组合式量子磁测量系统及方法与流程

本公开涉及量子精密测量与磁场传感，具体涉及一种组合式量子磁测量系统及方法，适用于高精度地磁匹配导航、空间磁场探测、航磁物探、工业磁异常无损检测等场景。

背景技术：

1、地磁匹配导航是一种无源、全自主的导航技术，具备无累计定位误差、抗外界干扰能力强、不依赖卫星信号的独特优势，是卫星拒止、复杂电磁环境下的核心导航方式。该技术的定位精度核心取决于两大条件，一是高精度地磁矢量基准磁图的完备性，二是实时高精度、全姿态、无死区的矢量磁场测量能力，对磁测量设备的精度、稳定性、集成度和环境适应性提出了极高要求。现有磁测量技术无法同时兼顾高精度标量标定、全姿态矢量测量、设备微型化、高同步性数据融合的需求，单一传感器性能受限、传统组合方案集成度低、适配性差，成为制约高精度地磁匹配导航技术发展的关键瓶颈。

技术实现思路

1、本公开一些实施例提供一种组合式量子磁测量系统，所述组合式量子磁测量系统包括：

2、组合式磁测探头，采用层叠共址结构集成光泵磁测单元以及金刚石nv色心磁测单元，配置为同步采集同一空间位置的磁场标量信号与三维矢量磁场投影信号；

3、驱动控制模块，采用同源同基准集成电路架构，与所述组合式磁测探头电连接，配置为驱动所述光泵磁测单元以及金刚石nv色心磁测单元；

4、信号处理模块，采用同时钟、同基准、并行处理的一体化信号处理架构，与所述组合式磁测探头通信连接，配置为同步采集并处理光泵磁测信号以及金刚石nv色心磁测信号，解算并输出光泵标量总场原始数据以及金刚石nv各晶轴磁场投影原始数据；

5、主控模块，与所述驱动控制模块以及信号处理模块电连接，配置为基于光泵标量总场原始数据以及金刚石nv各晶轴磁场投影原始数据执行数据融合处理，校正并输出磁场数据。

6、在一些实施例中，所述组合式磁测探头包括：

7、金刚石nv色心磁测单元，包括：

8、pcb基板，其上设置有共面微波天线；

9、金刚石nv色心芯片，设置在所述pcb基板上，位于共面微波天线处；以及

10、第一激光器与第一光电探测器，沿第一方向分别设置在所述金刚石nv色心芯片两侧；

11、光泵磁测单元，包括沿第二方向依次设置的第二激光器、原子气室以及第二光电探测器，所述第二方向垂直于所述pcb基板，所述原子气室以及第二光电探测器分别位于所述pcb基板两侧；

12、支撑构件，设置在所述pcb基板与所述原子气室之间，所述支撑构件包围所述金刚石nv色心芯片设置，

13、其中，所述pcb基板上设置有开孔，允许所述光泵磁测单元的光路穿过。

14、在一些实施例中，所述支撑构件采用低热导、非磁性、电性绝缘、耐高温的材料制成，所述pcb基板与所述原子气室之间的距离为2mm至4mm。

15、在一些实施例中，所述组合式磁测探头还包括：

16、偏置磁体，沿第三方向设置在所述支撑构件两侧，配置为消除金刚石nv色心芯片自旋能级简并性，所述第三方向平行于所述pcb基板，垂直于所述第一方向。

17、在一些实施例中，光泵磁测单元还包括：

18、无磁加热组件，包覆所述原子气室侧壁，配置为控制所述原子气室的工作温度；

19、射频线圈，设置在所述原子气室两侧，配置为产生垂直于原子气室轴向方向的磁场以调控原子自旋进动。

20、在一些实施例中，所述驱动控制模块包括：

21、第一激光驱动电路，配置为驱动第一激光器；

22、第二激光驱动电路，配置为驱动第二激光器；

23、温度控制电路，配置为控制所述光泵磁测单元的工作温度；

24、驱动控制单元，与所述第一激光驱动电路、第二激光驱动电路以及温度控制电路电连接，配置为多路同频pid控制。

25、在一些实施例中，所述的信号处理模块包括：

26、信号发生电路，采用fpga+双dds架构，配置为统一时序基准，输出光泵原子共振射频信号以及金刚石nv色心能级调控微波信号；

27、同步采集电路，采用多路并行adc采集架构，配置为使用同源时钟，同步采集光泵磁测单元以及金刚石nv色心磁测单元两路模拟信号，并将两路模拟信号转换为数字信号；

28、信号处理单元，接收并处理所述数字信号，解算并输出光泵标量总场原始数据以及金刚石nv各晶轴磁场投影原始数据。

29、在一些实施例中，所述的主控模块包括：

30、主控单元，配置为基于光泵标量总场原始数据以及金刚石nv各晶轴磁场投影原始数据执行数据融合处理，获得校正后的磁场数据；以及

31、输出通信电路，配置为传输所述磁场数据。

32、本公开一些实施例提供一种组合式量子磁测量方法，利用前述实施例所述的组合式量子磁测量系统，所述组合式量子磁测量方法包括以下步骤：

33、执行组合式量子磁测量系统初始化标定；

34、同步采集光泵磁测信号以及金刚石nv色心磁测信号；

35、对所述光泵磁测信号以及金刚石nv色心磁测信号执行锁放解调与频率跟踪；

36、磁场解算及校正。

37、在一些实施例中，所述组合式量子磁测量方法还包括以下步骤：

38、输出并应用校正后的磁场数据。

39、本公开提供的技术方案，实现了多重技术突破与有益效果，具体包括：

40、双传感器性能互补，彻底消除单一设备技术短板。具体地，本公开融合光泵磁力仪高精度标量测量、长期稳定性好的优势，以及金刚石nv色心磁力仪全姿态、无死区、高分辨率矢量测量的优势，通过光泵标量数据动态校正金刚石总场测量误差，通过金刚石矢量测量弥补光泵磁力仪测量死区缺陷，实现全姿态、无死区、高精度的磁场全维度测量。

41、一体化微型集成，适配小型化导航载体。具体地，组合式量子磁测量系统的组合式磁测探头采用层叠共址集成结构、隔热防护设计，实现双量子磁测单元微型化一体化封装，彻底解决传统“磁通门+光泵”方案体积大、无法同区域共址测量的问题，设备集成度大幅提升，可适配无人机、车载、水下等各类小型导航载体的布设需求；

42、同源软硬件架构，实现超高精度数据同步，具体地，采用统一时钟基准、同源dds信号发生、共用信号处理算法的一体化电路架构，摒弃传统双设备独立硬件体系，实现双传感器数据同步采集与解析，彻底消除多传感器数据延时、基准偏差问题，大幅提升多源数据融合精度。

43、适配地磁导航专属场景，应用价值显著，具体地，构建“矢量数据导航、标量数据校正”的差异化数据应用体系，依托金刚石高精度矢量数据构建地磁基准磁图、完成匹配定位，依托光泵超高精度标量数据保障测量真值性，大幅提升地磁匹配导航的定位精度与可靠性。

1.一种组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述组合式量子磁测量系统包括：

2.根据权利要求1所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述组合式磁测探头包括：

3.根据权利要求2所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述支撑构件采用低热导、非磁性、电性绝缘、耐高温的材料制成，所述pcb基板与所述原子气室之间的距离为2mm至4mm。

4.根据权利要求2所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述组合式磁测探头还包括：

5.根据权利要求2所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，光泵磁测单元还包括：

6.根据权利要求1至5中任一项所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述驱动控制模块包括：

7.根据权利要求1至5中任一项所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述的信号处理模块包括：

8.根据权利要求1至5中任一项所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述的主控模块包括：

9.一种组合式量子磁测量方法，利用权利要求 1 至 8 中任一项所述的组合式量子磁测量系统，其特征在于，所述组合式量子磁测量方法包括以下步骤：

10.根据权利要求 9 所述的组合式量子磁测量方法，其特征在于，所述组合式量子磁测量方法还包括以下步骤：