CN108801476B - 一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其中，系统的第一光纤分束器接收窄线宽连续激光器的输出光，相位型电光调制器和振幅型光纤电光调制器分别接收第一光纤分束器输出的两束光，第一压电陶瓷调制器接收相位型电光调制器的输出光，第二压电陶瓷调制器接收振幅型光纤电光调制器的输出光，第二光纤分束器接收第一压电陶瓷调制器和第二压电陶瓷调制器的输出光，信号转换器接收第二光纤分束器的两束输出光，并转换为电信号相减后输出，信号发生器分别连接振幅型光纤电光调制器和混频器，信号转换器、混频器、滤波器、第一伺服反馈装置和相位型电光调制器依次连接，信号转换器还通过第二伺服反馈装置连接第一压电陶瓷调制器。本发明可以达到散粒噪声极限测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学相位估计领域，尤其涉及一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统。
背景技术
单模光场本身的量子噪声导致对其的相位估计不可能是完全准确的。在光通信和光传感领域，信息经常会加载或编码在相位上，对相位的估计越准确，就意味着接受者或观测者能得到越多的初始信息。此外，在引力波干涉仪及其他精密测量领域，相位估计的精度也至关重要。量子力学的不确定性原理会限制激光干涉仪等测量设备的测量精度。在利用压缩光等非经典光提高测量精度之前，必须先将测量系统做到经典极限，即排除热噪声，环境噪声等经典噪声，实现只包含本征不确定性的理想测量。
相位估计可以分为两种：自适应型相位估计和非自适应型相位估计。非自适应型测量是一种较传统的测量手段，比如用光学外差探测手段探测固定相位。自适应相位估计是一种根据先前测量结果实时调节测量条件，使得每一时刻的测量都处在最优条件下进行。
发明内容
发明目的：本发明基于目前大部分散粒噪声极限的相位估计都集中在对固定相位的测量，光路系统都采用空间光体系的现状下，提供一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统。
技术方案：本发明所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统包括：窄线宽连续激光器、第一光纤分束器、相位型电光调制器、振幅型光纤电光调制器、第一压电陶瓷调制器、第二压电陶瓷调制器、第二光纤分束器、信号转换器、信号发生器、混频器、滤波器、第一伺服反馈装置和第二伺服反馈装置，其中，第一光纤分束器接收窄线宽连续激光器的输出光，相位型电光调制器和振幅型光纤电光调制器分别接收第一光纤分束器输出的两束光，第一压电陶瓷调制器接收相位型电光调制器的输出光，第二压电陶瓷调制器接收振幅型光纤电光调制器的输出光，第二光纤分束器接收第一压电陶瓷调制器和第二压电陶瓷调制器的输出光，信号转换器接收第二光纤分束器的两束输出光，并转换为电信号相减后输出，信号发生器分别连接振幅型光纤电光调制器和混频器，信号转换器、混频器、滤波器、第一伺服反馈装置和相位型电光调制器依次连接，信号转换器还通过第二伺服反馈装置连接第一压电陶瓷调制器。
进一步的，所述信号转换器具体包括第一平衡探测器、第二平衡探测器和减法器，第一平衡探测器和第二平衡探测器分别接收第二光纤分束器发出的其中一束输出光，并转换为电信号后经由减法器相减后输出，其中，所述第一平衡探测器和第二平衡探测器增益相近，以保证能减去系统中的经典振幅噪声，降低系统噪声。
进一步的，所述滤波器包括依次连接的低通滤波器和带通滤波器。所述低通滤波器具体为1MHz的低通滤波器。所述带通滤波器具体为100Hz-1KHz的带通滤波器。
进一步的，所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器具体为50/50保偏光纤分束器。所述第一压电陶瓷调制器和所述第二压电陶瓷调制器具体为保偏光纤型压电陶瓷调制器。
进一步的，所述信号发生器具体用于产生1.5MHz的正弦信号。
进一步的，所述振幅型光纤电光调制器用于根据信号发生器产生的正弦信号，将接收的光束调制为一个主频项和两个1.5MHz的高频边带，再经过第二压电陶瓷调制器引入相位扰动信号。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明是一种能达到散粒噪声极限的测量大角度随机游走相位信号的自适应平衡零拍探测系统。用振幅型电光调制器产生一对光通量为～106的高频光学边带，将其作为平衡零拍探测的信号光，用一束强度远大于信号光的同源光束作为本地光来构建平衡零拍探测系统。给信号光一臂加一个随机扰动的相位信号时，平衡探测器接收到的信号经过卡曼滤波器后，可对所加信号进行精准的估计，从而反馈到本地光一臂，用相位锁定技术使使信号光和本地光的相对相位一直保持在π/2。本发明的特色之处在于通过对平衡探测器接收到的信号进行实时的处理，再对本地光进行调制，使其随信号光的相位变化同步变化，用这种自适应的探测方式巧妙的将测量点保持在相位的最佳测量点，充分的利用信号光的全部光子，从而达到散粒噪声极限测量。此外，本发明可以对大角度随机相位信号进行实时估计，这一技术可用在光通信，光学精密测量，光纤传感等领域。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的系统框图；
图2是实时相位估计的时域图；
图3是是追踪方差随光子数变化的示意图。
具体实施方式
本实施例提供了一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，如图1所示，包括1064nm的窄线宽连续激光器1，第一光纤分束器2，第二光纤分束器7，相位型电光调制器3，振幅型光纤电光调制器4，第一压电陶瓷调制器5,第二压电陶瓷调制器6，第一平衡探测器8，第二平衡探测器9，信号发生器10，混频器11，1MHz的低通滤波器12，100Hz-1KHz的带通滤波器13，第一伺服反馈装置14，和第二伺服反馈装置15。其中，第一光纤分束器2和第二光纤分束器7具体为50/50保偏光纤分束器。第一压电陶瓷调制器5和第二压电陶瓷调制器6具体为保偏光纤型压电陶瓷调制器。系统可以分为光路部分和电路两大模块，光路部分包括由窄线宽连续激光器1，第一光纤分束器2，第二光纤分束器7，相位型电光调制器3，振幅型光纤电光调制器4，第一压电陶瓷调制器5,第二压电陶瓷调制器6所共同组成的马赫增德尔干涉仪组成，其中振幅型光纤电光调制器4用来产生高频的光学边带，保偏光纤型压电陶瓷调制器6用来加载随机信号，保偏光纤型压电陶瓷调制器5用在低频反馈环路中抑制环境扰动，相位型电光调制器3用在滤波估计环路中实时调节本地光相位。电路部分包括信号发生器10，一对平衡探测器8,9及由一个混频器11，一个1MHz的低通滤波器12，一个100Hz-1KHz的带通滤波器13，两个伺服反馈装置14，15组成的两个反馈环路构成。
本发明的工作原理为：1064nm窄线宽连续激光器1发出窄线宽连续光经过准直后耦合入第一光纤分束器2，经分束器后分为两束模式匹配的本地光和信号光。信号光经过一定的衰减后经过振幅型光纤电光调制器4，将信号发生器10产生1.5MHz的正弦信号加载在振幅型电光调制器4上，使信号光束调制为一个主频项和两个1.5MHz的高频边带后，再经过保偏光纤型压电陶瓷调制器6引入相位扰动信号，其中，控制信号光的光强及电光调制器的调制深度即可得到光子数近似为～106的弱相干态。本地光分别经过相位型电光调制器3和保偏光纤型压电陶瓷调制器5后与经过调制的信号光在50/50保偏光纤分束器7上混合再分束。从第二光纤分束器7分束出来的两束光被一对低噪声，增益相近的平衡探测器8,9接收。由平衡探测器转化成电信号后相减，再与信号发生器10产生的1.5MHz的正弦信号混频，将信号光的高频边带与本地光的部分拍频项转化为低频信号，主频与本地光的干涉项转化为高频分量，再经1MHz的低通滤波器12，滤掉混频后信号的高频分量。为了使得信号光和本地光的相对相位处在π/2处，构建由平衡探测器8,9，保偏光纤型压电陶瓷调制器5，伺服反馈系统PID15组成的低频，低增益的相位反馈环路，锁定干涉仪两臂相位差，抑制外界环境的噪声扰动。实验装置中的另一个反馈环路，即执行滤波估计的反馈回路，由混频器11，一个1MHz的低通滤波器12，一个100Hz-1KHz的带通滤波器13，伺服反馈装置PID14以及光路系统中的相位型电光调制器3共同构成。混频器11和1MHz的低通滤波器12用来解调信号，一个100Hz-1KHz的带通滤波器13用作卡曼滤波器，通过积分平衡零拍电流对信号光相位做出估计后，经伺服反馈装置PID14放大到合适比例反馈给相位型电光调制器3，自适应的调节本地光相位。
下面对自适应平衡零拍系统的精度做定量分析。信号光的高频边带可写为α(ei (ω+Ω)t+ei(ω-Ω)t)+δα，其中α是输入相干态的振幅，δα是相干态的量子起伏，ω是入射光场的频率，Ω为振幅型电光调制器的调制频率。信号光与强度远大于信号光的本地光混合由平衡探测器探测，经过解调后，归一化的平衡零拍电流可以写为如下形式：
I(t)dt＝2|α|sin[Φ(t)-Φf(t)]dt+dW(t) (1)
其中，Φ(t)是信号光的待估计相位，为Φ(t)的滤波估计，dW(t)代表量子噪声项，对相干光场来说，dW(t)根据其维格纳分布可看做一个高斯白噪声，满足<dW(t)dW(τ)>＝δ(t-τ)(dt)2。
若相位锁定环路工作在理想状态，则Φf(t)是Φ(t)的最优估计，即满足判定条件：
<[Φ(t)-Φf(t)]2>＜＜1 (2)
此时，平衡零拍电流可以线性化为如下形式：
η(t)≈Φ(t)-Φf(t)+z(t) (3)
其中P是平均光功率。
为了获得对光学相位的最小均方差估计，在对平衡零拍电流进行线性化后我们选择卡曼-贝斯滤波这一估计手段。若相位信号为Ornstein Uhlenbeck过程时，其波形可以表达为如下形式：
其中，dV(s)是经典维纳增量，满足<dV(s)dV(s0)>＝δ(s-s0)(dt)2，λ是信号的带宽，κ/2λ是Φ(t)的平均均方差。根据卡曼滤波的估计方程，将平衡零拍电流当做相位锁定环的更新量，可得到稳态情况下的最优滤波估计的形式：
从而我们可以得到卡曼增益的表达式及用相干态做测量的平均均方差：
图2为信号追踪的时域图，实验中的Ornstein Uhlenbeck信号由一个信号发生器产生的白噪声外加一个低通滤波器产生.，生成的1kHz带宽的Ornstein Uhlenbeck信号经高压放大器加载到压电陶瓷调制器6上，压电陶瓷的振动引起光纤的径向长度的改变从而转化为信号光的相位扰动。施加信号后同时锁定两个反馈环路，在伺服反馈装置15后取得滤波估计信号。图2中细实线是初始相位信号，粗实线是滤波估计结果，直观上来看，滤波估计信号是能追踪上初始的相位信号的，在频率较高的地方也能完美还原相位信号。
下面来用初始信号和滤波估计信号的方差指标来定量分析追踪情况。由前文分析可知，追踪方差是和测量的光子数有关的，理论上，探测所用的光子数越多，即探测资源越多时，测量精度越高，初始信号和滤波估计信号的均方差越小。图3是我们改变入射光子数得到的方差的实验结果图。保持本地光光强不变，改变振幅型光纤电光调制器4的调制电压，用压电陶瓷调制器6扫描干涉仪两臂的相对相位，用探测器记录不同的干涉振幅来标定信号光的光子数。在不同的光子数下，测量计算追踪的均方差，调节卡曼滤波增益，记录每个光子数下的最优追踪方差从而得到图3的自适应滤波实验结果图。将其与外差理论和自适应理论的结果相比较，可看出实验结果是优于外差理论的，且实验结果与自适应理论结果较为符合，证明此自适应平衡零拍探测系统达到了散粒噪声极限。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：包括窄线宽连续激光器、第一光纤分束器、相位型电光调制器、振幅型光纤电光调制器、第一压电陶瓷调制器、第二压电陶瓷调制器、第二光纤分束器、信号转换器、信号发生器、混频器、滤波器、第一伺服反馈装置和第二伺服反馈装置，其中，第一光纤分束器接收窄线宽连续激光器的输出光，相位型电光调制器和振幅型光纤电光调制器分别接收第一光纤分束器输出的模式匹配的本地光和信号光，第一压电陶瓷调制器接收相位型电光调制器的输出光，第二压电陶瓷调制器接收振幅型光纤电光调制器的输出光，第二光纤分束器接收第一压电陶瓷调制器和第二压电陶瓷调制器的输出光，信号转换器接收第二光纤分束器的两束输出光，并转换为电信号相减后输出，信号发生器分别连接振幅型光纤电光调制器和混频器，信号转换器、混频器、滤波器、第一伺服反馈装置和相位型电光调制器依次连接，信号转换器还通过第二伺服反馈装置连接第一压电陶瓷调制器；
其中，所述信号光经过振幅型光纤电光调制器时，根据信号发生器产生的正弦信号调制为一个主频项和两个高频边带后，再经过第二压电陶瓷调制器引入相位扰动信号；所述本地光分别经过相位型电光调制器和第一压电陶瓷调制器后与经过调制的信号光在第二光纤分束器上混合再分束；所述信号转换器的输出信号与信号发生器产生的正弦信号在混频器混频，将信号光的高频边带与本地光的部分拍频项转化为低频信号，主频与本地光的干涉项转化为高频分量；信号转换器、第一压电陶瓷调制器、第二伺服反馈构成用于锁定干涉仪两臂相位差的相位反馈环路，混频器、滤波器、第一伺服反馈装置、相位型电光调制器构成用于滤波估计的反馈回路，所述滤波器用于滤除高频分量。
2.根据权利要求1所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述信号转换器具体包括第一平衡探测器、第二平衡探测器和减法器，第一平衡探测器和第二平衡探测器分别接收第二光纤分束器发出的其中一束输出光，并转换为电信号后经由减法器相减后输出，其中，所述第一平衡探测器和第二平衡探测器增益相近。
3.根据权利要求1所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述滤波器包括依次连接的低通滤波器和带通滤波器。
4.根据权利要求3所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述低通滤波器具体为1MHz的低通滤波器。
5.根据权利要求3所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述带通滤波器具体为100Hz-1KHz的带通滤波器。
6.根据权利要求1所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器具体为50/50保偏光纤分束器。
7.根据权利要求1所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述第一压电陶瓷调制器和所述第二压电陶瓷调制器具体为保偏光纤型压电陶瓷调制器。
8.根据权利要求1所述的测量时变相位信号的光纤型自适应平衡零拍测量系统，其特征在于：所述信号发生器具体用于产生1.5MHz的正弦信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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