一种磁信号量子传感测量的信号处理系统及方法技术方案

本申请实施例提供了一种磁信号量子传感测量的信号处理系统及方法，该系统包括：模拟前端单元，用于接收待测信号；模数转换单元，用于将待测信号数字化，得到数字信号y(t)；锁相放大电路，用于对数字信号y(t)进行锁相放大处理，将处理后的信号输入至多模式PID控制单元；多模式PID控制单元，用于对处理后的信号进行PID运算，并输出自定义输出形式的修正信号。利用该方案能够根据不同情况合理设置PID参数以及选择适合的信号输出通道，能够应用在不同的磁信号量子传感测量系统中。磁信号量子传感测量系统中。磁信号量子传感测量系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种磁信号量子传感测量的信号处理系统及方法


[0001]本申请涉及信号处理领域，尤其涉及一种磁信号量子传感测量的信号处理系统及方法。

技术介绍

[0002]微弱磁场测量在地磁导航、地质资源勘探、科学研究、国防建设与医疗仪器等领域都有广泛应用。作为精密测量的重要组成部分——微弱磁场测量已迈入量子时代。量子传感一般指为基于某个系统利用量子力学的原理实现对外界环境信号，如磁场、电场、温度等的高精度高灵敏度测量。微弱磁场测量的量子传感技术有基于原子自旋效应的磁场测量和基于氮空位(Nitrogen
‑
Vacancy，NV)色心的磁场测量。
[0003]目前，磁信号量子传感测量的方法有很多，对信号的处理方式却很类似，但由于不同测量方案所采用的器件不同，对于不同的测量系统，往往需要专门定制信号处理的电子学系统，这一过程增大了磁信号量子传感测量系统的开发周期，同时也增加了开发过程中的成本。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请的目的在于提供了一种磁信号量子传感测量的信号处理系统及方法，易于根据不同情况合理设置PID参数以及选择适合的信号输出通道，能应用在不同的磁信号量子传感测量系统中，其具体技术方案如下：
[0005]一方面，本申请提供了一种磁信号量子传感测量的信号处理系统，所述系统包括：
[0006]模拟前端单元，用于接收待测信号；
[0007]模数转换单元，用于将所述待测信号数字化，得到数字信号y(t)；
[0008]锁相放大电路，用于对所述数字信号y(t)进行锁相放大处理，将处理后的信号输入至多模式比例积分微分PID控制单元；
[0009]所述多模式PID控制单元，用于对所述处理后的信号进行PID运算，并输出自定义输出形式的修正信号。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述锁相放大电路，包括：直接数字式频率合成器DDS、第一数字乘法器、第二数字乘法器、第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器、相位补偿控制模块、移相电路和数字开关；
[0011]所述DDS，用于生成余弦参考信号cos(ωt)和正弦参考信号sin(ωt)；
[0012]所述第一数字乘法器，用于对所述数字信号y(t)与所述余弦参考信号cos(ωt)进行乘法运算，得到第一乘法信号y
X
(t)；
[0013]所述第二数字乘法器，用于对所述数字信号y(t)与所述正弦参考信号sin(ωt)进行乘法运算，得到第二乘法信号y
Y
(t)；
[0014]所述第一数字低通滤波器，用于对所述第一乘法信号y
X
(t)进行滤波处理，得到第一滤波信号X；
[0015]所述第二数字低通滤波器，用于对所述第二乘法信号y
Y
(t)进行滤波处理，得到第二滤波信号Y；
[0016]所述相位补偿控制模块，用于基于所述第一滤波信号X和所述第二滤波信号Y计算相位补偿值，并生成相位锁定信号；
[0017]所述移相电路，用于根据所述相位补偿值对所述数字信号y(t)进行移相；
[0018]所述第一数字乘法器，还用于对移相后的所述数字信号y(t)与所述余弦参考信号cos(ωt)进行乘法运算，得到第三乘法信号y
X
′
(t)；
[0019]所述第一数字低通滤波器，还用于对所述第三乘法信号y
X
′
(t)进行滤波处理，得到所述处理后的信号，所述处理后的信号包括第三滤波信号X
′
；
[0020]所述数字开关，用于当接收到所述相位锁定信号时，输出所述第三滤波信号X
′
至所述多模式PID控制单元。
[0021]在一种可能的实现方式中，所述多模式PID控制单元，包括：PID算法电路、自定义模拟/数字总线数据输出模块、PID参数设置及数据总线输出模式选择模块和通讯模块；
[0022]所述PID算法电路，用于对所述第三滤波信号X
′
进行PID运算，得到初始修正信号；
[0023]所述PID参数设置及数据总线输出模式选择模块，用于设置所述PID算法电路对应的参数值和选择数据输出通道；
[0024]所述自定义模拟/数字总线数据输出模块，用于基于所述数据输出通道输出与所述数据输出通道对应的所述自定义输出形式的修正信号；
[0025]所述通讯模块，用于采集所述第一滤波信号X、所述第二滤波信号Y和所述初始修正信号，并将所述第一滤波信号X、所述第二滤波信号Y和所述初始修正信号传输至上位机。
[0026]在一种可能的实现方式中，所述自定义模拟/数字总线数据输出模块，具体用于：
[0027]将所述初始修正信号输出至所述通讯模块，所述初始修正信号由所述通讯模块传输至上位机；
[0028]或将所述初始修正信号转换为第一模拟信号，并在预设的电压电流范围内驱动所述第一模拟信号输出至测量系统；
[0029]或对所述初始修正信号进行数据格式转换，并将控制指令与格式转换后的修正信号进行整合，将整合后的数据以预设形式输出至所述测量系统，所述预设形式包括如下至少一种：直接外设接口SPI协议的串行输出、集成电路总线IIC协议的串行输出、并行输出；
[0030]或将所述初始修正信号转换为频率控制字，并将所述频率控制字输出至所述DDS。
[0031]在一种可能的实现方式中，所述模拟前端单元包括输出驱动及滤波电路，所述模数转换单元包括数模转换器；
[0032]所述DDS，还用于当所述自定义模拟/数字总线数据输出模块将所述频率控制字输出至所述DDS后，基于所述频率控制字输出本振信号；
[0033]所述数模转换器，用于将所述本振信号转换为第二模拟信号；
[0034]所述输出驱动及滤波电路，用于将所述第二模拟信号输出至测量系统。
[0035]在一种可能的实现方式中，所述输出驱动及滤波电路，还用于限制所述第二模拟信号的带宽。
[0036]在一种可能的实现方式中，所述模拟前端单元包括信号预处理及整形电路；
[0037]所述信号预处理及整形电路，用于接收所述待测信号，对所述待测信号进行幅度
和偏置调整以及带宽限制。
[0038]另一方面，本申请提供了一种磁信号量子传感测量的信号处理方法，所述方法应用于磁信号量子传感测量的信号处理系统，所述系统包括：模拟前端单元、模数转换单元、锁相放大电路和多模式PID控制单元，所述方法包括：
[0039]通过所述模拟前端单元接收待测信号；
[0040]通过所述模数转换单元将所述待测信号数字化，得到数字信号y(t)；
[0041]通过所述锁相放大电路对所述数字信号y(t)进行锁相放大处理，将处理后的信号输入至所述多模式PID控制单元；
[0042]通过所述多模式PID控制单元对所述处理后的信号进行PID运算，并输出自定义输出形式的修正信号。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁信号量子传感测量的信号处理系统，其特征在于，所述系统包括：模拟前端单元，用于接收待测信号；模数转换单元，用于将所述待测信号数字化，得到数字信号y(t)；锁相放大电路，用于对所述数字信号y(t)进行锁相放大处理，将处理后的信号输入至多模式比例积分微分PID控制单元；所述多模式PID控制单元，用于对所述处理后的信号进行PID运算，并输出自定义输出形式的修正信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锁相放大电路，包括：直接数字式频率合成器DDS、第一数字乘法器、第二数字乘法器、第一数字低通滤波器、第二数字低通滤波器、相位补偿控制模块、移相电路和数字开关；所述DDS，用于生成余弦参考信号cos(ωt)和正弦参考信号sin(ωt)；所述第一数字乘法器，用于对所述数字信号y(t)与所述余弦参考信号cos(ωt)进行乘法运算，得到第一乘法信号y
X
(t)；所述第二数字乘法器，用于对所述数字信号y(t)与所述正弦参考信号sin(ωt)进行乘法运算，得到第二乘法信号y
Y
(t)；所述第一数字低通滤波器，用于对所述第一乘法信号y
X
(t)进行滤波处理，得到第一滤波信号X；所述第二数字低通滤波器，用于对所述第二乘法信号y
Y
(t)进行滤波处理，得到第二滤波信号Y；所述相位补偿控制模块，用于基于所述第一滤波信号X和所述第二滤波信号Y计算相位补偿值，并生成相位锁定信号；所述移相电路，用于根据所述相位补偿值对所述数字信号y(t)进行移相；所述第一数字乘法器，还用于对移相后的所述数字信号y(t)与所述余弦参考信号cos(ωt)进行乘法运算，得到第三乘法信号y
X
′
(t)；所述第一数字低通滤波器，还用于对所述第三乘法信号y
X
′
(t)进行滤波处理，得到所述处理后的信号，所述处理后的信号包括第三滤波信号X
′
；所述数字开关，用于当接收到所述相位锁定信号时，输出所述第三滤波信号X
′
至所述多模式PID控制单元。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多模式PID控制单元，包括：PID算法电路、自定义模拟/数字总线数据输出模块、PID参数设置及数据总线输出模式选择模块和通讯模块；所述PID算法电路，用于对所述第三滤波信号X
′
进行PID运算，得到初始修正信号；所述PID参数设置及数据总线输出模式选择模块，用于设置所述PID算法电路对应的参数值和选择数据输出通道；所述自定义模拟/数字总线数据输出模块，用于基于所述数据输出通道输出与所述数据输出通道对应的所述自定义输出形式的修正信号；所述通讯模块，用于采集所述第一滤波信号X、所述第二滤波信号Y和所述初始修正信号，并将所述第一滤波信号X、所述第二滤波信号Y和所述初始修正信号传输至上位机。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述自定义模拟/数字总线数据输出模块，
具体用于：将所述初始修正信号输出至所述通讯模块，所述初始修正信号由所述通讯模块传输至所述上位机；或将所述初始修正信号转换为第一模拟信号，并在预设的电压电流范围内驱动所述第一模拟信号输出至测量系统；或对所述初始修正信号进行数据格式转换，并将控制指令与格式转换后的修正信号进行整合，将整合后的数据以预设形式输出至所述测量系统，所述预设形式包括如下至少一种：直接外设接口SPI协议的串行输出、集成电路总线IIC协议的串行输出、并行输出；或将所述初始修正信号转换为频率控制字，并将所述频率控制字输出至所述DDS。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述模拟前端单元包括输出驱动及滤波电路，所述模数转...

【专利技术属性】
技术研发人员：马玉红，秦熙，张闻哲，仝煜，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：