[發明專利]一種利用預擬合鎖相頻差值獲取頻率偏移量的方法及裝置

有效

• 申請號: 202010301823.3
• 申請日: 2020-04-16
• 公開（公告）號: CN111381075B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 韓小濤;劉沁瑩;謝劍峰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01R23/02
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發明屬于檢測技術領域，公開了一種利用預擬合鎖相頻差值獲取頻率偏移量的方法及裝置，包括：將預擬合信號進行分段；對預擬合信號與兩路鎖相參考信號進行混頻計算獲得差頻項與和頻項的疊加信號，并對兩路疊加信號進行低通濾波；采集輸出信號與探針原始狀態信號鎖相結果的幅值比確定鎖相收斂點位置，并擬合出對應的收斂位點?頻率偏移量曲線；將采集的探針信號分成N段區間并對每段區間分別與預擬合信號進行鎖相濾波處理后獲得該段區間內的鎖相收斂點位置；根據收斂位點?頻率偏移量曲線和鎖相收斂點位置獲得每一收斂位點對應的頻率偏移量。本發明可以精確、快速地測算強噪聲環境下AFM探針在較高本征頻率水平上波動的微小頻率偏移量。

技術領域

本發明屬于檢測技術領域，更具體地，涉及一種利用預擬合鎖相頻差值獲取頻率偏移量的方法及裝置。

背景技術

對比傳統方式中直流穩態場只能產生較低場強，脈沖磁場所能產生的強磁場環境為測量相關材料的物性與磁性提供了更大的可能性，大量實驗已經表明：外界磁場達到一定強度時，物質將被誘導出現各種新奇量子現象。實際測量中，原子物理范疇下的磁矩、表面拓撲態、SdH振蕩等行為是極其微觀的，而脈沖強磁場裝置系統提供的是一個強電磁力、極低溫、超快瞬時性的實驗環境，導致大量的數據處理過程都必須涉及到強噪聲下的微弱信號提取，這其中就包括了在較高本征頻率水平上波動的微小頻率偏移量的估算工作。

以德哈斯-范阿爾芬效應（de Haas-van Alphen effect，dHvA）為例，其通過測量樣品在磁場中所受到的力矩變化來獲取晶體dHvA振蕩信號，這個過程中使用的原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡，通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。其核心部件為與金屬樣品直接作用的傳感器探針，可以等效為一個質量-彈簧-阻尼的二自由度諧振系統，其測量原理是將懸臂的左右振動轉換成探針扭矩的上下振動，當被測樣品近場力相互作用時，探針的諧振工作點會發生頻率偏移，通過測量這一頻率偏移量可以估算近場力大小，從而推出對應磁場下的金屬原子磁性力矩。2003年由Akiyama提出的音叉式雙懸臂探針具有對稱性良好、靈敏度高、品質因數高、能量耗散小、無需外部光路而具有良好的自傳感性等優點，且針尖向外傾斜，可很好地適應垂直結構，從而進行納米級體效應測量的振動，非常適應極端環境下的原子力檢測，因此，將搭載此類探針的原子力顯微鏡應用到脈沖強磁場環境下，是未來磁化測量發展的一個方向。若能在快速變化的脈沖磁場下準確測出AFM探針振蕩頻率的每一個瞬時的微小變化量δ，就可以精準得到在各個不同磁場強度下的樣品力矩，極大地拓寬dHvA效應在費米面中產生量子振蕩的范圍，這個過程中主要存在以下幾個難點：

（1）強噪聲下的微弱信號檢測難度大。實際情況下，瞬間產生一個極高的磁場必定伴隨著機械振動和噪聲，且內部樣品空間狹小，因此檢測樣品信息時面臨的是信噪比極低的不利情況。中國專利CN105940724A嘗試使用一種基于干擾的頻率偏移估計的算法，當有用信號受到干擾信號嚴重污染時，直接通過干擾源信息來估計頻率偏移。但脈沖磁體在放電過程中各類電磁感應、機械振動、低溫形變等外界因素都有可能成為干擾來源，而這類方法更適用于干擾來源明確的情況，故不能適應脈沖強磁場環境。

（2）頻率變化相對量小，本征頻率大概在50kHz左右，而頻率變化只在幾個Hz以內，相對變化量太小，采用常規的濾波技術幾乎是不可能實現的（對旁瓣要求太高，會出現非常明顯的柵欄效應，頻譜泄露嚴重）。