一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法技术方案

本发明专利技术属于量子传感技术领域，具体涉及一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，该系统包括控制器，数字直接频率合成器DDS，量子传感器，低通滤波器LPF，模拟/数字转换器A/D和相位解算模块；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节后，先通过相位解算模块对两路正弦信号产生的相位误差进行动态补偿后再反馈给控制器，对磁共振量子传感器进行闭环控制。本发明专利技术降低控制系统相位误差对量子传感器磁场测量精度的影响，提高量子传感器的测量精度，本发明专利技术特别适用于对测量精度要求较高的磁异常探测领域。

A Closed Loop Control System for Quantum Sensors and a Phase Error Compensation Control Method

The invention belongs to the field of quantum sensing technology, and specifically relates to a closed-loop control system of quantum sensor and a phase error compensation control method. The system includes a controller, a digital direct frequency synthesizer DDS, a quantum sensor, a low-pass filter LPF, an analog/digital converter A/D and a phase resolving module, two sinusoidal signals output by a digital direct frequency synthesizer DDS and one signal. Through LPF of low-pass filter and A/D link of analog/digital converter, another signal passes through quantum sensor first, then LPF of low-pass filter and A/D link of analog/digital converter. After that, phase error of two sinusoidal signals is compensated dynamically by phase resolving module, and then feedback to the controller to control the magnetic resonance quantum sensor in closed loop. The invention reduces the influence of the phase error of the control system on the magnetic field measurement accuracy of the quantum sensor, and improves the measurement accuracy of the quantum sensor. The invention is especially applicable to the field of magnetic anomaly detection which requires high measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法
本专利技术属于量子传感
，具体涉及一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法。
技术介绍
量子传感器利用量子自旋效应实现对磁场的测量，是一种具有超高灵敏度的磁场测试装置，在地质勘探、生物医疗及深远海磁异常探测等领域有广泛的应用前景。基于磁共振效应的量子传感器通过测量量子自旋频率实现对磁场的精确测量，可达到更高的测量准确度。采用基于相关运算原理的相位闭环控制系统可以实现对量子自旋频率的稳定控制，并使量子自旋始终处于共振状态，以达到准确测量磁场强度的目的。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术的目的在于提出一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，实时补偿相位误差引入的控制偏差，使量子自旋频率更加接近磁共振频率，有效提高量子传感器在其测量带宽范围内的测量精度。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案。本专利技术一种磁共振量子传感器闭环控制系统，该系统包括控制器，数字直接频率合成器DDS，量子传感器，低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，当控制器接收到的两路正弦信号的相位差与控制器相位参考输入存在偏差时，控制器会对数字直接频率合成器DDS输出正弦信号的频率进行调节，并将调节后数字直接频率合成器DDS输出的正弦信号作为激励信号输入量子传感器。进一步，所述控制器相位参考输入为90°。进一步，该系统还包括相位解算模块；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节后，先通过相位解算模块对两路正弦信号产生的相位误差进行动态补偿后再反馈给控制器，对磁共振量子传感器进行闭环控制。进一步，所述相位解算模块根据两路输入信号，实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值，然后解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值，以解算得到的相位误差补偿值补偿磁共振控制系统的相位误差。进一步，量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：式中：Ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，Vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量；进一步，所述相位误差补偿值解算包括：(1)设变量Amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：Amax0＝Ao(4)式中：Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值Ao，然后顺序执行公式(5)所述算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算后，收敛后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；式中：Amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取值范围为0.1-2，ki取值范围为0.01-0.2，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期。一种磁共振量子传感器相位误差补偿控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一、相位解算模块实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值；步骤二、相位解算模块解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值；步骤三、改变量子传感器所处稳定磁场环境的磁场强度，重复步骤一和步骤二，获得量子传感器在不同磁共振频率下磁共振控制系统的相位误差；对磁共振频率与相位误差的离散关系采用1元n阶方程进行曲线拟合，获得相位误差补偿值与磁共振频率的拟合关系表达式；步骤四、在每个控制周期内，根据当前量子传感器正弦信号频率，实时更新相位误差补偿值，以实时更新的补偿磁共振控制系统相位误差。进一步，所述步骤一中，处于稳定磁场环境中的量子传感器电压输出正弦信号的表达式为：式中：Vo(t)为量子传感器电压输出，Ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，ω为频率，为相位，t为时间变量；处于稳定磁场环境中的量子传感器输出正弦信号的幅值的实时结算采用自相关算法，所述自相关算法如下公式所示：式中：T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，Vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量，Ao为量子传感器输出正弦信号的幅值；量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：式中：Ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，Vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量。进一步，所述步骤二中，相位误差补偿值解算过程包括以下步骤：(1)设变量Amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：Amax0＝Ao(4)式中：Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值Ao，然后顺序执行公式(5)所述算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算之后，收敛后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；式中：Amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取值范围为0.1-2，ki取值范围为0.01-0.2，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，对磁共振相位控制系统相位误差进行实时补偿，降低控制系统相位误差对量子传感器磁场测量精度的影响。本专利技术一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，能够有效补偿磁共振相位控制系统存在的相位误差，提高量子传感器的测量精度。本专利技术一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，应用于核磁共振陀螺和基于顺磁共振效应的原子磁强计，特别适用于对测量精度要求较高的磁异常探测领域。附图说明图1是本专利技术磁共振量子传感器闭环控制系统结构示意图；图2是本专利技术量子传感器磁共振频率与磁场强度之间的关系示意图；图3是本专利技术补偿前后磁场强度测量误差对比示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图对本专利技术一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法详细说明。如图1所示，本专利技术一种磁共振量子传感器闭环控制系统，包括控制器，数字直接频率合成器DDS，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：该系统包括控制器，数字直接频率合成器DDS，量子传感器，低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，当控制器接收到的两路正弦信号的相位差与控制器相位参考输入存在偏差时，控制器会对数字直接频率合成器DDS输出正弦信号的频率进行调节，并将调节后数字直接频率合成器DDS输出的正弦信号作为激励信号输入量子传感器。

【技术特征摘要】
1.一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：该系统包括控制器，数字直接频率合成器DDS，量子传感器，低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节反馈给控制器，当控制器接收到的两路正弦信号的相位差与控制器相位参考输入存在偏差时，控制器会对数字直接频率合成器DDS输出正弦信号的频率进行调节，并将调节后数字直接频率合成器DDS输出的正弦信号作为激励信号输入量子传感器。2.根据权利要求1所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：所述控制器相位参考输入为90°。3.根据权利要求2所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：该系统还包括相位解算模块；数字直接频率合成器DDS输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器LPF和模拟/数字转换器A/D环节后，先通过相位解算模块对两路正弦信号产生的相位误差进行动态补偿后再反馈给控制器，对磁共振量子传感器进行闭环控制。4.根据权利要求3所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：所述相位解算模块根据两路输入信号，实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值，然后解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值，以解算得到的相位误差补偿值补偿磁共振控制系统的相位误差。5.根据权利要求4所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：式中：Ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，T为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，Vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量。6.根据权利要求5所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，其特征在于：所述相位误差补偿值解算包括：(1)设变量Amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：Amax0＝Ao(4)式中：Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值Ao，然后顺序执行公式(5)所述算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算后，收敛后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；式中：Amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，Amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，Ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦杰，汤恩琼，万双爱，郭宇豪，薛帅，刘建丰，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11