一种磁场强度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种磁场强度测量方法及装置。

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要求。重点仪器的自主化、国产化是支撑我国尖端科技、工业制造的重要手段。重点仪器的自主化、国产化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。此外，在磁场测量过程中，NV色心经激光极化、微波源和待测磁场激发后发出红色荧光信号，获取磁场信息核心的步骤是获取对荧光信号最小值时刻的微波源扫频频率。在扫频法中，会以一定的步长为间隔对整个频率范围进行扫频，一般耗时在ms到s量级，扫频法的测量耗时中扫频工作周期占比最大，达到s量级。

而随着应用场景的不同，对于磁测量的采样率要求不一样，目前的扫频法仅能做到几个Hz，极大的限制了其应用。在一般的测量场景中，对于采样率有一定的要求，例如在电力系统，交流情况下电流的采样率至少为4kHz，直流采样率至少为10kHz，而一般的连续光学探测磁共振技术受限于扫频的速度，其采样率仅为Hz级别，限制了其在电力或者其他对采样率要求场景。

发明内容

本发明提供了一种磁场强度测量方法及装置，实现快速测量磁场强度，提高磁场测量采样率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种磁场强度测量方法，包括：

根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点；

利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点；

基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；

根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。

实施本发明实施例，根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点；利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点；基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。基于预设数量的扫描频率点进行金刚石的扫频，获取光探测磁共振谱线(ODMR谱)，通过分析光探测磁共振谱线的拟合分析，从而得到待测磁场强度，利用少数点频率扫描和曲线拟合的方式，进行切片锁频的快速量子调控磁测量，以此实现快速的量子调控和测量，极大的提高微波调制的时间要求，提高测量的速度，从而提高整个量子测量的采样率，且不需要增加任何硬件，将量子技术更好的应用于各个行业，实现磁场量子测量的高采样率。

作为优选方案，基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率，具体为：

根据金刚石的NV色心的特性，确定预设的分布函数；其中，分布函数包括高斯函数和泊松函数；

通过曲线拟合的方式，反演预设的分布函数，得到中心频率。

作为优选方案，根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度，具体为：

将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

作为优选方案，根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，具体为：

基于采样率和平均采样间隔，确定测量时间；

根据待测磁场的电流特性和测量时间，计算电流的量值范围；

根据电流的量值范围和传感距离，确定磁场范围；

基于磁场范围，利用分裂可用公式，计算波谷频率范围。

作为优选方案，在利用微波源，将微波频率对应的功率施加至金刚石，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线之前还包括：

在待测磁场中，基于自旋激化时间，通过设置激光源，将激光照射在金刚石上。

为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种磁场强度测量装置，包括：扫频确定模块、微波调制模块、曲线拟合分析模块和磁场强度获取模块；

其中，扫频确定模块用于根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点；

微波调制模块用于利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点；

曲线拟合分析模块用于基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；

磁场强度获取模块用于根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。

作为优选方案，还包括自旋激化模块；

自旋激化模块用于在待测磁场中，基于自旋激化时间，通过设置激光源，将激光照射在金刚石上。

作为优选方案，曲线拟合分析模块包括分布函数设置单元和曲线拟合单元；

其中，分布函数设置单元用于根据金刚石的NV色心的特性，确定预设的分布函数；其中，分布函数包括高斯函数和泊松函数；

曲线拟合单元用于通过曲线拟合的方式，反演预设的分布函数，得到中心频率。

作为优选方案，磁场强度获取模块包括波谷位置分析单元和数值运算单元；

其中，波谷位置分析单元用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

数值运算单元用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

作为优选方案，扫频确定模块包括测量时间确定单元、电流范围确定单元、磁场范围确定单元和波谷频率范围确定单元；

其中，测量时间确定单元用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

电流范围确定单元用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度；

磁场范围确定单元用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

波谷频率范围确定单元用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

附图说明

图1：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的流程示意图；

图2：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的ODMR谱图；

图3：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的金刚石NV色心示意图；

图4：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的金刚石NV色心能级结构示意图；

图5：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的OMDR谱分布函数特定频率扫描示意图；

图6：为本发明提供的一种磁场强度测量方法的一种实施例的微波调制耗时对比图；

图7：为本发明提供的一种磁场强度测量装置的一种实施例的结构示意图。

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。

实施例一

请参照图1，为本发明实施例提供的一种磁场强度测量方法的流程示意图。本实施例通过少数点频率扫描和曲线拟合的方式，实现快速的量子调控和测量，快速测量磁场强度，提高磁场测量的采样率。该磁场强度测量方法包括步骤101至步骤104，各步骤具体如下:

步骤101：根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点。

在本实施例中，在完成上一次的磁场测量后，根据待测的电流特性，如：工频，则可根据正弦特性和每次测量的时间间隔，可快速评估出下一个电流的大致范围，进而确定波谷频率范围。所计算的波谷频率范围即表示波谷频率的大概位置，通过等间隔等方式，确定扫描频率点，完成预设数量N个点的频率切换(N<5)。

可选的，根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，具体包括步骤1011至步骤1014，各步骤具体如下:

步骤1011：基于采样率和平均采样间隔，确定测量时间。

在本实施例中，假设上一次测量完成的是时间点t

步骤1012：根据待测磁场的电流特性和测量时间，计算电流的量值范围。

在本实施例中，根据待测信号的特性，则本次测量电流大概的量值为：

I＝A×cos(w×(t

步骤1013：根据电流的量值范围和传感距离，确定磁场范围。

在本实施例中，根据传感距离(传感器与母线的距离)，可计算出对应的磁场B的大小：

B＝μ

其中，μ

步骤1014：基于磁场范围，利用分裂可用公式，计算波谷频率范围。

在本实施例中，分裂可用公式为：

ω＝2.87GHz±2.8MHz/Gs×B×cosθ

其中，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。

步骤102：利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点。

可选的，在步骤102之前还包括:在待测磁场中，基于自旋激化时间，通过设置激光源，将激光照射在金刚石上。

在本实施例中，利用激光及光路系统将激光照射在金刚石上，为了使NV色心量子态的极化，采用532nm的激光作为激励源。即此时为自旋激化阶段，此阶段由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，该阶段时间为自旋激化时间T

在本实施例中，当某一个频率的功率施加在金刚石NV色心上时，会产生特定的荧光强度，若连续改变微波频率，可获得一条随微波频率-荧光强度的曲线，该曲线称之为光探测磁共振谱线，也称为ODMR谱，如图2所示，表示金刚石NV色心ODMR谱分布及待测点表征(符合高斯分布函数)。步骤102为微波调制阶段，确定扫描频率点后，切换微波频率至该位置的扫描频率点，获取对应的光的强度，完成离散ODMR谱的部分点信息，利用微波系统对连续光学探测磁共振的微波扫频方式进行优化，实现少数点扫描。

值得说明的是，微波调制阶段，通过微波源在中心频率f

需要说明的是，金刚石NV色心示意图，如图3所示，金刚石NV色心是磁敏感单元，在外加的待测磁场、激光和微波的共同作用下发出荧光信号，荧光信号中包含了待测磁场的信息。在磁场测量过程中，NV色心经激光极化、微波源和待测磁场激发后发出红色荧光信号，获取磁场信息核心的步骤是获取对荧光信号最小值时刻的微波源扫频频率。

微波的频率决定NV色心电子能级上的电子比例是否可以改变，而微波的功率则决定电子比例改变的速度。金刚石NV色心能级结构示意图，如图4所示，具体来说，NV色心的0能级电子在微波激发下可以跃迁到+1能级与-1能级，而可以引发跃迁的微波频率与能级间的能量差有关，也就是用ms＝0和ms＝±1之间的频率差进行扫描，可以让ms＝0的电子吸收能量跃迁到+1能级与-1能级，若频率刚好等于0到+1之间，满足共振频率的微波会引发NV色心电子能级间的跃迁，当能级上的电子数量不同时，这种跃迁会从电子较多的能级往电子较少的能级方向进行，从而减少能级电子数量的差异。当NV色心同时受到激光和微波的影响时，NV色心会放出荧光而不同能级上的电子放出的荧光强度也不相同，0能级上的电子会放出更强的荧光，而+1与-1能级的电子放出荧光较弱。当微波频率与NV色心电子能级的能量差不匹配、也就是不再共振频率周围时，电子聚集在0能级上，此时NV色心的荧光强度保持在较高水平；而当微波频率接近共振频率、以致直接到达共振频率时，NV色心的0能级电子会有一部分跃迁到-1能级与+1能级上，表现为NV色心的荧光强度降低。因此在扫频过程中，会发生两个峰值，对应+1和-1的共振频率，而这个峰值的频率差就对应外加磁场频率，微波改变的是电子在0，-1和+1之间的概率，在波形上表现的就是波谷，波谷处的频率与中心频率的分裂可用公式为：

ω＝2.87GHz±2.8MHz/Gs×B×cosθ

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。一次完整采样率的时间T由如下公式表达：

T＝T

其中T

步骤103：基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率。

在本实施例中，OMDR谱分布函数特定频率扫描示意图，如图5所示，利用数据采集及处理系统，基于所使用的金刚石NV色心的特性，指定一种待拟合的ODMR谱的分布函数，通过曲线拟合的方式，反演分布函数的关键参数，进而可以从函数中直接获取ODMR谱的中心频率，进而获得能表征磁场强度的关键参量，从而快速测量待测磁场强度。

可选的，步骤103具体包括步骤1031至步骤1032，各步骤具体如下:

步骤1031：根据金刚石的NV色心的特性，确定预设的分布函数；其中，分布函数包括高斯函数和泊松函数。

在本实施例中，一般光探测磁共振谱线(ODMR谱)的分布是满足高斯分布、泊松分布等分布，基于金刚石的NV色心的特性，可确定对应的分布函数。

步骤1032：通过曲线拟合的方式，反演预设的分布函数，得到中心频率。

在本实施例中，根据所使用的金刚石NV色心的特性，指定一种待拟合的ODMR谱的分布函数，假设分布函数为高斯函数时，其分布函数表达式为：

其中，a是光强的峰值，b为波谷的中心频率，也是需要计算的核心参数，c指该分布的半高宽。

通过曲线拟合的方式，反演分布函数的波谷的中心频率，也就是b的值，进而可以从函数中直接获取ODMR谱的中心频率，进而获得能表征磁场强度的关键参量。

实施本发明实施例，由于光探测磁共振谱线(ODMR谱)的整个分布相对较广，基本涵盖了额定电流对应的磁场范围，因此，步骤101中在结合第一个的电流大小以及待测电流的特性，快速计算下一个电流的大致范围，并根据该电流值确定ODMR谱所覆盖的基本范围；在步骤102中通过预设数量的N个点的频率切换(N<5),获取对应的光的强度，完成离散ODMR谱的部分点信息；在步骤103中，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；通过极少数点的扫频，通过光的强度与分布函数的结合，实现快速波形反演，进而获得中心频率点，快速获得中心频率。

步骤104：根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。

可选的，步骤104具体包括步骤1041至步骤1042，各步骤具体如下:

步骤1041：将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值。

在本实施例中，可通过一次微分等方式，得到波谷对应的频率值，即波谷频率值。

步骤1042：将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

在本实施例中，计算波谷频率值与中心频率的差值，求得对应的磁场强度。

需要说明的是，步骤103-104为荧光采集与解析阶段，通过收集不同频率对应的荧光强度信号，获得ODMR谱(图2)，通过对图2中波谷位置进行分析，进而计算得到磁场强度，该部分所需时间为T

为进一步体现本发明的效果，将本发明和常规扫频法进行时间和采样率对比，在自旋激化阶段、微波调制阶段和荧光采集与解析阶段的过程，一次磁测量的总时间T为：

T＝T

一般T

从本发明的微波调制阶段可知，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，因此若在在分析ODMR谱的函数分布的前提下，通过极少数点的扫描，通过函数拟合的方式，则可快速实现中心频率的确定，进而极大的压缩微波调制阶段的耗时，从而提高采样率。

假设待测磁场的变化范围为0-100Gs，取t

T

此时采样率为3Hz，则极大的限制了其在各场景的应用。

在本发明中首先通过待测场的最大值100Gs，可确定频率的最大值，根据分裂可用公式计算得到为f

T＝N×t

若N取5，则一次测量所需要的时间为50us。同时考虑到相较于传统测量，本发明中还有另外两个耗时，即判断在哪个区域扫描耗时T

本发明的扫频耗时与传统耗时比为：

η＝T/T

本发明的微波调制耗时对比，如图6所示，以100Gs的最大磁场范围为例，f

在本实施例中，磁场测量范围从1Gs到1000Gs(光探测磁共振的量子测量技术的理论最大值)本发明的扫频耗时在不同λ下与传统扫频法耗时的占比，可知本发明的耗时与待测磁场的大小有关。当磁场强度高于1Gs后，测量速度已经提升了约100倍，且随着磁场范围的增加，测量速度优势更加明显。

实施本发明实施例，根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点；利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点；基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。基于预设数量的扫描频率点进行金刚石的扫频，获取光探测磁共振谱线(ODMR谱)，通过分析光探测磁共振谱线的拟合分析，从而得到待测磁场强度，利用少数点频率扫描和曲线拟合的方式，进行切片锁频的快速量子调控磁测量，以此实现快速的量子调控和测量，极大的提高微波调制的时间要求，提高测量的速度，从而提高整个量子测量的采样率，且不需要增加任何硬件，将量子技术更好的应用于各个行业，实现磁场量子测量的高采样率。

实施例二

相应地，参见图7，图7是本发明提供的一种磁场强度测量装置的实施例二的结构示意图。如图7所示，磁场强度测量装置包括扫频确定模块701、自旋激化模块702、微波调制模块703、曲线拟合分析模块704和磁场强度获取模块705。

其中，扫频确定模块701用于根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点。

扫频确定模块701包括测量时间确定单元7011、电流范围确定单元7012、磁场范围确定单元7013和波谷频率范围确定单元7014；

其中，测量时间确定单元7011用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

电流范围确定单元7012用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度；

磁场范围确定单元7013用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

波谷频率范围确定单元7014用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

自旋激化模块702用于在待测磁场中，基于自旋激化时间，通过设置激光源，将激光照射在金刚石上。

微波调制模块703用于利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点。

曲线拟合分析模块704用于基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率。

曲线拟合分析模块包括分布函数设置单元7041和曲线拟合单元7042；

其中，分布函数设置单元7041用于根据金刚石的NV色心的特性，确定预设的分布函数；其中，分布函数包括高斯函数和泊松函数；

曲线拟合单元7042用于通过曲线拟合的方式，反演预设的分布函数，得到中心频率。

磁场强度获取模块705用于根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。

磁场强度获取模块705包括波谷位置分析单元7051和数值运算单元7052；

其中，波谷位置分析单元7051用于将光探测磁共振谱线进行波谷位置分析，得到波谷频率值；

数值运算单元7052用于将波谷频率值与中心频率进行数值运算，获得待测磁场的磁场强度。

实施本发明实施例，根据待测磁场的电流特性和采样率，计算波谷频率范围，基于波谷频率范围，确定预设数量的扫描频率点；利用微波源，基于微波频率，对金刚石进行扫频，获取金刚石的NV色心发出的荧光信号，得到光探测磁共振谱线；其中，微波频率连续切换为各扫描频率点；基于预设的分布函数，对光探测磁共振谱线进行曲线拟合分析，获得中心频率；根据中心频率和光探测磁共振谱线，获取待测磁场的磁场强度。基于预设数量的扫描频率点进行金刚石的扫频，获取光探测磁共振谱线(ODMR谱)，通过分析光探测磁共振谱线的拟合分析，从而得到待测磁场强度，利用少数点频率扫描和曲线拟合的方式，进行切片锁频的快速量子调控磁测量，以此实现快速的量子调控和测量，极大的提高微波调制的时间要求，提高测量的速度，从而提高整个量子测量的采样率，且不需要增加任何硬件，将量子技术更好的应用于各个行业，实现磁场量子测量的高采样率。

上述的一种磁场强度测量装置可实施上述方法实施例的一种磁场强度测量方法。上述方法实施例中的可选项也适用于本实施例，这里不再详述。本申请实施例的其余内容可参照上述方法实施例的内容，在本实施例中，不再进行赘述。

另外，本申请实施例还提供一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。

本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的步骤。

以上的具体实施例，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。