基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法和装置

本发明属于量子传感与矿物检测，具体涉及基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法，还涉及基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测装置。

背景技术：

1、里德堡原子对外部电磁场的高敏感性，是超灵敏探测器的理想材料。里德堡原子处于高主量子数激发态，具有极大的电偶极矩和对外界电磁场的极高敏感性，能够实现对微波电场的高精度测量，并通过电磁感应透明（electromagnetically inducedtransparency, eit）或autler–townes分裂效应将微波信号转换为光学信号进行检测。

2、现有矿石成分检测技术主要包括x射线荧光分析、拉曼光谱分析、红外光谱分析以及基于电磁波的探测方法等；其中，基于电磁波的检测方法由于具有穿透能力强和适用于复杂环境等优点，在矿山勘探和地下结构探测中得到了广泛应用。

3、当前探测方法普遍依赖现有电磁接收装置（如金属天线或电场探头），其存在以下不足：一是对弱反射信号的检测灵敏度有限，难以获取微小差异信息；二是在复杂电磁环境下，现有宽带接收装置容易受到非目标频率电磁噪声及外部干扰信号影响，导致反射谱识别精度下降；三是频谱分辨率有限，难以形成高精度的材料“指纹谱”；同时，现有技术中尚未将里德堡原子微波检测技术应用于矿石成分分析领域，尤其缺乏一种将“微波反射谱分析”与“量子传感机制”相结合的检测方法；因此，如何利用里德堡原子的高灵敏微波响应特性，对矿石反射电磁信号进行高精度探测，成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法，还提供基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测装置。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：

3、基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法，包括以下步骤：

4、步骤1、通过微波发射系统向待测矿石样品发射预设频率范围的微波信号，微波信号经待测矿石样品反射后产生反射微波信号；

5、步骤2、将反射微波信号耦合至里德堡原子检测系统产生光谱响应信号；采集光谱响应信号得到反射谱信号；

6、步骤3、对反射谱信号进行特征参数提取；

7、步骤4、基于特征参数反演得到反射微波信号的电场信息，通过特征参数和电场信息反演得到矿石整体的等效复介电常数和等效电导率；将特征参数、矿石整体的等效复介电常数以及等效电导率构建为矿石微波反射指纹谱；

8、步骤5、根据矿石微波反射指纹谱在矿石数据库进行匹配并通过反演得到矿石成分信息，所述矿石成分信息包括矿石组分及对应的体积分数。

9、如上所述特征参数包括at分裂宽度、光谱幅值以及频率偏移量；所述反射微波信号的电场信息包括微波电场强度和相位变化。

10、如上所述矿石整体的等效复介电常数和等效电导率通过以下方式得到：

11、首先，以at分裂宽度、光谱幅值、频率偏移量、微波电场强度以及相位变化为电磁传播模型的输入参数，电磁传播模型输出矿石内部的传播特征，矿石内部的传播特征包括微波衰减系数、反射系数、透射深度以及相位延迟；

12、其次，根据微波衰减系数、反射系数、透射深度以及相位延迟，采用nicolson-ross-weir参数反演方法获得矿石整体的等效复介电常数和等效电导率。

13、如上所述矿石组分及对应的体积分数具体通过以下方式反演得到：

14、首先，根据反射谱信号的特征参数、矿石整体的等效复介电常数以及等效电导率在矿石数据库中搜索匹配的矿石组分；

15、然后，以矿石组分为maxwell-garnett混合介质模型或bruggeman有效介质模型的反演约束条件，以矿石整体的等效复介电常数和等效电导率为maxwell-garnett混合介质模型或bruggeman有效介质模型的反射输入参数，将各矿石组分的体积分数为唯一未知量构建反演方程组，通过采用最小二乘拟合对反演方程组进行求解，得到各矿石组分的体积分数。

16、如上所述矿石数据库包括各类矿石在耦合激光扫描频率下的等效复介电常数、等效电导率以及反射谱信号的特征参数。

17、、基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测装置，包括微波发射系统和待测矿石样品，还包括里德堡原子检测系统、信号处理模块、矿石数据库模块以及成分输出模块；

18、所述微波发射系统向待测矿石样品发射预设频率范围的微波信号，微波信号经待测矿石样品反射后产生反射微波信号；

19、所述里德堡原子检测系统设置于反射微波的传播路径上，反射微波信号耦合至里德堡原子检测系统产生光谱响应信号，里德堡原子检测系统采集光谱响应信号形成反射谱信号；

20、所述信号处理模块从反射谱信号提取特征参数，并根据特征参数反演得到反射微波信号的电场信息；

21、所述矿石数据库模块包括预先建立的矿石数据库，矿石数据库包括各类矿物在耦合激光扫描频率下的等效复介电常数、等效电导率以及反射谱信号的特征参数；矿石数据库模块与成分输出模块连接；

22、所述成分输出模块包括依次连接的传播特征计算模块、矿石整体参数反演模块以及矿石组分及比例反演模块，所述传播特征计算模块用于采用电磁传播模型根据特征参数和反射微波信号的电场信息计算矿石内部的传播特征；

23、所述矿石整体参数反演模块根据传播特征采用nicolson-ross-weir参数反演方法反演得到矿石整体的等效复介电常数和等效电导率；

24、所述矿石组分及比例反演模块获取特征参数提取模块输出的特征参数和矿石整体参数反演模块输出的矿石整体的等效复介电常数和等效电导率，根据反射谱信号的特征参数、矿石整体的等效复介电常数以及等效电导率，调取矿石数据库并在矿石数据库中搜索匹配的矿石组分；

25、再以矿石组分为maxwell-garnett混合介质模型或bruggeman有效介质模型的反演约束条件，以矿石整体的等效复介电常数和等效电导率为maxwell-garnett混合介质模型或bruggeman有效介质模型的反射输入参数，以各矿石组分的体积分数为唯一未知量构建反演方程组，通过采用最小二乘拟合对反演方程组进行求解，得到各矿石组分的体积分数。

26、如上所述信号处理模块包括特征参数提取模块和电场信息反演模块，所述特征参数提取模块用于对反射谱信号进行预处理、谱线拟合以及特征参数提取，最后将特征参数发送到电场信息反演模块；所述预处理包括去噪、平滑滤波以及基线校正；所述特征参数包括at分裂宽度、光谱幅值以及频率偏移量；

27、所述电场信息反演模块根据特征参数反演得到反射微波信号的电场信息；所述反射微波信号的电场信息包括微波电场强度和相位变化。

28、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法的步骤3~5。

29、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述基于里德堡原子微波反射谱的矿石成分检测方法的步骤3~5。

30、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

31、（1）、检测灵敏度高且抗干扰能力强：本发明采用里德堡原子作为接收单元，对电场的响应接近量子极限，可实现对极弱反射信号的检测，大幅提高检测灵敏度。

32、（2）、抗干扰能力强：本发明利用里德堡原子窄线宽量子跃迁特性，可实现对极弱反射信号的检测，大幅提高检测灵敏度；仅对特定频率附近的共振微波信号产生显著响应，从而能够有效抑制非共振背景噪声及复杂电磁环境中的外部干扰信号；同时，本发明通过原子光谱检测方式实现微波-光学转换，相较现有金属天线接收方式具有更高频率选择性和抗干扰能力，可提高矿石反射谱检测精度与稳定性。

33、（3）、实现非接触无损检测：本发明通过电磁波与矿石相互作用获取信息，无需取样或破坏矿石结构，适用于原位检测和在线检测场景。

34、（4）、多维度的矿石微波反射指纹谱：本发明将at分裂宽度、光谱幅值以及频率偏移量、矿石整体的等效复介电常数以及等效电导率构建为多维度的矿石微波反射指纹谱。

35、（5）、支持宽频带检测：里德堡原子可覆盖ghz至thz范围的电磁信号检测，使本发明具备宽频带扫描能力，适用于多种矿石类型的检测。