一种基于分段定频的磁场强度测量方法及系统

技术领域

本发明属于量子传感领域，具体涉及一种基于分段定频的磁场强度测量方法及系统。

背景技术

随着加速器物理、电力系统等领域的进一步发展，对电学精密测量和量值可靠提出了更高的要求。重点仪器离不开的核心技术之一就是精密磁场测量技术。在相关技术中，金刚石NV色心测量磁场强度多采用脉冲式测磁方式，此过程需要对激光、微波信号多路信号进行脉冲控制，步骤复杂，不易操作。因此找到容易操作，能快速且精准测量磁场强度的方法至关重要。

现有广泛使用的技术手段主要是通过连续光学探测磁共振对一定范围的内的微波频率扫频的方式进行波谷与中心频率差之前的测量。但是微波频率扫频的方式会以一定的步长为间隔对整个频率范围进行扫频，耗时较长，远远达不到电力系统磁场测量要求的速度。而如果固定输送到NV色心上的微波频率，并保证此时的微波频率始终在共振频率的周围，可以满足磁场测量的速度要求，但是会造成磁场测量范围小，使测量精度不高。

发明内容

本发明提出了一种基于分段定频的磁场强度测量方法及系统，不需要增加任何硬件就可以提高电力系统磁场测量的精度并保证测量的速度。

本发明的第一方面提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法，所述方法包括：

获取实际测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围；

根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；

根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；

根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度；

根据待测磁场的强度，反馈磁场测量结果。

上述方案通过实际测量光谱的数据，确定待测磁场的范围，通过划分待测磁场的范围和确定每个分段待测磁场的中心频率点，用金刚石NV色心发出的荧光信号对每个分段待测磁场进行扫频；通过采集所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，分析得出待测磁场的强度信息，提供了测量步骤简单，测量结果精度高且测量速度较快的方法。

在第一方面的一种可能的实现方法中，获取实际测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围，具体为：

根据实际测量光谱的谱线展宽，确定满足测量误差条件的线性区间；根据所述线性区间确定对应的待测磁场的范围；其中，所述线性区间是描述测量光谱的光强和待测磁场的范围的线性关系。

在第一方面的一种可能的实现方法中，根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点，具体为：

根据待测磁场的范围，得到待测磁场需要分段的数目；其中，待测磁场需要分段的数目取决于待测磁场的测量精度；

根据待测磁场需要分段的数目平均划分待测磁场得到所有分段待测磁场后，根据每个分段待测磁场的范围，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点。

上述方案通过测量所要求的精度和待测磁场的范围，将待测磁场平均划分为多个分段待测磁场，并确定每个分段待测磁场的中心频率点，在保证测量精度的情况下扩展了磁场测量的范围，同时为后续的扫频测量提供数据支撑。

在第一方面的一种可能的实现方法中，根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，具体为：

将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，金刚石NV色心发出荧光信号，加入待测磁场，对第一分段待测磁场进行扫频；其中，所述荧光信号的强度与待测磁场的强度有关；

根据第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场的范围时，将微波源的频率调整为第二分段待测磁场的分段中心频率点，测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化，直到所有分段待测磁场都已完成测量，停止扫频。

上述方案通过微波源和加入待测磁场，使金刚石NV色心发出荧光信号，所述荧光信号包含待测磁场的强度信息；对待测磁场进行连续扫频，快速地采集金刚石NV色心发出的荧光信号的强度变化，提升了磁场测量的速度，也为后续的测量计算待测磁场强度提供数据支撑。

在第一方面的一种可能的实现方法中，根据所有分段待测磁场的中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度，具体为：

根据所有分段待测磁场的中心频率点和所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，绘制分段待测磁场的分段中心频率点-荧光信号的强度的波形图，确定波谷的频率值；根据波谷的频率值与待测磁场的中心频率的差值，计算待测磁场的强度；其中，中心频率为没有待测磁场时，微波源的频率与所述荧光信号的共振频率。

本发明第二方面提供了一种基于分段定频的磁场强度测量系统，所述系统包括：数据获取模块，磁场测量模块和数据输出模块；

其中，所述数据获取模块用于获取测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围；

所述磁场测量模块用于根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度；

所述数据输出模块用于根据待测磁场的强度，反馈磁场测量结果。

在第二方面的一种可能的实现方式中，数据获取模块用于获取测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围，具体为：

根据测量光谱的谱线展宽，确定满足测量误差条件的线性区间；根据所述线性区间确定对应的待测磁场的范围；其中，所述线性区间是描述测量光谱的光强和待测磁场的范围的线性关系。

在第二方面的一种可能的实现方式中，磁场测量模块包括：划分磁场单元；

所述划分磁场单元用于根据待测磁场的范围，得到待测磁场需要分段的数目；其中，待测磁场需要分段的数目取决于待测磁场的测量精度；根据待测磁场需要分段的数目平均划分待测磁场得到所有分段待测磁场后，根据每个分段待测磁场的范围，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点。

在第二方面的一种可能的实现方式中，磁场测量模块包括：扫频单元；

所述扫频单元用于将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，金刚石NV色心发出荧光信号，加入待测磁场，对第一分段待测磁场进行扫频；其中，所述荧光信号的强度与待测磁场的强度有关；根据第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场的范围时，将微波源的频率调整为第二分段待测磁场的分段中心频率点，测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化，直到所有分段待测磁场都已完成测量，停止扫频。

在第二方面的一种可能的实现方式中，磁场测量模块包括：数据计算单元；

所述数据计算单元用于根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，绘制分段待测磁场的分段中心频率点-荧光信号的强度的波形图，确定波谷的频率值；根据波谷的频率值与待测磁场的中心频率的差值，计算待测磁场的强度；其中，中心频率为没有待测磁场时，微波源的频率与所述荧光信号的共振频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的具体流程示意图；

图2是本发明某一实施例提供了一种单点定频测量方法的以1000A为中心频率点的待测磁场范围的测量误差分布图；

图3是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的以额定电流1000A为待测磁场范围的测量误差分布图；

图4是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的金刚石NV色心示意图；

图5是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的金刚石NV色心能级结构示意图；

图6是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的荧光信号的线性拟合示意图；

图7是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的荧光信号的非线性拟合示意图；

图8是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的待测磁场的强度与收集的荧光信号关系示意图；

图9是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不是作为对步骤执行先后顺序的限定。

如图1所示，图1为本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的具体流程示意图，本实施例的基于分段定频的磁场强度测量方法包括步骤S1至步骤S5，详述如下：

步骤S1，获取实际测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围；

在本步骤中，先获取实际测量光谱的谱线展宽，根据谱线展宽确定满足测量误差条件的线性区间；再根据所述线性区间确定对应的待测电流的范围，而待测电流的范围可以等效为待测磁场的范围，因此确定了待测磁场的范围；其中，谱线展宽是该光谱谱线的宽度，所述线性区间是描述实际测量光谱的光强和待测磁场的范围的线性关系。

步骤S2，根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；

在本步骤中，通过待测磁场的范围，所述线性区间和待测磁场的测量精度，得到待测磁场需要分段的数目；根据待测磁场需要分段的数目平均划分待测磁场得到所有分段待测磁场后，根据每个分段待测磁场的范围，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；

在一些实施例中，分段定频降低了磁场测量的误差，提升了磁场测量的精度。当采用单点定频测量方法来测量待测磁场时，磁场测量的误差会随着远离中心频率点而变高。图2提供了一种单点定频测量方法的以1000A为中心频率点的待测磁场范围的测量误差分布图，如图2所示，当使用单点定频测量方法来测量待测磁场，以1000A为中心频率点时，能满足低于0.2％磁场测量的误差的区间仅有900-1100A之间，其余远离中心频率点1000A的区间，磁场测量的误差都不满足磁场测量的要求，且越远离中心频率点，磁场测量的误差越高。

以额定电流1000A为例，图3提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的以额定电流1000A为待测磁场范围的测量误差分布图。如图3所示，根据待测磁场的测量精度，确定待测磁场需要分段的数目为5，则将待测磁场分为0-200A，200-400A，400-600A，600-800A和800-1000A，并将每个分段待测磁场的分段中心频率点分别固定在每个分段待测磁场的中点电流值对应的频率点上，在待测磁场范围为0-1000A并采用分段定频来测量磁场时，磁场测量的误差均低于0.2％，满足磁场测量的要求。

步骤S3，根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；

在本步骤中，先使用激光及光路系统作为激光源使金刚石NV色心量子态极化，然后将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，并保持稳定，使金刚石NV色心发出荧光信号，然后加入待测磁场，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，记录所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化。其中，加入的待测磁场会影响所述荧光信号的强度发生变化，因此根据所述荧光信号的强度变化可以计算出待测磁场的强度。

在第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场的范围时，将微波源的频率调整为第二分段待测磁场的分段中心频率点，测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化，直到所有分段待测磁场都已完成测量，停止扫频。

图4提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的金刚石NV色心示意图，展示了金刚石NV色心的详细结构。

图5提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的金刚石NV色心能级结构示意图，在扫频过程中，NV色心电子能级上的电子比例会因为微波源的频率发生改变，NV色心的0能级电子在微波源的激发下可以跃迁到+1能级和-1能级，而可以引发跃迁的微波源的频率与能级间的能量差有关，若微波源的频率刚好等于0到+1之间，满足共振频率的微波源会引发NV色心电子能级间的跃迁；NV色心中不同能级的电子放出的荧光信号的强度也不同，0能级上的电子会放出更强的荧光信号，而+1与-1能级的电子放出的荧光信号较弱。当微波源的频率与NV色心的电子能级的能量差不匹配时，即微波源的频率不在共振频率周围，NV色心的电子聚集在0能级上，发出的荧光信号的强度较高；当微波源的频率与NV色心的电子能级的能量差匹配时，即微波源的频率接近共振频率，NV色心的0能级电子会有一部分跃迁到-1能级或者+1能级上，发出的荧光信号的强度较低。

在一些实施例中，所述步骤S3，包括：

使用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采用偏振方式提升测量的灵敏度。然后将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，并保持稳定，使金刚石NV色心发出荧光信号，然后加入待测磁场，对待测磁场进行扫频，并记录所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；

然后在第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度没有超过第一分段待测磁场的范围，即所述荧光信号的强度没有超过第一分段待测磁场对应的线性区间，此时磁场测量的精度高，磁场测量的误差低，可以用所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化来计算第一分段待测磁场的强度；当所述荧光信号的的强度超过第一分段待测磁场的范围，即所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场对应的线性区间，此时磁场测量的精度低，磁场测量的误差高，需要将微波源的频率更换第二分段待测磁场的分段中心频率点，然后再测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化；当所有分段待测磁场都已完成测量时，停止扫频。其中，待测磁场对应的线性区间为根据实际测量光谱的谱线展宽，得到的满足测量误差条件的线性区间，当待测磁场被平均划分为所有分段待测磁场后，所述线性区间也被相应地划分，每个分段待测磁场都有对应的线性区间来判断所述荧光信号是否在本分段待测磁场里超出范围。

进一步的，在一些实施例中，为了表达所述荧光信号的强度是否超出当前分段待测磁场对应的线性区间，会用分段待测磁场的强度和所述荧光信号的强度的线性和非线性拟合来判断。图6是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的荧光信号的线性拟合示意图，图7是本发明某一实施例提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的荧光信号的非线性拟合示意图。当所述荧光信号的强度没有超出当前分段待测磁场对应的线性区间时，如图6所述，当前分段待测磁场的强度和所述荧光信号的强度有明显的线性关系；当所述荧光信号的强度超出当前分段待测磁场对应的线性区间时，如图7所述，当前分段待测磁场的强度和所述荧光信号的强度有明显的非线性关系。对于分段待测磁场的强度和所述荧光信号的强度的线性关系拟合程度，取决于待测磁场的测量精度，要求的测量精度越高，要求的线性关系拟合程度就越高。

步骤S4，根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度；

在本步骤中，根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，绘制分段待测磁场的分段中心频率点-荧光信号的强度的波形图。在扫频过程中，会发生两个峰值，对应NV色心的电子在+1能级和-1能级的共振频率，而这两个峰值的频率差就对应待测磁场的频率；而波谷表示的是因为微波源的频率的变化，NV色心的电子在0能级，-1能级和+1能级之间的概率；对波谷处的频率值进行解析，根据解析结果与中心频率的差值计算得待测磁场的强度；其中，中心频率为没有待测磁场时，微波源的频率与所述荧光信号的共振频率。

进一步的，为了更好的描述所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化与待测磁场强度的关系，图8提供了一种基于分段定频的磁场强度测量方法的待测磁场的强度与收集的荧光信号关系示意图，其中，两个峰值对应着NV色心发出的荧光信号的峰值和电流幅度的峰值。

步骤S5，根据待测磁场的强度，反馈磁场测量结果。

进一步的，为了执行上述方法实施例对应的基于分段定频的磁场强度测量系统，以实现响应的功能和技术效果，图9提供了一种基于分段定频的磁场强度测量系统的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，本发明实施例提供的基于分段定频的磁场强度测量系统，包括：

数据获取模块201，用于获取实际测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围；

磁场测量模块202，用于根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度；

数据输出模块203，用于根据待测磁场的强度，反馈磁场测量结果。

在一些实施例中，所述磁场测量模块202，包括：

划分磁场单元，用于根据待测磁场的范围和线性区间的范围，得到待测磁场需要分段的数目；其中，待测磁场需要分段的数目取决于对计算待测磁场的强度的精度；根据待测磁场需要分段的数目平均划分待测磁场得到所有分段待测磁场后，根据每个分段待测磁场的范围，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；

扫频单元，用于将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，金刚石NV色心发出荧光信号，加入待测磁场，对第一分段待测磁场进行扫频；其中，所述荧光信号的强度与待测磁场的强度有关；根据第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场的范围时，将微波源的频率调整为第二分段待测磁场的分段中心频率点，测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化，直到所有分段待测磁场都已完成测量，停止扫频；

数据计算单元，用于根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，绘制分段待测磁场的分段中心频率点-荧光信号的强度的波形图，确定波谷的频率值；根据波谷的频率值与待测磁场的中心频率的差值，计算待测磁场的强度；其中，中心频率为没有待测磁场时，微波源的频率与所述荧光信号的共振频率。

在一些实施例中，所述扫频单元，具体用于：

先使用激光及光路系统作为激光源使金刚石NV色心量子态极化，然后将微波源的频率固定在第一分段待测磁场的分段中心频率点，并保持稳定，使金刚石NV色心发出荧光信号，然后加入待测磁场，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，记录所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化。其中，加入的待测磁场会影响所述荧光信号的强度发生变化，因此根据所述荧光信号的强度变化可以计算出待测磁场的强度。

在第一分段待测磁场，测量所述荧光信号的强度在第一分段待测磁场的变化；当所述荧光信号的强度超过第一分段待测磁场的范围时，将微波源的频率调整为第二分段待测磁场的分段中心频率点，测量所述荧光信号的强度在第二分段待测磁场的变化，直到所有分段待测磁场都已完成测量，停止扫频。

在一些实施例中，所述数据计算单元，具体用于：

根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在所有分段待测磁场的变化，绘制分段待测磁场的分段中心频率点-荧光信号的强度的波形图。在扫频过程中，会发生两个峰值，对应NV色心的电子在+1能级和-1能级的共振频率，而这两个峰值的频率差就对应待测磁场的频率；而波谷表示的是因为微波源的频率的变化，NV色心的电子在0能级，-1能级和+1能级之间的概率；对波谷处的频率值进行解析，根据解析结果与中心频率的差值计算得待测磁场的强度；其中，中心频率为没有待测磁场时，微波源的频率与所述荧光信号的共振频率。

本实施例提出了一种基于分段定频的磁场强度测量方法及系统：获取实际测量光谱的谱线展宽，确定待测磁场的范围；根据待测磁场的范围，将待测磁场平均分为多个分段待测磁场，确定每个分段待测磁场的分段中心频率点；根据所有分段待测磁场和每个分段待测磁场的分段中心频率点，通过金刚石NV色心发出的荧光信号对待测磁场进行扫频，测量所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化；根据所有分段待测磁场的分段中心频率点和所述荧光信号的强度在分段待测磁场的变化，获得待测磁场的强度；根据待测磁场的强度，反馈磁场测量结果。其有益效果在于：通过分段定频对磁场进行测量，不需要增加任何硬件就可以提高电力系统磁场测量的精度并保证测量的速度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。