 이동함에 따라, 자기장이 감소한다. 몇몇 실시예들에서, 측정된 자기장이 임계 값 이하일 때 결함(16535)이 존재함이 결정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 임계 값은 ± 5 %, ± 10 %, ± 15 %, ± 50 % 또는 기대 값의 임의의 다른 적절한 부분과 같은 기대 값의 퍼센트일 수 있다. 다른 실시예에서, 임의의 적절한 임계 값이 사용될 수 있다.165A shows a system in which the
결함(16535)이 송전선(16505)의 부분들 사이에서 전도성을 파괴하는 완전 브레이크 인 몇몇 실시예에서, 전류(16520)의 크기는 반사된 전류(16540)와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다. 따라서, 결합된 자기 송전선(16505) 주위의 "0" 자기장은 0 또는 실질적으로 0일 것이다. 즉, 전류(16520)에 의해 생성된 자기장은 반사 전류(16540)에 의해 생성된 동일하지만 반대의 자기장에 의해 상쇄된다. 이러한 실시예에서, 결함(16535)은 자력계(16530)를 사용하여 실질적으로 0인 측정된 자기장을 0이 아닌 예상된 자기장과 비교함으로써 검출할 수 있다.In some embodiments where the
결함(16535)으로 인해 전류(16520)의 일부가 결함(16535)을 통과하거나 그 주위를 지나갈 수 있는 몇몇 실시예에서, 반사된 전류(16540)의 크기는 전류(16520)의 크기보다 작다. 따라서, 반사된 전류(16540)에 의해 생성된 자기장의 크기는 전류(16520)에 의해 생성된 자기장의 크기보다 작다. 전류(16520)와 반사된 전류(16540)의 크기는 같지 않을 수 있지만, 전류 자기장 방향(16525) 및 반사된 전류 자기장 방향(16545)은 여전히 반대이다. 따라서, 순 자기장은 전류 자기장 방향(16525)의 자기장일 것이다. 순 자기장의 크기는 반사된 전류(16540)에 의해 생성된 자기장의 크기에 기초하여 감소된 전류(16520)에 의해 생성된 자기장의 크기이다. 전술한 바와 같이, 자력계(16530)에 의해 측정된 자기장은 임계치와 비교될 수 있다. 결함(16535)의 정도, 크기, 및/또는 형상에 따라, 자력계(16530)에 의해 감지된 순 자기장은 임계값보다 작거나 작지 않을 수 있다(또는 클 수 있다). 따라서 임계 값을 조정하여 시스템의 감도를 조정할 수 있다. 즉, 기대치로부터 편차있는 임계값이 더 커질수록, 송전선(16505)의 변형이 감지된 자기장의 크기가 임계 값 이상이어야 하는 것이 더 커진다. 따라서, 임계 값이 기대치, 더 미세한, 더 작은, 덜 엄격한 것에 더 가까울수록, 변형이 시스템(100)에 의해 검출된다.The magnitude of the reflected current 16540 is less than the magnitude of the current 16520 in some embodiments where a portion of the current 16520 may pass through or around the
전술한 바와 같이, 송전선(16505) 주위의 자기장의 방향이 송전선(16505)의 변형을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 도 166는 예시적인 실시예에 따른 변형부(16635)를 갖는 전송 선로를 통해 전류 경로를 도시한다. 도 166은 단지 예시적이고 설명적인 것을 의미하며, 시스템의 기능에 관하여 제한하려는 것은 아니다.As described above, the direction of the magnetic field around the
상술한 바와 같이, 전류는 송전선(16605)을 통과할 수 있다. 전류 경로(16620)는 전류의 방향을 도시한다. 도 166에 도시된 바와 같이, 송전선( 16605)은 변형부(16635)를 포함한다. 변형부(16635)는 균열, 함몰, 불순물 등과 같은 임의의 적합한 변형일 수 있다. 송전선(16605)을 통과하는 전류는 변형부(16635)를 포함하지 않는 부분에서 송전선(16605) 주위에서 균일하게 확산한다. 몇몇 경우에서, 전류는 송전선(16605)의 중심보다 송전선(16605)의 표면에 중심을 더 많이 둘 수 있다.As described above, the current can pass through the
몇몇 실시예에서, 변형부(16635)는 전류의 흐름을 허용하지 않거나 또는 저항하지 않는 송전선(16605)의 일부가다. 따라서, 전송 선로(16605)를 통과하는 전류는 변형부(16635) 주위로 흐른다. 도 165a에 도시된 바와 같이, 전류 자기장 방향(16525)은 전류(16520)의 방향에 수직이다. 따라서, 도 165a에서와 같이, 라인(16505)은 변형을 포함하지 않으며, 송전선(16505) 주위의 자기장의 방향은 모두 송전선(16505)의 길이를 따라 송전선(16505)의 길이에 수직이다.In some embodiments,
도 166에 도시된 바와 같이, 송전선(16605)이 전류가 흐르는 변형부(16635)를 포함하는 경우, 전류 경로(16620)로 나타낸 바와 같이, 전류의 방향이 변한다. 따라서, 송전선(16605) 변형부(16635) 주위를 흐르는 전류는 송전선(16605)의 길이와 평행하지 않다. 따라서, 곡선 형 전류 경로(16620)에 대응하는 전류 경로에 의해 생성된 자기장은 송전선(16605)의 길이에 수직이 아니다. 자력계(16530)와 같은 자력계가 송전선(16605)의 길이를 따라 통과함에 따라, 송전선(16605) 주위의 자기장의 방향 변화는 변형부(16635)가 존재함을 나타낼 수 있다. 자력계(16530)가 변형부(16635)에 접근함에 따라, 송전선(16605) 주위의 자기장의 방향은 송전선(16605)의 길이에 수직인 것으로부터 변화한다. 자력계(16530)가 변형부(16635)를 따라 지나감에 따라, 자기장의 방향의 변화는 증가한 다음 자력계(16530)가 변형부(16635)로부터 멀리 이동함에 따라 감소한다. 자기장의 방향의 변화는 변형부(16635)의 위치를 나타낼 수 있다. 몇몇 예에서, 송전선(16605)은 자력선(16630)의 부분을 반사하는 변형을 가질 수 있다. 도 165b에 도시된 바와 같이, 송전선(16605)은 전류의 부분을 반사하고, 도 166에 도시된 바와 같이, 전류의 흐름을 편향시키는 변형을 가질 수 있다.166, when the
변형부(16635)의 크기, 형태, 유형 등은 변형부(16635)를 둘러싸는 자기장의 공간 방향을 결정한다. 몇몇 실시예에서, 변형부(16635) 주위의 자기장의 다수 샘플을 취하여, 자기장의 지도를 만들어 낼 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샘플들 각각은 자기장의 크기 및 방향을 포함한다. 변형부(16635)를 둘러싸는 자기장의 공간 형상에 기초하여, 변형부(16635)의 크기, 형태, 유형 등과 같은 변형부(16635)의 하나 이상의 특성이 결정될 수 있다. 예를 들어, 자기장을 이용하여 변형부(16635)가 덴트(dent), 균열, 송전선의 불순물 등인지 여부를 결정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 변형부(16635)를 둘러싼 자기장의 맵은 알려진 기형. 예시적인 실시예에서, 변형부(16635)는 데이터베이스로부터 가장 유사한 매칭 변형과 유사하거나 동일하다고 결정될 수 있다. 다른 실시예에서, 변형부(16635)는 임계 스코어를 넘는 유사성 스코어를 갖는 데이터베이스의 변형과 유사하거나 동일하다고 결정될 수 있다. 유사성 스코어는 측정된 자기장과 데이터베이스의 하나 이상의 공지된 자기장 사이의 유사성을 측정하는 임의의 적합한 스코어일 수 있다.The size, shape, type, etc. of the
다양한 구현에서, 하나 또는 자기력 계를 포함하는 차량은 검사되고있는 전력선을 통해 내비게이션할 수 있다. 예를 들어, 차량은 n 개의 알려진 위치, 예를 들어 시작 위치로 항해할 수 있고, 감지된 자기 벡터에 기초하여 전력선의 존재를 식별할 수 있다. 그 다음, 차량은 전력선의 유형을 결정할 수 있고, 또한 전력선의 유형이 검사 될 유형인지를 결정할 수 있다. 차량은 위와 같이 전력선을 통해 자율적 또는 반자동 적으로 항해하면서 동시에 전력선을 검사할 수 있다.In various implementations, a vehicle that includes one or a magnetometer can navigate through the powerline being inspected. For example, the vehicle may navigate to n known locations, e.g., a starting location, and may identify the presence of a power line based on the sensed magnetic vector. The vehicle can then determine the type of power line and can also determine if the type of power line is the type to be checked. The vehicle can be inspected autonomously or semiautomatically through the power line as above while simultaneously inspecting the power line.
다양한 구현에서, 차량은 자신의 항해 경로에 있는 객체를 피할 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 지상 차량은 사람이나 물체 주위를 기동해야할 수도 있고 비행 차량이 건물이나 동력선 장비를 피할 필요가 있을 수도 있다. 이러한 구현에서, 차량은 피할 수 있는 장애물을 찾아내는 데 사용되는 센서가 있는 장비가 될 수 있다. 카메라 시스템, 초점 배열, 레이더, 음향 센서 등과 같은 시스템을 사용하여 차량 경로의 장애물을 식별할 수 있다. 항해 시스템은 식별된 장애물을 피하기 위해 경로 보정을 식별할 수 있다.In various implementations, the vehicle may need to avoid objects in its navigation path. For example, a ground vehicle may need to maneuver around a person or object, or a flight vehicle may need to avoid building or power line equipment. In such an implementation, the vehicle can be a device with sensors used to find avoidable obstacles. Systems such as camera systems, focus arrays, radar, acoustic sensors, etc. can be used to identify obstacles in the vehicle path. The navigation system can identify path corrections to avoid identified obstacles.
전력 송전선은 2 개의 전송 타워 사이에서 연장될 수 있다. 이러한 경우, 동력 전달 라인은 2 개의 변속기 타워 사이에서 처짐을 일으킬 수 있다. 동력 전달 라인의 처짐은 주위 온도 및 전기 부하에 따라 달라지는 와이어의 무게, 타워 간격 및 와이어 장력에 따라 달라집니다. 과도한 처짐은 송전선이 브러시 또는 다른 표면 구조와 접촉 할 때 단락을 일으킬 수 있다. 이로 인해 송전선로가 고장날 수 있다.The power transmission line may extend between two transmission towers. In this case, the power transmission line may cause deflection between the two transmission towers. The deflection of the power transmission line depends on the weight of the wire, the tower spacing, and the wire tension, depending on the ambient temperature and the electrical load. Excessive deflection can cause a short circuit when the transmission line contacts a brush or other surface structure. This can cause the transmission line to fail.
도 167은 예시적인 실시예에 따른 전송 타워들 사이의 전력 송전선 새그를 도시한다. 송전선(16710)은 "정상적인" 새그(16722)로 도시되어있다. 여기서, 새그는 송전선이 타워 높이로부터 얼마나 아래에 있는지에 기초하여 결정된다. 송전선(16710)은 제 1 타워(16702)와 제 2 타워(16704) 사이에서 신장된다. 제 2 송전선(16720)은 과도한 처짐으로 도시되어있다. 이것이 발생할 때, 송전선(16720)은 식생(16730) 또는 선상에서 또는 선상에서 발생할 수 있는 다른 표면 구조와 접촉할 수 있다.Figure 167 shows a power transmission line loop between transmission towers in accordance with an exemplary embodiment.
UAV 상에 장착된 자력계로 이루어진 벡터 측정은 UAV가 전력선을 따라 비행함에 따라 와이어 처짐을 측정할 수 있다. 도 168은 UAV가 타워 위의 고정 높이에서 날아드는 지점 X '에서 자기장의 순간 측정을 나타낸다. 자기장의 수평 성분(x)이 클수록 처짐이 커짐을 나타낸다. 도 169는 UAV가 타워 1과 2 사이에서 이동함에 따라 명목상 처짐이 있는 와이어와 슬 적색가 과도한 와이어에 대한 자기장 성분의 변화를 보여준다. 보통 / 공칭 처짐하에 있는 송전선의 X 및 Z 성분이 표시된다(16908 및 16902). 또한, 과도한 처짐을 경험하는 라인의 X 성분(16906) 및 Z 성분(16904)도 도시되어 있다.A vector measurement made of a magnetometer mounted on a UAV can measure the wire deflection as the UAV flies along the power line. 168 shows an instantaneous measurement of the magnetic field at point X 'at which the UAV is flying at a fixed height above the tower. The larger the horizontal component (x) of the magnetic field, the greater the deflection. Figure 169 shows the change in magnetic field components for a nominally deflected wire and a dull red excess wire as the UAV moves between
케이블 처짐은 타워를 따라 UAV를 케이블을 따라 비행시킴으로써 측정될 수 있다. 도 169는 다양한 처짐 값에 대한 자기장의 벡터 구성 요소에서의 변조를 보여준다. 룩업 테이블은 UAV 비행 경로를 따라 각 타워 쌍 사이의 와이어에 대해 이러한 측정 값에서 처짐을 검색하도록 구성될 수 있다. 또는 사전 벡터 측정의 데이터베이스를 측정과 비교할 수 있다. 일반적으로 커브가 평평할수록 처짐은 줄어든다. 새그의 정확한 값은 UAV에 의해 측정된 탑 사이의 거리와 탑에서의 벡터의 각도에 따라 다르다. 기상 정보 및 잠재적으로 과거의 데이터 또는 송전선 처짐 모델과 결합된 벡터 측정을 사용하여 전력선의 예상되는 처짐이 더 크거나 작아지는지를 판단할 수 있다. 이것이 발생하면 전력선에 처짐이 발생했다는 표시가 표시되거나 보고될 수 있다.Cable sagging can be measured by flying a UAV along a cable along a cable. Figure 169 shows the modulation in the vector component of the magnetic field for various deflection values. The lookup table can be configured to search for deflection at these measurements for the wires between each tower pair along the UAV flight path. Or a database of dictionary vector measurements can be compared to measurements. Generally, the more flat the curve is, the less deflections will occur. The exact value of the bird's exact value depends on the distance between the tows measured by the UAV and the angle of the vector at the tower. You can use vector measurements combined with weather information and potentially past data or transmission line deflection models to determine if the expected deflection of the power line is larger or smaller. If this occurs, an indication may be displayed or reported that the power line has been deflected.
여기에 기술된 주제는 때로는 상이한 다른 구성 요소 내에 포함되거나 접속된 상이한 구성 요소를 설명한다. 그러한 도시된 아키텍처는 단지 예시적인 것이며 실제로 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 개념적 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 구성 요소의 임의의 배열은 효과적으로 "관련"되어 원하는 기능이 달성된다. 따라서, 특정한 기능성을 달성하기 위해 결합된 임의의 2 개의 구성 요소는 아키텍처 또는 중개 구성 요소와 관계없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "관련된다"고 볼 수 있다. 유사하게, 이와 같이 결합된 임의의 2 개의 구성 요소는 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "동작 가능하게 접속된"또는 "작동 가능하게 결합된"것으로 간주될 수 있고, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 2 개의 구성 요소는 또한 "작동 가능하게 결합 가능한(couplingable) "로 결합되어 원하는 기능성을 달성할 수 있다. 작동 가능하게 결합 가능한 특정 실시예는 물리적으로 결합 가능한 및/또는 물리적으로 상호 작용하는 구성 요소 및/또는 무선으로 상호 작용 가능한 및/또는 무선으로 상호 작용하는 구성 요소 및/또는 논리적으로 상호 작용하는 및/또는 논리적으로 상호 작용 가능한 구성 요소를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.The subject matter described herein sometimes describes different components included or connected to different different components. It is to be understood that such an illustrated architecture is merely exemplary and that many different architectures can be implemented that actually achieve the same functionality. In a conceptual sense, any arrangement of components to achieve the same function is effectively "related" to achieve the desired functionality. Thus, any two components combined to achieve a particular functionality may be considered to be "related" to one another so that the desired functionality is achieved regardless of the architecture or intermediary components. Similarly, any two components so combined may be considered "operably connected" or "operably coupled" to one another to achieve the desired functionality, and any two The two components may also be "coupled to" to achieve the desired functionality. Certain embodiments operably coupleable include physically and / or physically interacting components and / or components interacting wirelessly and / or interacting wirelessly and / or logically interacting and / / RTI > and / or logically interactable components. ≪ RTI ID = 0.0 >
본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수의 사용과 관련하여, 당업자는 복수에서 단수로, 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있으며, 이는 정황 및/또는 응용에 적절하다. 다양한 단수/복수 순열은 명료성을 위해 본 명세서에서 명백하게 설명될 수 있다.As used herein in connection with the use of substantially any plural and / or singular, one of ordinary skill in the art may translate from plurality to singular, and / or singular to plural, as appropriate for the context and / or application. The various singular / plural permutations may be explicitly described herein for clarity.
일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어, 및 특히 첨부된 청구 범위(예를 들어, 첨부된 청구항의 바디)는 일반적으로 "열린" 용어로 의도된다는 것을 당업자는 이해할 것이다(예를 들어, "포함하는"는 "포함한다 "로 해석되어야 하고, "갖는다"는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하고, "포함"은 "포함하지만 이에 제한되지 않는 "으로 해석되어야 하고, 나머지도 이와 같다). 특정 수의 도입된 청구항의 기재가 의도되는 경우, 그러한 의도는 청구항에서 명시 적으로 언급 될 것이며, 그러한 기재가 없는 경우 그러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 당 업계의 당업자에 의해 더욱 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 다음의 첨부된 청구 범위는 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 도입 어구를 사용하여 청구항 기재를 도입할 수 있다. 그러나, 그러한 어구의 사용은 부정확한 용어 "a" 또는 "an"에 의한 청구항 표시의 도입이 그런 도입된 청구항을 포함하는 특정 청구항을 그러한 표시 하나만을 포함하는 발명에 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 동일한 청구항은 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"라는 문구와 "a" 또는 "an"과 같은 불명확한 용어(예 : "a"및/또는 "an"은 일반적으로 "at"을 의미하는 것으로 해석되어야 함)를 포함한다. 청구항 기재 사항을 소개하는 데 사용된 명확한 조항의 사용에도 동일하게 적용된다. 또한, 특정 수의 도입된 청구 청구항의 기재가 명시적으로 언급되더라도, 당업자는 그러한 인용이 전형적으로 적어도 인용된 번호를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예를 들어, "2 개의 표기", 다른 수식어가 없는 경우, 통상, 적어도 2회의 표기 또는 2회 이상의 표기를 의미한다). 또한, "A, B, C 등 중 적어도 하나"와 유사한 협약이 일반적으로 그러한 구조는 당업자가 관례를 이해할 수 있는 의미로 의도된다(예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 이에 한정되지는 않지만 A는 혼자, B는 혼자, C는 혼자, A와 B는 함께, A와 C는 함께, B와 C는 함께, 및/또는 A, B와 C는 함께 등). "A, B, C 등 중 적어도 하나"와 유사한 협약이 일반적으로 이러한 구조는 당업자가 관례를 이해할 수 있는 의미로 의도된다(예를 들어, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 이에 한정되는 것은 아니지만, A는 혼자, B는 혼자, C는 혼자, A와 B는 함께, A와 C는 함께, B와 C는 함께, 및/또는 A, B와 C는 함께 있는 등). 설명, 청구 범위 또는 도면에 있든지 그 여부에 관계 없이, 두 개 이상의 대안적인 용어를 제시하는 사실상 임의의 이원적인 단어 및/또는 어구는 그 용어들 중 하나, 그 용어들 중 어느 하나, 또는 두 용어 모두를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것이 당업계의 사람들에 의해 또한 이해될 것이다. 두 가지 용어 중 하나 또는 두 가지 모두를 의미한다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 문구는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 달리 언급하지 않는 한, "대략", "약", "주위", "실질적으로"등의 사용은 - 10 %를 의미한다.In general, those skilled in the art will understand that the terms used herein, and particularly the appended claims (e.g., the bodies of the appended claims), are intended to be generally "open" Should be construed as including "," having "should be interpreted as having" at least ", and" including "should be interpreted as" including but not limited to "and the remainder as such). It will be further understood by those skilled in the art that the intent is intended to be expressly set forth in the claims, if a specified number of the recited claims is intended, and that such intent is not present without such recitation. For example, to facilitate understanding, the following appended claims may incorporate claim statements using "at least one" and "one or more" However, the use of such phrases is interpreted to mean that the introduction of a claim indication by the incorrect term "a" or "an" is intended to limit a particular claim, including such introduced claim, . The same claim is interpreted to mean the phrase "at least one" or "at least one" and ambiguous terms such as "a" or "an" (eg "a" and / or "an" ). The same applies to the use of the explicit provisions used to introduce the claims. Also, although the description of a specific number of the introduced claims is expressly referred to, those skilled in the art will recognize that such quotation is typically to be construed to mean at least a quoted number (e.g., "two notation" , And when there is no other modifier, usually means at least two notations or two or more notations). Also, an agreement similar to "at least one of A, B, C, etc." is generally intended to mean that a person skilled in the art can understand the conventions (e. G., A system having at least one of A, "A is alone, B is alone, C is alone, A and B are together, A and C are together, B and C are together, and / or A, B and C are together. An agreement similar to "at least one of A, B, C, etc." is generally intended to mean that a person skilled in the art can understand the convention (for example, "a system having at least one of A, B or C" A is alone, B is alone, C is alone, A and B are together, A and C are together, B and C are together, and / or A, B and C are together). Virtually any binary word and / or phrase that presents two or more alternative terms, whether in the description, the claim or the drawing, whether or not one of the terms, any one of the terms, or both It will also be understood by those of ordinary skill in the art that it is to be understood that the possibility of including both terms is included. It means one or both of the two terms. For example, the phrase "A or B" will be understood to include the possibility of "A" or "B" or "A and B". Also, unless otherwise stated, use of "about", "about", "about", "substantially", etc. means - 10%.
예시적인 실시예들의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태와 관련하여 포괄적인 또는 제한하려는 것은 아니며, 상기 교시에 비추어 변형 및 변형이 가능하거나, 개시된 실시예의 실행으로부터 획득될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.The foregoing description of exemplary embodiments has been presented for purposes of illustration and description. And is not intended to be exhaustive or limited with respect to the precise form disclosed, and variations and modifications may be made in light of the above teachings, or may be acquired from practice of the disclosed embodiments. The scope of the present invention should be determined by the appended claims and their equivalents.
Claims (31)
다이아몬드 질소-공석(DNV) 센서를 포함하고, 상기 다이아몬드 질소-공석(DNV) 센서는
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기로서, 상기 광학 신호는 상기 NV 다이아몬드 물질의 초미세 상태들에 기초하는, 광학 검출기; 및
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 상기 초미세 상태들에 기초하여 상기 광학 신호의 경사도를 검출하도록 구성된 제어기를
포함하는, 자기 검출을 위한 시스템.A system for magnetic detection,
Diamond nitrogen-vacancy (DNV) sensor, wherein the diamond nitrogen-vacancy (DNV) sensor
A nitrogen vacancy (NV) diamond material comprising a plurality of NV centers;
A radio frequency (RF) excitation source configured to provide RF excitation to the NV diamond material;
An optical excitation source configured to provide an optical excitation to the NV diamond material;
An optical detector configured to receive an optical signal emitted by the NV diamond material, the optical signal based on ultrafine states of the NV diamond material; And
A controller configured to detect an inclination of the optical signal based on the ultrafine states emitted by the NV diamond material
Wherein the magnetic detection system comprises:
자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기를 더 포함하고,
상기 제어기는
상기 NV 다이아몬드 물질에서 시간 변화 자기장을 인가하기 위해 상기 자기장 생성기를 제어하고,
상기 광학 검출기로부터 수신된 광 검출 신호에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에서 상기 자기장의 크기 및 방향을 결정하고,
상기 시간 변화 자기장의 주파수 종속 감쇄에 따라 상기 자기장의 상기 결정된 크기 및 방향에 기초하여 물체로 인한 자기 벡터 기형을 결정하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.The apparatus of claim 1, wherein the DNV sensor
Further comprising a magnetic field generator configured to generate a magnetic field,
The controller
Controlling the magnetic field generator to apply a time-varying magnetic field in the NV diamond material,
Determining the magnitude and direction of the magnetic field in the NV diamond material based on the photodetection signal received from the optical detector,
And to determine a magnetic vector malformation due to the object based on the determined magnitude and direction of the magnetic field in accordance with the frequency dependent attenuation of the time varying magnetic field.
제 1 자기장을 생성하도록 구성된 제 1 자기장 생성기와 제 2 자기장을 생성하도록 구성된 제 2 자기장 생성기를 포함하는 적어도 2개의 자기장 생성기들을 포함하는 자기장 생성기를 더 포함하고,
상기 제어기는
제 1 코드 패킷을 변조하고, 상기 변조된 제 1 코드 패킷에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에서 제 1 시간 변화 자기장을 인가하기 위해 상기 제 1 자기장 생성기를 제어하고,
제 2 코드 패킷을 변조하고, 상기 변조된 제 2 코드 패킷에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에서 제 2 시간 변화 자기장을 인가하기 위해 상기 제 2 자기장 생성기를 제어하되, 상기 제 1 코드 패킷 및 상기 제 2 코드 패킷은 서로 낮은 교차 상관을 갖는 이진 시퀀스들이고, 상기 이진 시퀀스들 각각은 양호한 자동 상관을 갖는, 변조 및 제어하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.The apparatus of claim 1, wherein the DNV sensor
Further comprising a magnetic field generator comprising at least two magnetic field generators comprising a first magnetic field generator configured to generate a first magnetic field and a second magnetic field generator configured to generate a second magnetic field,
The controller
Modulate a first code packet, control the first magnetic field generator to apply a first time varying magnetic field in the NV diamond material based on the modulated first code packet,
Modulating a second code packet and controlling the second magnetic field generator to apply a second time varying magnetic field in the NV diamond material based on the modulated second code packet, Wherein the code packets are binary sequences having a low cross correlation with each other and each of the binary sequences is further configured to modulate and control with good autocorrelation.
상기 NV 다이아몬드 물질로 송신된 상기 제 1 코드 패킷에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 상기 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호들을 수신하고, 상기 NV 다이아몬드 물질로 송신되는 상기 제 1 코드 패킷과 동시에 상기 NV 다이아몬드 물질로 송신된 상기 제 2 코드 패킷에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 상기 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호들을 수신하고,
상기 제 1 및 제 2 코드 패킷들을 복조하기 위해 매칭된 필터들을 상기 수신된 제 1 및 제 2 광 검출 신호들에 인가하고,
상기 복조된 제 1 및 제 2 코드 패킷들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에서 상기 제 1 자기장 및 상기 제 2 자기장의 크기 및 방향을 결정하고,
상기 제 1 자기장 및 상기 제 2 자기장의 상기 결정된 크기 및 방향에 기초하여 자기 벡터 기형을 결정하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.5. The apparatus of claim 4, wherein the controller
Receiving first optical detection signals from the optical detector based on the optical signal emitted by the NV diamond material based on the first code packet transmitted with the NV diamond material, Receiving second optical detection signals from the optical detector based on the optical signal emitted by the NV diamond material based on the second code packet transmitted with the NV diamond material concurrently with the first code packet,
Applying matched filters to the received first and second optical detection signals to demodulate the first and second code packets,
Determine the magnitude and direction of the first magnetic field and the second magnetic field in the NV diamond material based on the demodulated first and second code packets,
And determine a magnetic vector malformation based on the determined magnitude and direction of the first magnetic field and the second magnetic field.
송신 디바이스를 더 포함하고, 상기 송신 디바이스는
데이터를 송신기에 송신하도록 구성된 제 1 프로세서; 및
송신기를 포함하고, 상기 송신기는 자기장을 통해 상기 데이터를 송신하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a transmitting device, wherein the transmitting device
A first processor configured to transmit data to a transmitter; And
Wherein the transmitter is configured to transmit the data via a magnetic field.
수신 디바이스로서, 상기 수신 디바이스는
상기 자기장을 검출하도록 구성된 상기 DNV 센서를 포함하는, 수신 디바이스; 및
상기 검출된 자기장으로부터 상기 데이터를 암호 해독하도록 구성된 제 2 프로세서를
더 포함하는, 자기 검출을 위한 시스템.11. The method of claim 10,
As a receiving device, the receiving device
The DNV sensor configured to detect the magnetic field; And
And a second processor configured to decrypt the data from the detected magnetic field
And wherein the magnetic detection system further comprises:
상기 데이터를 포함하는 제 1 데이터 스트림을 수신하고,상기 데이터를 복수의 제 2 데이터 스트림들로 인터리빙하도록 추가로 구성되고,
상기 송신기는 복수의 채널들 중 하나 상에서 상기 제 2 데이터 스트림들 각각을 송신하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.12. The apparatus of claim 11, wherein the first processor
Receive a first data stream comprising the data and interleave the data into a plurality of second data streams,
Wherein the transmitter is configured to transmit each of the second data streams on one of a plurality of channels.
상기 자력계로부터 복수의 신호들을 수신하되, 상기 복수의 신호들 각각은 상기 복수의 방향들 중 하나에 대응하는, 수신하고,
상기 복수의 신호들로부터 상기 복수의 제 2 데이터 스트림들 각각을 암호 해독하고,
상기 데이터를 결정하기 위해 상기 복수의 제 2 데이터 스트림들을 디인터리빙하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.16. The system of claim 15, wherein the second processor
Receiving a plurality of signals from the magnetometer, each of the plurality of signals corresponding to one of the plurality of directions;
Decrypting each of the plurality of second data streams from the plurality of signals,
And de-interleave the plurality of second data streams to determine the data.
상기 데이터를 포함하는 제 1 데이터 스트림을 수신하고,
상기 데이터를 복수의 제 2 데이터 스트림들로 인터리빙하고,
복수의 제 3 데이터 스트림들을 형성하기 위해 동기화 시퀀스를 상기 복수의 제 2 데이터 스트림들 각각에 첨부하도록 추가로 구성되고,
상기 송신기는 복수의 채널들 중 하나 상에서 상기 제 3 데이터 스트림들 각각을 송신하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.13. The system of claim 12, wherein the first processor
Receiving a first data stream comprising the data,
Interleaving the data into a plurality of second data streams,
And to append a synchronization sequence to each of the plurality of second data streams to form a plurality of third data streams,
Wherein the transmitter is configured to transmit each of the third data streams on one of a plurality of channels.
상기 제 2 프로세서는
상기 자력계로부터 복수의 신호들을 수신하되, 상기 복수의 신호들 각각은 상기 복수의 방향들 중 하나에 대응하는, 수신하고,
상기 시퀀스 스트림을 검출함으로써 상기 복수의 신호들로부터 상기 복수의 제 3 데이터 스트림들 각각을 암호 해독하고,
상기 데이터를 결정하기 위해 상기 복수의 제 3 데이터 스트림들을 인터리빙하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.21. The apparatus of claim 20, wherein the magnetometer is configured to detect the magnetic field in a plurality of directions, the plurality of directions being orthogonal to each other,
The second processor
Receiving a plurality of signals from the magnetometer, each of the plurality of signals corresponding to one of the plurality of directions;
Decrypt each of the plurality of third data streams from the plurality of signals by detecting the sequence stream,
And to interleave the plurality of third data streams to determine the data.
상기 DNV 센서를 포함하는 제 1 자기장 센서,
제 2 DNV 센서를 포함하는 제 2 자기장 센서, 및
자기 영역의 제 1 단부로부터 상기 자기 영역의 제 2 단부로 자기장 경사도를 생성하도록 구성된 자기 영역을 포함하는 위치 인코더 성분으로서, 상기 제 1 자기장 센서 및 상기 제 2 자기장 센서는 상기 자기 영역의 길이보다 작은 거리만큼 분리되는, 위치 인코더 성분을
더 포함하는, 자기 검출을 위한 시스템.The method according to claim 1,
A first magnetic field sensor including the DNV sensor,
A second magnetic field sensor comprising a second DNV sensor, and
And a magnetic field configured to produce a magnetic field gradient from a first end of the magnetic region to a second end of the magnetic region, wherein the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are smaller than the length of the magnetic region Position encoder component separated by distance
And wherein the magnetic detection system further comprises:
상기 DNV 센서를 포함하는 차량으로서, 상기 DNV 센서는 자기 벡터 또는 자기장을 검출하도록 구성되는, 차량;
하나 이상의 전자 프로세서들로서,
상기 DNV 센서로부터 상기 자기장의 상기 자기 벡터를 수신하고,
상기 자기 벡터에 기초하여 전류원의 존재를 결정하도록 구성된, 하나 이상의 전자 프로세서들; 및
상기 전류원 및 상기 자기 벡터의 존재에 기초하여 상기 차량을 항해하도록 구성된 항해 제어부를
더 포함하는, 자기 검출을 위한 시스템.The method according to claim 1,
A vehicle comprising the DNV sensor, the DNV sensor being configured to detect a magnetic vector or magnetic field;
One or more electronic processors,
Receiving the magnetic vector of the magnetic field from the DNV sensor,
One or more electronic processors configured to determine the presence of a current source based on the magnetic vector; And
A navigation controller configured to navigate the vehicle based on the presence of the current source and the magnetic vector
And wherein the magnetic detection system further comprises:
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---|---|---|---|
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US62/109,006 | 2015-01-28 | ||
US201562109551P | 2015-01-29 | 2015-01-29 | |
US62/109,551 | 2015-01-29 | ||
US201562190218P | 2015-07-08 | 2015-07-08 | |
US201562190209P | 2015-07-08 | 2015-07-08 | |
US62/190,209 | 2015-07-08 | ||
US62/190,218 | 2015-07-08 | ||
US201562214792P | 2015-09-04 | 2015-09-04 | |
US62/214,792 | 2015-09-04 | ||
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US201562257988P | 2015-11-20 | 2015-11-20 | |
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US62/257,988 | 2015-11-20 | ||
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US62/261,643 | 2015-12-01 | ||
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US15/003,718 | 2016-01-21 | ||
US15/003,206 US9824597B2 (en) | 2015-01-28 | 2016-01-21 | Magnetic navigation methods and systems utilizing power grid and communication network |
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US15/003,292 US10006973B2 (en) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | Magnetometer with a light emitting diode |
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US15/003,193 | 2016-01-21 | ||
US15/003,309 | 2016-01-21 | ||
US15/003,519 | 2016-01-21 | ||
US15/003,678 | 2016-01-21 | ||
US15/003,677 | 2016-01-21 | ||
US15/003,176 | 2016-01-21 | ||
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