CN109061755B - 基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子弱测量实现的高精度微重力加速度测量装置及方法，该微重力加速度测量装置包括重力传感单元、Sagnac干涉仪、激光发射单元、光接收探测单元和数据处理单元，将重力传感单元与基于量子弱测量的Sagnac干涉仪进行耦合，通过Sagnac干涉仪中偏振光的偏转，将悬臂梁不同重力场环境下的微小位移变化放大，从而实现对重力加速度微小变化的精确测量；其重力加速度测量精度可以达到10‑10，具有很高的测量精度，可应用于矿藏勘探、无源导航技术中的重力辅助导航，海洋重力测量，航空重力测量等方面，具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于量子光学技术领域，涉及重力加速度测量技术，具体涉及一种基于量子弱测量实现的高精度微重力加速度测量装置及方法。
背景技术
地球重力场是地球外部及其内部的基本物理场。由于地球地形、地貌各处异样，并且板块构造、地质结构在各地也千差万别，这些因素造成了地球内部质量分布的不规则，致使地球重力场在空间的分布也存在不均匀性。如何精确的测量地球重力场分布在众多领域(如固潮观测、地壳形变观测及重力勘探等)中都有着重要的意义。例如惯性无源导航技术中重力辅助导航是利用重力传感器测量地球重力场，再根据地球重力场的变化实现定位的，由于不需要发射和接收其它电磁信号，是真正的无源导航，已成为近年舰船导航领域研究的热点和前沿。
重力仪是一种广泛应用于计量学等研究的精密仪器，其精度要求随科研进步而日益增长。现如今广泛使用的重力仪主要分为绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力仪主要是对某一地区的重力加速度及其变化量进行精确测量，2016年9月，高精度NIM-3A#002型绝对重力仪已能达到国际先进水平，但因其结构复杂、测量条件苛刻，短时间测量多个地区的重力加速度数据较难。相对重力仪则因其具有测量频率高、实时性好、对重力变化敏感等特点，可以弥补绝对重力仪的不足，而被广泛使用。相对重力仪主要基于倾斜零长弹簧原理、石英弹簧原理及超导磁悬浮原理，目前在我国地面、海洋和航空等领域均有对相对重力仪的研究。例如2015年4月，由中国航天科工集团宣布研制成功的国内首个海空重力仪的静态测试指标优于0.5mGal，2015年12月投入使用的ZSM-6型地面相对重力仪，其精度可达0.001mGal。不难看出，相对重力仪虽然测量效率得到了提高，但其会存在“零点漂移”现象，可能对重力加速度的测量精度产生影响。
而且，整体来说我国在重力仪方面起步很晚，国内重力加速度测量装置主要靠进口，而高精度的重力仪仍处于技术封锁状态。因此，自主研发出结构简单、便于操作、实时性好的高精度重力加速度测量技术，对于重力加速度测量及应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的测量条件苛刻、测量精度难以保证等技术问题，提供一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，通过量子弱侧对技术噪声的极大压缩和奇异弱值放大作用，实现对重力加速度微小变化的精确测量。
本发明进一步提供了一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法。
本发明通过不同环境下重力场的微小变化引起配重悬臂梁的微小位移，同时使用量子调制弱值放大技术将微小位移放大，并基于该放大关系实现对微重力加速度的精密测量。
本发明提供的基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其包括重力传感单元、 Sagnac干涉仪、激光发射单元、光接收探测单元和数据处理单元；所述重力传感单元包括悬臂梁以及位于悬臂梁两端的第一等效配重和第二等效配重，所述悬臂梁通过游丝弹簧固定在水平放置的基座上；所示Sagnac干涉仪由偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一半波片和相位补偿器组成，三块反射镜与偏振分束器、第一半波片和相位补偿器共光轴，其中一块反射镜安装在悬臂梁上。上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，由激光发射单元发出的线偏振光经Sagnac干涉仪的偏振分束器分为两束偏振方向相互垂直的光束，两束偏振光分别入射到第一反射镜和第三反射镜，经第一反射镜反射的光束依次经第一半波片、第二反射镜、相位补偿器和第三反射镜返回至偏振分束器，经第三反射镜反射的光束依次经相位补偿器、第二反射镜、第一半波片和第一反射镜返回至偏振分束器，返回至偏振分束器的两束光束再次合为一束光从偏振分束器输出，经光接收探测单元传输至数据处理单元，由数据处理单元对光信号进行处理分析得到微重力加速度Δg。
上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，所述偏振分束器为50：50偏振分束器(BS)。为了便于测量，使经偏振分束器分开的两偏振方向相互垂直的光束构成对称光束，所述Sagnac干涉仪的第二反射镜固定于悬臂梁上，第一反射镜和第三反射镜对称设置，从而使由偏振分束器(BS)、相位补偿器、第一半波片和三块反射镜镜面构成对称光路。
上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，所述激光发射单元包括激光仪以及将从激光仪出射的激光调制为线偏振光的光调制子单元。所述光调制子单元由四分之一波片和第二半波片组成。
上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，所述光接收探测单元包括与数据处理单元连接的光探测器，所述光探测器为具有弱光探测效应的电荷耦合元件、光电倍增管或摄像机。为了尽量消除噪声的干扰，所述光接收探测单元还包括锁相放大器斩波器、和非偏振分束器，与所述锁相放大器连接的斩波器位于激光发射单元的前方，用于将激光发射单元的出射光波形调整为矩形波；非偏振分束器是指不具备偏振功能的普通分束器，其目的是将从偏振分束器输出的光束分为两束分别进入光探测器和锁相放大器；所述锁相放大器与数据处理单元连接，数据处理单元在提取从光探测器接收的光信号时，减去低频噪声信号，只提取与初始载波信号频率相同的信号。
本发明提供的高精度微重力加速度测量方法是基于量子调制弱值放大技术，选择光偏振作为量子系统的自由度。通过偏振分束器(BS)分为沿水平方向偏振态|H>和沿垂直方向的偏振态|V>，记|H>所在光路为左旋|+>，|V>所在光路为右旋|->，|+>与|->是可观测量的本征态，量子系统态主要表征为由两个偏振态|+>与|->构成的偏振叠加态，其包含系统的偏振信息以及两偏振分量间的相位延迟信息；量子系统的可观测量算符表示为在悬臂梁平衡状态下，|+>与|->为对称光路，两束相互垂直的偏振光沿着相反的路径传播之后重新返回至BS并经BS重新合并为一束光，此时量子系统在BS处的量子态为光束从BS出射后，量子系统态表示为当悬臂梁两端重力不平衡时，在重力影响下悬臂梁产生旋转，从而带动固定在其上的反射镜旋转，这将导致对称光路的对称性被破坏，此时|+>与|->分别偏振至BS光输出端的左右两侧；这个偏转可视为给光束一个偏转方向的微小动量k，反射镜的偏振与量子系统路径通过Hamilton函数纠缠，产生演化算符x为系统路径横向偏移观测量，为量子系统的可观测量算符，此时量子系统在BS处的量子态 (由系统路径与位置纠缠导致)为ψ(x)为系统路径横向偏移观测量的位置波函数：若|ψi>为系统算子的本征态，并假设ka＜1, a为激光发射单元发出的激光光束的高斯半径，此时可以取泰勒级数展开的一阶近似。
通过上述讨论可知，
对作泰勒级数展开并忽略二阶以上的小量，得到因此
定义弱值Aw，
则
假设则
从BS出射的光束强度为I＝I0|<ψf|ψ>|2，I0为激光发射单元出射的光束光强。
因此根据便可得到光接收探测单元接收到的光束亮度中心横向位移。
悬臂梁两端重力不平衡时，在重力影响下悬臂梁产生旋转，从而带动固定在其上的反射镜旋转，使光接收探测单元接收到的光束亮度中心产生横向偏移量Δk＝tanθ*k0≈θ*k0，θ为与悬臂梁固定在一起的反射镜旋转引起的光波矢偏振角度，
另外，由悬臂梁及连接在在其上的第一等效配重、第二等效配重、反射镜和游丝弹簧构成类似轴尖游丝式扭力天平结构。当第一等效配重和第二等效配重变化时，游丝弹簧处产生的由第一等效配重、第二等效配重和所处重力场觉得的转矩满足ΔM＝K*φ＝m0*Δg*L0，φ为与悬臂梁固定在一起的反射镜的旋转角度， E为游丝弹簧模量，b为游丝宽度，h为游丝厚度，i为游丝工作长度，m0L0＝|M1L1-M2L2|， M1和M2分别为第一等效配重和第二等效配重的质量，L1和L2分别为第一等效配重和第二等效配重到游丝弹簧的距离。
将和ΔM＝K*φ＝m0*Δg*L0联立，并根据得到通过测量在重力影响下光束亮度中心产生的横向偏移量便可实现对相对于悬臂梁平衡状态时的相对重力加速度(即微重力加速度)的精确测量。根据上式，相位补偿器的补偿角本身是测量过程中需要人为调控的一个重要参数，其值越小测量极限越小，但过小会影响系统测量的精确性，因此φ≥0.01。
基于上述分析，本发明提供的基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法，采用上述测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)调整第一等效配重和第二等效配重，使悬臂梁处于平衡状态，偏振分束器的光入射端为Sagnac干涉仪的光输入端，偏振分束器的光出射端为Sagnac干涉仪的光输出端，由激光发射单元发出的线偏振光入射到Sagnac干涉仪的光输入端，从Signac干涉仪光输出端输出的光信号入射到光接收探测单元，调节Sagnac干涉仪的光路至光接收探测单元接收到的光最弱，光接收探测单元将接收的光信号传输至数据处理单元，记录接收到的光束亮度中心横向位移所述相位补偿器对两束偏振方向相互垂直的光束的相位补偿角为
(S2)再次调整第一等效配重和第二等效配重，使悬臂梁产生旋转，从而带动与之连接的反射镜旋转，使光接收探测单元接收到的光束亮度中心产生偏移，记录此时接收到的光束亮度中心横向位移
(S3)根据步骤(1)和步骤(2)得到因悬臂梁旋转产生的光束亮度中心横向偏移量
(S4)依据结合光束亮度中心横向偏移量便可得到微重力加速度Δg，式中，E为游丝弹簧模量，b为游丝宽度，h为游丝厚度，i为游丝工作长度，λ为入射到Sagnac干涉仪的光束波长，a为入射到Sagnac干涉仪的光束的高斯半径， m0L0＝|M1L1-M2L2|，M1和M2分别为第一等效配重和第二等效配重的质量，L1和L2分别为第一等效配重和第二等效配重到游丝弹簧的距离。
上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法，步骤(S1)中，为了简化操作，优选实现方式为调节Sagnac干涉仪的光路至光接收探测单元接收不到光信号，即从光接收探测单元观测到消光现象，此时光束亮度中心记为此时，步骤(S2)测量得到的光束亮度中心记为步骤(S2)和步骤(S1)两种情况下产生的光束亮度中心横向偏移量且这样可以进一步提高测量精度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)由于本发明提供的基于调制弱测量的高精度微重力加速度测量，将具有重力传感的悬臂梁与基于量子弱测量的Sagnac干涉仪进行耦合，通过Sagnac干涉仪中偏振光的偏转，将悬臂梁不同重力场环境下的微小位移变化放大，从而实现对重力加速度微小变化的精确测量；同时其是一种新型的、无损的直接光学传感测量技术，为重力加速度研究提供了新的研究方向，对于重力加速度测量及应用具有十分重要的意义；
(2)由于本发明提供的基于调制弱测量的高精度微重力加速度测量，其重力加速度测量精度可以达到10-10，因此该测量技术具有很高的测量精度，可应用于矿藏勘探、无源导航技术中的重力辅助导航，海洋重力测量，航空重力测量等方面，具有重要的应用前景；
(3)由于本发明基于调制弱测量的高精度微重力加速度测量，由于通过锁相放大技术来去除环境噪声，且测量量为光强中心横向位移而减少激光光强本身带来的噪声影响，因此大大压缩技术噪声；
(4)由于本发明基于调制弱测量的高精度微重力加速度测量，以Sagnac干涉仪为基础部件，结合游丝弹簧、等效配重等便可实现对重力加速度微小变化的精确测量，装置结构简单、操作方便、实时性好，适于在本领域内推广使用。
附图说明
图1为本发明基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置结构示意图。
图2本发明实施例光探测器采集到的光斑图像。
图3本发明实施例光探测器采集到的光强信息经处理得到的光强分布图像。
附图中，1-游丝弹簧，2-悬臂梁，3-第一反射镜，3′-第二反射镜，3″-第三反射镜，4-第一等效配重，4′-第二等效配重，5-第一半波片，5′-第二半波片，6-相位补偿器，7-偏振分束器，8-四分之一波片，9-激光仪，10-光探测器，11-锁相放大器，12-非偏振分束器，13-斩波器。
具体实施方式
以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
本实施例提供的基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，如图1所示，其包括重力传感单元、Sagnac干涉仪、激光发射单元、光接收探测单元和数据处理单元。
重力传感单元包括悬臂梁2以及位于悬臂梁两端的第一等效配重4和第二等效配重4′，悬臂梁2通过游丝弹簧1固定在水平放置的基座上，游丝弹簧1一端与悬臂梁2连接，另一端连接于基座，此时游丝弹簧工作长度为游丝弹簧总长度。本实施例中使用的游丝弹簧的弹性模量E＝1*1011Pa，游丝宽度b＝1*10-2m，游丝厚度h＝1*10-3m，游丝总长度i＝1*10- 1m。
Sagnac干涉仪由50：50偏振分束器BS7(分束后的偏振方向相互垂直的两光束各占50％)、第一反射镜3、第二反射镜3′、第三反射镜3″、第一半波片5和相位补偿器6 组成，三块反射镜与偏振分束器BS7、第一半波片5和相位补偿器6共光轴，其中第二反射镜安装在悬臂梁2上；第一反射镜3和第三反射镜3″对称设置，从而使由偏振分束器 BS、相位补偿器、第一半波片和三块反射镜镜面构成对称光路。第一半波片5设置在第一反射镜和第二反射镜3′之间，相位补偿器6设置在第二反射镜3′和第三反射镜3″之间。相位补偿器6为巴比涅补偿器。
激光发射单元包括激光仪9以及将从激光仪出射的激光调制为线偏振光的光调制子单元，光调制子单元由四分之一波片8和第二半波片5′组成。激光仪9发出的激光依次经四分之一波片8和第二半波片形成线偏振光，其波长为λ＝600nm，高斯半径约为a＝1000μm。
光接收探测单元包括光探测器10、锁相放大器11和50：50非偏振分束器(分束后的两光束各占50％)。与锁相放大器11连接的斩波器13位于激光仪出射端前方，用于将激光发射单元的出射光波形调整为矩形波；从偏振分束器7输出的光束经非偏振分束器12分为两束分别进入光探测器10和锁相放大器11。光探测器10和锁相放大器11分别与数据处理单元连接，数据处理单元在提取从光探测器接收的光信号时，减去低频噪声信号，只提取与初始载波信号频率相同的信号。本实施例中光探测器10为CCD电荷耦合元件。数据处理单元为具有对光信号数据进行处理分析功能的计算机，通过计算机同时可以实现对锁相放大器的控制，选择合适频率和带宽的方波。
本实施例提供的基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置使用方法为：由激光仪9发出的激光经锁相放大器11的斩波器13调制成高频脉冲载波信号，并经四分之一波片8和第二半波片5′形成线偏振光，入射到偏振分束器7分为两束偏振方向相互垂直的光束，两束偏振光束分别入射到第一反射镜3和第三反射镜3″，经第一反射镜3反射的光束依次经第一半波片5、第二反射镜3′、相位补偿器5和第三反射镜3″返回至偏振分束器7，经第三反射镜3″反射的光束依次经相位补偿器5、第二反射镜3′、第一半波片5和第一反射镜3返回至偏振分束器7，返回至偏振分束器7的两束光束再次合为一束光从偏振分束器输出，经非偏振分束器分为两束光，一束光由光探测器10接收，另一束光有锁相放大器11接收，光探测器10和锁相放大器11分别将接收到的光信号信息传输至数据处理单元，由数据处理单元对光信号进行处理分析得到微重力加速度Δg。
采用上述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，然后按照以下步骤进行微重力加速度测量：
(S1)调整第一等效配重4和第二等效配重4′，使悬臂梁平衡状态。偏振分束器(BS)7的光入射端为Sagnac干涉仪的光输入端，偏振分束器(BS)7的光出射端为Sagnac干涉仪的光输出端。由激光仪9发出的激光经锁相放大器11的斩波器13调制成高频脉冲载波信号，并经四分之一波片8和第二半波片5′形成线偏振光，入射到偏振分束器7光入射端分为两束偏振方向相互垂直偏振光(沿水平方向偏振态|H>和沿垂直方向的偏振态|V>，记 |H>所在光路为左旋|+>，|V>所在光路为右旋|->)，从偏振分束器光出射端输出的光信号经非偏振分束器12入射到光探测器10和锁相放大器11，调节Sagnac干涉仪中的三块反射镜和相位补偿器至光探测器10接收不到光信号(即观测到消光)，此时光束亮度中心记为此时相位补偿器对两束偏振方向相互垂直的光束的相位补偿角约为
(S2)再次调整第一等效配重4和第二等效配重4′，使悬臂梁产生旋转，从而带动与之连接的反射镜旋转，使Sagnac干涉仪中的偏振光束波矢偏转，光探测器接收到的光信号传输至数据处理单元，其光斑图像如图2所示，光强度沿横向方向的分布图像如图3所示，根据光强分布，结合公式便可得到光束亮度中心横向位移此时第一等效配重和第二等效配重满足m0L0＝|M1L1-M2L2|＝0.2kg*m；
(S3)根据步骤(1)和步骤(2)得到因悬臂梁旋转产生的光束亮度中心横向偏移量
(S4)依据结合光束亮度中心横向偏移量便可得到相对于悬臂梁平衡状态时的重力加速度相对变化量(即微重力加速度)Δg≈-1.2×10-9 m ·s -2。
由此可知，采用本发明提供的量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置及测量方法，测得的微重力加速度极限精度可以达到10-10，具有很高的测量精度，可以满足矿藏勘探、无源导航技术中的重力辅助导航，海洋重力测量，航空重力测量等领域的精度要求，具有广泛的应用前景。
Claims (9)
1.一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于包括重力传感单元、Sagnac干涉仪、激光发射单元、光接收探测单元和数据处理单元；所述重力传感单元包括悬臂梁(2)以及位于悬臂梁两端的第一等效配重(4)和第二等效配重(4′)，所述悬臂梁(2)通过游丝弹簧(1)固定在水平放置的基座上；所示Sagnac干涉仪由偏振分束器(7)、第一反射镜(3)、第二反射镜(3′)、第三反射镜(3″)、第一半波片(5)和相位补偿器(6)组成，三块反射镜与偏振分束器(7)、第一半波片(5)和相位补偿器(6)共光轴，其中一块反射镜安装在悬臂梁(2)上；
由激光发射单元发出的线偏振光经Sagnac干涉仪的偏振分束器(7)分为两束偏振方向相互垂直的光束，两束偏振光束分别入射到第一反射镜(3)和第三反射镜(3″)，经第一反射镜(3)反射的光束依次经第一半波片(5)、第二反射镜(3′)、相位补偿器(5)和第三反射镜(3″)返回至偏振分束器(7)，经第三反射镜(3″)反射的光束依次经相位补偿器(5)、第二反射镜(3′)、第一半波片(5)和第一反射镜(3)返回至偏振分束器(7)，返回至偏振分束器(7)的两束光束再次合为一束光从偏振分束器输出，经光接收探测单元传输至数据处理单元，由数据处理单元对光信号进行处理分析得到微重力加速度Δg。
2.根据权利要求1所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述Sagnac干涉仪的第二反射镜(3′)固定于悬臂梁(2)上。
3.根据权利要求1所述的基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述激光发射单元包括激光仪(9)以及将从激光仪出射的激光调制为线偏振光的光调制子单元。
4.根据权利要求3所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述光调制子单元由四分之一波片(8)和第二半波片(5′)组成。
5.根据权利要求3所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述光接收探测单元包括与数据处理单元连接的光探测器(10)。
6.根据权利要求5所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述光接收探测单元还包括锁相放大器(11)、斩波器、和非偏振分束器(12)，与所述锁相放大器连接的斩波器位于激光发射单元的前方，用于将激光发射单元的出射光波形调整为矩形波；从偏振分束器输出的光束经非偏振分束器分为两束分别进入光探测器(10)和锁相放大器(11)；所述锁相放大器与数据处理单元连接。
7.根据权利要求5或6所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量装置，其特征在于所述光探测器为具有弱光探测效应的电荷耦合元件、光电倍增管或摄像机。
8.一种基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法，其特征在于利用权利要求1至7任意一项权利要求所述测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)调整第一等效配重和第二等效配重，使悬臂梁处于平衡状态，偏振分束器的光入射端为Sagnac干涉仪的光输入端，偏振分束器的光出射端为Sagnac干涉仪的光输出端，由激光发射单元发出的线偏振光入射到Sagnac干涉仪的光输入端，从Signac干涉仪光输出端输出的光信号入射到光接收探测单元，调节Sagnac干涉仪的光路至光接收探测单元接收到的光最弱，光接收探测单元将接收的光信号传输至数据处理单元，记录接收到的光束亮度中心横向位移所述相位补偿器对两束偏振方向相互垂直的光束的相位补偿角为
(S2)再次调整第一等效配重和第二等效配重，使悬臂梁产生旋转，从而带动与之连接的反射镜旋转，使光接收探测单元接收到的光束亮度中心产生偏移，记录此时接收到的光束亮度中心横向位移
(S3)根据步骤(1)和步骤(2)得到因悬臂梁旋转产生的光束亮度中心横向偏移量
(S4)依据结合光束亮度中心横向偏移量便可得到微重力加速度Δg，式中，E为游丝弹簧模量，b为游丝宽度，h为游丝厚度，i为游丝工作长度，λ为入射到Sagnac干涉仪的光束波长，a为入射到Sagnac干涉仪的光束的高斯半径，m0L0＝|M1L1-M2L2|，M1和M2分别为第一等效配重和第二等效配重的质量，L1和L2分别为第一等效配重和第二等效配重到游丝弹簧的距离。
9.根据权利要求8所述基于量子弱测量的高精度微重力加速度测量方法，其特征在于步骤(S1)中，调节Sagnac干涉仪的光路至光接收探测单元接收不到光信号，即从光接收探测单元观测到消光现象，此时光束亮度中心记为0。
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