一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法及系统与流程

本申请涉及量子精密测量与磁共振，更具体地，涉及一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法及系统。

背景技术：

1、光探测磁共振odmr技术广泛应用于基于金刚石氮空位（nv）色心的量子精密测量领域，可实现高灵敏度磁场、温度、压力等物理量的检测。在典型的odmr测量中，通过连续扫描微波频率并同步记录荧光强度，获得odmr谱线，进而提取共振频率信息。然而，实际测量过程中，激光器功率波动、环境温度变化、光路耦合效率漂移以及探测器响应漂移等低频热漂移因素会导致odmr谱线发生基线倾斜、峰深不一致等问题，严重影响双峰谱线峰间对比度的一致性和共振频率提取的准确性。

2、现有抑制低频热漂移的方法主要包括：采用恒温箱或温控装置稳定环境温度、引入参考光路进行实时补偿、使用锁相放大器提取差分信号等。这些方法均需增加额外的硬件设备，导致系统复杂度提高、成本上升，且难以完全消除漂移影响。此外，部分方法采用“三点法”或“四点法”在少数固定频率点采样以减少测量时间，但牺牲了谱线的完整性，限制了其在多参量测量中的应用。因此，亟需一种低成本、高效率且不损失谱线完整性的低频热漂移抑制方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法及系统。

2、本发明技术方案为：

3、一方面，本发明提出一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，包括以下步骤：

4、生成包含多个待测微波频率点的微波频率扫描序列；

5、采用基于伪随机数发生器的随机置换方法，对微波频率扫描序列中的多个待测微波频率点进行重新排序，得到随机化微波频率扫描顺序；

6、按照随机化微波频率扫描顺序依次施加微波激励，并采集每一微波频率点对应的光学响应信号；

7、将采集得到的光学响应信号按照对应的微波频率重新排列，重构光探测磁共振谱线；并对重构光探测磁共振谱线进行归一化、基线校正和洛伦兹函数拟合，获得共振频率和谱线对比度。

8、优选的，所述随机置换方法包括：基于伪随机数发生器生成随机置换索引，按照随机置换索引对微波频率扫描序列中的多个待测微波频率点进行重新排列。

9、优选的，所述光学响应信号为荧光强度信号或由光电探测器输出的电压信号。

10、优选的，所述归一化和基线校正包括：根据非共振频率区域的背景信号或拟合得到的基线信号，对重构光探测磁共振谱线进行归一化处理。

11、优选的，所述重构光探测磁共振谱线为双峰光探测磁共振谱线。

12、优选的，所述洛伦兹函数拟合包括：分别对双峰光探测磁共振谱线中的两个共振峰区域进行洛伦兹拟合，或采用双洛伦兹函数对双峰光探测磁共振谱线进行拟合，以获得两个共振峰对应的共振频率和谱线对比度。

13、优选的，所述方法还包括：在获得共振频率后，根据共振频率变化获得外部磁场信息。

14、另一方面，本发明还提供一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构系统，包括：

15、微波频率序列生成模块，用于生成包含多个待测微波频率点的微波频率扫描序列；

16、随机化模块，用于采用基于伪随机数发生器的随机置换方法，对微波频率扫描序列中的多个待测微波频率点进行重新排序，得到随机化微波频率扫描顺序；

17、测量与采集模块，用于按照随机化微波频率扫描顺序依次施加微波激励，并采集每一微波频率点对应的光学响应信号；

18、谱线重构模块，用于将采集得到的光学响应信号按照对应的微波频率重新排列，重构光探测磁共振谱线；并对重构光探测磁共振谱线进行归一化、基线校正和洛伦兹函数拟合，获得共振频率和谱线对比度。

19、再一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法。

20、再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法。

21、本发明具有如下有益效果：

22、1、通过随机置换微波频率扫描顺序，破坏频率与采样时间之间的单调对应关系，将激光器功率漂移、温度漂移、光路耦合变化、探测器响应漂移等低频干扰从系统性的连续误差转化为随机噪声，显著改善odmr谱线的基线平整度和峰形对称性。

23、2、经随机化扫描后，双峰odmr谱线中两个共振峰的谷深度趋于一致，有利于提高磁场测量的对称性和精度。

24、3、通过消除基线倾斜和峰深不均，洛伦兹拟合得到的共振频率波动减小，长期测量的重复性和稳定性得到明显提升。

25、4、仅通过软件层面的算法改进实现，不增加任何温控装置、补偿光路或锁相放大器等硬件，易于集成到现有odmr测量系统中，具有极高的实用价值和推广前景。

26、5、与“三点法”“四点法”等稀疏采样方法不同，本方法采集全频段所有频率点的数据，重构完整的odmr谱线，可同时支持磁场、温度、应力等多参量测量，应用范围更广。

1.一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述随机置换方法包括：基于伪随机数发生器生成随机置换索引，按照随机置换索引对微波频率扫描序列中的多个待测微波频率点进行重新排列。

3.根据权利要求1所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述光学响应信号为荧光强度信号或由光电探测器输出的电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述归一化和基线校正包括：根据非共振频率区域的背景信号或拟合得到的基线信号，对重构光探测磁共振谱线进行归一化处理。

5.根据权利要求1所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述重构光探测磁共振谱线为双峰光探测磁共振谱线。

6.根据权利要求5所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述洛伦兹函数拟合包括：分别对双峰光探测磁共振谱线中的两个共振峰区域进行洛伦兹拟合，或采用双洛伦兹函数对双峰光探测磁共振谱线进行拟合，以获得两个共振峰对应的共振频率和谱线对比度。

7.根据权利要求1所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法，其特征在于：所述方法还包括：在获得共振频率后，根据共振频率变化获得外部磁场信息。

8.一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的一种随机化光探测磁共振频谱扫描与重构方法。