CN111060860B - 一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法，可以在确保磁共振信号检测精度的同时又具有较高的检测带宽。它包括如下步骤：(1)提取磁共振信号与激励信号的相位差信息；(2)消除磁共振信号与激励信号相位差信息中的倍频信号；(3)获取磁共振信号与激励信号的相位差。本发明的有益效果在于：本发明涉及的是量子传感器自旋系综磁共振信号的相位检测方法，具体地说在基于磁共振效应的量子传感器应用中采用本发明方法能够在确保磁共振信号检测精度的同时又具有较高的检测带宽。

Description

一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法
技术领域
本发明属于量子传感器自旋系综磁共振信号的相位检测方法，具体涉及一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法。
背景技术
基于自旋系综磁共振效应的量子传感器是通过测量自旋系综磁共振频率的大小敏感角运动或磁场变化，可达到超高精度，在自主导航定位、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。
量子传感器自旋系综的磁共振频率与其所处环境磁场强度存在相关性，自旋系综进动频率越接近共振频率，传感器灵敏度越高。因此量子传感器通常对自旋系综磁共振信号进行闭环控制使自旋系综进动频率始终维持在共振频率点以获得较高的测量灵敏度。自旋系综磁共振闭环控制原理如附图1所示。DDS(直接数字频率合成器)输出激励信号作用于线圈产生激励磁场，使自旋系综磁共振；光电探测器敏感自旋系综进动并经载波解调获取自旋系综进动信号；通过实时检测自旋系综进动信号相对于激励信号的相位变化，由控制器输出控制指令使自旋系综始终维持在共振状态。
传统的自旋系综磁共振信号相位检测方法通常要用到低通滤波器。量子传感器自旋系综的磁共振频率存在几十赫兹的较低频率情况。为了保证磁共振信号相位的检测精度，低通滤波器的截止频率要远低于磁共振频率。但是降低低通滤波器截止频率会直接降低相位检测带宽，提高低通滤波器截止频率会降低相位检测精度。因此，需要采用有效的相位检测方法，在确保磁共振信号检测精度的同时又具有较高的检测带宽，为高精度高带宽量子传感器的研制提供必要条件。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法，可以在确保磁共振信号检测精度的同时又具有较高的检测带宽。
本发明的技术方案如下：一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法，它包括如下步骤：
(1)提取磁共振信号与激励信号的相位差信息；
(2)消除磁共振信号与激励信号相位差信息中的倍频信号；
(3)获取磁共振信号与激励信号的相位差。
所述的步骤(1)包括如下，
磁共振信号V0的表达式为
V0＝A0sin(ω0t+θ0) (1)
其中，A0为幅值，ω0为频率，θ0为初始相位，
激励信号V1的表达式为
V1＝A1cos(ω1t+θ1) (2)
其中，A1为幅值，ω1为频率，θ1为初始相位，
包含磁共振信号与激励信号相位差信息的信号V2的表达式为
Figure BDA0001831186220000021
所述的步骤(2)包括如下，
对信号V2与其延迟ΔT时间之后的信号V3进行减法运算，得到信号V4，其中延迟时间ΔT＝2π/ω1，为PID的输出值，其初值不能为0，因此可得信号V4的表达式为
Figure BDA0001831186220000022
所述的步骤(3)包括如下，
信号V4与ω1/2π进行乘法运算，得到信号V5，可得V5的表达式为
Figure BDA0001831186220000023
所述的步骤(3)包括对方程(5)展开运算，可得到
Figure BDA0001831186220000031
当ω1逐渐趋近于ω0时，方程(6)等号右边第一项的值会逐渐趋近于0，由此可以得到
Figure BDA0001831186220000032
从方程(7)可以看出当ω1逐渐趋近于ω0时，相位检测算法输出的信号中，磁共振信号与激励信号的和频信号将逐渐趋近于零，而无需低通滤波器滤波算法，且相位检测算法输出仅与二者信号的相位差有关。
本发明的有益效果在于：本发明涉及的是量子传感器自旋系综磁共振信号的相位检测方法，具体地说在基于磁共振效应的量子传感器应用中采用本发明方法能够在确保磁共振信号检测精度的同时又具有较高的检测带宽。
附图说明
图1为磁共振闭环控制***示意图；
图2为磁共振信号相位检测方法原理图；
图3为相位检测实验效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法，具体描述如下：
(1)提取磁共振信号与激励信号的相位差信息；
磁共振信号V0的表达式为
V0＝A0sin(ω0t+θ0) (1)
其中，A0为幅值，ω0为频率，θ0为初始相位。
激励信号V1的表达式为
V1＝A1cos(ω1t+θ1) (2)
其中，A1为幅值，ω1为频率，θ1为初始相位。
因此，附图2中包含磁共振信号与激励信号相位差信息的信号V2的表达式为
Figure BDA0001831186220000041
(2)消除磁共振信号与激励信号相位差信息中的倍频信号；
对附图2中信号V2与其延迟ΔT时间之后的信号V3进行减法运算，得到信号V4。其中延迟时间ΔT＝2π/ω1，为PID的输出值，其初值不能为0。因此可得V4的表达式为
Figure BDA0001831186220000042
(3)获取磁共振信号与激励信号的相位差。
令附图2中信号V4与ω1/2π进行乘法运算，得到信号V5。可得V5的表达式为
Figure BDA0001831186220000043
对方程(5)展开运算，可得到
Figure BDA0001831186220000044
当ω1逐渐趋近于ω0时，方程(6)等号右边第一项的值会逐渐趋近于0，由此可以得到
Figure BDA0001831186220000045
从方程(7)可以看出当ω1逐渐趋近于ω0时，相位检测算法输出的信号中，磁共振信号与激励信号的和频信号将逐渐趋近于零，而无需低通滤波器滤波算法；且相位检测算法输出仅与二者信号的相位差有关。经过PID控制器的闭环调节，最终磁共振信号与激励信号将会成为同频同相的信号。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
已知激励信号和磁共振信号频率都为30Hz，且同频同相。在第1秒时，磁共振信号相位阶跃变化为1度，本发明所采用的相位检测算法检测到的相位变化曲线如附图3中实线所示，阶跃响应时间为0.032秒，稳态时检测到的相位为1度，峰峰值为1.2毫度。采用传统的相乘滤波算法检测相位变化，若要达到同样的相位检测精度(即稳态时相位峰峰值同样为1.2毫度)，阶跃响应时间约为5.7秒，远大于本发明的相位检测算法，检测实验结果如附图3虚线所示。
本发明的方法适用于基于磁共振效应的量子传感器。本发明的方法可以应用于核磁共振陀螺和原子磁强计。特别适用于对测量带宽要求较高的量子传感探测领域。

Claims (1)

1.一种自旋系综磁共振相位高带宽高精度检测方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)输出激励信号作用于线圈产生激励磁场，使自旋系综磁共振，提取磁共振信号与激励信号的相位差信息；
(2)消除磁共振信号与激励信号相位差信息中的倍频信号；
(3)获取磁共振信号与激励信号的相位差；
所述的步骤(1)包括如下，
磁共振信号V0的表达式为
V0＝A0sin(ω0t+θ0) (1)
其中，A0为幅值，ω0为频率，θ0为初始相位，
激励信号V1的表达式为
V1＝A1 cos(ω1t+θ1) (2)
其中，A1为幅值，ω1为频率，θ1为初始相位，
包含磁共振信号与激励信号相位差信息的信号V2的表达式为
Figure FDA0003346141310000011
所述的步骤(2)包括如下，
对信号V2与其延迟ΔT时间之后的信号V3进行减法运算，得到信号V4，其中延迟时间ΔT＝2π/ω1，为PID的输出值，其初值不能为0，因此可得信号V4的表达式为
Figure FDA0003346141310000012
所述的步骤(3)包括如下，
信号V4与ω1/2π进行乘法运算，得到信号V5，可得V5的表达式为
Figure FDA0003346141310000021
所述的步骤(3)包括对方程(4)展开运算，可得到
Figure FDA0003346141310000022
当ω1逐渐趋近于ω0时，方程(5)等号右边第一项的值会逐渐趋近于0，由此可以得到
Figure FDA0003346141310000023
从方程(6)可以看出当ω1逐渐趋近于ω0时，相位检测算法输出的信号中，磁共振信号与激励信号的和频信号将逐渐趋近于零，而无需低通滤波器滤波算法，且相位检测算法输出仅与二者信号的相位差有关。
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