磁场测量系统、方法以及存储介质与流程

1.本发明涉及磁测量技术领域，尤其涉及一种磁场测量系统、方法以及存储介质。


背景技术：

2.在金刚石晶体中，如若一个氮原子取代了金刚石中的一个碳原子并且在临近位存在一个空穴，则将这样的一个缺陷称为一个nv(nitrogen vacancy，氮空位)色心。nv色心在激光的照射下会产生较强的荧光。
3.相关技术中，可以通过给nv色心外加一个微波，该微波会影响nv色心的电子自旋状态，从而使得nv色心的荧光强度发生改变；进而给nv色心外加一个外加待测磁场，该外加待测磁场会使nv色心的能级发生分裂，出现两个荧光强度峰值。从而通过检测在外加微波与外加待测磁场后nv色心的荧光强度的变化来对外加待测磁场进行测量。然而，相关技术中的磁测量技术，存在着测量范围偏低的问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种磁场测量系统，以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
5.本发明的第二个目的在于提出一种磁场测量方法。
6.本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
7.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出一种磁场测量系统，包括测量件，所述测量件置于外加待测磁场中，所述测量件包括nv色心；光源组件，所述光源组件用于产生照射所述测量件的操控激光，以使所述nv色心产生荧光；操控组件，所述操控组件用于为所述测量件提供微波操控场，以改变所述nv色心的荧光强度；射频组件，所述射频组件用于为所述测量件提供外加调制磁场，以调制所述nv色心的荧光强度；信号采集组件，所述信号采集组件用于采集并预处理所述nv色心的荧光信号；上位机，所述上位机分别与所述光源组件、所述操控组件、所述射频组件和所述信号采集组件连接，所述上位机用于控制所述光源组件产生所述操控激光，控制所述操控组件产生第一预设频率的微波操控场，并控制所述射频组件产生第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场，以及从所述信号采集组件获取所述荧光信号，并根据所述荧光信号得到所述外加调制磁场的二次谐波幅度，根据所述二次谐波幅度计算外加待测磁场的强度，其中，所述第一预设频率为所述nv色心的共振频率外加待测磁场。
8.根据本发明实施例的磁场测量系统，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
9.为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出一种磁场测量方法，所述磁场测量方法用于上述的磁场测量系统，所述磁场测量系统包括以下步骤：控制操控组件为处于外加待测磁场中的测量件提供第一预设频率的微波操控场，并控制所述射频组件为所述测量
件提供第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场，其中，所述第一预设频率为所述测量件中nv色心的共振频率；获取荧光信号；根据所述荧光信号得到所述外加调制磁场的二次谐波幅度；根据所述二次谐波幅度计算所述外加待测磁场的强度。
10.本发明实施例的磁场测量方法，通过控制操控组件为处于外加待测磁场中的测量件提供第一预设频率的微波操控场，并控制射频组件为测量件提供第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场，其中，第一预设频率为测量件中nv色心的共振频率；进而获取荧光信号；以根据荧光信号得到外加调制磁场的二次谐波幅度；从而根据二次谐波幅度计算外加待测磁场的强度。该磁场测量方法，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
11.为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的磁场测量方法。
12.本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上的计算机程序被处理器执行时，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
13.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
14.图1是本发明第一实施例的磁场测量系统的结构框图；
15.图2是本发明第二实施例的磁场测量系统的结构框图；
16.图3是本发明一个示例的磁场测量系统的工作流程图；
17.图4是本发明一个实施例的磁场测量方法的流程图。
具体实施方式
18.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
19.下面参考附图描述本发明实施例的磁场测量系统、方法以及存储介质。
20.图1是本发明一个实施例的磁场测量系统的结构框图。
21.如图1所示，磁场测量系统10包括测量件11、光源组件12、操控组件13、射频组件14、信号采集组件15、上位机16。
22.其中，测量件11置于外加待测磁场中，测量件11包括nv色心；光源组件12用于产生照射测量件11的操控激光，以使nv色心产生荧光；操控组件13用于为测量件11提供微波操控场，以改变nv色心的荧光强度；射频组件14用于为测量件11提供外加调制磁场，以调制nv色心的荧光强度；信号采集组件15用于采集nv色心的荧光信号；上位机16分别与光源组件12、操控组件13、射频组件14和信号采集组件15连接，上位机16用于控制光源组件12产生操控激光，控制操控组件13产生第一预设频率的微波操控场，并控制射频组件14产生第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场，以及从信号采集组件15获取荧光信号，并根据荧光信号得到外加调制磁场的二次谐波幅度，根据二次谐波幅度计算外加待测磁场的强度，
其中，第一预设频率为nv色心的共振频率。
23.具体地，测量件11为一个置于外加待测磁场内的包含nv色心的物质(例如，可以为一个金刚石)。上位机16控制光源组件12产生操控激光并通过该操控激光照射测量件11，同时上位机16控制操控组件13产生微波操控场，测量件11包含的nv色心会在操控激光和微波操控场的作用下产生荧光信号。信号采集组件15采集该荧光信号，并将该荧光信号发送至上位机16。上位机16可根据该荧光信号判断nv色心是否发生共振，如果没有，则改变操控组件13所产生微波操控场的频率，直至得到可判定nv色心发生共振的频率，将该频率作为第一预设频率。
24.进一步地，上位机16在控制操控组件13生成微波控制场之后，控制射频组件14生成第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场。该外加调制磁场与外加待测磁场叠加，从而实现对nv色心生成的荧光信号进行调制。信号采集组件15采集调制后的荧光信号，并根据该荧光信号得到外加调制磁场的二次谐波幅度，进而根据二次谐波幅度计算外加待测磁场的强度。
25.具体地，可以预先获取外加调制磁场二次谐波幅度与外加待测磁场强度之间的对应关系；例如，可以通过预先测量获取二次谐波幅度-外加待测磁场强度对应关系表，进而将该关系表存储在上位机16内。从而在得到外加调制磁场的二次谐波幅度后，可以根据上述对应关系获取外加待测磁场的强度。
26.可选地，上述第二预设频率和第一预设幅度可以预先设定；即，可以由用户根据自身预估的需求自行设定外加调制磁场的第二预设频率和第一预设幅度，也可直接使用射频组件14默认的第二预设频率和第一预设幅度，进而在实际测量的过程中射频组件14产生的磁场的频率和幅度不再发生变化。
27.需要说明的是，若外加待测磁场与微波共振频率的偏差过大，会导致nv色心产生的荧光强度无法反映磁场的强度变化。由此，本发明利用指定幅度和频率的外加调制磁场，得到经磁场调制的荧光信号，进而通过荧光信号的光强度的变化获取外加调制磁场的二次谐波幅度，从而根据外加调制磁场的二次谐波幅度计算外加调制磁场的强度。
28.作为一个示例，上述上位机16在根据荧光信号得到外加调制磁场的二次谐波幅度时，具体用于使用快速傅里叶变换fft算法分析荧光信号的频谱，得到二次谐波幅度。
29.在本发明的实施例中，如图2所示，上述光源组件12包括激光器121和透镜122。激光器121用于产生激光(例如，可以产生能使nv色心产生红色荧光的532nm波长的激光)。透镜122用于对激光器121产生的激光进行准直和聚焦处理，形成操控激光，并照射到测量件11的预设位置，由此，可以将激光器121产生的激光聚集到预设位置，从而改善测量效果。
30.参见图2，上述操控组件13包括：微波源131、功率放大器132、辐射件133。其中，微波源131与上位机16连接，用于在上位机16的控制下，产生微波；功率放大器132用于对微波进行放大处理，得到微波操控场；辐射件133用于将微波操控场作用至测量件11。
31.参见图2，上述射频组件14包括：射频信号发生器141、射频放大器142、亥姆霍兹线圈143。其中，射频信号发生器141与上位机16连接，用于在上位机16的控制下，产生第二预设频率和第一预设幅度的射频信号；射频放大器142用于对射频信号进行放大处理；亥姆霍兹线圈143用于在放大后的射频信号的作用下产生外加调制磁场。
32.参见图2，上述信号采集组件15包括：荧光采集器151、光电探测器152、锁相放大器
153。其中，荧光采集器151用于采集荧光信号；光电探测器152用于将荧光信号转换为电信号；锁相放大器153与上位机16连接，锁相放大器153用于将电信号转换为数字信号，并对数字信号进行解调，以及将解调后的数字信号上传至上位机16，从而实现对荧光信号的预处理。
33.在本发明的一个实施例中，如图3所示，上述得到第一预设频率的流程可以为：
34.s301，控制操控组件产生基准频率的微波操控场。
35.s302，获取当前微波操控场对应的荧光信号。
36.s303，根据荧光信号判断能否得到共振频率，如果否，则执行步骤s304，如果是，则执行步骤s305。
37.s304，控制操控组件产生其他频率的微波操控场。
38.s305，控制操控组件输出共振频率的微波操控场。
39.综上，本发明实施例的磁场测量系统，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
40.图4是本发明一个实施例的磁场测量方法的流程图。
41.在该实施例中，磁场测量方法用于上述的磁场测量系统。
42.如图4所示，磁场测量方法包括以下步骤：
43.s401，控制操控组件为处于外加待测磁场中的测量件提供第一预设频率的微波操控场，并控制射频组件为测量件提供第二预设频率和第一预设幅度的外加调制磁场，其中，第一预设频率为测量件中nv色心的共振频率。
44.具体地，在该实施例中，测量件11被放置在外加待测磁场中，该测量件11包括nv色心。光源组件12产生照射测量件11的操控激光，以使nv色心产生荧光。进而操控组件13为测量件11提供微波操控场，以改变nv色心的荧光强度；射频组件14为测量件11提供外加调制磁场，以调制nv色心的荧光强度。
45.其中，操控组件产生微波操控场的步骤可以为：控制操控组件13产生基准频率的微波操控场；获取当前微波操控场对应的荧光信号；根据荧光信号判断能否得到共振频率；如果不能，则控制操控组件13产生其他频率的微波操控场，并返回获取当前微波操控场对应的荧光信号的步骤；如果能，则控制操控组件13输出共振频率的微波操控场。
46.s402，获取荧光信号。
47.s403，根据荧光信号得到外加调制磁场的二次谐波幅度。
48.具体地，可以使用快速傅里叶变换fft算法分析所述荧光信号的频谱，得到所述二次谐波幅度。
49.s404，根据二次谐波幅度计算外加待测磁场的强度。
50.综上，本发明实施例的磁场测量方法，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而可提升磁场测量的动态范围。
51.进一步地，本发明提出一种计算机可读存储介质。
52.在本发明实施例中，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现上述的磁场测量方法。
53.本发明实施例的计算机可读存储介质，在其上的计算机程序被处理器执行时，可以使得nv色心的磁场测量量程提升到调制磁场(即上述的外加调制磁场)幅度的范围，从而
可提升磁场测量的动态范围。
54.需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
55.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
59.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
61.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。