一种基于数模控制的金刚石NV色心量子传感频率跟随方法与流程
本发明涉及量子精密测量，具体是一种基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法。
背景技术：
1、当前正是传统计量向量子计量转变的时期。量子精密测量技术利用量子调控技术取得了革命性突破，克服了传统测量技术的局限性，大幅提升了测量性能。因此，该领域在国际上成为了研究的焦点。金刚石nv色心是金刚石晶格中含有氮-空位缺陷的独特结构，可用于测量磁场。通过微波源的激发和光学检测，金刚石nv色心实现了高灵敏度和高分辨率的磁场测量。
2、目前，国内外的金刚石nv色心磁场测量研究主要集中在提高荧光对比度以提高系统灵敏度。尽管光学方法不断发展，系统灵敏度不断提高，但随着研究的深入，光学方法来提高系统性能变得越来越困难。微波电路是金刚石nv色心量子探测系统中的重要组成部分，也是提高系统性能的关键因素之一。因此，通过改进微波方面，通过控制微波源，能够准确且快速地跟随金刚石nv色心的谐振频率，从而有效提高系统性能。而在传统的利用金刚石nv色心检测磁场方法中，没有考虑环境磁场噪声，光学噪声和电磁等的干扰，从而产生测量误差，影响测量的灵敏度和精确度，为此提出一种基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，包括以下步骤：
3、s1、设置偏置磁场，激发含有nv色心的金刚石，完成初始化的工作；
4、s2、在待测磁场环境下，激发含有nv色心的金刚石产生荧光强度信号；
5、s3、将荧光强度信号转化为电信号；
6、s4、对电信号进行pid控制及差分处理；
7、s5、将经过差分后的信号传给fpga控制单元计算出金刚石nv色心谐振频率的偏移量，通过数模控制方法控制微波源的中心频率产生对应频率的校正量，更新微波源的中心频率；
8、s6、最后微波源发出的信号经过功率放大器，传入微波天线，微波天线将电信号转化为微波信号传给金刚石nv色心。
9、作为本发明进一步的方案：所述步骤1中需要用激光源照射金刚石nv色心，使其极化，并发生塞曼劈裂，完成系统的初始化工作。
10、作为本发明进一步的方案：所述步骤4操作过程中采用了差分式处理方法：
11、即使用两个含有nv色心的金刚石放置在待测磁场的两侧；通过对两侧含有nv色心的金刚石测得的信号进行差分处理，在信号处理过程中使用pid控制减小系统光学和电磁干扰误差。
12、作为本发明进一步的方案：所述步骤4的具体步骤如下：
13、s4.1、将转化的电信号传入锁相放大器进行解调，在偏置磁场的作用下金刚石nv色心会出现低、高谐振频率rl和rh，产生odmr谱线，rl和rh会被解调，锁相放大器的一路正交相位输出通过pid电路产生误差信号；与另一路正交相位输出构成闭环pid控制；
14、s4.2、调节后的信号传入差分放大电路进行差分处理，由于产生谐振频率rl和rh的时间不同，差分放大电路根据时间差分别计算出rl和rh频率处的差分结果，进一步减小环境磁场噪声误差。
15、作为本发明进一步的方案：所述步骤5中的fpga控制单元是由模数转换模块adc、fpga板卡和数模转换模块dac构成，所述adc将输入模拟信号转换为数字信号，并把数字信号通过串口通信发送至fpga板卡，所述fpga板卡用于对数据进行处理，并产生相应的控制信号，所述dac用于与fpga板卡通信并将控制信号传入微波源。
16、作为本发明进一步的方案：所述步骤5-步骤6：需要分别对两个微波源的中心频率进行控制，使两个微波源发出的微波信号能够跟随两侧金刚石nv色心发出荧光强度的变化。
17、作为本发明进一步的方案：所述数模控制方法有两种模式，分别是模拟单独控制和模拟、数字混合控制。
18、作为本发明进一步的方案：所述荧光强度信号产生的方法为：先通过分光器将532nm的绿色激光源平均作用于两个含有nv色心的金刚石，经过激光源照射后的金刚石nv色心发生能级跃迁产生红色荧光强度信号。
19、作为本发明进一步的方案：所述红色荧光强度信号转化为电信号的方法：所述红色荧光强度信号经滤波片传入光电传感器，然后通过光电转化将荧光强度信号转化为电信号。
20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21、1、本发明在获取金刚石nv色心的谐振频率信号以控制微波源的微波频率的过程中，采用pid控制方法，可减小光学噪声、电磁干扰等误差；之后又对信号进行了差分处理，可有效减小环境磁场噪声以及温度漂移效应对金刚石nv色心谐振频率信号的影响。
22、2、根据经过pid控制和差分等误差校正处理后的信号，采用数模混合控制方法可准确控制微波发生器的中心频率，使微波源中心频率的变化和金刚石nv色心发出荧光强度的变化保持一致，提高了金刚石nv色心谐振频率的跟随精度和速度。
技术特征：
1.一种基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述步骤1中需要用激光源照射金刚石nv色心，使其极化，并发生塞曼劈裂，完成系统的初始化工作。
3.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述步骤4操作过程中采用了差分式处理方法：
4.根据权利要求3所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述步骤5中的fpga控制单元是由模数转换模块adc、fpga板卡和数模转换模块dac构成，所述adc将输入模拟信号转换为数字信号，并把数字信号通过串口通信发送至fpga板卡，所述fpga板卡用于对数据进行处理，并产生相应的控制信号，所述dac用于与fpga板卡通信并将控制信号传入微波源。
6.根据权利要求5所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述步骤5-步骤6：需要分别对两个微波源的中心频率进行控制，使两个微波源发出的微波信号能够跟随两侧金刚石nv色心发出荧光强度的变化。
7.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述数模控制方法有两种模式，分别是模拟单独控制和模拟、数字混合控制。
8.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述荧光强度信号产生的方法为：先通过分光器将532nm的绿色激光源平均作用于两个含有nv色心的金刚石，经过激光源照射后的金刚石nv色心发生能级跃迁产生红色荧光强度信号。
9.根据权利要求1所述的基于数模控制的金刚石nv色心量子传感频率跟随方法，其特征在于，所述红色荧光强度信号转化为电信号的方法：所述红色荧光强度信号经滤波片传入光电传感器，然后通过光电转化将荧光强度信号转化为电信号。
技术总结
本发明公开了一种基于数模控制的金刚石NV色心量子传感频率跟随方法，包括以下步骤：设置偏置磁场，激发含有NV色心的金刚石，完成初始化的工作；在待测磁场环境下，激发含有NV色心的金刚石产生荧光强度信号；将荧光强度信号转化为电信号；对电信号进行PID控制及差分处理；将经过差分后的信号传给FPGA控制单元计算出金刚石NV色心谐振频率的偏移量，通过数模控制方法控制微波源的中心频率产生对应频率的校正量，更新微波源的中心频率。本发明通过对信号进行PID控制和差分等误差校正处理，可以准确控制微波源的中心频率，使微波源中心频率的变化和金刚石NV色心发出荧光强度的变化保持一致，提高了金刚石NV色心谐振频率的跟随精度和速度。
技术研发人员：殷小东,胡浩亮,刘冬梅,项彪,陈乐乐,仇茹嘉,丁国成,田腾,王恩惠
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23