一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法与流程

本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法。

背景技术：

量子传感器利用量子自旋效应实现对磁场的测量，是一种具有超高灵敏度的磁场测试装置，在地质勘探、生物医疗及深远海磁异常探测等领域有广泛的应用前景。

基于磁共振效应的量子传感器通过测量量子自旋频率实现对磁场的精确测量，可达到更高的测量准确度。采用基于相关运算原理的相位闭环控制系统可以实现对量子自旋频率的稳定控制，并使量子自旋始终处于共振状态，以达到准确测量磁场强度的目的。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提出一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，实时补偿相位误差引入的控制偏差，使量子自旋频率更加接近磁共振频率，有效提高量子传感器在其测量带宽范围内的测量精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种磁共振量子传感器闭环控制系统，该系统包括控制器，数字直接频率合成器dds，量子传感器，低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d；

数字直接频率合成器dds输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节反馈给控制器，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节反馈给控制器，当控制器接收到的两路正弦信号的相位差与控制器相位参考输入存在偏差时，控制器会对数字直接频率合成器dds输出正弦信号的频率进行调节，并将调节后数字直接频率合成器dds输出的正弦信号作为激励信号输入量子传感器。

进一步，所述控制器相位参考输入为90°。

进一步，该系统还包括相位解算模块；数字直接频率合成器dds输出的两路正弦信号，一路信号通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节，另一路信号先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节后，先通过相位解算模块对两路正弦信号产生的相位误差进行动态补偿后再反馈给控制器，对磁共振量子传感器进行闭环控制。

进一步，所述相位解算模块根据两路输入信号，实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值，然后解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值，以解算得到的相位误差补偿值补偿磁共振控制系统的相位误差。

进一步，量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：

式中：ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量；

进一步，所述相位误差补偿值解算包括：

(1)设变量amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：

amax0＝ao(4)

式中：amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；

(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值ao，然后顺序执行公式(5)所述算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算后，收敛后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；

式中：amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取值范围为0.1-2，ki取值范围为0.01-0.2，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期。

一种磁共振量子传感器相位误差补偿控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、相位解算模块实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值；

步骤二、相位解算模块解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值；

步骤三、改变量子传感器所处稳定磁场环境的磁场强度，重复步骤一和步骤二，获得量子传感器在不同磁共振频率下磁共振控制系统的相位误差；对磁共振频率与相位误差的离散关系采用1元n阶方程进行曲线拟合，获得相位误差补偿值与磁共振频率的拟合关系表达式；

步骤四、在每个控制周期内，根据当前量子传感器正弦信号频率，实时更新相位误差补偿值，以实时更新的补偿磁共振控制系统相位误差。

进一步，所述步骤一中，处于稳定磁场环境中的量子传感器电压输出正弦信号的表达式为：

式中：vo(t)为量子传感器电压输出，ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，ω为频率，为相位，t为时间变量；

处于稳定磁场环境中的量子传感器输出正弦信号的幅值的实时结算采用自相关算法，所述自相关算法如下公式所示：

式中：t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量，ao为量子传感器输出正弦信号的幅值；

量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：

式中：ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量。

进一步，所述步骤二中，相位误差补偿值解算过程包括以下步骤：

(1)设变量amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：

amax0＝ao(4)

式中：amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；

(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值ao，然后顺序执行公式(5)所述算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算之后，收敛后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；

式中：amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取值范围为0.1-2，ki取值范围为0.01-0.2，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，对磁共振相位控制系统相位误差进行实时补偿，降低控制系统相位误差对量子传感器磁场测量精度的影响。

本发明一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，能够有效补偿磁共振相位控制系统存在的相位误差，提高量子传感器的测量精度。

本发明一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法，应用于核磁共振陀螺和基于顺磁共振效应的原子磁强计，特别适用于对测量精度要求较高的磁异常探测领域。

附图说明

图1是本发明磁共振量子传感器闭环控制系统结构示意图；

图2是本发明量子传感器磁共振频率与磁场强度之间的关系示意图；

图3是本发明补偿前后磁场强度测量误差对比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明一种量子传感器闭环控制系统及相位误差补偿控制方法详细说明。

如图1所示，本发明一种磁共振量子传感器闭环控制系统，包括控制器，数字直接频率合成器dds，量子传感器，低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d；

数字直接频率合成器dds输出的两路正弦信号，一路通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节反馈给控制器，另一路先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节反馈给控制器，当控制器接收到的两路正弦信号的相位差与控制器相位参考输入存在偏差时，控制器会对数字直接频率合成器dds输出数字正弦信号的频率进行调节，并将其作为激励信号输入量子传感器。

当该激励信号的频率为量子传感器磁共振频率时，控制器接收到的两路正弦信号的相位差为90°，此时量子传感器磁输出信号幅值也达到最大值；因此设置控制器相位参考输入为90°，量子传感器能够工作在磁共振状态，以实现对磁场的准确测量。

数字直接频率合成器dds输出的两路信号通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节时，由于这些环节在电路实现上并非完全对称，因而会导致数字直接频率合成器dds输出的两路正弦信号的相位差在经过这些环节之后会产生相位误差，这个相位误差会导致磁共振相位闭环控制系统稳态时，控制器接收到的两路正弦信号的相位差非90°，最终导致量子自旋频率偏离共振频率，进而影响量子传感器的磁场测量精度。

并且，当量子传感器所处主磁场发生变化时，量子自旋共振频率随之发生改变，不同的共振频率对应的控制系统相位误差也不同。

所述的一种磁共振量子传感器闭环控制系统，还包括相位解算模块，数字直接频率合成器dds输出的两路正弦信号，一路通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节，另一路先通过量子传感器，然后再通过低通滤波器lpf和模拟/数字转换器a/d环节后，先通过相位解算模块对两路正弦信号产生的相位误差进行动态补偿后再反馈给控制器，实现磁共振量子传感器的闭环控制。

本发明还包括一种磁共振量子传感器相位误差补偿控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、实时解算量子传感器输出正弦信号的幅值；

处于稳定磁场环境中的量子传感器电压输出正弦信号的表达式为：

式中：vo(t)为量子传感器电压输出，ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，ω为频率，为相位，t为时间变量；

对于处于稳定磁场环境中的量子传感器输出正弦信号的幅值的实时结算采用自相关算法，所述自相关算法如下公式所示：

式中：t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量，ao为量子传感器输出正弦信号的幅值；

则量子传感器输出正弦信号幅值的计算公式为：

式中：ao为量子传感器输出正弦信号的幅值，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期，vo(t)为量子传感器电压输出，t为时间变量；

步骤二、解算当前磁场环境下，磁共振量子传感器闭环控制系统存在的相位误差补偿值；

相位误差补偿值解算过程包括以下步骤：

(1)设变量amax0和的初值为0，在第一个控制周期内执行如下算法：

amax0＝ao(4)

式中：amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值；

(2)从第二个控制周期开始，依据公式(3)求取当前周期量子传感器输出正弦信号的幅值ao，然后顺序执行如下算法，并将当前周期相位误差补偿值与控制器的相位参考输入叠加，进行磁共振相位控制系统闭环控制，经过若干个控制周期的运算之后，收敛为常值后，即为待求取的当前磁场环境下控制系统存在的相位误差补偿值；

式中：amax1为量子传感器输出正弦信号包括当前控制周期在内的所有控制周期中幅值的最大值，amax0为量子传感器输出正弦信号在过去所有控制周期中幅值的最大值，ao量子传感器输出正弦信号的为幅值，为相位误差补偿值，kp和ki为常量，kp取值范围为0.1-2，ki取值范围为0.01-0.2，为磁共振量子传感器闭环控制系统上一控制周期的相位误差，t为磁共振量子传感器闭环控制系统的控制周期；

步骤三、改变量子传感器所处稳定磁场环境的磁场强度，重复步骤一和步骤二，获得量子传感器在不同磁共振频率下磁共振控制系统的相位误差；对磁共振频率与相位误差的离散关系采用1元n阶方程进行曲线拟合，获得相位误差补偿值与磁共振频率fr的拟合关系表达式，记为

步骤四、在每个控制周期内，根据当前量子传感器正弦信号频率，实时更新相位误差补偿值以实时更新的补偿磁共振控制系统相位误差，提升量子传感器的测量精度。

如图2和图3所示，利用本发明一种磁共振量子传感器相位误差补偿控制方法，对已知某量子传感器的磁场强度测量范围为20000nt-80000nt。在该测量范围内磁场强度变化1nt时，量子传感器磁共振频率变化3.5hz。绘制量子传感器磁共振频率与磁场强度之间的关系曲线如附图2所示。

为了测量磁共振闭环控制系统相位误差对磁场测量准确度的影响，首先将量子传感器放置在该稳定磁场内，然后在20000nt-80000nt范围内以1000nt固定步长连续改变传感器所处磁场的磁场强度，实时测量量子传感器磁共振频率。根据图2所示磁共振频率与磁场强度关系可得当前给定磁场强度的测量值。绘制磁场强度测量值与给定值之间的关系曲线如附图3中实线所示。从图3中实线所示可以发现，当磁共振闭环控制系统存在相位误差时，对已知磁场的测量存在误差，且该误差会随着磁场强度的增加而增加，从而严重影响量子传感器的测量准确度。

最后采用本发明提供的相位误差补偿控制方法对磁共振控制系统进行补偿控制，可得补偿后磁场强度测量值与给定值之间关系曲线如附图3中虚线所示。从图3中实线所示可以发现，该补偿控制方法可以有效补偿相位误差，提高量子传感器的测量精度。