面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法技术

本发明专利技术属于电子测量技术领域，具体涉及面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法。本发明专利技术针对脉冲操控速度的限制，采用将硬件上的限制转化为软件实现的方式，利用在相位积累为零时的时刻为交变磁场周期整数倍这一原理，将问题转化为一个求解有整数约束的优化模型；然后运用搜索算法对其中一个未知量进行赋值，有效解决未知量个数比方程个数多的问题，最终通过待测磁场的最小正周期得出待测交变磁场的频率。相比现有技术，本发明专利技术具有高普适性，可用于任意频率的交变磁场测量；耗时短，在几十毫秒的量级；可用于地磁场的精确测量，并在空间磁测、资源勘探、军事探潜以及地磁匹配导航都具有极重要的意义。匹配导航都具有极重要的意义。匹配导航都具有极重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法


[0001]本专利技术属于电子测量
，具体涉及一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，基于整数约束优化模型适用于高频测量。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，交变磁场运用的领域越来越广泛，诸多学科领域的发展都需要交变磁场测量技术：如生物科技、工业技术、通信技术、土木工程等领域。传统的交变磁场测量方法有电磁感应法、霍尔效应法、磁阻效应法、磁饱和法、磁共振法、磁光法等。但由于传统的测磁方法都存在一些问题：测磁系统分辨率不高，大部分系统都有严苛的外界环境要求，噪声的存在也对传统的方法造成了很大的干扰。为了改善传统的测磁方法中的这些缺陷，金刚石nitrogen
‑
vacancy(NV)色心测磁法便逐渐被世人发觉并飞速发展，成为近年来的热门测磁法之一。
[0003]现有的NV色心测磁法同样存在一些缺陷。其缺陷具体体现在交变磁场的测量，在2008年Taylor首次提出的使用NV色心的自旋量子干涉仪进行磁场测量的过程中，交变磁场的测量是运用脉冲序列来实现的，由于交变磁场在一段时间内积累的相位较小，故在演化的过程中施加额外的π脉冲，使相位在半个周期内进行翻转，在此过程中交变场的相位不断积累，当积累的相位达到一定值时，脉冲速度与交变场的频率相匹配，即可得出待测交变磁场的频率。但当待测交变磁场频率增高时，例如达到GHz，由于脉冲操控速度的限制，该方法遇到瓶颈。可见当前缺乏一种可以操控高频段脉冲序列、并能够很好的解决上述现有交变磁场测量技术的缺陷的技术。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的问题或不足，为解决现有金刚石NV色心测磁法存在的问题，本专利技术提供了一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，基于整数约束的搜索测磁法integer constraint based searching magnetic measurement method(ICSM)，以解决上述缺陷。
[0005]一种面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0006]步骤1、在不施加π脉冲的情况下测量相位叠加为零的各时刻点t1，t2…
t
M
，(即交变磁场周期整数倍的时刻点)，从初始时刻到上述时刻点经历的时间为待测交变磁场周期的整数倍，为零的各时刻点对应于待测磁场最小正周期倍数分别一一对应为n1,n2…
n
M
。设待测交变磁场的周期为T，上述三个参数有以下方程组：
[0007]t1＝n1T,
[0008]t2＝n2T,
[0009]......
[0010]t
m
＝n
m
T,
[0011]......
[0012]t
M
＝n
M
T,
[0013]其中M为测得的相位积累为零的时刻电总数量M≥7，m取1～M中任意一个。
[0014]步骤2、令n
m
＝1，通过求出交变磁场的最小正周期T。
[0015]步骤3、通过步骤1的方程组解出n1,n2,
…
,n
M
。
[0016]步骤4、对于步骤3求解出的n1,n2,
…
,n
M
如果有一个不为整数，则令n
m
＝n
m
+1，返回步骤2，直至n1～n
M
均为整数时结束，此时对应的T即为最终所得的最小正周期T。
[0017]步骤5、根据步骤4最终所得的T以及公式f
m
＝1/T计算输出该f
m
，即为最终待测交变磁场的频率f
m
结果。
[0018]本专利技术针对脉冲操控速度的限制，采用将硬件上的限制转化为软件实现的方式，利用在相位积累为零时的时刻为交变磁场周期整数倍这一原理，将问题转化为一个求解有整数约束的优化模型。然后运用搜索算法对其中一个未知量进行赋值，有效解决未知量个数比方程个数多的问题，最终通过待测磁场的最小正周期得出待测交变磁场的频率。相比现有技术，本专利技术解决了在待测交变磁场频率增高过程中由于脉冲操控速度限制而导致方法失效的问题，突破了现有方法的瓶颈，且各方面性能明显优于现有技术。
[0019]本专利技术中步骤1为列出所需要求解的方程组，步骤2
‑
4为整数约束问题的循环部分，通过给n
m
赋值，使n
m
从1取遍所有正整数，利用n
m
求得T，解出n
m
(m＝1，...，M)的值。当n
m
(m＝1，...，M)均为整数时，即e(0即下述模型中的误差)恰好为0(最小)，满足要求。
[0020]本专利技术具体的优化模型为：
[0021]min:e
[0022][0023][0024]n
m
＝1,2,......,N均为正整数
[0025]其中为向下取整运算符。由上述模型可知，根据实际要求，只要满足误差e尽可能小(最好为零)，就能满足所有的n
m
均逼近整数。求出在此条件下交变磁场的最小正周期T，最后根据公式f
m
＝1/T求出待测交变磁场的频率f
m
。
[0026]综上所述，本专利技术提出的基于整数约束的搜索测磁法，解决了在硬件上脉冲产生器无法实现对高精度时间把控的问题，通过多次测量(即测量数M大于一定值)可获得准确的测量结果。同时，该专利技术具有高普适性，可用于任意频率的交变磁场测量。另外，本专利技术耗时短，在几十毫秒的量级，属于简单快速的解决之法，可用于地磁场的精确测量，并在空间磁测、资源勘探、军事探潜以及地磁匹配导航都具有极重要的意义。
附图说明
[0027]图1为本专利技术的流程图；
[0028]图2为实施例测量准确率随M的变化图；
[0029]图3为实施例误差e随M的变化图；
[0030]图4为实施例仿真实验中平均收敛时间(秒)随M变化图；
[0031]图5为实施例测量准确率随交变磁场频率变化图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细描述。
[0033]针对交变磁场，常用的高频磁传感器就是感应式磁力仪，其基于法拉第电磁感应原理，频率响应在几赫兹以上，几十或几百kHz以下，MHz以上的交变磁场仍难以响应，难以满足地磁场高精度测量的需求。本专利技术可以改善现有NV色心测磁法存在的问题，由于本专利技术只需要运用整数约束来进行分析，所以本质上提高了测量精度，并且运用本专利技术的方法还可以有效减少交变磁场测量的时间，减小复杂度，解决了现有方法的一些缺陷。
[0034]本实施例中：仿真采用蒙特卡洛实验，先随机生成104个T(即待测交变磁场的周期)，然后在每一个T的基础上，随机测得M个相位积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向高频交变磁场的金刚石NV色心磁力仪频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在不施加π脉冲的情况下测量相位叠加为零的各时刻点t1，t2...t
M
，即交变磁场周期整数倍的时刻点，从初始时刻到上述时刻点经历的时间为待测交变磁场周期的整数倍，为零的各时刻点对应于待测磁场最小正周期倍数分别一一对应为n1，n2...n
M
，设待测交变磁场的周期为T，上述三个参数有以下方程组：t1＝n1T，t2＝n2T，......t
m
＝n
m
T，......t
M
＝n
M
T，其中M为测得的相位积累为零的时刻电总数量M≥...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑培祥，罗钐，周涛，廖海清，周文俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：