一种随机电报噪声测量方法及装置

本发明属于随机电报噪声，具体涉及一种随机电报噪声测量方法及装置。

背景技术：

1、现有随机电报噪声测量方法主要有以下几种：1) 直接时域采样分析法。该方法首先对样品的噪声电压信号进行采样，假设噪声中只含有随机电报噪声信号和高斯背景噪声，然后根据随机电报噪声信号和高斯噪声的特性计算出判别阈值，对采样电压进行判断，进而得到其随机电报噪声信号。该方法受到采样频率的制约。2) 时滞图(time lag plot,tlp)法。tlp可以通过简单地绘制x-y平面上的点来提取随机电报噪声信号，其中x设置为第i个采样数据，y设置为下一个采样数据。通过统计方法测量其相关参数。但是该方法的测量精度同样受到采样频率的影响。3) 加权时滞图(weighted time lag plot, w-tlp)法。w-tlp在tlp的基础上增加了权重系数，能够提取多电平值的随机电报噪声时间参量。4) 能量等效法。该方法采用经典模态分解算法对器件的低频噪声进行模态分解，利用能量等效法对随机电报噪声信号的脉冲上升/下降沿时间进行精确定位，进而测量其时间参数。但是，该方法同样需要对随机电报噪声进行采样，会受到采样率的限制。

2、综上所述，国内外随机电报噪声参数测量主要使用统计学方法，采样点多，处理繁琐，误差大。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种随机电报噪声测量方法及装置，精度不受采样率限制，数据处理简单，且可寻迹。

2、本发明采用的技术方案是：一种随机电报噪声测量方法，包括以下步骤：

3、向处于射频场和静磁场中的原子施加随机电报噪声，以产生带有两个磁共振峰的磁共振信号；

4、根据磁共振信号的磁共振峰到中心的宽度和共振点高度，计算得到随机电报噪声的幅度与相位翻转频率。

5、上述技术方案中，根据磁共振信号的两个磁共振峰的频差和共振点高度，计算得到随机电报噪声的耦合拉比频率；根据随机电报噪声的耦合拉比频率与幅度的映射关系，计算得到随机电报噪声的幅度。

6、上述技术方案中，磁共振峰到中心的宽度用于表征随机电报噪声的耦合拉比频率和相位翻转频率，与射频场的频率之间的数学关系；磁共振共振点高度用于表征随机电报噪声的耦合拉比频率和原子基态超精细结构线宽之间的数学关系。

7、上述技术方案中，采用下式计算得到随机电报噪声的耦合拉比频率 a和相位翻转频率γ：

8、；

9、其中，ωrf表示射频场的频率；γ表示原子的基态超精细结构线宽；d表示磁共振峰到中心的宽度；h表示共振点高度。

10、上述技术方案中，首先向原子施加射频场和静磁场，以产生磁共振信号；然后维持原子的磁共振状态，并向原子施加随机电报噪声，使磁共振信号产生两个磁共振峰。

11、上述技术方案中，向原子施加随机电报噪声后，调整射频场幅度直到磁共振信号出现两个磁共振峰。

12、本发明还提供了一种随机电报噪声测量装置，用于实现上述技术方案所述的方法，包括第一线圈、第二线圈、原子气室、激光器、光电探测器和示波器；其中第一线圈和第二线圈相互垂直设置于原子气室内；其中第一线圈用于产生静磁场和接收随机电机噪声，第二线圈用于产生射频场；原子气室中的原子在射频场、静磁场和随机电机噪声的作用下，产生带有两个磁共振峰的磁共振信号；激光器产生的光透过原子气室后由光电探测器采集；示波器显示光电探测器采集到的信号；根据示波器显示的磁共振信号的磁共振峰到中心的宽度和共振点高度，计算得到随机电报噪声的幅度与相位翻转频率。

13、上述技术方案中，还包括磁屏蔽桶；所述原子气室设置于磁屏蔽桶内；磁屏蔽桶外设置有用于耦合随机电报噪声的天线；所述天线与第一线圈电连接。

14、上述技术方案中，通过为第一线圈提供直流电源以产生静磁场；通过为第二线圈提供调制信号为方波的正弦信号以产生射频场。

15、上述技术方案中，所述第一线圈和第二线圈为相同大小、相同匝数的亥姆霍兹线圈。

16、本发明的有益效果是：本发明提供一种基于噪声辅助多光子效应的随机电报噪声测量方法，无需对噪声采样，测量精度不受采样频率的限制，只需记录随机电报噪声激励下的磁共振光谱，利用磁共振峰与中心间距和共振点高度确定随机电报噪声幅度及相位翻转频率参数，数据处理简单，可寻迹，测量精度大幅度提高。虽然随机电报噪声本身是一个双值时变信号，但是随机电报噪声与原子磁共振耦合以后会使磁共振系统达到一个新的稳态（动态平衡），所测量的结果是稳态的直流分量，直流光谱分量由于受到电报噪声的影响会劈裂为两个峰，故不需要对随机电报噪声进行采样。

17、进一步地，本发明通过推导原子超精细结构与射频场和噪声场相互作用的哈密顿量，并给出透射光谱的解析形式，进而确定磁共振峰到中心的宽度和磁共振共振点高度所表征的随机电报噪声参数与射频场和原子参数之间的数学关系，进而建立随机电报噪声计算公式，使用人员将示波器的读取结果代入随机电报噪声计算公式，得到随机电报噪声的参数信息，提高随机电报噪声计算效率的同时保证了计算精度。

18、进一步地，本发明首先通过射频场和静磁场作用于原子产生磁共振信号后，再施加待测的电机电报噪声以产生双峰现象，保证使用人员可能清晰的观察到磁共振信号的状态，保证测量过程的有序性，提高测量效率和精度。

19、进一步地，本发明通过不断调整射频场幅度直到磁共振信号清晰的出现两个磁共振峰后，再根据磁共振峰的参数计算随机电报噪声的信息，有效保证测量精度。

20、进一步地，本发明提供了一种随机电报噪声测量装置，能够有效实践一种随机电报噪声测量方法，通过实体化的设备实现随机电报噪声测量，操作性强，并可以在使用过程中保证测量精度。

21、进一步地，本发明采用耦合天线在磁屏蔽桶外部采集待测的随机电报噪声，保证混入的背景噪声较少；在测量过程中通过磁屏蔽筒可以有效的屏蔽桶外其他无关的背景噪声以及磁场的影响。而混入的背景高斯噪声不再是像其他方法一样直接被采样进去直接影响测量结果，而只是影响磁共振系统的灵敏度等相关因素，削弱了背景噪声对随机电报噪声测量结果的影响。

技术特征：

1.一种随机电报噪声测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据磁共振信号的两个磁共振峰的频差和共振点高度，计算得到随机电报噪声的耦合拉比频率；根据随机电报噪声的耦合拉比频率与幅度的映射关系，计算得到随机电报噪声的幅度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：磁共振峰到中心的宽度用于表征随机电报噪声的耦合拉比频率和相位翻转频率，与射频场的频率之间的数学关系；磁共振共振点高度用于表征随机电报噪声的耦合拉比频率和原子基态超精细结构线宽之间的数学关系。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：采用下式计算得到随机电报噪声的耦合拉比频率a和相位翻转频率γ：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：首先向原子施加射频场和静磁场，以产生磁共振信号；然后维持原子的磁共振状态，并向原子施加随机电报噪声，使磁共振信号产生两个磁共振峰。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：向原子施加随机电报噪声后，调整射频场幅度直到磁共振信号出现两个磁共振峰。

7.一种随机电报噪声测量装置，其特征在于：用于实现权利要求1-6任一项所述的方法，包括第一线圈、第二线圈、原子气室、激光器、光电探测器和示波器；其中第一线圈和第二线圈相互垂直设置于原子气室内；其中第一线圈用于产生静磁场和接收随机电机噪声，第二线圈用于产生射频场；原子气室中的原子在射频场、静磁场和随机电机噪声的作用下，产生带有两个磁共振峰的磁共振信号；激光器产生的光透过原子气室后由光电探测器采集；示波器显示光电探测器采集到的信号；根据示波器显示的磁共振信号的磁共振峰到中心的宽度和共振点高度，计算得到随机电报噪声的幅度与相位翻转频率。

8.权利要求7所述的一种随机电报噪声测量装置，其特征在于：还包括磁屏蔽桶；所述原子气室设置于磁屏蔽桶内；磁屏蔽桶外设置有用于耦合随机电报噪声的天线；所述天线与第一线圈电连接。

9.权利要求7所述的一种随机电报噪声测量装置，其特征在于：通过为第一线圈提供直流电源以产生静磁场；通过为第二线圈提供调制信号为方波的正弦信号以产生射频场。

10.权利要求7所述的一种随机电报噪声测量装置，其特征在于：所述第一线圈和第二线圈为相同大小、相同匝数的亥姆霍兹线圈。

技术总结
本发明提供了一种随机电报噪声测量方法及装置，该方法包括以下步骤：向处于射频场和静磁场中的原子施加随机电报噪声，以产生带有两个磁共振峰的磁共振信号；根据磁共振信号的磁共振峰到中心的宽度和共振点高度，计算得到随机电报噪声的幅度与相位翻转频率。本发明精度不受采样率限制，数据处理简单，且可寻迹。

技术研发人员：刘照远,王敏,李高翔,耿旭兴,黄光明,吴少平,金恺,唐旺旺
受保护的技术使用者：华中师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14