量子高速调控磁测量方法及系统与流程

1.本发明涉及电学量子传感技术领域，具体而言，涉及一种量子高速调控磁测量方法及系统。


背景技术：

2.量子精密测量技术利用量子调控技术，突破了传统测量技术所受到的诸多限制，测量性能大幅提升，在国际上目前已经成为研究的热点领域。量子精密测量是量子信息科学领域重要的研究方向，旨在利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量性能。冷原子磁量子传感器，具有超高的磁场测量灵敏度和稳定性，对磁场探测的灵敏度达到pt/hz，最高工作温度可达400k。由于量子精密测量构建的是一个相对测量系统，能够很好消除环境产生的共模信号影响，具有良好的温度适应性和稳定性。
3.金刚石nitrogen-vacancy色心(nv色心)是一种金刚石体内的缺陷结构，具有良好稳定的光学性质。金刚石nv色心中间的电子自旋可以通过光探测磁共振技术进行操控，通过探测金刚石nv色心荧光强度来获得电子所处的自旋状态，利用电子单自旋体系对外界的敏感性，从而获得外界环境的相关属性。
4.目前，为了探测nv色心基态能级的共振频率或者零场劈裂大小，连续光学探测磁共振(cw-odmr)是广泛使用的方法。连续光探测磁共振技术，一般是通过对一定范围内的微波频率扫频的方式进行波谷与中心频率差之间的测量，该方法由于涉及到多频率微波调制，一般采样率较低，无法满足电力系统4k甚至10khz的采样率需求。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明提出了一种量子高速调控磁测量方法及系统，旨在解决现有连续光探测磁共振技术采样率较低，无法满足电力系统4k甚至10khz的采样率需求的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种量子高速调控磁测量方法，所述方法包括：激光源向金刚石nv色心发射激光以使所述金刚石nv色心发出荧光强度信号；区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将所述初步定位频率发送至微波调制器；微波调制器以所述初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频；数据采集及处理系统采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对所述不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。
7.进一步地，区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，包括：区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度，通过波谷处的频率与中心频率的理论公式，得到当前波谷处的频率理论值作为初步定位频率。
8.进一步地，所述拓展后频率范围，包括：从f
d1
＝fd×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝fd×
(1-a)-5
×
f0的范围；所述一个扫频周期的时间为t2＝t0×
(f
n-fc)/f0；其中，fd为初步定位频率，a为区域频率定位部件测量精度，f0为扫频的步长，t0为每一个步长所需时间。
9.进一步地，数据采集及处理系统根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度，包括：数据采集及处理系统计算所述不同波谷处的频率值与中心频率值差值，得到不同的磁场强度。
10.进一步地，所述区域频率定位部件包括磁测量器件，用于测量得到当前待测磁场强度。
11.进一步地，所述磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。
12.第二方面，本发明实施例还提供了一种量子高速调控磁测量系统，所述系统包括：激光源，用于向金刚石nv色心发射激光以使所述金刚石nv色心发出荧光强度信号；区域频率定位部件，用于测量得到当前待测磁场强度，基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将所述初步定位频率发送至微波调制器；微波调制器，用于以所述初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频；数据采集及处理系统，用于采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对所述不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。
13.进一步地，区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，包括：区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度，通过波谷处的频率与中心频率的理论公式，得到当前波谷处的频率理论值作为初步定位频率。
14.进一步地，所述拓展后频率范围，包括：从f
d1
＝fd×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝fd×
(1-a)-5
×
f0的范围；所述一个扫频周期的时间为t2＝t0×
(f
n-fc)/f0；其中，fd为初步定位频率，a为区域频率定位部件测量精度，f0为扫频的步长，t0为每一个步长所需时间。
15.进一步地，数据采集及处理系统根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度，包括：数据采集及处理系统计算所述不同波谷处的频率值与中心频率值差值，得到不同的磁场强度。
16.进一步地，所述区域频率定位部件包括磁测量器件，用于测量得到当前待测磁场强度。
17.进一步地，所述磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。
18.本发明实施例提供的量子高速调控磁测量方法及系统，通过区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，并基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，微波调制器以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频，提出了一种区域定位扫频的方法，通过一种初步判定为波谷频率范围，减小扫频所需时间，从而提高整个量子测量的采样率，在不提高硬件成本的前提下，采样率有望提高至10khz以上。
附图说明
19.图1示出了根据本发明一个实施例的量子高速调控磁测量方法的示例性流程图；
20.图2示出了根据本发明一个实施例的示波器所示荧光信号曲线图；
21.图3示出了根据本发明一个实施例的微波调制耗时对比数据图；
22.图4示出了根据本发明一个实施例的量子高速调控磁测量系统的结构示意图。
23.图5示出了根据本发明另一个实施例的量子高速调控磁测量系统的结构示意图。
具体实施方式
24.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
25.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
26.图1示出了根据本发明一个实施例的量子高速调控磁测量方法的示例性流程图。
27.如图1所示，该方法包括：
28.步骤s101：激光源向金刚石nv色心发射激光以使金刚石nv色心发出荧光强度信号。
29.自旋激化阶段：该阶段由532nm的激光源发出波长为532nm的激光，照射在金刚石上，在激光传输的过程中可采用偏振方式亦可不采用偏振方式，该阶段时间为t1。
30.步骤s102：区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将初步定位频率发送至微波调制器。
31.可以在每个金刚石探头附近安装一个低成本的磁测量器件。磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。磁测量器件测量精度为a，通过该磁测量器件测量得到磁场值b，通过波谷处的频率与中心频率的理论公式(1)，计算得到波谷的对应频率的理论值fd，并将其作为初步定位频率：
32.ω＝2.87ghz
±
2.8mhz/gs
×b×
cosθ (1)
33.上面公式中，ω为nv色心的微波共振频率，及中心频率，b为外磁场强度，θ为外磁场与nv色心敏感方向的夹角。当外磁场与nv色心敏感方向夹角重合时，100gs的磁场强度对应280mhz的频率分裂。
34.步骤s103：微波调制器以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频。
35.微波调制阶段：该阶段通过微波源在中心频率fc附近一定微波频率范围fn内作为一个工作周期进行循环扫频工作，其中fn与待测磁场的最大值相关，扫频的步长f0，每一个步长所需要时间为t0，则完成一个扫频工作周期的时间为t2＝t0×
(f
n-fc)/f0。
36.图2示出了根据本发明一个实施例的示波器所示荧光信号曲线图。如图2所示，结合磁传感器的误差和一个波谷频率拟合需求，区域扫频范围为从f
d1
＝fd×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝fd×
(1-a)-5
×
f0，则微波调制阶段的时间变为：
37.t2’＝t0×
(f
d1-f
d2
)/f0＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)。
38.步骤s104：数据采集及处理系统采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。
39.荧光采集与解析阶段：该部分通过收集不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得不同的波谷的频率值，该频率值与中心频率的差值即可直接求得对应的磁场强度，该
部分所需时间为t3。
40.通过对该过程的分析，一次磁测量的总时间t为：
41.t＝t1+t2+t3；
42.一般t1和t3相较于t2均可忽略，而扫频过程中，一个步长及频率切换所需要的时间在几十us量级，一次扫频所需步数几千次，因此扫频法的采样率一般为几十hz，无法满足高速采样的需求。
43.从微波调制阶段分析可以看到，实际有用的信号值仅与波谷的频率值相关，而大量扫频的步骤是可以省略的，因此若在扫频前通过霍尔等器件初步确定波谷的频率范围，通过反馈调制电路，再考虑一定的拓展频率，控制微波源的输出频率仅在这极窄的频率范围，则可极大的压缩微波调制阶段的耗时，从而提高采样率。
44.上述实施例，通过区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，并基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，微波调制器以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频，提出了一种区域定位扫频的方法，通过一种初步判定为波谷频率范围，减小扫频所需时间，从而提高整个量子测量的采样率，在不提高硬件成本的前提下，采样率有望提高至10khz以上。
45.实施例1
46.假设待测磁场的变化范围为0-100gs，取t0＝10us，f0＝10khz，按照一般的调制方案，一次微波阶段的测量时间为：
47.t2＝t0×
(f
n-fc)/f0＝10us
×
2.8mhz/gs
×
100gs/10khz＝280ms；
48.即采样率为3hz，本发明中取a＝0.5％,待测磁场为100gs，则一次微波阶段的测量时间为：
49.t2’＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)＝10us
×
(2
×
0.5％
×
2.8mhz/gs
×
100gs/10khz+10)＝2.9ms
50.即采样率为300hz，且随着待测磁场的进一步减小，一次微波阶段的测量时间可进一步减小，当磁传感器件测量的磁场强度为10gs时，一次微波阶段的测量时间为：
51.t2’＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)＝10us
×
(2
×
0.5％
×
2.8mhz/gs
×
10gs/10khz+10)＝0.28ms
52.即采样率为3.57khz，在不同的实际测量磁场下，一次微波阶段的时间分布和相比于传统的微波阶段的时间百分比如图3所示，可以看到当磁场为1gs以内时，采样率已经高达10khz，相较于一般的调制方法，采样率提升了103倍。
53.图4示出了根据本发明一个实施例的量子高速调控磁测量系统的结构示意图。
54.如图4所示，该系统包括：
55.激光源401，用于向金刚石nv色心发射激光以使所述金刚石nv色心发出荧光强度信号。
56.自旋激化阶段：该阶段由532nm的激光源发出波长为532nm的激光，照射在金刚石上，在激光传输的过程中可采用偏振方式亦可不采用偏振方式，该阶段时间为t1。
57.区域频率定位部件402，用于测量得到当前待测磁场强度，基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将初步定位频率发送至微波调制器。
58.图5示出了根据本发明另一个实施例的量子高速调控磁测量系统的结构示意图。
如图5所示，可以在每个金刚石探头附近安装一个低成本的磁测量器件(霍尔芯片)。磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。磁测量器件测量精度为a，通过该磁测量器件测量得到磁场值b，通过波谷处的频率与中心频率的理论公式(2)，计算得到波谷的对应频率的理论值fd，并将其作为初步定位频率：
59.ω＝2.87ghz
±
2.8mhz/gs
×b×
cosθ (2)
60.上面公式中，ω为nv色心的微波共振频率，及中心频率，b为外磁场强度，θ为外磁场与nv色心敏感方向的夹角。当外磁场与nv色心敏感方向夹角重合时，100gs的磁场强度对应280mhz的频率分裂。
61.微波调制器403，用于以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频。
62.微波调制阶段：该阶段通过微波源在中心频率fc附近一定微波频率范围fn内作为一个工作周期进行循环扫频工作，其中fn与待测磁场的最大值相关，扫频的步长f0，每一个步长所需要时间为t0，则完成一个扫频工作周期的时间为t2＝t0×
(f
n-fc)/f0。
63.图2示出了根据本发明一个实施例的示波器所示荧光信号曲线图。如图2所示，结合磁传感器的误差和一个波谷频率拟合需求，区域扫频范围为从f
d1
＝fd×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝fd×
(1-a)-5
×
f0，则微波调制阶段的时间变为：
64.t2’＝t0×
(f
d1-f
d2
)/f0＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)。
65.数据采集及处理系统404，用于采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。
66.荧光采集与解析阶段：该部分通过收集不同频率对应的荧光强度信号进行解析，获得不同的波谷的频率值，该频率值与中心频率的差值即可直接求得对应的磁场强度，该部分所需时间为t3。
67.通过对该过程的分析，一次磁测量的总时间t为：
68.t＝t1+t2+t3；
69.一般t1和t3相较于t2均可忽略，而扫频过程中，一个步长及频率切换所需要的时间在几十us量级，一次扫频所需步数几千次，因此扫频法的采样率一般为几十hz，无法满足高速采样的需求。
70.从微波调制阶段分析可以看到，实际有用的信号值仅与波谷的频率值相关，而大量扫频的步骤是可以省略的，因此若在扫频前通过霍尔等器件初步确定波谷的频率范围，通过反馈调制电路，再考虑一定的拓展频率，控制微波源的输出频率仅在这极窄的频率范围，则可极大的压缩微波调制阶段的耗时，从而提高采样率。
71.上述实施例，通过区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，并基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，微波调制器以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频，提出了一种区域定位扫频的方法，通过一种初步判定为波谷频率范围，减小扫频所需时间，从而提高整个量子测量的采样率，在不提高硬件成本的前提下，采样率有望提高至10khz以上。
72.实施例2
73.假设待测磁场的变化范围为0-100gs，取t0＝10us，f0＝10khz，按照一般的调制方
案，一次微波阶段的测量时间为：
74.t2＝t0×
(f
n-fc)/f0＝10us
×
2.8mhz/gs
×
100gs/10khz＝280ms；
75.即采样率为3hz，本发明中取a＝0.5％,待测磁场为100gs，则一次微波阶段的测量时间为：
76.t2’＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)＝10us
×
(2
×
0.5％
×
2.8mhz/gs
×
100gs/10khz+10)＝2.9ms
77.即采样率为300hz，且随着待测磁场的进一步减小，一次微波阶段的测量时间可进一步减小，当磁传感器件测量的磁场强度为10gs时，一次微波阶段的测量时间为：
78.t2’＝t0×
(2
×a×
fd/f0+10)＝10us
×
(2
×
0.5％
×
2.8mhz/gs
×
10gs/10khz+10)＝0.28ms
79.即采样率为3.57khz，在不同的实际测量磁场下，一次微波阶段的时间分布和相比于传统的微波阶段的时间百分比如图3所示，可以看到当磁场为1gs以内时，采样率已经高达10khz，相较于一般的调制方法，采样率提升了103倍。
80.已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
81.通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0082]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0083]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0084]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0085]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0086]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种量子高速调控磁测量方法，其特征在于，所述方法包括：激光源向金刚石nv色心发射激光以使所述金刚石nv色心发出荧光强度信号；区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将所述初步定位频率发送至微波调制器；微波调制器以所述初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频；数据采集及处理系统采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对所述不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，包括：区域频率定位部件基于所述当前待测磁场强度，通过波谷处的频率与中心频率的理论公式，得到当前波谷处的频率理论值作为初步定位频率。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拓展后频率范围，包括：从f
d1
＝f
d
×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝f
d
×
(1-a)-5
×
f0的范围；所述一个扫频周期的时间为t2＝t0×
(f
n-f
c
)/f0；其中，f
d
为初步定位频率，a为区域频率定位部件测量精度，f0为扫频的步长，t0为每一个步长所需时间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据采集及处理系统根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度，包括：数据采集及处理系统计算所述不同波谷处的频率值与中心频率值差值，得到不同的磁场强度。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述区域频率定位部件包括磁测量器件，用于测量得到当前待测磁场强度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。7.一种量子高速调控磁测量系统，其特征在于，所述系统包括：激光源，用于向金刚石nv色心发射激光以使所述金刚石nv色心发出荧光强度信号；区域频率定位部件，用于测量得到当前待测磁场强度，基于所述当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将所述初步定位频率发送至微波调制器；微波调制器，用于以所述初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频；数据采集及处理系统，用于采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对所述不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据所述不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述拓展后频率范围，包括：从f
d1
＝f
d
×
(1+a)+5
×
f0到f
d2
＝f
d
×
(1-a)-5
×
f0的范围；所述一个扫频周期的时间为t2＝t0×
(f
n-f
c
)/f0；其中，f
d
为初步定位频率，a为区域频率定位部件测量精度，f0为扫频的步长，t0为每一
个步长所需时间。9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述区域频率定位部件包括磁测量器件，用于测量得到当前待测磁场强度。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述磁测量器件包括但不限于霍尔器件、遂穿磁阻器件以及巨磁电阻。

技术总结
一种量子高速调控磁测量方法及系统，该方法包括：激光源向金刚石NV色心发射激光以使金刚石NV色心发出荧光强度信号；区域频率定位部件测量得到当前待测磁场强度，基于当前待测磁场强度得到初步定位频率，并将初步定位频率发送至微波调制器；微波调制器以初步定位频率为中心拓展频率范围，并以拓展后频率范围作为一个周期进行循环扫频；数据采集及处理系统采集不同扫描频率下的荧光强度信号，对不同扫描频率下的荧光强度信号进行解析，得到不同波谷处的频率值，并根据不同波谷处的频率值与中心频率值，得到不同的磁场强度。通过本发明实施例提供的方法及系统，可以减小扫频所需时间，从而提高整个量子测量的采样率，采样率有望提高至10kHz以上。至10kHz以上。至10kHz以上。


技术研发人员：周峰 李小飞 聂琪 雷民 殷小东 胡浩亮 黄俊昌 潘瑞 刘京 余也凤
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司武汉分院 国家电网有限公司
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/8/16