基于偏置磁场极性时域斩波的量子零磁通闭环直流电流测量方法及系统与流程

本发明属于量子精密测量与电力系统直流电流检测，具体涉及基于偏置磁场极性时域斩波的量子零磁通闭环直流电流测量方法及系统。

背景技术：

1、在电力系统高压变电站现场，直流接地电流（如变压器中性点偏磁分流、输电线路直流大地回流、避雷器微安级直流泄漏电流）的精准监测，对于评估电网设备运行安全至关重要。近年来，基于金刚石nv色心的连续波光学检测磁共振（cw-odmr）量子磁传感器，因其无磁饱和、原理上零点不漂移以及原子级高线性度，已成为高精度直流互感器领域的研究热点。

2、在典型的单轴连续波零磁通闭环电流测量方案中，为了抑制金刚石内禀零场分裂值d(t)随环境温度的剧烈漂移，通常采用双频微波锁定体制（即同时跟踪和两个自旋能级跃迁分支）。现有研究表明，金刚石nv色心零场分裂参数d随温度的变化率约为dd/dt= -74.2±0.7 khz/k。在-20°c至+60°c的工业环境温度跨度（80°c）下，仅d(t)温漂即可导致odmr谱线整体平移约5.94mhz，等效磁场漂移约212μt。双频锁定通过同时跟踪两个跃迁分支，理论上可将这一温漂效应抑制10倍以上，残余d(t)温漂等效磁场约为0.265μt/k。

3、为了使两个共振峰在零磁场附近完全张开、避免能级混叠并进入最优的线性鉴频区，系统必须在金刚石nv色心测量轴向上主动施加一个恒定的静态外加偏置磁场bbias（目标磁场幅值，典型值1-10mt）。该偏置磁场通常由安装在探头内部的精密偏置线圈以及外部的恒流源电路共同提供。然而，高精度恒流源本身不可避免地存在温度漂移，典型精密电流源的温度系数为6.9~15.5ppm/°c。以bbias =1mt计算，偏置源温漂导致的磁场变化约为6.9-15.5μt/℃，在80°c温差下累积漂移可达0.55-1.24mt，这一数值已与偏置场本身相当，远大于双频锁定抑制后的残余d(t)温漂（0.265 μt/k，80°c下约21.2μt），前者为后者的26-58倍。因此，在双频锁定已解决d(t)温漂的前提下，偏置电流源的硬件温漂成为制约测量精度的主导矛盾。

4、针对偏置源温漂问题，已有文献提出了相关的解决方案。公开号us20200025835a1美国专利公开了一种通过对固态自旋传感器施加斩波偏置磁场来抑制低频漂移和1/f噪声的方法，其核心思想是以已知间隔反转偏置磁场极性，通过差分测量消除偏置源的缓慢漂移。然而，该方法存在以下不足：

5、（1）其仅涉及开环测量，未涉及双频微波锁定与零磁通闭环控制的结合；

6、（2）未考虑偏置场极性翻转瞬间的电磁暂态对测量系统稳定性的影响；

7、（3）未涉及翻转过渡沿的光学测量串扰问题；

8、（4）未涉及微波频率与偏置场极性的同步跳变控制。

9、中国发明专利cn121164991b公开了一种基于金刚石nv色心的海洋磁场传感器的检测方法，包括：s1基线标定；s2在两单量子共振频率间交替测量荧光并取差以实现dq读出；s3基于闭环控制调整三轴补偿电流，将金刚石nv色心工作点维持在零磁化偏置。然而，该专利存在以下本质区别：

10、（1）其核心是交替测量，在两个频率之间分时切换测量荧光并取差，而非双频同时锁定，两者在时序逻辑和控制策略上存在本质差异；

11、（2）其闭环控制是在静态偏置条件下工作的，未涉及偏置磁场的极性翻转；

12、（3）未涉及偏置场极性翻转瞬间的过渡沿消隐处理；

13、（4）未涉及微波频率与偏置场翻转的同步跳变控制。

14、中国专利申请cn117289185a公开了一种基于碳基传感器的弱磁场测量闭环系统，涉及荧光收集、锁相放大、数字pid控制及微波频率自适应跟踪。然而，其为单频跟踪而非双频锁定，且未涉及偏置场斩波与过渡沿消隐。

15、上述现有技术的简单叠加，即使将偏置场斩波、双频（交替）测量、闭环控制各自组合，仍面临以下相互耦合的系统性技术难题：

16、第一，偏置场极性翻转与微波频率的动态跟踪失配问题。偏置磁场极性翻转瞬间，金刚石nv色心的和共振频率发生阶跃性跳变，跳变幅度约为2γbbias（其中γ ≈ 28ghz/t为金刚石nv色心电子旋磁比）。数字频率综合器从当前频率跳变到目标频率需要一定的锁定时间（通常为数十至数百微秒），在此期间微波频率无法准确锁定共振峰，若贸然激活闭环将导致误差信号失真甚至环路失锁。

17、第二，极性斩波条件下零磁通闭环的双向状态保持与平滑切换问题。在时段，闭环pid控制器经过多个控制周期后，其积分项已累积了与+bbias稳态相对应的控制量。切换到t-时段时，误差信号的极性和幅值发生突变，若pid积分项未做任何处理，积分饱和将导致控制量剧烈过冲，使反馈电流源顶轨饱和。

18、第三，温漂源的时间尺度分离与斩波频率的优化选择问题。系统中存在三种不同时间尺度的变化：偏置源温漂（时间常数数分钟至数小时）、d(t)温漂（时间常数数分钟至数小时）、极性翻转暂态（时间常数微秒至毫秒）。斩波频率的选择需同时满足多重约束。

19、第四，极性翻转过渡沿的电磁暂态与光学测量的串扰问题。偏置线圈和零磁通反馈线圈在极性翻转瞬间产生的电磁暂态，不仅影响磁场建立的稳定性，还可能通过电磁耦合干扰光电探测器的前置放大电路，产生与暂态同步的光学噪声尖峰。

20、上述四个问题相互耦合、彼此牵制，必须作为一个整体来系统性解决，单独解决任何一个都无法达成满意的测量性能。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有nv色心零磁通闭环电流测量方案中偏置电流源硬件温漂导致测量精度下降，以及现有偏置场斩波方案和双频交替测量方案中未解决翻转暂态与时序协同问题的技术缺陷，提供基于偏置磁场极性时域斩波的量子零磁通闭环直流电流测量方法。该方法通过时域极性斩波将偏置源温漂转化为共模信号并通过代数相消彻底消除，通过双频同时锁定消除d(t)温漂（区别于现有技术的双频交替测量），通过数字消隐窗口隔离翻转暂态，通过fpga（field programmable gate array，现场可编程门阵列，是一种可由用户现场自定义硬件逻辑的半定制集成电路）五状态有限状态机实现四者的纳秒级时序协同，实现宽温度范围内的高精度、高稳定性直流电流测量。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了基于偏置磁场极性时域斩波的量子零磁通闭环直流电流测量方法，包括以下步骤：

3、步骤1、以斩波频率fchop周期性翻转偏置线圈中的电流方向，使金刚石nv色心在时间轴上交替处于正向偏置状态和反向偏置状态；

4、步骤2、在偏置极性翻转的同时，fpga同步更新数字频率综合器的频率控制字，使同时施加的双频微波信号从当前频率同步跳变至目标频率，其中从切换至时双频微波频率从跳变至，从切换至时双频微波频率从跳变至；

5、步骤3、在偏置极性翻转的过渡沿，同步开启数字消隐窗口，在数字消隐窗口期内同时执行以下操作：

6、封锁光电探测器的数据采集；

7、冻结零磁通闭环的反馈控制量使其保持上一时刻的值不变；

8、冻结pid控制器的积分项使其保持上一时刻的值不变；

9、步骤4、数字消隐窗口结束后，在稳态期，双频微波同时锁定能级，闭环反馈输出；在稳态期，双频微波同时锁定能级，闭环反馈输出；

10、步骤5、将相邻一个完整斩波周期内采集到的和进行算术平均，，消除偏置源温漂δbbias，输出真实直流磁场bext。

11、更进一步地，步骤1~4中所述的斩波调制、微波频率跳变、数字消隐窗口开启与关闭、闭环激活与数据采集均由fpga内部的一个五状态有限状态机统一控制，时序精度达纳秒级，所述五状态包括：空闲态s0、稳态s1、翻转过渡消隐s2、稳态s3、翻转过渡消隐s4。

12、更进一步的改进，所述斩波频率fchop的选取同时满足：

13、fchop大于偏置源温漂和d(t)温漂的截止频率，d(t)为金刚石nv色心零场分裂参数；

14、fchop小于零磁通闭环的控制带宽；

15、fchop避开工频及其整数倍。

16、更进一步的改进，所述斩波频率fchop=10hz。

17、更进一步的改进，所述数字消隐窗口的时长τblank同时满足：

18、τblank大于偏置线圈电感暂态衰减时间常数τl；

19、τblank大于数字频率综合器锁定时间τpll；

20、τblank小于斩波周期tchop的1/10。

21、更进一步的改进，所述数字消隐窗口的时长τblank=500μs。

22、更进一步的改进，步骤3中冻结pid控制器的积分项后，在数字消隐窗口结束时，在偏置线圈与反馈线圈完全对称的理想条件下，将pid控制器积分项的数值乘以-1进行极性预置，然后重新激活闭环控制。

23、更进一步的改进，步骤2中微波频率跳变幅度，其中γ为金刚石nv色心电子旋磁比，bbias为偏置磁场强度；频率跳变过程完全在所述数字消隐窗口内完成，数字消隐窗口结束时微波频率已稳定锁定。

24、更进一步的改进，在每次数字消隐窗口结束后、数据采集开始前，执行数据有效性判别：

25、检查光电探测器荧光信号强度是否在正常范围内；

26、检查闭环误差信号是否在收敛阈值内；

27、若任一条件不满足，则丢弃该半周期的数据，沿用上一有效周期的测量值。

28、另一方面，基于偏置磁场极性时域斩波的量子零磁通闭环直流电流测量系统，包括：

29、量子敏感单元：包含金刚石nv色心系综，由激光器激发产生荧光，荧光强度由光电探测器采集；

30、偏置磁场发生单元：包含偏置线圈和精密恒流源，恒流源输出端接入h桥开关电路；

31、微波激励单元：包含数字频率综合器和微波功率放大器，可同时产生双频微波信号；

32、零磁通反馈单元：包含反馈线圈和反馈电流源；

33、主控单元：fpga芯片，内部实现五状态有限状态机，在同一时钟节拍下同步输出h桥切换指令、微波频率控制字更新指令和数字消隐窗口控制信号，精确控制偏置极性切换、微波频率跳变、数字消隐窗口开启与关闭、闭环激活与数据采集的时序配合。

34、更进一步的改进，所述偏置磁场强度bbias的取值范围为1~10mt；

35、所述斩波频率fchop的取值范围为5~20hz；

36、数字消隐窗口时长τblank的取值范围为200μs~1ms。

37、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

38、1、本发明消除偏置源温漂，零点长期稳定。本发明利用偏置磁场极性翻转带来的温漂共模对称特性，通过周期斩波均值运算彻底抵消恒流源温漂，80℃宽温区间下0.55~1.24mt量级偏置漂移消除，温漂系数低于0.001%/℃，实现原子级稳定测量基线，摆脱模拟器件温漂对零点的制约。

39、2、本发明的双频同步锁定，相较交替测量精度、效率全面提升。区别于现有方案分时交替测频的模式，本发明两路微波同步施加、同步跟踪能级，消除分时切换带来的测量延时、采样效率减半、动态响应失真等固有缺陷，实现实时同步高精度鉴频。

40、3、本发明的多模块时序协同具备独特增效效果。仅单独或部分组合斩波、双频锁定、消隐、积分控制模块时，全温测量误差最高达8.7%；本发明通过fpga五状态有限状态机统一调度四项核心技术，同步解决频率失配、积分饱和、电磁暂态、斩波频率匹配四大耦合难题，80℃温差下测量误差低于0.02%。现有专利分属开环斩波、静态偏置交替测量两类技术路线，不存在组合使用的技术启示，且未披露耦合干扰的系统性解决方案。

41、4、本发明的数字消隐窗口实现一窗三用：隔离线圈电感暂态、容纳微波锁相稳定时间、冻结pid积分项；窗口时长同步满足电感衰减、锁相时间、有效测量占比三重约束，区别于常规单纯延时、滤波的常规处理思路，现有文献无同类复合时序设计。

42、5、本发明的硬件改动小、工程落地成本低。依托成熟cw-odmr闭环硬件架构，仅通过fpga新增状态机、同步跳频、消隐控制、均值解算逻辑即可实现，无需新增硬件，不增加设备体积与物料成本，适配电力直流互感器现场改造。