CN110132232A - 基于量子弱值放大的静力水准测量装置及方法 - Google Patents

基于量子弱值放大的静力水准测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置及方法，装置中窄带激光器的输出与所述第一准直器的光纤输入端相连；第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一保偏光纤及准直器，第一保偏光纤及准直器与第二保偏光纤及准直器尾纤相互连接，两保偏光纤的猫眼相互垂直；第二保偏光纤及准直器的输出光，先通过相位补偿片，再经过‑45°检偏片后，耦合到第二准直器中，其尾纤与光功率数据处理电路板连接；第一油封膜片管将第一保偏光纤及准直器的尾纤封装在油内，油封无膜片管封装第二保偏光纤及准直器的尾纤；环境温度发生变化时，第一保偏光纤及准直器和第二保偏光纤及准直器的光路相互补偿。

Description

基于量子弱值放大的静力水准测量装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感的技术领域，尤其涉及一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置及方法。
背景技术
静力水准仪是通过液体连通器原理进行标高测量。静力水准仪可以在空间狭小不易进入、光线条件不佳等不适合进行光学测量的环境中使用。同时可以与各种传感器结合，实现自动化测量，提高测量精度与稳定性，满足工程长期进行结构标高监测的需要。
但是大部分现有的静力水准仪，如浮子式、反射式静力水准仪，都要求必须在液面静止的条件下才能进行液面位置测量，因此不能在地铁隧道、桥梁等存在振动的环境下准确地进行标高测量。
静力水准仪同时也要求能够在长距离远程工作，长期室外进行测量工作，同时也要求静力水准仪最好为无源器件，可以在野外工作时不用带电工作。
发明内容
本发明为了解决上述问题，克服现有静力水准仪中存在无法长距离工作、电源、振动问题，本发明的发明目的是提供基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，该装置包括：
窄线宽激光器、第一准直器、45°起偏片、第一保偏光纤及准直器、第二保偏光纤及准直器、油封膜片管、油封无膜片管、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光功率数据处理电路板和蓄水外壳；
所述窄带激光器的输出与所述第一准直器的光纤输入端相连；
所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一保偏光纤及准直器，第一保偏光纤及准直器与第二保偏光纤及准直器尾纤相互连接，两保偏光纤的猫眼相互垂直；
第二保偏光纤及准直器的输出光，先通过相位补偿片，再经过-45°检偏片后，耦合到第二准直器中，其尾纤与光功率数据处理电路板连接。
油封膜片管主要将第一保偏光纤及准直器的尾纤封装在油内，当油封膜片管的膜片受外界水压力时，管内的油压会传到第一保偏光纤及准直器的尾纤上，使第一保偏光纤及准直器的尾纤发生延伸；
油封无膜片管主要封装第二保偏光纤及准直器的尾纤。使得环境温度发生变化时，第一保偏光纤及准直器和第二保偏光纤及准直器的光路相互补偿。
油封膜片管的膜片设置在蓄水外壳的底部。
在本发明中，采用两个油封管结构的光路。带膜片的油封膜片管主要与外界水压进行传导，另外不带膜片的油封无膜片管不与外界水压连通。测试初始态时，油封膜片管与油封无膜片管的压力、温度都是相同的，同时两个油封管内的光纤长度是一样的，但外界水压发生影响，使得外界水压对膜片的传导力发生变化，那么两个油封管的油压不相同，从而引起光纤的延伸或收缩，光纤传输的O光和E光发生相位变化，而这种光相位变化量很小,但可以通过这种量子弱测量系统进行测量。
在本发明中，采用窄带光进行光纤相位变化量的测量，可以快速实时地测量外界水压的变化量；同时也可以长距离测量静力水准水压变化；静力水准水压探测器为无源器件，可以长时间进行测量水压；由于采用二次油压对外界水压测量，可以减少外界振动对测量的影响。
本发明的第二目的是提供一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量方法，该方法基于上述一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，该方法包括以下步骤：
(1)获取窄带激光器的波长及波长半峰宽。
(2)光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角。
(3)线偏振光入射到第一保偏准直器时，保偏准直器耦合进入的光与光纤快轴方向形成45°夹角，使线偏振光分为H光和V光。H光与V光为相互正交光，同时也为称为垂直偏振光和水平偏振光。
(4)H光和V光的光纤首先通过带膜的油封管，膜片主要传导外界水压的压力，膜片传导后形成油压，然后加压在保偏光纤上。
(5)两光路再通过无膜油封管，无膜油封管主要是对有膜油封管内的光纤进行补偿，同等外界温度下，光纤受到的油压与管内的光纤长度都是相同的。所以可以进行温度补偿。
(6)通过第二保偏光纤及准直器后，光进入相位补偿片，从而对光路进行相位补偿。
(7)最后调整-45°检偏片的角度，使角度约为0.01～0.03rad，再调试相位补偿角，使输出光功率变化。
(8)在水准测量系统工作时，油封膜片管内油压发生变化，使油内的保偏光纤延伸，H光和V光两路光的相位也就发生变化。
从所述步骤(2)，光通过45°起偏片时，线偏振光的初选量子态|ψ>为：
|ψ>＝sinα|H>+cosα|V>
其中，|H>为水平偏振态，|V>为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角，α＝45°。
进一步的，所述步骤(3)(4)(5)(6)(7)后，光纤受到油压后，产生一定的相位值此时线偏振光的量子态|ψ1>为
其中，为操作算符，式中实部表示线偏振光与水平方向的夹角投影，虚部表示线偏振光的相位改变量；i为虚部表示，没有具体的实际含义。
光输出-45°检偏片的后选态为
其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量。
根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为
由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求光的功率值与弱值放大倍数的关系就可以，所以光的功率值可表示为：
其中，I0为后选前的光功率值。通过实验，当光功率计的功率最小识别为nW时，相位的最小识别精度为10-5rad。
油封膜片管内的油压可表示如下：
P＝P0+K1Pw
其中，P为管内油压；P0为未有水压前，管内油压；K为水压转为油压的转换系数，可通过不同水位深度测量而得到；Pw为水准测量仪内水压。
无膜片油封管内油压可表示如下：
P＝P0
由于光纤在两个油封管内的长度是一样的，光路时间的延迟最后引起光的相位变化
其中，P为油压，l为光纤长度，为光传播常数，σ＝0.2为泊松系数，E＝6.4×1010N/m为光纤杨氏模量，p11＝0.121,p12＝0.27为光纤的泡克尔效应系数，n＝1.456为光纤的折射率；
则
通过测量光的功率值，我们可以得到水准仪内水底的压力的变化值。
本发明的有益效果：
(1)本发明的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量及方法，可以通过膜内油压光纤长度来调整灵敏度分辨率。
(2)本发明的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，采用双段光纤油压管结构，可以实现环境温度补偿，并提高静力水准仪的测量精度。
(3)本发明的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，采用窄线宽激光器进行测量，可以低成本的PD光电传感器，从而可以实现在线测量光纤低成本静力水准测量。
(4)本发明的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量方法，采用量子弱值放大技术，通过测量双同等长度光纤、同温度室条件下，不同微小油压的光纤引入的相位变化量，来计算光功率变化量，可以实现长距离光纤静力水准的高精确实时测量。
附图说明
图1为本发明的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置的结构图；
图中：1为窄线宽激光器、2为第一准直器、3为45°起偏片、4为第一保偏光纤及准直器、5为第二保偏光纤及准直器、6为膜片、7为油封无膜片管、8为相位补偿片、9为-45°检偏片、10为第二准直器、11为光功率数据处理电路板、12为蓄水外壳、13为水、14为油、15油封膜片管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
正如背景技术所介绍的，现有技术中大部分现有的静力水准仪，如浮子式、反射式静力水准仪，都要求必须在液面静止的条件下才能进行液面位置测量，因此不能在地铁隧道、桥梁等存在振动的环境下准确地进行标高测量。静力水准仪同时也要求能够在长距离远程工作，长期室外进行测量工作，同时也要求静力水准仪最好为无源器件，可以在野外工作时不用带电工作。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于量子弱值放大的静力水准测量装置及方法。
名词解释部分：本发明中所述的油封膜片管是指带有膜片的用于油封的管路；油封无膜片管是指不带有膜片的用于油封的管路；两者的区别点在于有无膜片。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，该装置包括：
窄线宽激光器1、第一准直器2、45°起偏片3、第一保偏光纤及准直器4、第二保偏光纤及准直器5、膜片6、油封无膜片管7、相位补偿片8、-45°检偏片9、第二准直器10、光功率数据处理电路板11、蓄水外壳12、水13、油14和油封膜片管15；
整个装置分为三个部分，光源部分、静力水准测量部分和光数据处理部分；
光源部分包括窄线宽激光器1；
静力水准测量部分包括第一准直器2、45°起偏片3、第一保偏光纤及准直器4和第二保偏光纤及准直器5、相位补偿片8、-45°检偏片9、第二准直器10；蓄水外壳12、膜片6、油封无膜片管7和油封膜片管15。
光数据处理部分包括光功率数据处理电路板11。
光源部分与光功率数据处理部分可以装在一起，放置在控制室内，静力水准测量装置放置在需要测量的测试点上。
静力水准测量部分制备方法如下：
1)将两段等长的保偏光纤进行熔接，熔接保偏光纤要求两段保偏光纤的猫眼连线相互垂直，然后将两段保偏光纤密封到油封有膜管和油封无膜管内，通过充油，使两个管内的存在一定的压力。
2)通过输入光纤准直器与油封有膜管的光纤准直器耦合，两准直器间通过胶固化45度线性起偏器。
3)再通过出射光纤准直器与油封无膜管的光纤准直器耦合，这两准直器间固定45度线性检偏器，通过旋转检偏器，使光功率达到最小值。再加旋比较小的角度，使光功率能够测量到光功率值。
4)通过给膜片施加微小的力时，可以观测到光功率发生变化。然后通过胶或焊接方式对检偏器进行固化。
5)将整个半成品的受力膜固定到蓄水外壳底部，再注入一定高度的水。将蓄水外壳固定在一个测量水平面上。当测量水平面上升或下降，会引起水压的变化，水压的变化会传导到油封有膜管内的油里，从而改变保偏光纤的长度，引起光路水平方向的相位变化，从而引起光功率的变化。
所述窄带激光器1的输出与所述第一准直器2的光纤输入端相连；
所述第一准直器2的输出端先通过45°起偏片3，形成45°线偏振光，经过第一保偏光纤及准直器4，第一保偏光纤及准直器4与第二保偏光纤及准直器5尾纤相互熔接，两保偏光纤的猫眼相互垂直。第二保偏光纤及准直器5输出光，先通过相位补偿片8，再经过-45°检偏片9后，耦合到第二准直器10中，其尾纤与光功率数据处理电路板11；
油封膜片管15主要将第一保偏光纤及准直器4的尾纤封装在油14内，当油封膜片管15的膜片6受外界水13压力时，管内的油压会传到第一保偏光纤及准直器4的尾纤上，使第一保偏光纤及准直器4的尾纤发生延伸。
油封无膜片管7主要封装第二保偏光纤及准直器5的尾纤。使得环境温度发生变化时，第一保偏光纤及准直器4和第二保偏光纤及准直器5的光路相互补偿。
油封膜片管15的膜片设置在蓄水外壳的底部；蓄水外壳内部装有水或者其他液体。
在油封膜片管15和油封无膜片管7内装有油。
上述45°起偏片3、第一保偏光纤及准直器4、第二保偏光纤及准直器5、相位补偿片8、-45°检偏片9、第二准直器10的固定安装方式根据实际工况进行选择设置，例如可以将这些部件固定在一个壳体内，光纤穿过油封膜片管15和油封无膜片管7。
在本发明中，采用两个油封管结构的光路。油封膜片管主要与外界水压进行传导，另外油封无膜片管不与外界水压连通。测试初始态时，带膜片的油封膜片管与油封无膜片管压力，温度都是相同的，同时油封管内的光纤长度是一样的，但外界水压发生影响，使得外界水压对膜的传导力发生变化，那么两油封管的油压不相同，从而引起光纤的延伸或收缩，光纤传输的O光和E光发生相位变化，而这种光相位变化量很小,但可以通过这种量子弱测量系统进行测量。
在本发明中，采用窄带光进行光纤相位变化量的测量，可以快速实时地测量外界水压的变化量；同时也可以长距离测量静力水准水压变化；静力水准水压探测器为无源器件，可以长时间进行测量水压；由于采用二次油压对外界水压测量，可以减少外界振动对测量的影响。
实施例2
本实施例基于实施例1部分公开的基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，提供一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量方法；该方法包括以下步骤：
(1)获取窄带激光器的波长及波长半峰宽。
(2)光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角。
(3)线偏振光入射到第一保偏准直器时，保偏准直器耦合进入的光与光纤快轴方向形成45°夹角，使线偏振光分为H光和V光。H光与V光为相互正交光，同时也为称为垂直偏振光和水平偏振光。
(4)H光和V光的光纤首先通过带膜的油封管，膜片主要传导外界水压的压力，膜片传导后形成油压，然后加压在保偏光纤上。
(5)两光路再通过无膜油封管，无膜油封管主要是对有膜油封管内的光纤进行补偿，同等外界温度下，光纤受到的油压与管内的光纤长度都是相同的。所以可以进行温度补偿。
(6)通过第二保偏光纤及准直器后，光进入相位补偿片，从而对光路进行相位补偿。
(7)最后调整-45°检偏片的角度，使角度约为0.01～0.03rad，再调试相位补偿角，使输出光功率变化。
(8)在水准测量系统工作时，油封膜片管内油压发生变化，使油内的保偏光纤延伸，H光和V光两路光的相位也就发生变化。
从所述步骤(2)，光通过45°起偏片时，光的初选态为
|ψ〉＝sinα|H〉+cosα|V〉其中，|H〉为水平偏振态，|V〉为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角，α＝45°。
进一步的，所述步骤(3)(4)(5)(6)(7)后，光纤受到油压后，产生一定的相位值此时光偏振态为
光输出-45°检偏片的后选态为
其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量，i为虚部表示，没有具体的实际含义。
根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为
由于系统是要对相位进行求解，因而我们只需要求光的功率值与弱值放大倍数的关系就可以，所以光的功率值可表示为：
其中，I0为后选前的光功率值。通过实验，当光功率计的功率最小识别为nW时，相位的最小识别精度为10-5rad；i为虚部表示，没有具体的实际含义。
油封膜片管内的油压可表示如下：
P＝P0+K1Pw
其中，P为管内油压；P0为未有水压前，管内油压；K为水压转为油压的转换系数，可通过不同水位深度测量而得到；Pw为水准测量仪内水压。
无膜片油封管内油压可表示如下：
P＝P0
由于光纤在两个油封管内的长度是一样的，光路时间的延迟最后引起光的相位变化
其中，P为油压，l为光纤长度，为光传播常数，σ＝0.2为泊松系数，E＝6.4×1010N/m为光纤杨氏模量，p11＝0.121,p12＝0.27为光纤的泡克尔效应系数，n＝1.456为光纤的折射率。
则
进一步的，当水的深度变化量为h＝1mm时，Pw＝ρgh＝10Pa。当光纤长度l＝0.1m时，在水准仪系统中，水的压力要转换为油压，存在K系数。通过设计金属膜片的厚度和直径，可设定k＝0.5。当水的深度变化量为1mm时，则油压的压强变化量为ΔP＝KPw＝5Pa。
传感用光纤长度为l＝0.1m时，相位变化为
通过光功率数据处理板，最后可以水位深度与光功率的关系：
I＝I0sin2β·(1+cotβ·(1.392×10-5·ρgh))
通过测量光的功率值，可以得到水准仪内水底的压力的变化值。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，其特征在于，包括：窄线宽激光器、第一准直器、45°起偏片、第一保偏光纤及准直器、第二保偏光纤及准直器、油封膜片管、油封无膜片管、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器、光功率数据处理电路板和蓄水外壳；
所述窄带激光器的输出与所述第一准直器的光纤输入端相连；所述第一准直器的输出端先通过45°起偏片，形成45°线偏振光，经过第一保偏光纤及准直器，第一保偏光纤及准直器与第二保偏光纤及准直器尾纤相互连接，两保偏光纤的猫眼相互垂直；第二保偏光纤及准直器的输出光，先通过相位补偿片，再经过-45°检偏片后，耦合到第二准直器中，其尾纤与光功率数据处理电路板连接；
所述的油封膜片管将第一保偏光纤及准直器的尾纤封装在油内，所述的油封无膜片管封装第二保偏光纤及准直器的尾纤；环境温度发生变化时，第一保偏光纤及准直器和第二保偏光纤及准直器的光路相互补偿；
油封膜片管的膜片设置在蓄水外壳的底部。
2.如权利要求1所述的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，其特征在于，测试初始状态，所述的油封膜片管和油封无膜片管内的压力、温度和光纤长度相等。
3.如权利要求1所述的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，其特征在于，测试状态，所述的油封膜片管和油封无膜片管内的压力和光纤长度发生变化。
4.如权利要求1所述的一种基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置，其特征在于，所述的窄线宽激光器、第一准直器、45°起偏片、第一保偏光纤及准直器、第二保偏光纤及准直器、相位补偿片、-45°检偏片、第二准直器和光功率数据处理电路板安装在控制室；所述的蓄水外壳、膜片、油封无膜片管和油封膜片管放置在需要测量的测试点上。
5.利用权利要求1-4任一所述的基于量子弱值放大的光纤静力水准测量装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一准直器获取窄带激光器的波长及波长半峰宽；
光经过45°起偏片后，使得光形成线偏振光，光的偏振方向与水平方向形成45°夹角；
线偏振光入射到第一保偏光纤及准直器时，第一保偏光纤及准直器耦合进入的光与光纤快轴方向形成45°夹角，使线偏振光分为H光和V光，H光与V光为相互正交光；
H光和V光的光纤先通过油封膜片管的膜片传导外界水压的压力至油封膜片管，油封膜片管传导后形成油压，然后加压在保偏光纤上；两光路再通过油封无膜片管，油封无膜片管对有膜油封管内的光纤进行补偿，同等外界温度下，光纤受到的油压与管内的光纤长度都是相同的，进行温度补偿；通过第二保偏光纤及准直器后，光进入相位补偿片，从而对光路进行相位补偿；最后调整-45°检偏片的角度，再调试相位补偿角，使输出光功率变化，最后耦合到第二准直器中，光功率数据处理电路板处理相关的信号。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述的-45°检偏片的角度约为0.01～0.03rad。
7.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，光通过45°起偏片时，光的初选态为：
|ψ>＝sinα|H>+cosα|V>
其中，|H>为水平偏振态，|V>为垂直偏振态，α与水平偏振形成的夹角，α＝45°。
8.如权利要求4所述的测量方法，光纤受到油压后，产生一定的相位值此时光偏振态为：
光输出-45°检偏片的后选态为：
其中，β为检偏片与水平方向夹角，为相位变化量；
根据量子弱值放大原理，系统的弱值放大倍数为：
光的功率值表示为：
其中，I0为后选前的光功率值。通过实验，当光功率计的功率最小识别为nW时，相位的最小识别精度为10-5rad。
9.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，油封膜片管内的油压可表示如下：
P＝P0+K1Pw
其中，P为管内油压；P0为未有水压前，管内油压；K为水压转为油压的转换系数，可通过不同水位深度测量而得到；Pw为水准测量仪内水压；
油封无膜片管内油压可表示如下：
P＝P0
光路时间的延迟最后引起光的相位变化：
其中，P为油压，l为光纤长度，β0＝1.446×107/m为光传播常数，σ＝0.2为泊松系数，E＝6.4×1010N/m为光纤杨氏模量，p11＝0.121,p12＝0.27为光纤的泡克尔效应系数，n＝1.456为光纤的折射率；
则
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