CN106197391A - 基于弱测量技术的光子陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于弱测量技术的光子陀螺仪，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；所述光学模块用于采用联合弱测量算法和串行量子处理测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。本发明采用联合弱测量技术和串行量子处理技术，可以实现对陀螺载体微小角速度的高灵敏度和高精确测量，从而明显提升陀螺仪的测量灵敏度和测量精度，并有效解决光纤陀螺的灵敏度消失问题。

Description

基于弱测量技术的光子陀螺仪

技术领域

本发明涉及高精度角度惯性感知，具体地，涉及一种基于弱测量技术的光子陀螺仪。

背景技术

光学陀螺仪可分为两种方式：传统光学陀螺(如光纤陀螺、激光陀螺)以及光子陀螺(如压缩态光子陀螺、多纠缠光子陀螺)。这些陀螺有良好的技术优势，但是在应用中也存在一些问题。例如：

1、传统光学陀螺仪容易受到信号源光子涨落、功率涨落、非互易性、光纤长度、外场等因素的影响的较大，这些因素影响陀螺的精度、灵敏度和稳定性。

2、传统光学陀螺以经典物理为基础，其精度和灵敏度不可突破散粒噪声极限，从而影响陀螺仪的精度和灵敏度的进一步提升。

3、以往光子陀螺仪的技术实现非常复杂。例如，压缩态光子陀螺仪和多纠缠光子陀螺仪的信号源分别是压缩态光子源和多光子纠缠源，目前都很难制备。

由以上描述可知，传统光学陀螺仪和以往光子陀螺仪有明显的技术优势，但是也存在一些难以克服的缺陷。如何利用光学陀螺仪的技术优势同时克服其缺陷成为近年来成为人们重点考虑的问题。近年来，人们发现基于量子干涉的Sagnac效应下测量精度可以明显提升，理论计算结果显示，量子干涉效应在灵敏度方面理论上可以到达甚至突破海森堡极限，比传统的一阶干涉技术在灵敏度和精度方面可以提升多个数量级。量子干涉可以通过原子等实物粒子实现，也可以通过光子流来实现，它们统称为量子陀螺仪。基于原子干涉的陀螺仪通常被称为原子陀螺仪，由于原子质量大，原理上这种陀螺仪的精度可以很高。基于光子干涉的通常被称为光子陀螺仪，目前实现光子干涉主要有两种方式：基于光子压缩态的量子干涉和基于多光子纠缠态的量子干涉，其中前者已经用于引力波的探测，后者目前处于物理原理探索阶段。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于弱测量技术光子陀螺实现方法。适合光纤中光子在高速旋转平台中对于角度信息的感知，尤其是通过采用联合弱测量和串行操控技术可以极大提高探测的精度和提高系统的稳定性。

根据本发明提供的基于弱测量技术的光子陀螺仪，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；

其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；

所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；

所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；

所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。

优选地，所述光学模块测量所述陀螺载体的角速度包括如下步骤：

步骤A1：前选择偏振，具体为，通过格兰泰勒棱镜将陀螺载体输出的光子信号调制成初始选择态偏振光；

步骤A2：将初始选择态偏振光经过第一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入至Sagnac回路并进行串行量子处理后输出串行量子偏振光，所述串行量子偏振光的偏振为：

$(e^{-\mathrm{i\ω\τ}}H+e^{\mathrm{i\ω\τ}})/\sqrt{2}=\left(\cos \mathrm{\ω\τ}\right|+\⟩+i\sin \mathrm{\ω\τ}|-\⟩)/\sqrt{2}$

其中， $|+\⟩=(H+V)/\sqrt{2},|-\⟩=(H-V)/\sqrt{2};\mathrm{\τ}\≈\frac{2\mathrm{\ΩS}}{c^2}$ 为待测延迟，S为Sagnac回路面积，ω为光的角频率，τ为Sagnac回路顺、逆时针传播光路的相对时延，H为水平方向偏振，V为垂直方向偏振，|+〉为+45°偏振，|-〉为-45°偏振，Ω为转台转动角速度，c为光速，i表示虚数；

步骤A3：所述串行量子偏振光通过光轴在45度方向的四分之一波片输出变偏振态偏振光，所述变偏振态偏振光的偏振为：

$\left(\cos \mathrm{\ω\τ}\right|+\⟩-\sin \mathrm{\ω\τ}|-\⟩)/\sqrt{2};$

步骤A4：后选择偏振，具体为，所述变偏振态偏振光输入偏振分束器后输出透射偏振光和反射偏振光；

步骤A5：通过第一光电探测器采集反射偏振光的模拟信号，通过第二光电探测器采集透射偏振光的模拟信号；

所述第一光电探测器采集到的光谱P_-1(ω)为：

P_-1(ω)＝P(ω)·[1-cos(2θ-2ωτ)]/2；

所述第一光电探测器采集到的光谱P₊₁(ω)为：

P₊₁(ω)＝P(ω)·[1+cos(2θ+2ωτ)]/2；

其中，P(ω)为输入光频谱，θ为后选择偏振态的偏转角。

优选地，所述数据处理模块对所述测量数据进行分析和处理包括如下步骤：

步骤C1：采用符合算法和联合弱测量的方法对测量数据进行处理；

步骤C2：采用光子陀螺解算算法将测量数据解算出陀螺的参数；

所述联合弱测量算法具体为，根据最大似然定理、统计平均处理方法并利用Fisher信息理论模型对测量结果进行统计估计，求出测量数据的测量精度；

所述符合算法具体为，根据光子信号的物理关联性，进行符合运算；

所述光子陀螺解算算法具体为，利用陀螺方程进一步对所述测量数据进行分析和解算，从而得出陀螺参数。

优选地，所述步骤A2包括如下步骤：

步骤A201：初始选择态偏振光经过偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理，水平偏振透射光和竖直偏振反射光分别沿逆时针和顺时针方向传播，后经过偏振分束器汇合输出串行量子偏振光；

步骤A202：所述串行量子偏振光再次输入另一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理后经过偏振分束器汇合输出；

步骤A203：重复步骤A202N次，N大于等于0。

优选地，所述初始选择态偏振光为45度偏振光。

优选地，电学模块包括光源控制电路、光电探测器控制电路、高速数据采集电路和电信号处理电路；

其中，所述光源控制电路用于控制陀螺载体输出光子信号；

所述光电探测器控制电路用于对第一光电探测器和第一光电探测器的分别控制且用于同时实现对反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的的模拟信号的同步控制；

所述高速数据采集电路用于获取反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的的模拟信号的谱信息；

所述电信号处理电路用于放大、输出、存储所收集到的电信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用联合弱测量技术和串行量子处理技术，可以实现对陀螺载体微小角速度的高灵敏度和高精确测量，从而明显提升陀螺仪的测量灵敏度和测量精度，并有效解决光纤陀螺的灵敏度消失问题；

2、本发明设置有第一光电探测器和第一光电探测器，同时采集反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的模拟信号，能够利用了两信号的物理关联性，大大降低了陀螺仪对外界环境因素的敏感性，从而明显提升陀螺仪的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中弱测量光子陀螺仪的光学模块的结构示意图；

图2为本发明中串行量子操作的示意框图；

图3为本发明中数据处理模块的框图；

图4为本发明的结构示意图。

图中：

1 为信号源；

2 为格兰泰勒棱镜；

3 为第一偏振分束器；

4 为四分之一波片；

5 为第二偏振分束器；

6 为第一光电探器；

7 为第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的基于弱测量技术的光子陀螺仪，采用了新型的角速度感知结构和处理方法实现了光子陀螺，从而提高了陀螺仪的感知精度和抗噪声性能。本发明采用量子联合弱测量技术和串行量子操作。并采用感知光子频率分布变化的方法获知系统的角速度。

在本实施例中，本发明提供的基于弱测量技术的光子陀螺仪，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；

其中，所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行和对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。所述联合弱测量技术，是指对光子的系统态和测量态之间的弱相互作用采用联合检测的技术；所述串行量子处理技术，是指在系统上同一演化过程被不断串行感知，从而串行测量的过程。

所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度的具体过程如下：

将陀螺载体安置于转台上，以角速度Ω顺时针旋转。陀螺载体输出的光子信号经过格兰泰勒棱镜被调制成45度方向偏振光。陀螺载体设置有非相干光源，用于发出白光，具体为LED或纠缠光源。

45度方向偏振光经第一偏振分束器，即PBS分解成水平偏振透射光，即H光和竖直偏振反射光，即V光后，进入Sagnac回路。

所述Sagnac回路为一种环形光路，由一个偏振分束器和若干反射镜组成。设偏振分束器四个端口分别编号为1-4，光束到达偏振分束器1端口后分别从2、3端口出射，经反射后重新回到分束器汇聚，最终从4端口输出。

进行串行量子处理后经偏振分束器汇合输出串行量子偏振光。由于整个光路在转动，H光与V光围绕一圈后回到PBS处的相位会有所不同。从PBS下端出射的串行量子光偏振为：

$(e^{-\mathrm{i\ω\τ}}H+e^{\mathrm{i\ω\τ}})/\sqrt{2}=\left(\cos \mathrm{\ω\τ}\right|+\⟩+i\sin \mathrm{\ω\τ}|-\⟩)/\sqrt{2}$

其中， $|+\⟩=(H+V)/\sqrt{2},|-\⟩=(H-V)/\sqrt{2};\mathrm{\τ}\≈\frac{2\mathrm{\ΩS}}{c^2}$ 为待测延迟，S为Sagnac回路面积，ω为光的角频率，τ为顺、逆时针传播光路的相对时延，H为水平方向偏振，V为垂直方向偏振，|+〉为+45°偏振，|-〉为-45°偏振，Ω为转台转动角速度，c为光速，i表示虚数。可凭此值反推出需测角速度Ω。串行量子光偏振通过一个光轴在45度方向的四分之一波片后变偏振态偏振光，偏振态变更为最后，变偏振态偏振光通过第一偏振分束器，即旋转PBS使其折射与反射的偏振分别为sinθ|+〉+cosθ|-〉和cosθ|+〉-sinθ|-〉，从而实现联合弱测量的后选择操作。被后选择的光强进入频谱仪(q＝-1/+1)进行数据采集与分析。频谱仪包括第一探测器，即q＝+1探测器和第二探测器，即q＝-1探测器，设输入光频谱为P(ω)，被最后一个PBS筛选后，从两个端口输出的光谱分别为：

P_-1(ω,τ)＝P(ω)·[1-cos(2θ-2ωτ)]/2

P₊₁(ω,τ)＝P(ω)·[1+cos(2θ+2ωτ)]/2

其中，θ为后选择偏振态的偏转角。取可使用最大似然算法和Fisher信息理论通过数据统计得到τ值和θ值，具体为：设定最大似然估计函数L：

$L=\underset{q\±1}{\mathrm{\Σ}}\∫{\mathrm{d\ωf}}_q(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})\log P_q(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})$

其中f_q(ω,τ)是对应q＝+1或-1时实测得的频谱。logP_q(ω,τ)为q＝+1或-1时的光谱。将L函数分别对τ和θ求偏导，并求解τ_est和θ_est，使得：

$\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\τ}}=0$ 以及 $\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}=0$

依上述步骤解出的τ_est和θ_est数值即为本次测量输出的估算值。

设Sagnac回路面积为1m²，当可测量τ值达到10^-18s量级时，对应可检测角速度Ω量级为10^-2rad/s，与单匝光纤陀螺仪精度相近。实际上联合弱测量技术中容易得到更高的精确度，如10^-21s。

为了突破散粒噪声极限，使用如下步骤实施串行量子处理技术。对图中到达q＝+1和q＝-1探测器前的关联光信号不做测量，而是重新将入射到Sagnac回路中，使它们重新感知载体角速度，这个过程与前一个Sagnac回路的处理一样，这样重复N次(例如100次)，然后对进入q＝+1探测器和q＝-1探测器的两个关联光信号进行谱测量，如图2所示，图中是关于角度的幺正变换。这种方式可以使测量精度突破散粒噪声极限而到达海森堡极限。

所述电学模块用于控制光学模块的运行和对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储，具体过程如下：

电学模块的主要功能是通过电路及其绑定的控制程序控制光学模块的稳定运行，并对探测器获得电信号进行电学处理。电学模块包括光源控制电路、光电探测器控制电路、高速数据采集电路和电信号处理电路等。其中，光源的控制电路主要用于控制信号源的稳定性，确保输出的光子信号稳定。光电探测器控制电路用于实现对单个光电探测器的控制，包括光电探测器工作模式的控制、光电探测器稳定性的控制等，同时用于实现对反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的模拟信号的同步控制技术。高速数据采集电路拟采用FPGA板来实现。电信号处理电路主要用于获取反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的模拟信号的光谱信息和相关数据，在光谱分析方面，已经有各种商用光谱仪用于测量光子信号，但是光谱仪一般体积比较大，且包含很多其它的功能，因此可以参照光谱仪来研制合适的电路处理模板，以减小体积。

数据处理模块的主要功能是对通过光学模块和电学模块测量得到的数据进行分析和处理，并在此基础上通过解算算法获得陀螺的核心参数和技术指标。从数据处理模块的功能来看，可以分为两个部分：测量数据处理部和解算算法部。

测量数据处理部分主要利用符合算法和联合弱测量算法对测量数据进行后期处理。在符合算法中，其核心思想是根据光子信号的物理关联性，特别是二阶关联性，设计出符合算法，通过该符合算法的处理可以进一步提高测量结果的精度，消除噪声的影响。在联合弱测量算法中，根据最大似然定理、统计平均处理方法，并利用Fisher信息理论模型对测量结果进行统计估计，给出测量精度，具体过程为：

步骤1：读取0信道，即CH0中的一次光子检测记录，判断1信道，即CH1在对应时间段内是否也检测到光子；

步骤2：若是，CH0光子符合门宽内的符合计数+1；若否，则返回CH0继续读取下一次光子检测记录；

步骤3：重复以上步骤直至遍历所有数据；

步骤4：利用前述最大似然估计算法原理构造出最大似然估计函数，找到符合计数最大点的值和位置，计算出半高宽和拟合参数基准值；

步骤5：利用公式：

$I_{\mathrm{\τ}}=\underset{q=\±1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{d\τ}{P}_q(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ}){\left(\frac{\∂\log P_q(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})}{\∂\mathrm{\τ}}\right)}^2$

计算本次估值中所包含的Fisher信息量，根据Cramer-Rao定理计算得出本次测量精度极限：其中N为本次探测光子总数。

根据前面原理部分的介绍，联合弱测量技术可以实现统计精度的提升，且与系统误差无关；而在串行量子操作技术中，统计平均可以带来数量级的精度提升，v为重复操作次数。需要指出的是，在联合弱测量算法中，必须使用弱测量的条件，即ωτ＜＜1，在这个条件下，上述的数据处理算法才能正确。

如图3所示，解算算法部主要是利用陀螺方程进一步对所获得测数据进行分析和解算，从而给出陀螺参数。考本发明中的光子陀螺仪与传统光纤陀螺仪有一定的相似性，本发明将在传统光纤陀螺解算算法的基础上结合弱测量光子陀螺的特点做适当修改，形成本发明所研制光子陀螺的解算算法。通过解算算法，获得陀螺的核心参数。经过前述步骤解算出延时τ的值后，依据Sagnac公式：

$\mathrm{\τ}=\frac{4S}{c^2}\mathrm{\Ω}$

可解算出当前载体的转动角速度值。式中，S表示Sagnac回路面积，c表示光速，Ω表示当前载体转动角速度。陀螺的核心参数包括：1)零位漂移(°/h)：静止状态下平均每小时产生的相位误差，主要由系统误差引起；2)随机游走：式中NERR为最小可检测相位，r_R.W.为随机游走系数，B为检测器带宽，主要由外部因素的影响而产生；3)标度因数(°/s/Hz)：计算角速度值所使用到的直线的斜率；4)灵敏度：能够测量的最小的角速度。本项目中我们主要关注灵敏度和零漂。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；

其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；

所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；

所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；

所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。

2.根据权利要求1所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，所述光学模块测量所述陀螺载体的角速度包括如下步骤：

步骤A1：前选择偏振，具体为，通过格兰泰勒棱镜将陀螺载体输出的光子信号调制成初始选择态偏振光；

步骤A2：将初始选择态偏振光经过第一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入至Sagnac回路并进行串行量子处理后输出串行量子偏振光，所述串行量子偏振光的偏振为：

$(e^{-\mathrm{i\ω\τ}}H+e^{\mathrm{i\ω\τ}}V)/\sqrt{2}=\left(\cos \mathrm{\ω\τ}\right|+>+i\sin \mathrm{\ω\τ}|->)/\sqrt{2}$

其中， $|+>(H+V)/\sqrt{2},|->=(H-V)/\sqrt{2};\mathrm{\τ}\≈\frac{2\mathrm{\ΩS}}{c^2}$ 为待测延迟，S为Sagnac回路面积，ω为光的角频率，τ为Sagnac回路顺、逆时针传播光路的相对时延，H为水平方向偏振，V为垂直方向偏振，|+>为+45°偏振，|->为-45°偏振，Ω为转台转动角速度，c为光速，i表示虚数；

步骤A3：所述串行量子偏振光通过光轴在45度方向的四分之一波片输出变偏振态偏振光，所述变偏振态偏振光的偏振为：

$\left(\cos \mathrm{\ω\τ}\right|+>-\sin \mathrm{\ω\τ}|->)/\sqrt{2};$

步骤A4：后选择偏振，具体为，所述变偏振态偏振光输入偏振分束器后输出透射偏振光和反射偏振光；

步骤A5：通过第一光电探测器采集反射偏振光的模拟信号，通过第二光电探测器采集透射偏振光的模拟信号；

所述第一光电探测器采集到的光谱P_-1(ω)为：

P_-1(ω)＝P(ω)·[1-cos(2θ-2ωτ)]/2；

所述第一光电探测器采集到的光谱P₊₁(ω)为：

P₊₁(ω)＝P(ω)·[1+cos(2θ+2ωτ)]/2；

其中，P(ω)为输入光频谱，θ为后选择偏振态的偏转角。

3.根据权利要求2所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，所述数据处理模块对所述测量数据进行分析和处理包括如下步骤：

步骤C1：采用符合算法和联合弱测量的方法对测量数据进行处理；

步骤C2：采用光子陀螺解算算法将测量数据解算出陀螺的参数；

所述联合弱测量算法具体为，根据最大似然定理、统计平均处理方法并利用Fisher信息理论模型对测量结果进行统计估计，求出测量数据的测量精度；

所述符合算法具体为，根据光子信号的物理关联性，进行符合运算；

所述光子陀螺解算算法具体为，利用陀螺方程进一步对所述测量数据进行分析和解算，从而得出陀螺参数。

4.根据权利要求2所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，所述步骤A2包括如下步骤：

步骤A201：初始选择态偏振光经过偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理，水平偏振透射光和竖直偏振反射光分别沿逆时针和顺时针方向传播，后经过偏振分束器汇合输出串行量子偏振光；

步骤A202：所述串行量子偏振光再次输入另一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理后经过偏振分束器汇合输出；

步骤A203：重复步骤A202N次，N大于等于0。

5.根据权利要求2所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，所述初始选择态偏振光为45度偏振光。

6.根据权利要求1所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，电学模块包括光源控制电路、光电探测器控制电路、高速数据采集电路和电信号处理电路；

其中，所述光源控制电路用于控制陀螺载体输出光子信号；

所述光电探测器控制电路用于对第一光电探测器和第一光电探测器的分别控制且用于同时实现对反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的模拟信号的同步控制；

所述高速数据采集电路用于获取反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的模拟信号的谱信息；

所述电信号处理电路用于放大、输出、存储所收集到的电信号。