主编推荐 | 利用复合滤波系统实现金刚石氮-空位色心的磁场测量信噪比提升

Chinese Optics Letters 2023年第11期Editors’ Pick:

An Ye, Dingyuan Fu, Mingming Wu, Jiahao Guo, Tianze Sheng, Xiaolin Li, Shangqing Gong, Yueping Niu. SNR enhancement of magnetic fields measurement with the diamond NV center using a compound filter system[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(11): 111201

氮-空位（NV）色心是金刚石中典型的发光点缺陷，具有优异的自旋特性，已被广泛用于表征磁场、电场、温度等物理量，这不仅为科学家们提供了一种新的工具来探索和理解物理现象，还为量子传感技术的发展开辟了新的道路。近年来，基于NV色心的量子传感平台已经取得了显著的进展。在医学领域，这种技术为无损、无创的生物成像和诊断提供了可能。地质学家们利用NV色心来探测地球内部的物理性质，为地质勘探和资源开发提供了新的手段。在工业检测中，基于NV色心的传感器也为产品质量控制和工艺优化提供了更精确的测量。随着研究的深入和技术的发展，基于NV色心的量子传感平台在未来还将发挥更加重要的作用，为我们打开一扇通往更深入了解自然世界的大门。

在弱磁探测领域，高分辨率和高灵敏度的测量至关重要。这是因为微弱的磁场变化往往隐藏在大量的背景噪声中，难以被准确捕捉。NV色心磁强计在实际测量中便面临着诸多噪声的干扰，这些噪声严重影响了测量信号的纯净度，进而导致对真实信号的判断出现偏差。为了实现更准确的弱磁探测，需要深入研究NV色心磁强计的噪声来源，并探索有效的降噪方法，以提高其测量分辨率和灵敏度。

为解决上述问题，来自华东理工大学物理学院的激光物理与量子调控团队在Chinese Optics Letters 2023年第21卷第11期在An Ye, Dingyuan Fu, Mingming Wu, Jiahao Guo, Tianze Sheng, Xiaolin Li, Shangqing Gong, Yueping Niu. SNR enhancement of magnetic fields measurement with the diamond NV center using a compound filter system[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(11): 111201中介绍了一种结合小波去噪方法和自适应滤波器提升NV色心弱磁测量信噪比的复合滤波系统。

传统差分方法被用于对信号的处理中，但其主要针对的是低频噪声的消除，随着应用需求的不断扩展，仅仅消除低频部分噪声已经无法满足更广泛的应用需求。“对NV色心磁测量进行的信噪比优化主要集中在增强信号幅度上，如果从噪声处理着手，也有很大的潜力改善系统性能。”从事此项工作的叶安博士生介绍了工作的出发点。基于这样的理解，该工作通过结合小波去噪方法和自适应滤波技术，对信号进行了更进一步的处理，进一步消除了高频部分的噪声，这为解决传统差分方法在高频噪声处理方面的不足提供了一种新的思路。

图1 利用NV色心实现磁传感的实验装置示意图

该研究中首先利用小波去噪方法对测量信号进行精细拆解，分解为不同频率的高频和低频分量，通过设定合适的阈值，极大保留信号特征的同时去除噪声。为进一步突出信号特征，设计了一种基于变步长方法的自适应滤波技术，避免了固定参数设置可能带来的局限性，通过动态调整滤波器参数，在无需给出先验信息的情况下，持续保持最佳滤波效果，最终成功在低频、弱磁环境下实现了信噪比的提升，更有效地应对了复杂磁场环境下的测量挑战。

面对应用环境的多样性，NV色心磁强计将面临更多挑战和机遇，但也需要具备更全面的性能，不仅能够消除低频和高频噪声，还要能够适应各种复杂的信号环境。未来，团队也将不断探索和创新，以开发出更加先进和高效的信号处理方法和技术，以满足不断增长的应用需求。