高速大动态范围磁场测量系统

1.本发明涉及传感技术领域，特别是涉及一种高速大动态范围磁场测量系统。


背景技术：

2.在当今科技发展中，对磁场进行精确测量在许多领域起着至关重要的作用，如在国防军事上对深海潜艇探测、卫星和飞行物导航，在资源开发领域有地下和水下矿产资源探测，在医疗与生命科学领域有心磁探测、生物分子检测等。研制高精度、高稳定性的磁测量仪器，对众多科技领域的发展具有重要意义。
3.目前，检测弱磁信号的主要方法有超导量子干涉仪(squid)、霍尔磁强计、磁通门磁强计、光泵磁强计、质子磁力计等。squid根据材料可分为高温超导squid和低温超导squid。squid是目前为止灵敏度最高的磁强计，其缺点是空间分辨率较低，并且需要在低温环境下工作，复杂昂贵的冷却设备以及庞大的体积大大限制了其应用的广度。霍尔磁强计的灵敏度较差，且易受温度影响。质子磁力仪是目前为止测量地磁场总强度最精确的仪器，由于质子进动磁强计的恢复频率在几个hz量级，低的时间精度限制了其应用。
4.近十余年来，随着量子技术的不断发展，基于固态自旋nv色心(nitrogen-vacancy center)的磁强计凭借其出色的磁灵敏度以及高空间分辨率等优势得到了科学家们的广泛关注，使其成为当代最具潜力的量子器件之一。钻石nv色心的磁传感能力是基于电子自旋在磁场中的塞曼效应。电子在空间中的角动量是量子化的，电子具有的角动量特性称之为自旋，自旋磁矩使电子在磁场下产生能级移动，表现为微波-荧光光谱中的能级劈裂，称之为塞曼效应。塞曼劈裂大小与磁场大小成正比，因此可利用电子自旋中的塞曼劈裂进行磁场探测。
5.基于钻石nv色心的光检测磁共振(optically detected magnetic resonance，odmr)传感技术，是通过nv色心塞曼劈裂能级的共振点位置得出外界磁场变化信息。然而目前基于odmr的传统磁检测方法有以下缺点，导致难以适应复杂工况使用：
6.1.动态范围小，受限于共振峰宽度，磁测量的动态范围最大仅有几百μt(微特斯拉)，磁场变化超过共振峰以外即超出量程；
7.2.脉冲时序方法磁场测量重复次数多，基于复杂微波脉冲序列的磁测量需要105—106次重复测量，尽管测量精度高，但是持续时间长，不适合实际工况；
8.3.连续方法磁测量刷新率低，不满足大动态范围高刷新率高精度测量的要求。
9.因此，如何解决基于nv色心的光检测磁共振传感技术的动态范围小、时间分辨率低、精度低的问题，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

10.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速大动态范围磁场测量系统，用于解决现有技术中基于nv色心的光检测磁共振传感技术的动态范围小、刷新率低、精度低、摆率低等问题。
11.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速大动态范围磁场测量系统，所述高速大动态范围磁场测量系统至少包括：
12.捷变射频源，混频器、磁场检测模块、锁相解调模块及闭环锁频模块；
13.所述捷变射频源连接于所述闭环锁频模块的输出端，基于所述闭环锁频模块输出的频率控制字产生相应的中频信号；
14.所述混频器的中频信号输入端连接所述捷变射频源的输出端，本振信号输入端连接本振信号，输出射频信号；
15.所述磁场检测模块连接所述混频器的输出端，基于所述射频信号及激光信号对磁场进行检测产生相应的荧光信号，并输出与所述荧光信号对应的数字电信号；
16.所述锁相解调模块连接于所述磁场检测模块的输出端，基于参考信号对所述磁场检测模块的输出信号进行解调，并调整所述参考信号的相位使所述磁场检测模块的输出信号与所述参考信号的相位锁定，输出荧光解调信号；
17.所述闭环锁频模块连接于所述锁相解调模块的输出端，基于所述荧光解调信号跟踪计算当前周期相对于上一周期的微波频率移动量及磁场大小变化量，得到当前周期的微波中心频率及磁场大小，并将所述微波频率移动量转换为频率控制字以更新所述中频信号的频率；
18.其中，所述本振信号的调制频率与所述参考信号同频。
19.可选地，所述磁场检测模块包括磁传感器、第一光电探测器及第一模数转换器；
20.所述磁传感器对磁场进行检测并产生相应的荧光信号；
21.所述第一光电探测器连接于所述磁传感器的输出端，将所述荧光信号转换为电信号；
22.所述第一模数转换器连接于所述第一光电探测器的输出端，将所述第一光电探测器输出的模拟信号转换为数字信号。
23.更可选地，所述磁传感器为顺磁共振传感器。
24.更可选地，所述磁传感器为钻石nv色心磁传感探头。
25.更可选地，所述磁场检测模块还包括第一低噪声前置放大器，所述第一低噪声前置放大器连接于所述第一光电探测器与所述第一模数转换器之间。
26.更可选地，所述磁场检测模块还包括第一带通滤波器，所述第一带通滤波器连接于所述第一光电探测器与所述第一模数转换器之间。
27.可选地，所述高速大动态范围磁场测量系统还包括本振信号产生模块，所述本振信号产生模块基于所述参考信号的同频信号进行频率调制，得到所述本振信号。
28.更可选地，所述高速大动态范围磁场测量系统还包括数模转换器，所述数模转换器连接所述参考信号，将所述参考信号转换为模拟信号，以为所述本振信号产生模块提供所述参考信号的同频信号。
29.可选地，所述高速大动态范围磁场测量系统还包括显示器，所述显示器连接所述闭环锁频模块的输出端，用于显示所述闭环锁频模块计算到的磁场大小。
30.可选地，所述锁相解调模块包括第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、鉴相器及直接数字频率合成器；
31.所述第一乘法器的第一输入端连接所述磁场检测模块的输出端，第二输入端连接
所述直接数字频率合成器的输出端，将所述磁场检测模块的输出信号与正交参考信号相乘；
32.所述第一低通滤波器连接于所述第一乘法器的输出端，滤除所述第一乘法器的输出信号中的高频分量，得到正交解调信号；
33.所述第二乘法器的第一输入端连接所述磁场检测模块的输出端，第二输入端连接所述直接数字频率合成器的输出端，将所述磁场检测模块的输出信号与同相参考信号相乘；
34.所述第二低通滤波器连接于所述第二乘法器的输出端，滤除所述第二乘法器的输出信号中的高频分量，得到同相解调信号；所述同相解调信号作为荧光解调信号输出；
35.所述鉴相器连接于所述第一低通滤波器及所述第二低通滤波器的输出端，得到所述磁场检测模块的输出信号与所述同相参考信号的相位差；
36.所述直接数字频率合成器连接于所述鉴相器的输出端，基于所述相位差调整所述正交参考信号及所述同相参考信号的相位。
37.更可选地，所述鉴相器对所述正交解调信号及所述同相解调信号进行反正切函数运算。
38.更可选地，所述锁相解调模块及所述闭环锁频模块采用现场可编程逻辑门阵列实现。
39.更可选地，所述高速大动态范围磁场测量系统还包括激光本底解调信号产生模块，基于参考激光信号得到激光本底解调信号，并与所述锁相解调模块的输出信号差分后输入所述闭环锁频模块中。
40.更可选地，所述激光本底解调信号产生模块包括：第二光电探测器、第二模数转换器、第三乘法器及第三低通滤波器；
41.所述第二光电探测器将所述参考激光信号转换为电信号；
42.所述第二模数转换器连接于所述第二光电探测器的输出端，将所述第二光电探测器输出的模拟信号转换为数字信号；
43.所述第三乘法器的第一输入端连接所述第二模数转换器的输出端，第二输入端连接正交参考信号，将所述第二模数转换器的输出信号与正交参考信号相乘；
44.所述第三低通滤波器连接于所述第三乘法器的输出端，滤除所述第三乘法器的输出信号中的高频分量，得到所述激光本底解调信号。
45.更可选地，所述激光本底解调信号产生模块还包括第二低噪声前置放大器，所述第二低噪声前置放大器连接于所述第二光电探测器与所述第二模数转换器之间。
46.更可选地，所述激光本底解调信号产生模块还包括第二带通滤波器，所述第二带通滤波器连接于所述第二光电探测器与所述第二模数转换器之间。
47.如上所述，本发明的高速大动态范围磁场测量系统，具有以下有益效果：
48.1、本发明为基于电子顺磁共振光探测原理的磁测量提供了一个硬件系统，利用共振频率追踪方式拓展了测量动态范围。相较于传统odmr测磁技术的百μt的测量动态范围，本发明的测量动态范围理论上不受限制，仅由捷变射频源的带宽δω决定；单通道测量时，投影磁场强度最大变化量对应磁场范围
49.2、本发明的高速大动态范围磁场测量系统的测量刷新率高，硬件触发响应速度快，刷新率可达10khz以上。
50.3、本发明的高速大动态范围磁场测量系统中微波信号采用捷变信号源与本振信号源混频的方式产生，可根据不同应用场景更换本振源，灵活度高，适用场景广泛，可在高背景场和低背景场下进行精确磁测量。
51.4、本发明的高速大动态范围磁场测量系统中主控单元采用fpga芯片，fpga芯片具有可编程性，可根据不同场景对测量电路参数进行修改(如更换参考频率等)，或对测量电路功能进行扩展或删减(例如使用温漂抑制和矢量测量时，可根据需要灵活地扩展测量通道，来满足不同的测量需求)，扩展性强。
附图说明
52.图1显示为本发明的高速大动态范围磁场测量系统的结构示意图。
53.图2显示为本发明的实现大动态范围磁场测量的示意图。
54.图3显示为本发明的闭环锁频模块的工作原理示意图。
55.图4显示为本发明的待测磁场的频率-振幅示意图。
56.图5显示为本发明的高速大动态范围磁场测量系统实时测量的实验数据的示意图。
57.元件标号说明
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高速大动态范围磁场测量系统
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10
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捷变射频源
[0059]
11
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混频器
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12
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磁场检测模块
[0060]
121
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磁传感器
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122
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第一光电探测器
[0061]
123
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第一模数转换器
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124
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第一低噪声前置放大器
[0062]
125
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第一带通滤波器
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13
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锁相解调模块
[0063]
131
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第一乘法器
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132
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第二乘法器
[0064]
133
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第一低通滤波器
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134
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第二低通滤波器
[0065]
135
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鉴相器
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136
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直接数字频率合成器
[0066]
14
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闭环锁频模块
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15
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本振信号产生模块
[0067]
16
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数模转换器
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17
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激光本底解调信号产生模块
[0068]
171
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第二光电探测器
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172
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第二模数转换器
[0069]
173
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第三乘法器
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174
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第三低通滤波器
[0070]
175
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第二低噪声前置放大器
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176
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第二带通滤波器
[0071]
18
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显示器
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19
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现场可编程逻辑门阵列
具体实施方式
[0072]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0073]
请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本
发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0074]
如图1所示，本实施例提供一种高速大动态范围磁场测量系统1，所述高速大动态范围磁场测量系统1包括：
[0075]
捷变射频源10，混频器11、磁场检测模块12、锁相解调模块13及闭环锁频模块14。
[0076]
如图1所示，所述捷变射频源10连接于所述闭环锁频模块14的输出端，基于所述闭环锁频模块14输出的频率控制字产生相应的中频信号if。
[0077]
具体地，所述捷变射频源10为所述混频器11提供边带偏移信号，接收所述频率控制字，基于所述频率控制字快速改变输出信号频率(作为示例，切换速度小于1us，可至ns量级)，得到相应的中频信号if，为所述混频器11提供边带偏移信号。所述捷变射频源的电路结构不限，任意能基于所述频率控制字得到对应中频信号的结构均适用于本发明，在此不一一赘述。
[0078]
如图1所示，所述混频器11的中频信号输入端连接所述捷变射频源10的输出端，本振信号输入端连接本振信号lo，输出射频信号rf。其中，所述本振信号lo的调制频率与所述锁相解调模块13中的参考信号的同频。
[0079]
具体地，所述混频器11的结构不限，包括但不限于单边带混频器或iq混频器，任意能实现混频功能的电路结构均适用于本发明。所述混频器11输出的单边带动态范围可完全覆盖4对光探测磁共振峰以及待测磁场所引起的频移区间。
[0080]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述高速大动态范围磁场测量系统1还包括本振信号产生模块15，所述本振信号产生模块15基于所述参考信号的同频信号进行频率调制(调制频率为f
mod
，调制深度为f
dev
)，调制频率由所述参考信号的同频信号提供，作为示例，调频范围设定为100hz-100khz，调制频率的下限由磁场刷新率决定，最终得到所述本振信号lo。进一步地，作为示例，所述高速大动态范围磁场测量系统1还包括数模转换器16，所述数模转换器16连接所述参考信号，将所述参考信号转换为模拟信号，以为所述本振信号产生模块15提供所述参考信号的同频信号。
[0081]
需要说明的是，在本实施例中，所述参考信号的同频信号为所述参考信号本身；在实际使用中，可根据需要设置一与所述参考信号同频的信号，不以本实施例为限。
[0082]
如图1所示，所述磁场检测模块12连接所述混频器11的输出端，基于所述射频信号rf及激光信号对磁场进行检测产生相应的荧光信号，并输出与所述荧光信号对应的数字电信号。
[0083]
具体地，所述磁场检测模块12基于电子顺磁共振光探测原理对磁场进行检测，并输出相应电信号，所述电信号为数字信号。在本实施例中，所述磁场检测模块12包括磁传感器121、第一光电探测器122及第一模数转换器123；所述磁传感器121处于待测的磁场环境中，包括高频微波输入接口及光输出接口，所述高频微波输入接口连接所述射频信号rf，在所述射频信号rf(微波)与所述激光信号对所述磁传感器121共同作用下产生荧光信号，并从所述光输出接口输出；作为示例，所述磁传感器121为顺磁共振传感器，包括但不限于基于nv色心的磁传感器，例如钻石nv色心的磁传感器。所述第一光电探测器122连接于所述磁传感器121的输出端，将所述荧光信号转换为电信号；作为示例，所述第一光电探测器122包
括但不限于光电二极管。所述第一模数转换器123连接于所述第一光电探测器122的输出端，将所述第一光电探测器122输出的模拟信号转换为数字信号，以对所述第一光电探测器122的输出信号进行采样；其中，所述第一光电探测器122的采样率大于5倍调制频率。
[0084]
具体地，作为本发明的一种实现方式，所述磁场检测模块12还包括第一低噪声前置放大器124，所述第一低噪声前置放大器124连接于所述第一光电探测器122与所述第一模数转换器123之间，对所述第一光电探测器122的输出信号进行低噪声前置放大。作为本发明的另一种实现方式，所述磁场检测模块12还包括第一带通滤波器125，所述第一带通滤波器125连接于所述第一光电探测器122与所述第一模数转换器123之间，用于提取调频模式下选定的频率调制信号。在本实施例中，所述第一低噪声前置放大器124与所述第一带通滤波器125兼具，此时，所述第一低噪声前置放大器124连接于所述第一光电探测器122的输出端，所述第一带通滤波器125连接于所述第一低噪声前置放大器124的输出端，所述第一模数转换器123连接于所述第一带通滤波器125的输出端。
[0085]
如图1所示，所述锁相解调模块13连接于所述磁场检测模块12的输出端，基于参考信号对所述磁场检测模块12的输出信号进行解调，并调整所述参考信号的相位使所述磁场检测模块12的输出信号与所述参考信号的相位锁定，输出荧光解调信号。
[0086]
具体地，在本实施例中，所述锁相解调模块13采用双相解调法对参考信号和所述磁场检测模块12的输出信号之间的相位差进行补偿，包括第一乘法器131、第二乘法器132、第一低通滤波器133、第二低通滤波器134、鉴相器135及直接数字频率合成器(direct digital synthesizer，dds)136。所述第一乘法器131的第一输入端连接所述磁场检测模块12的输出端，第二输入端连接所述直接数字频率合成器136的输出端，将所述磁场检测模块12的输出信号与正交参考信号相乘。所述第一低通滤波器133连接于所述第一乘法器131的输出端，所述第一低通滤波器133为数字滤波器，滤除所述第一乘法器131的输出信号中的高频分量，得到正交解调信号y(直流信号)。所述第二乘法器132的第一输入端连接所述磁场检测模块12的输出端，第二输入端连接所述直接数字频率合成器136的输出端，将所述磁场检测模块12的输出信号与同相参考信号相乘。所述第二低通滤波器134连接于所述第二乘法器132的输出端，所述第二低通滤波器134为数字滤波器，滤除所述第二乘法器132的输出信号中的高频分量，得到同相解调信号x(直流信号)；所述同相解调信号x作为荧光解调信号输出。所述鉴相器135连接于所述第一低通滤波器133及所述第二低通滤波器134的输出端，得到所述磁场检测模块12的输出信号与所述同相参考信号的相位差；作为示例，所述鉴相器135对所述正交解调信号y及所述同相解调信号x进行反正切函数运算以得到相位差，满足相位差在实际使用中，可根据需要设置鉴相方法。所述直接数字频率合成器136连接于所述鉴相器135的输出端，基于所述相位差调整所述正交参考信号及所述同相参考信号的相位，以使得所述同相参考信号与所述磁场检测模块12的输出信号的相位差为零。
[0087]
需要说明的是，所述第一低通滤波器133及所述第二低通滤波器134的截止频率选取与时间常数相关，可根据刷新率和信噪比调整，在此不一一赘述。
[0088]
如图1所示，所述闭环锁频模块14连接于所述锁相解调模块13的输出端，基于所述荧光解调信号跟踪计算当前周期相对于上一周期的微波频率移动量δf及磁场大小变化量
δb，得到当前周期的微波中心频率及磁场大小，并将所述微波频率移动量δf转换为频率控制字以更新所述中频信号if的频率。
[0089]
具体地，所述闭环锁频模块14包括列表初始化扫频模式和实时测量模式，所述初始化扫频模式下确定相对零点，所述实时测量模式下基于相对零点对磁场进行跟踪测量。
[0090]
更具体地，在初始化扫频模式下，所述闭环锁频模块14在预设频率区间内生成一系列频率控制字，等间隔地控制所述捷变射频源10进行扫频，同时将微波频率和解调信号存入二维数组，得到共振峰的微波-解调信号谱(共振峰的微波-解调信号谱的数量由磁传感器的材质决定，在本实施例中采用钻石因此可得到4对共振峰的微波-解调信号谱)，对共振峰进行拟合得到线性区域的斜率ki和微波共振频率fi，根据(2.87ghz为钻石的能级差，磁传感器的材质不同此处相应调整，不以本实施例为限)计算出初始化参量磁场大小b0和对应微波频率f0，其中，旋磁比γ≈28ghz/t(旋磁比由磁传感器的材质决定，不以本实施例为限)，i对应不同的共振峰；由此确定相对零点，获取测量初始化参数。
[0091]
更具体地，在实时测量模式下，所述闭环锁频模块14在初始化参数的基础上开始实时测量，每一个测量周期内通过所述锁相解调模块13的输出信号与上一周期的差值计算得到微波频率移动量δf及磁场大小变化量δb，进而得到当前周期的微波中心频率及磁场大小。在本实施例中，选取一个共振峰进行磁场测量，如图2所示为所述闭环锁频模块14实现大动态范围测量磁场的过程，外界磁场变化使共振峰位移动，输入所述闭环锁频模块14的解调信号v偏离零点，所述闭环锁频模块14计算出微波频率移动量δf及磁场大小变化量δb，其中和k为斜率，即得到本周期的nv轴向投影磁场大小bj＝b
j-1
+δb和微波中心频率fj＝f
j-1
+δf，其中b
j-1
和f
j-1
分别是上一个周期得到的磁场大小和微波中心频率。图3所示为所述闭环锁频模块14的工作原理，通过闭环锁频技术解调出共振峰频率位置，并在一个闭环周期内解算出频移量和对应磁场变化量，将移动微波中心频率到共振峰位后进入下一个测量周期。
[0092]
更具体地，各周期的微波频率移动量δf经编码后生成频率控制字，作为示例，所述闭环锁频模块14包括48bit并行接口，通过所述48bit并行接口将所述频率控制字传输至所述捷变射频源10进行追踪跳频，使所述射频信号rf的一侧边带频率总是保持在钻石nv色心共振频率，达到实时跟踪测量外界磁场变化的效果。在实际使用中，可根据需要设置并行接口的传输数据位数。
[0093]
需要说明的是，本实施例中仅展示了对1个共振峰位进行闭环跟踪测量的过程，本领域技术，人员可灵活选择闭环跟踪的共振峰位数量，以消除温度漂移或实现矢量测量。作为示例，温度漂移表现为同nv轴的自旋
±
1的两个共振峰整体同向频移，即两个共振峰的相对位置不变，同相移动且移动量相同，移动量反应温度变化，进而实现温度补偿；在补偿温度漂移时，需至少选取一对相同nv轴的自旋
±
1的共振峰进行初始化，系统分别跟踪自旋
±
1能级的两个共振峰位，测量自旋
±
1能级的共振频率差δf，真磁场变化对应频移即为自旋
±
1能级的共振峰频率差的一半，频移差值隔离了温度漂移。作为另一示例，矢量测量时，初始化过程要求在所设定的笛卡尔坐标系下，对已知极性的磁场进行方向标定；实时测量过程中，要求分别对四对(至少两对)共振峰进行锁频跟踪，获得四对频移量δf和斜率k、根据旋磁比γ，在所述闭环锁频模块14中运行投影运算根据各坐标上的投影得出空间矢量投影
磁场大小；由磁场方向初始化标定确定算法中坐标变换符号，即可快速得到矢量方向。
[0094]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述高速大动态范围磁场测量系统1还包括显示器18，所述显示器18连接所述闭环锁频模块14的输出端，用于显示所述闭环锁频模块14计算到的磁场大小。作为示例，磁场大小通过usb总线传输至所述显示器18。
[0095]
如图1所示，作为本发明的另一种实现方式，所述高速大动态范围磁场测量系统1还包括激光本底解调信号产生模块17，基于参考激光信号得到激光本底解调信号，并与所述锁相解调模块的输出信号差分后输入所述闭环锁频模块14中，以减小激光本底噪声对磁场解调信号的影响。
[0096]
具体地，在本实施例中，所述激光本底解调信号产生模块17包括：第二光电探测器171、第二模数转换器172、第三乘法器173及第三低通滤波器174。所述第二光电探测器171将所述参考激光信号转换为电信号。所述第二模数转换器172连接于所述第二光电探测器171的输出端，将所述第二光电探测器171输出的模拟信号转换为数字信号。所述第三乘法器173的第一输入端连接所述第二模数转换器172的输出端，第二输入端连接正交参考信号，将所述第二模数转换器172的输出信号与正交参考信号相乘。所述第三低通滤波器174连接于所述第三乘法器173的输出端，滤除所述第三乘法器173的输出信号中的高频分量，得到所述激光本底解调信号。作为一示例，所述激光本底解调信号产生模块17还包括第二低噪声前置放大器175，所述第二低噪声前置放大器175连接于所述第二光电探测器171与所述第二模数转换器172之间。作为另一示例，所述激光本底解调信号产生模块17还包括第二带通滤波器176，所述第二带通滤波器176连接于所述第二光电探测器171与所述第二模数转换器172之间。在本实施例中，所述第二低噪声前置放大器175与所述第二带通滤波器176兼具，此时，所述第二低噪声前置放大器175连接于所述第二光电探测器171的输出端，所述第二带通滤波器176连接于所述第二低噪声前置放大器175的输出端，所述第二模数转换器172连接于所述第二带通滤波器176的输出端。更具体地，所述参考激光信号与所述荧光信号经过的处理尽量保持一致，以此在最大程度上减小激光本底噪声的影响；作为示例，所述第一光电探测器122及所述第二光电探测器171工作波长均覆盖637nm-800nm，工作带宽远大于调制频率；探测器的电子噪声、暗电流远小于荧光信号转换电流，饱和功率大于最大的荧光信号功率。所述第一带通滤波器125及所述第二带通滤波器176的带通中心频率为微波调制频率，提取调频模式下选定的频率调制信号，通带宽度根据测量刷新率调整。
[0097]
需要说明的是，当加入所述激光本底解调信号产生模块17后，所述闭环锁频模块14处理的信号为所述荧光解调信号与所述激光本底解调信号的差分信号，处理过程与上文相同，在此不一一赘述。
[0098]
如图1所示，在本实施例中，所述锁相解调模块13、所述闭环锁频模块14及所述激光本底解调信号产生模块17中的第三乘法器173和第三低通滤波器174采用现场可编程逻辑门阵列(fpga)19实现，以此提高可扩展性。在实际使用中，可根据需要将相应的功能采用fpga实现，不以本实施例为限。
[0099]
如图4及图5所示，待测磁场设置为50hz正弦波调制的磁场，磁场强度变化范围(-2mt至1.5mt)；测量结果验证了磁场变化范围和ac磁场频率，可见，本发明的高速大动态范围磁场测量系统在速度达到(552
±
5)mt/s时仍能实现对磁场的跟踪。
[0100]
综上所述，本发明提供一种高速大动态范围磁场测量系统，包括：捷变射频源，混
频器、磁场检测模块、锁相解调模块及闭环锁频模块；所述捷变射频源连接于所述闭环锁频模块的输出端，基于所述闭环锁频模块输出的频率控制字产生相应的中频信号；所述混频器的中频信号输入端连接所述捷变射频源的输出端，本振信号输入端连接本振信号，输出射频信号；所述磁场检测模块连接所述混频器的输出端，基于所述射频信号及激光信号对磁场进行检测产生相应的荧光信号，并输出与所述荧光信号对应的数字电信号；所述锁相解调模块连接于所述磁场检测模块的输出端，基于参考信号对所述磁场检测模块的输出信号进行解调，并调整所述参考信号的相位使所述磁场检测模块的输出信号与所述参考信号的相位锁定，输出荧光解调信号；所述闭环锁频模块连接于所述锁相解调模块的输出端，基于所述荧光解调信号跟踪计算当前周期相对于上一周期的微波频率移动量及磁场大小变化量，得到当前周期的微波中心频率及磁场大小，并将所述微波频率移动量转换为频率控制字以更新所述中频信号的频率；其中，所述本振信号的调制频率与所述参考信号同频。本发明的高速大动态范围磁场测量系统采用高速反馈与闭环跟踪技术对光探测磁共振(optically detected magnetic resonance，odmr)谱的峰位进行跟踪测量，该系统通过微波频率跟踪的方法，保持微波频率与磁响应共振峰同步，并且可以在大的磁场动态范围内工作，将顺磁共振传感器从传统的小磁场测量拓展到大的动态范围；并基于fpga主控制模块、模数转换模块、数模转换模块、锁相解调模块、闭环锁频算法模块和捷变信号源实现微波频率的快速反馈跟踪，提高了磁测量速度，增强了在不同场强下磁测量的适应性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0101]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。