微波共振频率的获取方法、量子传感器及电流互感器与流程

本发明涉及量子传感领域，特别是涉及微波共振频率的获取方法及电流互感器。

背景技术：

1、在量子传感领域，基于金刚石nv色心的光探测磁共振(odmr)技术被广泛应用。nv色心具有自旋三重态体系，分别为ms＝0、ms＝+1、ms＝-1态，在无外界磁场作用时，基态ms＝±1能级处于简并状态，而且与ms＝0态能级间存在着d＝2.87ghz的零场劈裂。当532nm激光照射nv色心时，三重态会发生基态到激发态的跃迁，并在返回基态时，释放出荧光。当有微波场作用时，nv色心会吸收微波能量，使得更多的ms＝0态转移至ms＝±1态，从而引起nv色心荧光信号强度的变化。于是，在对nv色心经激光照射所发出的荧光进行检测时，可以通过对nv色心施加一定频率的微波场，监测荧光信号的强度谱线变化，此即为光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,odmr)。在外加磁场时，映射在nv轴上的磁场将由于塞曼分裂使得|±1>退简并，ms＝±1能级分裂为ms＝+1和ms＝-1。由ms＝0→ms＝-1和ms＝0→ms＝+1时的共振频率能够获取磁场大小。将其应用于电流的检测中，通过测量电流所产生的磁场，进而计算出待测电流，将极大推动电力行业的精密测量发展。

2、在现有的基于量子传感的磁测量中，例如采用odmr测磁，常基于锁放和微波源调频技术，通过将待测信号与调频的参考信号输入锁相放大器，经过鉴相器和低通滤波器后，输出的信号经过运算，可消除相位误差以及降噪。锁相放大器的降噪过程也即为解调过程，再对解调后的数据进行处理，以获取微波共振频率，可用于磁场的计算或进行量子态的操控研究。现有技术中，一般通过上位机对解调后的数据进行曲线拟合，获取如图1所示的外加磁场时的拟合曲线，再在拟合的曲线上手动提取特征点，此方式存在的不足在于，拟合时需配备上位机，所需的计算资源较大、成本高，且操作慢、效率较低，所采用的拟合公式需要确定拟合系数，计算复杂且系数的确定存在误差，拟合后采用手动确定频率点的方式也存在准确性低的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何减少获取微波共振频率时所需的计算资源、如何提高获取效率和准确性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光探测磁共振及调频技术的微波共振频率的获取方法，其中，通过将含有nv色心的金刚石放置在待测环境中，并对金刚石照射激光以及辐射微波后，探测金刚石产生的荧光，通过调整金刚石的位置，使得所获得的odmr中出现两个波峰，在保持此金刚石位置不变的条件下，对金刚石辐射调频后的微波，扫描微波频率，对探测的荧光信号进行解调后得到待处理数据，每个待处理数据与所扫描的微波频率相对应，所述方法包括：

3、s1，以一个扫描频段的数据为一个单元，将当前单元中的数据按照其所对应的微波频率的大小顺序排序，统计排序后的前n个数据中正值和负值所占的比例大小，若正值所占的比例较大，则对排序后的数据从前向后查找，当查找到n1个连续为正值且单调递增变化的数据时，将其中的第n1个数据确定为前端点；若负值所占的比例较大，则对排序后的数据从前向后查找，当查找到n1个连续为负值且单调递减变化的数据时，将其中的第n1个数据确定为前端点；再对排序后的数据从后向前查找，当查找到n2个与n1个数据异号且单调性相反的数据时，将其中的第n2个数据确定为后端点，取位于前后端点中间的数据所对应的频率作为中心频率，其中，n为大于0且小于或等于当前单元中所有正值或负值的1/2的整数，n1、n2均为大于0且小于当前单元中所有正值或负值的1/4的整数；

4、s2，以当前的中心频率所对应的数据为界，将当前单元分为前侧和后侧，分别在前侧和后侧中查找其中的最大值以及最小值，在每个一侧中的最大值和最小值之间的区间内查找数据为正值和负值且相邻的两个数据，并根据这两个数据确定位于这两个数据之间的等于零的数据所对应的微波频率，并将其作为当前单元的微波共振频率。

5、进一步地，步骤s2中，将正负两个数据以及其所对应的微波频率在坐标系中做直线拟合，由拟合的直线获取等于零的数据所对应的微波频率。

6、进一步地，还包括如下步骤：

7、s3，判断是否存在未确定微波共振频率的单元，若是，则执行步骤s4，若否，则结束操作。

8、s4，取当前单元的两个微波共振频率的中间值作为当前的中心频率，再将下一个扫描频段的数据作为当前单元，对新确定的当前单元的数据按照其所对应的微波频率的大小顺序排序后重复步骤s2的操作。

9、本发明还提供一种基于光探测磁共振及调频技术的磁场探测方法，包括：

10、待处理数据获取：在待测磁场中，对金刚石nv色心照射激光以及辐射微波后，探测金刚石产生的荧光，通过调整金刚石的位置，使得所获得的odmr中出现两个波峰，在保持此金刚石位置不变的条件下，对金刚石辐射经调频后的微波，并扫描微波频率，获取荧光探测信号，并对信号进行解调后得到待处理数据；

11、微波共振频率获取；

12、磁场获取：依据所获取的微波共振频率获取每一扫描频段所对应的待测磁场值；

13、采用如前任一所述的微波共振频率的获取方法来获取待处理数据的所述微波共振频率。

14、本发明还提供一种基于光探测磁共振及调频技术的温度探测方法，包括：

15、待处理数据获取：在待测温度场中，对金刚石nv色心照射激光以及辐射微波后，探测金刚石产生的荧光，通过调整金刚石的位置，使得所获得的odmr中出现两个波峰，在保持此金刚石位置不变的条件下，对金刚石辐射经调频后的微波，并扫描微波频率，获取荧光探测信号，并对信号进行解调后得到待处理数据；

16、微波共振频率获取；

17、温度获取步骤：依据所获取的微波共振频率获取每一扫描频段的温度；

18、采用如前任一所述的微波共振频率的获取方法来获取待处理数据的所述微波共振频率。

19、本发明还提供一种基于光探测磁共振及调频技术的量子传感器，其特征在于，包括：含有nv色心的金刚石、激光激发及荧光探测单元、微波发生及调频单元、解调单元、数据处理单元；

20、激光激发及荧光探测单元用于向金刚石照射激光；

21、微波发生及调频单元用于产生微波，并根据调频参数对微波进行调频，再将调频后的微波辐射给金刚石；

22、金刚石在激光以及调制微波的共同作用下产生荧光，或者金刚石在激光、调制微波以及所处磁场的共同作用下产生荧光，所产生的荧光被激光激发及荧光探测单元所探测；

23、激光激发及荧光探测单元还将所探测的荧光信号发送给解调单元，解调单元根据荧光信号以及调频参数对荧光信号进行解调，再将解调后的荧光信号发送给数据处理单元，所述数据处理单元被配置为采用如前任一所述的微波共振频率的获取方法，对解调后的荧光信号进行处理以获取微波共振频率。

24、进一步地，激光激发及荧光探测单元包括激光源、双色片、滤波片、光电探测器，激光源发射的激光经双色片反射后照射至金刚石上，金刚石所产生的荧光经双色片透射后经滤波片滤波，再被光电探测器所接收。

25、进一步地，所述微波发生及调频单元包括微波源、微波放大器、微波环形器、微波天线，微波源用于产生微波，并根据调频参数对微波进行调频后，输出调频后的微波，调频后的微波经微波放大器、微波环形器传输至微波天线，再由微波天线辐射给金刚石。

26、本发明还提供一种基于光探测磁共振及调频技术的电流互感器，包括：如前任一所述的基于光探测磁共振及调频技术的量子传感器，金刚石位于一载流导体所产生的磁场中。

27、进一步地，金刚石设置为多个，沿载流导体的外圆周方向排列。

28、如上所述，本发明的基于调频技术的微波共振频率的获取方法及电流互感器，具有以下

29、有益效果：

30、1、本发明通过以初步选择的中心频率为界，将调频后的数据分为前后段，根据共振频率所对应的数据的特征，即为零值点，在每一段中通过查找最大值以及最小值，来锁定共振频率所在的区间，在此区间中，再查找零值点相邻的正负值，从而根据这两个正负值确定位于两者之间的零值点所对应的频率即为共振频率。本技术的微波共振频率的获取方法简单易行，仅需要下位机即可实现，所需的计算资源以及运行空间相较于现有技术中的曲线拟合较小，能够节省成本，且采用逐渐缩小查找区间的方式能够提高共振频率值确定的效率以及准确度；

31、2、将本技术的微波共振的获取方法应用于量子传感器以及电流互感器中，可显著提高量子传感器以及电流互感器的精密测量效率以及准确性。