一种基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统

技术领域

本发明涉及高精度仪器的信号处理中的信号采集和运算处理领域，具体的说是一种基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统。

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。此过程中，若借助相关仪器，例如频谱仪或者电脑PC，则因附加仪器体积原因无法展现金刚石NV色心磁测系统小型集成化这一优点，且难以与后续不同的磁信号处理系统/装置进行交互；若不借助相关仪器，则对微波频率提取有很大的困难。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统，以期能在连续波式磁测方式下实现多路数据并行通信和数据矩阵化分析，从而能提高系统的对磁场测量的速度和对外通信的兼容性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统的特点在于，包括：光路模块、微波模块、探头模块和磁测电子学模块；

所述光路模块是在激光源的前方依次设置有第一半波片、分束器、第二半波片、透镜；在所述分束器的一侧设置有中性密度片；

在所述透镜的前方设置有所述探头模块，并包括：旋转样品架和长波通滤波片；

在所述旋转样品架上放置有处于静磁场的金刚石NV色心样品；在所述金刚石NV色心样品的下表面设置有所述长波通滤波片；

所述测磁电子学模块包括：第一光电探测器PD、第二光电探测器PD、第一主放大器、第二主放大器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、相消电路、微分器、模数转换模块ADC、FPGA模块和数模转换模块DAC；

在所述中性密度片的前方依次设置有所述第一光电探测器PD、第一主放大器、第一滤波器；

所述第二光电探测器PD紧贴于所述长波通滤波片的下方，并依次连接第二主放大器、第二滤波器；

所述第一滤波器和第二滤波器的输出与所述相消电路的输入相连，所述相消电路的输出两路信号，一路连接示波器，另一路依次连接有微分器、第三滤波器、模数转换模块ADC、FPGA模块和数模转换模块DAC；

所述微波模块包括：微波源、屏蔽器、功率放大器、PC端和交换机；

所述微波源通过所述交换机与所述FPGA模块相连；所述交换机也与所述PC端相连；

所述微波源依次与所述屏蔽器、功率放大器相连；所述功率放大器的输出端连接在所述金刚石NV色心样品上；

所述激光源发出一定波长的激光并依次经过第一半波片和分束器后分成两路光，一路光依次经过第二半波片、透镜后照射到所述金刚石NV色心样品上；

在所述PC端的控制下，所述微波源发出微波信号并依次经过所述屏蔽器、功率放大器后传输到所述金刚石NV色心样品上；

所述金刚石NV色心样品发出荧光信号并经过所述长波通滤波片被所述第二光电探测器PD接收并转换为第二电信号后依次传输给第二主放大器、第二滤波器，由所述第二滤波器输出未消噪荧光信号并输入所述相消电路中；

另一路光经过所述中性密度片被所述第一光电探测器PD接收并转换为第一电信号后依次传输给第一主放大器、第一滤波器，由所述第一滤波器输出底噪信号并输入所述相消电路中；

所述相消电路对所述未消噪荧光信号和底噪信号进行处理后，经所述微分器、第三滤波器处理后，得到荧光调制信号并依次传输给所述模数转换模块ADC、FPGA模块；

所述PC端将所述微波源的微波频率通过所述交换机发送给FPGA模块；

所述FPGA模块对接收到的荧光调制信号和微波频率进行处理，得到所述静磁场的强度B

本发明所述的基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统的特点也在于，所述FPGA模块是按如下步骤对接收到一个扫频周期内的荧光调制信号和微波频率进行处理：

步骤1、所述FPGA模块在一个工作周期内若接收到第n个荧光调制信号在范围为0±Δ内时，则令其逻辑值K

步骤2、对第n个和第n+1个逻辑值K

步骤3、将所有有效信号V

步骤4、将所述矩阵A按列分成维度为2×2的分块矩阵：

当n为奇数时，对矩阵A的最后一列数据后添加一列相同数据，记为A＝(A

当n为偶数时，记为A＝(A

步骤5、利用式(1)和式(2)分别所述分块矩阵A

M＝(M

N＝(N

步骤6、对所述第i个分块矩阵M

当异或结果为1时，将所述第i个分块矩阵M

当异或结果为0时，判断所述逻辑值矩阵M'

若所述逻辑值矩阵M'

若所述逻辑值矩阵M'

步骤7、按照所述步骤4对矩阵N中的分块矩阵进行判断和异或逻辑运算，并得到频率提取值，记为

步骤8、在一个工作周期内按步骤1-步骤7的过程得到4个提取频率值并进行升序排序后，记为f

式(5)中，g为朗德因子，μ

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过获取荧光调制信号数据和微波源的微波频率数据，并利用磁测电子学模块接收数据并分析，完成待测磁场测量；在连续波磁测方式下实现了多路数据并行通信和数据矩阵化分析，提高了系统的对磁场测量的速度和对外通信的兼容性。

2、本发明通过磁测电子学模块中的微分器对降噪后的荧光信号进行调制，得到调制荧光信号，将获取荧光信号最小值点对应的扫频频率转化成获取调制荧光信号零点对应的扫频频率，省略了复杂的数据比较过程，简化了数据处理方法；

3、本发明提出了一种数据矩阵化分析的方法：对调制荧光信号逻辑运算进行有效判断，将有效信号和其对应的频率信息整合到矩阵A，对矩阵A进行分块、运算和逻辑判断，得到所需扫频频率即可计算外界静磁场强度。数据矩阵化分析可将荧光调制信号信息和频率信息匹配，方便后续对所需频率信息的提取，其操作简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明金刚石NV色心磁场测量系统的结构示意图；

图2为金刚石NV色心晶体在笛卡尔坐标系下的N-V轴分布图；

图3虚线框内部分为测磁系统FPGA内部单元结构示意图；

图4为矫正步骤完成时示波器所示荧光信号曲线图，T为微波源一个扫频工作周期的时间。

图中标号：1激光源、2第一半波片、3分束器、4第二半波片、5透镜、6中性密度片、7金刚石NV色心样品、8长波通滤波片、9第二光电探测器PD、10第一光电探测器PD、11第一主放大器、12第一滤波器、13第二主放大器、14第二滤波器、15相消电路、16微分器、17第三滤波器、18模数转换模块ADC、19FPGA模块、20数模转换模块DAC、21交换机、22PC端、23微波源、24屏蔽器、25功率放大器、26静磁场、27示波器。

具体实施方式

本实施例中，一种基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统，如图1所示，包括：光路模块、微波模块、探头模块和磁测电子学模块；

光路模块是在激光源1的前方依次设置有第一半波片2、分束器3、第二半波片4、透镜5；在分束器3的一侧设置有中性密度片6；激光源发出波长为532nm的激光；半波片可以对偏振光进行旋转，线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ；分束器是可将一束光分成两束光，分别为光路1和光路2；中性密度片可将光强衰减，可见光区到近红外光区范围的光通过中性密度滤光片后，不同波长均按同一比例衰减，使得光学元件在宽波段内保持近似于相等的光能量透过率；

在透镜5的前方设置有探头模块，并包括：旋转样品架和长波通滤波片8；长波通滤波片特征在于可通过的光波长范围为637～800nm；在旋转样品架上放置有处于静磁场26的金刚石NV色心样品7；在金刚石NV色心样品7的下表面设置有长波通滤波片8；如图2所示，金刚石NV色心样品晶体在笛卡尔坐标系下的N-V对称轴有的四个不同的取向，分别为111、

测磁电子学模块包括：第一光电探测器PD10、第二光电探测器PD9、第一主放大器11、第二主放大器13、第一滤波器12、第二滤波器14、第三滤波器17、相消电路15、微分器16、模数转换模块ADC18、FPGA模块19、数模转换模块DAC20和示波器27；

在中性密度片6的前方依次设置有第一光电探测器PD10、第一主放大器11、第一滤波器12；

第二光电探测器PD9紧贴于长波通滤波片8的下方，并依次连接第二主放大器13、第二滤波器14；

第一滤波器12和第二滤波器14的输出与相消电路15的输入相连，相消电路15的输出端输出两路信号，一路连接示波器27，另一路依次连接有微分器16、第三滤波器17、模数转换模块ADC18、FPGA模块19和数模转换模块DAC20；第一光电探测器PD、第二光电探测器PD、第一主放大器、第二主放大器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、相消电路和微分器组成模拟信号调理电路，其特征在于对模拟信号进行降噪、放大、滤波、降噪、微分处理得到荧光调制信号；相消电路采用模拟电路如减法电路，对激光源噪声信号和金刚石NV色心荧光信号进行处理，消除激光源工作扰动带来的误差信号；示波器其特征在于通过荧光信号波形判断微调旋转样品架后，待测静磁场方向是否满足仅平行于金刚石NV色心样品四个N-V轴之一；模数转换模块ADC可对调制荧光信号进行采样数字化，并把数字信号通过SPI通信发送至FPGA进行数据处理；

如图3所示，FPGA中包括数据通信单元、数据存储单元和数据处理单元；数据通信单元包括通信单元_以太网、通信单元_SPI；数据存储单元包括数据存储单元_FL

FPGA模块通过通信单元_SPI和数模转换模块DAC，数模转换模块DAC输出模拟信号v

微波模块包括：微波源23、屏蔽器24、功率放大器25、PC端22和交换机21；

微波源23通过交换机21与FPGA模块19相连；交换机21也与PC端22相连；

微波源23依次与屏蔽器24、功率放大器25相连；功率放大器25的输出端连接在金刚石NV色心样品7上；微波源其特征在于以2700MHz-3100MHz微波频率范围作为一个工作周期进行循环扫频工作，微波源一个扫频工作周期的时间为T；隔离器其特征在于使微波信号朝金刚石NV色心样品单方向传输；功率放大器其特征在于将微波源发出的微波信号功率线性放大；PC端通过交换机利用以太网通信控制微波源按照模数转换ADC模块的采样频率f发送微波源扫频工作时的频率；交换机其特征在于作为微波源、PC端和FPGA之间的通信传输枢纽；

激光源1发出一定波长的激光并依次经过第一半波片2和分束器3后分成两路光，光路1经过中性密度片6被第一光电探测器PD10接收并转换为第一电信号后依次传输给第一主放大器11、第一滤波器12，由第一滤波器12输出底噪信号并输入相消电路15中；光路2依次经过第二半波片4、透镜5后照射到金刚石NV色心样品7上；

在PC端22的控制下，微波源23发出微波信号并依次经过屏蔽器24、功率放大器25后传输到金刚石NV色心样品7上；

金刚石NV色心样品7发出荧光信号并经过长波通滤波片8被第二光电探测器PD9接收并转换为第二电信号后依次传输给第二主放大器13、第二滤波器14，由第二滤波器14输出未消噪荧光信号并输入相消电路15中；

另一路光经过中性密度片6被第一光电探测器PD10接收并转换为第一电信号后依次传输给第一主放大器11、第一滤波器12，由第一滤波器12输出底噪信号并输入相消电路15中；

相消电路15将未消噪的荧光信号减去底噪信号得到降噪的荧光信号，一路连接示波器27，另一路经微分器16、第三滤波器17处理后，得到荧光调制信号并依次传输给模数转换模块ADC18、FPGA模块19；

微分器16初始时状态时，其偏置电压为0V；调节任意旋转样品架使待测静磁场26作用于样品7的角度发生变化，观察示波器27上的荧光信号，当在微波源一个扫频周期时间内，荧光信号曲线出现明显的四个波谷，如图4所示，判断为待测静磁场方向平行于金刚石NV色心样品四个N-V轴之一，则对微分器16施加偏置电压，使微分器16处于工作状态；

PC端22将微波源23的微波频率通过交换机21发送给FPGA模块19；

FPGA模块19对接收到的荧光调制信号和微波频率进行处理，得到静磁场28的强度B

的基于数据矩阵化分析的金刚石NV色心磁场测量系统，其特征在于，FPGA模块19是按如下步骤对接收到一个扫频周期内的荧光调制信号和微波频率进行处理：

步骤1、数据存储单元_FL

步骤2、逻辑或单元对第n个和第n+1个逻辑值K

步骤3、矩阵整合分块单元将所有有效信号V

步骤4、矩阵整合分块单元将矩阵A按列分成维度为2×2的分块矩阵：

当n为奇数时，对矩阵A的最后一列数据后添加一列相同数据，记为A＝(A

当n为偶数时，记为A＝(A

步骤5、分块矩阵运算单元利用式(1)和式(2)分别分块矩阵A

M＝(M

N＝(N

式(3)和式(4)中，M

步骤6、逻辑异或单元_M'对第i个分块矩阵M

当异或结果为1时，频率提取单元_M将矩阵M的第i个分块矩阵M

当异或结果为0时，逻辑异或单元_M'判断逻辑值矩阵M'

若所述逻辑值矩阵M'

若所述逻辑值矩阵M'

步骤7、逻辑异或单元_N'按照步骤4对矩阵N中的分块矩阵进行判断和异或逻辑运算，并通过频率提取单元_N得到频率提取值，记为

步骤8、在一个工作周期内按步骤1-步骤7的过程得到4个提取频率值并进行升序排序后，记为f

式(5)中，g为朗德因子，μ