CN110275060B - 量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路及方法，实时采集待测射频信号的功率测量值，采用阿伦方差进行时域输出功率相对稳定度的表征；实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素进行量化和评估；将不稳定因素的量化值从通过待测射频信号测试数据得到的表征结果中去除，获得更为有效的测试评估结果；解决了射频功率在特定取样时间内随机连续性变化趋势的测试问题，实现了对优于0.1％甚至更高量级的射频功率相对稳定性指标的有效表征和评估，并且满足了技术应用的实际需求。

Description

量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路及方法
技术领域
本公开涉及微波测试技术领域，特别涉及一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路、方法及射频信号发生装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着新一代信息技术与装备应用的快速发展，用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪对于内部核心射频激励单元的射频功率相对稳定性这一核心技术指标的有效评估要求不断提升。射频功率相对稳定性是表征信号传输特性的关键技术指标特性。在如用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪需要高稳定射频激励信号的应用场合，如何有效评估优于0.1％的射频功率相对稳定性指标已经成为迫切需要解决的技术难题。由于用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪的最终性能与内部核心射频激励单元的射频功率相对稳定性(即由内部噪声等引起的射频功率在特定取样时间内的随机起伏程度或变化趋势)之间具有直接且至关重要的强相关性，因此需要对优于0.1％甚至更高量级的指标进行有效表征和评估才能满足技术应用的实际需求。
本公开发明人发现，目前在射频功率的特性表征方面通常是采用微波功率计进行功率准确度、带内平坦度的测量，而就射频功率稳定性特征而言，目前主要采用微波功率计测量采集并获得同一频点、同一功率电平状态下的若干个射频信号功率值，以极差法(峰峰值)进行表征，这种方法对于测量结果中粗大误差引入的影响无法消除，而且测量结果所表征的离散性对于射频功率在特定取样时间内的连续性变化趋势无法实现所需的有效评估；或者基于微波功率计测量采集并获得同一频点、同一功率电平状态下若干个射频信号功率值并由公式
Figure BDA0002147235230000021
的运算结果进行评估，这种方法改进和降低了测量结果中粗大误差引入的不利影响，但是其反映和体现的仍是测量结果与平均值之间的离散性变化而不是射频功率在特定取样时间内的连续性变化趋势，因此也无法实现所需的有效评估。因此，目前对于反映或表征用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪的最终性能方面存在一定局限，不能很好地反映技术指标的应用能力特性以及满足实际应用的技术要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路及方法，解决了与用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪最终性能具有强相关性的射频功率相对稳定性的测试问题，即射频功率在特定取样时间内随机连续性变化趋势的测试问题，实现了对优于0.1％甚至更高量级的射频功率相对稳定性指标的有效表征和评估，并且满足了技术应用的实际需求。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路；
一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，包括待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头和终端控制器，所述待测射频激励单元发出待测射频信号并发送到定向耦合器，所述定向耦合器将待测射频信号分成两路，一路通过衰减器作用到负载，另一路通过第一热电偶功率探头与双通道微波功率计连接，用于实现待测射频信号的功率探测和数据采集；所述终端控制器与双通道微波功率计通信连接，用于根据第一热电偶功率探头和双通道微波功率计采集到的数据进行待测射频信号的时域输出功率相对稳定度的表征。
作为可能的一些实现方式，还包括第二热电偶功率探头，所述第二热电偶功率探头的一端与双通道微波功率计的校准源端口连接，另一端与双通道微波功率计的功率测试端口连接，用于同步进行校准源信号的功率电平测试。
作为可能的一些实现方式，还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器与终端控制器通信连接，用于测试待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头和第二热电偶功率探头所处区域的温湿度数据并实时传输给终端控制器。
作为可能的一些实现方式，所述终端控制器与待测射频激励单元通信连接，用于监测待测射频激励单元的实时工作状态。
第二方面，本公开提供了一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，步骤如下：
实时采集待测射频信号的功率测量值，采用阿伦方差进行时域输出功率相对稳定度的表征；
实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素进行量化和评估；
将不稳定因素的量化值从通过待测射频信号测试数据得到的表征结果中去除，获得更为有效的测试评估结果。
作为可能的一些实现方式，所述阿伦方差为：
Figure BDA0002147235230000041
式中τ为最终应用所需的性能评估取样时间；xi+1、xi为两个相邻采样时间段内相对平均功率偏差的实际测量值；m为测量组数，每两次取样测量为一组，得出一个差值，且两次测量之间无间隙。
作为可能的一些实现方式，实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，并与测试过程进行时序同步，建立“待测射频信号测试数据-校准源测试数据-时间-环境状态”的多维度数据映射关系。
作为可能的一些实现方式，采用定向耦合器将信号分为两路，定向耦合器的耦合度根据待测射频信号的功率电平状态进行选择和配置，使得到达热电偶功率探头的信号功率电平接近0dBm。
作为可能的一些实现方式，采用双通道微波功率计进行待测射频信号的功率测试，将热电偶功率探头接在校准源端口，同步进行校准源信号的功率电平测试，所述校准源信号的功率电平标准值为0dBm。
第三方面，本公开提供了一种射频信号发生装置，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，所述信号发生装置包括本公开所述的射频功率相对稳定性测试电路。
第四方面，本公开提供了一种射频信号发生装置，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，所述信号发生装置利用本公开所述的射频功率相对稳定性测试方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
采用本公开提供的电路或方法，可以实现适用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪的射频功率相对稳定性测试与有效评估，反映和体现射频功率在特定取样时间内的连续性变化趋势，特别是对优于0.1％甚至更高量级的指标进行有效表征和评估的应用场景。
采用本公开提供的电路或方法，可以基于现有测试仪器条件有效降低各个环节引入的不确定因素，同时将测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响不稳定因素加以量化和评估，进而在最终测试结果中予以去除，满足对优于0.1％甚至更高量级的射频功率相对稳定性指标的有效表征和评估并满足技术应用的实际需求。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路结构示意图。
图2为本公开实施例2所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，包括待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头和终端控制器，所述终端控制器优选为搭载测控与数据处理软件的主控计算机；所述主控计算机是整个测试电路的控制与分析处理中心，在其协同一体的控制下，所述待测射频激励单元发出待测射频信号并发送到定向耦合器，所述定向耦合器将待测射频信号分成两路，一路通过衰减器作用到负载实现信号的良好匹配与吸收，另一路通过第一热电偶功率探头与双通道微波功率计连接，用于实现待测射频信号的功率探测和数据采集；所述终端控制器与双通道微波功率计通信连接，用于根据第一热电偶功率探头和双通道微波功率计采集到的数据进行待测射频信号的时域输出功率相对稳定度的表征。
其中采用定向耦合器而非衰减器是为了消除衰减器自身温度特性所引入的不确定因素。
还包括第二热电偶功率探头，所述第二热电偶功率探头与第一热电偶功率探头同型号，所述第二热电偶功率探头的一端与双通道微波功率计的校准源端口连接，另一端与双通道微波功率计的功率测试端口连接，用于同步进行校准源信号的功率电平测试。
所述待测射频激励单元、定向耦合器、第一热电偶功率探头、第二热电偶功率探头和双通道微波功率计部署在同一区域内；还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器与终端控制器通信连接，用于测试待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头和第二热电偶功率探头所在区域的温湿度数据并实时传输给终端控制器。
由主控计算机实时同步测试采集测试过程中该区域的温湿度信号和校准源测试数据，将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素进行量化和评估，将不稳定因素的量化值从通过待测射频信号测试数据得到的表征结果中去除，获得更为有效的测试评估结果。
所述终端控制器还与待测射频激励单元通信连接，用于监测待测射频激励单元的实时工作状态。
实施例2：
如图2所示，为解决与用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪最终性能具有强相关性的射频功率相对稳定性，即射频功率在特定取样时间内随机连续性变化趋势的测试问题，本公开实施例2提供了一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，步骤如下：
实时采集待测射频信号的功率测量值，采用阿伦方差进行时域输出功率相对稳定度的表征；其中输出功率相对稳定度是表征某一取样时间内输出功率平均值的随机起伏程度；
由于所要测试评估的射频功率相对稳定性指标要求很高，已接近测试仪器的性能极限，为消除或降低由于如温度、湿度等环境变化给待测射频激励单元以及定向耦合器、热电偶功率探头、双通道微波功率计等测试仪器设备所带来的不稳定影响或引入的测试不确定度，在对待测射频信号进行射频功率测试的同时，由主控计算机实时同步测试采集测试过程中该区域的温湿度信号和校准源测试数据，将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素进行量化和评估；
将不稳定因素的量化值从通过待测射频信号测试数据得到的表征结果中去除，获得更为有效的测试评估结果；可以确保基于现有测试仪器条件解决与用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪最终性能具有强相关性的射频功率相对稳定性测试问题，以实现对优于0.1％甚至更高量级的射频功率相对稳定性指标的有效表征和评估，并满足技术应用的实际需求。
所述阿伦方差为：
Figure BDA0002147235230000081
式中τ为最终应用所需的性能评估取样时间；xi+1、xi为两个相邻采样时间段内相对平均功率偏差的实际测量值；m为测量组数，每两次取样测量为一组，得出一个差值，且两次测量之间无间隙。
本实施例采用基于“双热电偶功率探头+双通道微波功率计+定向耦合器+主控计算机+阿伦方差”测试与分析方式进行适用于量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试的设计实现，不仅有效降低各个环节所引入的不确定因素，而且可以反映和体现射频功率在特定取样时间内的连续性变化趋势，满足对优于0.1％甚至更高量级的指标进行有效表征和评估以支撑技术应用的实际需求。
实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，并与测试过程进行时序同步，建立“待测射频信号测试数据-校准源测试数据-时间-环境状态”的多维度数据映射关系。
本实施例通过基于测试工况状态获得的“待测射频信号测试数据-校准源测试数据-时间-环境状态”多维度数据映射关系以及环境状态实时监测功能，可以将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素加以量化和评估，进而在最终测试结果中予以去除，满足基于现有测试仪器条件下解决与用于量子精密磁探测的激光泵浦氦原子磁力仪最终性能具有强相关性的射频功率相对稳定性测试问题的要求，实现对优于0.1％甚至更高量级的射频功率相对稳定性指标的有效表征和评估并满足技术应用的实际需求。
采用定向耦合器将信号分为两路，定向耦合器的耦合度根据待测射频信号的功率电平状态进行选择和配置，使得到达热电偶功率探头的信号功率电平接近0dBm，处于双通道微波功率计的最优测试范围内。
采用双通道微波功率计进行待测射频信号的功率测试，将热电偶功率探头接在校准源端口，同步进行校准源信号的功率电平测试，所述校准源信号的功率电平标准值为0dBm。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种射频信号发生装置，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，所述信号发生装置包括本公开实施例1所述的射频功率相对稳定性测试电路。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种射频信号发生装置，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，所述信号发生装置利用本公开实施例2所述的射频功率相对稳定性测试方法。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，其特征在于，包括待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头、第二热电偶功率探头和终端控制器，所述待测射频激励单元发出待测射频信号并发送到定向耦合器，所述定向耦合器将待测射频信号分成两路，一路通过衰减器作用到负载，另一路通过第一热电偶功率探头与双通道微波功率计连接，用于实现待测射频信号的功率探测和数据采集；所述第二热电偶功率探头的一端与双通道微波功率计的校准源端口连接，另一端与双通道微波功率计的功率测试端口连接，用于同步进行校准源信号的功率电平测试，并将得到的校准源测试数据发送给终端控制器；所述终端控制器与双通道微波功率计通信连接，用于根据第一热电偶功率探头、第二热电偶功率探头和双通道微波功率计采集到的数据进行待测射频信号的时域输出功率相对稳定度的表征。
2.如权利要求1所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，其特征在于，还包括温湿度传感器，所述温湿度传感器与终端控制器通信连接，用于测试待测射频激励单元、定向耦合器、双通道微波功率计、第一热电偶功率探头和第二热电偶功率探头所处区域的温湿度数据并实时传输给终端控制器。
3.如权利要求1所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，所述第一热电偶功率探头和第二热电偶功率探头为同型号的热电偶功率探头。
4.如权利要求1所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路，其特征在于，所述终端控制器与待测射频激励单元通信连接，用于监测待测射频激励单元的实时工作状态。
5.如权利要求1-4任一项所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路所实现的一种量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，其特征在于，步骤如下：
实时采集待测射频信号的功率测量值，采用阿伦方差进行时域输出功率相对稳定度的表征；
实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，将由于测试仪器设备自身稳定性以及受环境影响的不稳定因素进行量化和评估；
将不稳定因素的量化值从通过待测射频信号测试数据得到的表征结果中去除，获得更为有效的测试评估结果。
6.如权利要求5所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，其特征在于，所述阿伦方差为：
Figure FDA0002991671560000021
式中τ为最终应用所需的性能评估取样时间；xi+1、xi为两个相邻采样时间段内相对平均功率偏差的实际测量值；m为测量组数，每两次取样测量为一组，得出一个差值，且两次测量之间无间隙。
7.如权利要求5所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，其特征在于，实时采集待测射频激励单元所处环境的温湿度信号和校准源测试数据，并与测试过程进行时序同步，建立“待测射频信号测试数据-校准源测试数据-时间-环境状态”的多维度数据映射关系。
8.如权利要求5所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，其特征在于，采用定向耦合器将信号分为两路，定向耦合器的耦合度根据待测射频信号的功率电平状态进行选择和配置，使得到达热电偶功率探头的信号功率电平接近0dBm。
9.如权利要求5所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法，其特征在于，采用双通道微波功率计进行待测射频信号的功率测试，将热电偶功率探头接在校准源端口，同步进行校准源信号的功率电平测试，所述校准源信号的功率电平标准值为0dBm。
10.一种射频信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，包括权利要求1-4任一项所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试电路；
或，所述信号发生装置集成应用于激光泵浦氦原子磁力仪中，利用权利要求5-9任一项所述的量子精密磁探测的射频功率相对稳定性测试方法。
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