論文の概要: Extended Kalman Smoothing of Free Spin Precession Signals for Precise Magnetic Field Determination

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.17602v1
• Date: Wed, 23 Jul 2025 15:32:26 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-24 22:33:15.061529
• Title: Extended Kalman Smoothing of Free Spin Precession Signals for Precise Magnetic Field Determination
• Title（参考訳）: 精密磁場決定のための自由スピン沈降信号の拡張カルマン平滑化
• Authors: Jasper Riebesehl, Lutz Mertenskötter, Wiebke Pohlandt, Wilhelm Stannat, Wolfgang Kilian,
• Abstract要約: 自由スピンプリセッション信号からの高精度周波数推定のための拡張カルマン・スモーザー(EKS)の新たな応用法を提案する。 以上の結果から,EKSに基づく解析は核磁気共鳴磁気計測の精度を大幅に向上させる可能性が示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: We present a novel application of the Extended Kalman Smoother (EKS) for high-precision frequency estimation from free spin precession signals of polarized $^3$He. Traditional approaches often rely on nonlinear least-squares fitting, which can suffer from limited robustness to signal decay and time-dependent frequency shifts. By contrast, our EKS-based method captures both amplitude and frequency variations with minimal tuning, adapting automatically to fluctuations via an expectation-maximization algorithm. We benchmark the technique in extensive simulations that emulate realistic spin precession signals with exponentially decaying amplitudes and noisy frequency drifts. Compared to least-squares fits with fixed block lengths, EKS systematically reduces estimation errors, particularly when frequencies evolve or signal-to-noise ratios are moderate to high. We further validate these findings with experimental data from a free-precession decay $^3$He magnetometer. Our results indicate that EKS-based analysis can substantially improve precision in nuclear magnetic resonance-based magnetometry, where accurate frequency estimation underpins absolute field determinations. This versatile approach promises to enhance the stability and accuracy of future high-precision measurements.
• Abstract（参考訳）: 偏極化$^3$Heの自由スピン先行信号から高精度な周波数推定のための拡張カルマン・スモーザー(EKS)の新たな応用法を提案する。 伝統的なアプローチは、信号減衰や時間依存の周波数シフトに制限された堅牢性に悩まされる非線形最小二乗のフィッティングにしばしば依存する。 対照的に、EKSベースの手法は振幅と周波数の変動を最小限のチューニングで捉え、期待最大化アルゴリズムによって自動的に変動に適応する。 この手法を,指数的に減衰する振幅と雑音周波数のドリフトで現実的なスピン先行信号をエミュレートする広範囲なシミュレーションでベンチマークする。 固定ブロック長に適合する最小二乗法と比較して、EKSは推定誤差を体系的に低減する。 さらに,これらの知見を,フリープレッション崩壊$^3$He磁気センサによる実験データを用いて検証した。 以上の結果から,EKSに基づく解析により核磁気共鳴磁気計測の精度が大幅に向上し,精度の高い周波数推定が絶対場決定の基盤となることが示唆された。 この汎用的なアプローチは、将来の高精度測定の安定性と精度を高めることを約束する。

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