CN110031080B - 一种微弱声场信号的弱测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱声场信号的弱测量装置及方法，包括光源、输入光纤、准直器、高斯滤波片、前选择态线偏振片、偏振分束器A、被测水环境池、反射镜A、偏振分束器B、后选择态线偏振片A、参考水环境池、隔音介质、反射镜、光耦合器A、输出光纤A、解调模块、后选择态线偏振片B、光耦合器B、输出光纤B，所有光器件的偏振消光比要求高于10⁶：1，其中，参考水环境池与被测水环境池介质相同，解调模块精细解调中心波长变化。本发明的优点：采用量子弱测量原理，具备对光相位变化高灵敏，同时对被测声场不引入任何干扰的特点，对水声弱信号进行高精度测量。

Description

一种微弱声场信号的弱测量装置及方法

技术领域

本发明涉及水声传感领域，主要是一种微弱声场信号的弱测量装置及方法。

背景技术

弱测量技术由Aharonov，Albert和Vaidman首次提出(Aharonov Y,Albert D Z,Vaidman L.How the result of a measurement ofa component of spin of a spin-1/2paritcle can turn out to be 100.Physical review letter,1998,60(14):1351-1354)，并于1991年被实验验证(Ritchie N W M,Story J G,Hulet R G.Realization of ameasurement of a“weak value”.Physical Review Letter.1991,66(9):1107.)，实验采用弱值放大方案(Weak value amplification)可有效实现微弱的物理效应，提供量子精密测量新思路。弱测量方案是在牺牲探测概率条件下，通过相互作用过程的前后加入近似正交的选择态，获得放大的耦合参数。Dixon等人于2009年首次验证了弱值放大技术的实用性(Dixon P B,Starling D J,Jordan A N,et al.Ultrasensitive beam deflectionmeasurement via interferometric weak value amplification.Physical ReviewLetter.2009,102(17):173601)，Fang C等人于2015年报道了精度高达10-19s数量级的时间延迟(Fang C,Huang J Z,Yu Y,et al.Ultra-small time-delay estimation via aweak measurement technique with post-selection.Journal of Physics B:Atomic,Molecular and optical physics.2016,49(17):175501)。速度、偏振态量、温度等物理量的微变化量都可以采用弱测量技术实现高精度测量。

通常，光纤水听器必须在水环境中具有非常高的相位/声压灵敏度，才能在声光耦合系数较低的环境下实现声学测量。如Lima等采用光纤激光器用于声学测量，采用了一个20mm长、10mm外径、0.5mm厚度的芯轴结构增加声学灵敏度，实现了250kHz频率下-200dB(0dB＝1V_rms/μPa)(S.E.U.Lima,R.G.Farias,F.M.Araujo,et al.Fiber laser sensorbased on a phase shifted chirped grating for acoustic sensing of partialdischarges.Photonic Sensor.2013,3(1):44-51)。Yi Li等将马赫曾德尔干涉仪结构的检波器测量臂增加锥形结构，实现灵敏度指标改善20dB的效果(Y Li,X.Wang,X.Bao.Sensitive acoustic vibrating sensor using single-mode fibertapers.Applied Optics.2011,50(3):1873-1878)。但在连续微弱信号变化声场环境中，由于常规光纤水听器的纵向摆置，会对声场引入干扰甚至产生破坏。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种微弱声场信号的弱测量装置及方法，用以实现在弱测量条件下更高精度的声压测量。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种微弱声场信号的弱测量装置，其特征在于：主要包括光源、输入光纤、准直器、高斯滤波片、前选择态线偏振片、偏振分束器A、被测水环境池、反射镜A、偏振分束器B、后选择态线偏振片A、参考水环境池、隔音介质、反射镜B、光耦合器A、输出光纤A、解调模块、后选择态线偏振片B、光耦合器B、输出光纤B，光源输出稳定的线偏振光依次经过输入光纤、准直器、高斯滤波片、前选择态线偏振片，偏振分束器A将线偏振光分成水平和垂直两个分量，其水平分量H经过被测水环境池、反射镜A、投射到偏振分束器B上，构成传感光路；垂直分量V经过反射镜B、参考水环境池、也投射到偏振分束器B上形成参考光路，与水平分量相遇后形成弱干涉信号被偏振分束器B分成两路正交光，第一路分别经过后选择态线偏振片A、光耦合器A、输出光纤A到达解调模块，第二路经过后选择态线偏振片B、光耦合器B、输出光纤B到达解调模块，参考光路放置于负温度系数隔音介质，隔音介质用于隔离环境背地噪声引起的干涉臂长变化。

所有光器件的偏振消光比要求高于10⁶：1，参考水环境池与被测水环境池介质相同，解调模块精细解调中心波长变化。

本发明同时提供了一种微弱声场信号的弱测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)、光源输出稳定的线偏振光依次经过输入光纤、准直器、高斯滤波片、前选择态线偏振片，初始态

被前选过后，初始偏振态表示为：

其中，E_in表示为入射光强度，H表示水平方向偏振态，V表示垂直方向偏振，角α选择与垂直方向夹角0°-1°内，光的频谱状态记为：

这里ω为光角频率，φ(ω)为光角频率相关波函数，而光的频谱表示为：

P(ω)＝|φ(ω)|²

(2)、偏振分束器A将线偏振光分成水平和垂直两个分量，其水平分量H经过被测水环境池、反射镜A、投射到偏振分束器B上，构成传感光路；垂直分量V经过反射镜B、参考水环境池、也投射到偏振分束器B上形成参考光路，与水平分量相遇后形成弱干涉信号被偏振分束器B分成两路正交光，第一路分别经过后选择态线偏振片A、光耦合器A、输出光纤A到达解调模块，第二路经过后选择态线偏振片B、光耦合器B、输出光纤B到达解调模块，参考光路放置于负温度系数隔音介质；

(3)、被测水环境池的声场变化引起介质水的折射率变化：

而折射率的变化会引起光相位的变化：

式中L为被测水环境池纵向长度，而声波在被测水环境池中横向传播测量；

传感光路因声场变化引入交互算子表示为：

U＝exp[-iηAP]

其中η是作用强度，A是观测算子，在角α选择与垂直方向夹角0°-1°条件下，表达成：

A＝|V><V|

(4)、经过交互过程后，最终经过后选择态线偏振片A及后选择态线偏振片B形成的最终偏振态分别表示为：

这里x表示干涉仪两臂的初始相位差，β即是因声场变化引入的微弱变化；

以后选择态线偏振片A形成的最终场态可表示为：

入射光强度被高斯滤波片处理成具备高斯谱分布的光束：

式中λ为波长变量，λ₀为中心波长，σ_λ为分布标准差；

最终输出的中心波长偏移与相位变化之间关系简化为：

式中，γ＝cotαtan(α+β)，Δλ为-3dB波长分布带宽，A_ω1为弱值，被定义为：

(5)、同理可对后选择态线偏振片B的作用过程进行推算，后选择态线偏振片B作用结果与后选择态线偏振片A的作用结果呈现正交特性，便于解调模块(16)的解调。

本发明的有益效果为：本发明实现了在弱测量条件下更高精度的声压测量，采用量子弱测量原理，具备对光相位变化高灵敏，同时对被测声场不引入任何干扰的特点，对水声弱信号进行高精度测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：光源1、输入光纤2、准直器3、高斯滤波片4、前选择态线偏振片5、偏振分束器A6、被测水环境池7、反射镜A8、偏振分束器B9、后选择态线偏振片A10、参考水环境池11、隔音介质2、反射镜B13、光耦合器A14、输出光纤A15、解调模块16、后选择态线偏振片B17、光耦合器B18、输出光纤B19。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明公开的一种微弱声场信号的弱测量装置及方法，采用量子弱测量原理，具备对光相位变化高灵敏，同时对被测声场不引入任何干扰的特点，对水声弱信号进行高精度测量。设计装置包括光源1、输入光纤2、准直器3、高斯滤波片4、前选择态线偏振片5、偏振分束器A6、被测水环境池7、反射镜A8、偏振分束器B9、后选择态线偏振片A10、参考水环境池11、隔音介质12、反射镜B13、光耦合器A14、输出光纤A15、解调模块16、后选择态线偏振片B17、光耦合器B18、输出光纤B19，所有光器件的偏振消光比要求高于10⁶：1，其中，参考水环境池与被测水环境池介质相同，解调模块精细解调中心波长变化。

光源1输出稳定的线偏振光依次经过输入光纤2、准直器3、高斯滤波片4、前选择态线偏振片5，初始态

被前选过后，初始偏振态表示为：

其中，E_in表示为入射光强度，H表示水平方向偏振态，V表示垂直方向偏振，角α选择与垂直方向夹角0°-1°内。光的频谱状态记为：

这里ω为光角频率，φ(ω)为光角频率相关波函数，而光的频谱可表示为：

P(ω)＝|φ(ω)|²

偏振分束器A6将线偏振光分成水平和垂直两个分量，其水平分量H经过被测水环境池7、反射镜A8、投射到偏振分束器B9上，构成传感光路；垂直分量V经过反射镜B13、参考水环境池11、也投射到偏振分束器B9上形成参考光路，与水平分量相遇后形成弱干涉信号被偏振分束器B9分成两路正交光，第一路分别经过后选择态线偏振片A10、光耦合器A14、输出光纤A15到达解调模块16，第二路经过后选择态线偏振片B17、光耦合器B18、输出光纤B19到达解调模块16，参考光路放置于负温度系数隔音介质12，隔音介质12用于隔离环境背地噪声引起的干涉臂长变化。

被测水环境池7的声场变化引起介质水的折射率变化：

而折射率的变化会引起光相位的变化：

式中L为被测水环境池纵向长度，而声波在被测水环境池中横向传播测量。

传感光路因声场变化引入交互算子可以表示为：

U＝exp[-iηAP]

其中η是作用强度，A是观测算子，在角α选择与垂直方向夹角0°-1°条件下，可以表达成：

A＝|V><V|

经过交互过程后，最终经过后选择态线偏振片A及后选择态线偏振片2形成的最终偏振态可分别表示为：

这里x表示干涉仪两臂的初始相位差，β即是因声场变化引入的微弱变化。

以后选择态线偏振片A形成的最终场态可表示为：

入射光强度被高斯滤波片处理成具备高斯谱分布的光束：

式中λ为波长变量，λ₀为中心波长，σ_λ为分布标准差。

因为作用强度η很弱，所以最终输出的中心波长偏移与相位变化之间关系可以简化为：

式中，γ＝cotαtan(α+β)，Δλ为-3dB波长分布带宽，A_ω1为弱值，被定义为：

同理可对后选择态线偏振片A的作用过程进行推算，后选择态线偏振片B作用结果与后选择态线偏振片A的作用结果呈现正交特性，这便于解调模块16的解调。

综合上述论述，可以得出通过中心波长的偏移关系，可以检测因声场微弱变化引起的光相位的变化，检测相位精度优于10^-6rad，进而达到水声测量的目的。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种微弱声场信号的弱测量装置的方法，其特征在于：微弱声场信号的弱测量装置，主要包括光源(1)、输入光纤(2)、准直器(3)、高斯滤波片(4)、前选择态线偏振片(5)、偏振分束器A(6)、被测水环境池(7)、反射镜A(8)、偏振分束器B(9)、后选择态线偏振片A(10)、参考水环境池(11)、隔音介质(12)、反射镜B(13)、光耦合器A(14)、输出光纤A(15)、解调模块(16)、后选择态线偏振片B(17)、光耦合器B(18)、输出光纤B(19)，光源(1)输出稳定的线偏振光依次经过输入光纤(2)、准直器(3)、高斯滤波片(4)、前选择态线偏振片(5)，偏振分束器A(6)将线偏振光分成水平和垂直两个分量，其水平分量H经过被测水环境池(7)、反射镜A(8)、投射到偏振分束器B(9)上，构成传感光路；垂直分量V经过反射镜B(13)、参考水环境池(11)、也投射到偏振分束器B(9)上形成参考光路，与水平分量相遇后形成弱干涉信号被偏振分束器B(9)分成两路正交光，第一路分别经过后选择态线偏振片A(10)、光耦合器A(14)、输出光纤A(15)到达解调模块(16)，第二路经过后选择态线偏振片B(17)、光耦合器B(18)、输出光纤B(19)到达解调模块(16)，参考光路放置于负温度系数隔音介质(12)，隔音介质(12)用于隔离环境背地噪声引起的干涉臂长变化；

该方法包括如下步骤：

(1)、光源(1)输出稳定的线偏振光依次经过输入光纤(2)、准直器(3)、高斯滤波片(4)、前选择态线偏振片(5)，初始态

被前选过后，初始偏振态表示为：

其中，E_in表示为入射光强度，H表示水平方向偏振态，V表示垂直方向偏振，角α选择与垂直方向夹角0°-1°内，光的频谱状态记为：

这里ω为光角频率，φ(ω)为光角频率相关波函数，而光的频谱表示为：

P(ω)＝|φ(ω)|²

(2)、偏振分束器A(6)将线偏振光分成水平和垂直两个分量，其水平分量H经过被测水环境池(7)、反射镜A(8)、投射到偏振分束器B(9)上，构成传感光路；垂直分量V经过反射镜B(13)、参考水环境池(11)、也投射到偏振分束器B(9)上形成参考光路，与水平分量相遇后形成弱干涉信号被偏振分束器B(9)分成两路正交光，第一路分别经过后选择态线偏振片A(10)、光耦合器A(14)、输出光纤A(15)到达解调模块(16)，第二路经过后选择态线偏振片B(17)、光耦合器B(18)、输出光纤B(19)到达解调模块(16)，参考光路放置于负温度系数隔音介质(12)；

(3)、被测水环境池(7)的声场变化引起介质水的折射率变化：

而折射率的变化会引起光相位的变化：

式中L为被测水环境池纵向长度，而声波在被测水环境池中横向传播测量；

传感光路因声场变化引入交互算子表示为：

U＝exp[-iηAP]

其中η是作用强度，A是观测算子，在角α选择与垂直方向夹角0°-1°条件下，表达成：

A＝|V><V|

(4)、经过交互过程后，最终经过后选择态线偏振片A及后选择态线偏振片B形成的最终偏振态分别表示为：

这里x表示干涉仪两臂的初始相位差，β即是因声场变化引入的微弱变化；

以后选择态线偏振片A形成的最终场态可表示为：

入射光强度被高斯滤波片处理成具备高斯谱分布的光束：

式中λ为波长变量，λ₀为中心波长，σ_λ为分布标准差；

最终输出的中心波长偏移与相位变化之间关系简化为：

式中，γ＝cotαtan(α+β)，Δλ为-3dB波长分布带宽，A_ω1为弱值，被定义为：

(5)、同理可对后选择态线偏振片B的作用过程进行推算，后选择态线偏振片B作用结果与后选择态线偏振片A的作用结果呈现正交特性，便于解调模块(16)的解调。

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