CN111947803B - 基于弱测量泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于弱测量泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法。搭建一套含有前选择和后选择的弱测量光学实验平台，并在后选择中引入附加相位，其中附加相位由光泵浦的液晶和相位调节器构成；放入弱耦合模块，由引入微小时延的温控液晶构成；调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，并根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率；记录初始温度以及此时接收光谱，改变弱耦合模块的液晶的温度，使系统和探针耦合，根据接收光谱信息看系统是否处在线性工作区；采集接收光谱，计算其平均频率的变化，推导出微小的温度变化值，根据初始温度和温度变化值计算出当前温度。由于附加相位的调节范围大和控制精度高，从而使系统处在高灵敏度的线性区。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体地，涉及一种基于弱测量泵浦光调制动态范围的高精度的温度测量方法。
背景技术
弱测量作为一种出色的精密测量方法，已经被广泛应用于对一些物理现象的发现或证实、对微小参数的精密测量。弱测量是由系统和探针的弱耦合，以及系统的两个近乎垂直的前选择和后选择组成。当前后选择越接近垂直，它对待估参数的放大作用也越明显。因此，弱测量是通过是牺牲后选择成功的概率，来换取待估参数高精度的方案。
对于传统的测温方法，比如热电偶和热敏电阻等，这些方法已经被广泛研究并应用在工业、农业等各行各业。但它们却在更高精度的温度测量中存在很多困难和限制。弱测量可以用来测量温度，实现高精度的可调动态范围的温度测温。当在后选择上引入一个可调附加相位，系统可以选定最佳的高灵敏度线性工作区，从而实现高精度温度测量。对于高灵敏度的线性区，当要实现动态范围的温度测量时，也需要用附加相位来进行调控，此时需要的附加相位的分辨率也需要有所提升。另一方面，噪声对系统也有很大的影响。由于光源的不稳定性、偏振片的低消光比、安装向列相液晶的两块玻璃的影响、探测器的底噪影响以及光纤的影响等等，这些都会在探测接收端引起噪声。因此，在系统中纳入对噪声影响的考虑至关重要。
专利文献CN110388995A公开基于量子弱测量理论的光学高精度温度监测装置及方法，包括：LED光源、第一准直透镜、前选择偏振片、温度控制腔、液晶样片、索累-巴比涅补偿器、四分之一波片、后选择偏振片、第二准直透镜、光谱分析仪以及计算机；利用温度测量装置测量温度控制腔中初始温度，根据初始温度将索累-巴比涅补偿器调节至初始温度对应的偏置相位；根据光谱分析仪接收光的光谱，计算接收光的平均频率，根据接收光的平均频率推导计算当前温度；根据当前温度，将索累-巴比涅补偿器调节至当前温度对应的偏置相位；重复前述后两个步骤，实现对温度的实时监测与修正。本发明与专利文献CN110388995A都是利用弱测量的方法实现温度测量，但在实验原理尤其是后选择模块进行了改进，并且增加了对噪声影响的分析，使得温度测量结果更精确。首先，弱测量最重要的模块就是后选择部分，本发明提出了用泵浦光泵浦液晶来对后选择进行改进，在后选择上引入了同时由泵浦光功率进行调制的相位和大范围的相位调制器共同组成的附加相位，实现了高分辨率和大范围的附加相位，从而实现了高精度调制动态范围，其附加相位的分辨率高于专利文献CN110388995A的后选择引入的相位2个数量级。其次，本发明分析了噪声对线性区灵敏度的影响。在实验装置中，结合实际噪声的影响，在噪声鲁棒性较满意的线性工作区中，选择最灵敏的线性工作区进行温度测量。本发明将高分辨率和大范围的附加相位引入到弱测量的后选择中，并分析噪声的影响，从而实现高精度的可调动态范围的温度测量。在噪声的影响下，本发明能够在8℃至 68℃的可调动态范围内，实现温度测量精度达到8.03×10-7℃。
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泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法。
根据本发明提供的一种基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，包括：
步骤A：搭建一套含有前选择和后选择的弱测量光学实验平台，并在后选择中引入附加相位，其中附加相位由光泵浦的液晶和相位调节器构成；
步骤B：放入弱耦合模块，由引入微小时延的温控液晶构成；
步骤C：调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，并根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率；
步骤D：记录初始温度以及此时接收光谱，然后改变弱耦合模块的液晶的温度，使系统和探针耦合，根据接收光谱信息看系统是否处在线性工作区，若不在，执行步骤C；
步骤E：采集接收光谱，计算其平均频率的变化，从而推导出微小的温度变化值，根据初始温度和温度变化值计算出当前温度。
优选地，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：实验装置中，选用的宽谱SLD光源为超辐射发光二极管，光谱呈高斯状，中心波长为1550nm，平均频率为ω0，然后经过一个第一准直透镜，将光束转换为空间光；
步骤A2：放入前选择单元，前选择单元由第一线性偏振片组成，调整第一线性偏振片的光轴为π/4；
步骤A3：放入后选择单元，在接收端前，沿着光路方向依次放入受光泵浦的第一液晶、泵浦激光器、光功率衰减片、相位调节器、四分之一波片和第二线性偏振片，其中四分之一波片和第二线性偏振片的光轴偏转角度分别为-π/4和-π/4-ε，其中|ε|＜＜1；
步骤A4：调整接收端的第二准直透镜，使第二准直透镜把空间光转换为非空间光，用光谱分析仪探测接收光的光谱信息。
优选地，步骤C所述调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，所述最灵敏的线性工作区是指通过调节附加相位，可以得到连续3个灵敏度不同的线性工作区，需要通过调节附加相位来找到最灵敏的线性工作区。
优选地，所述步骤C调节系统处在所需的线性区，包括如下步骤：
步骤C1：先粗调，调节相位调节器，使系统大致处在线性工作区附近；
步骤C2：然后细调，改变泵浦到液晶上的光强，来调制附加相位，使系统处在线性工作区，后选择角度θf应满足公式：θf≈2nπ+2ε，n＝1，且n＝1的线性区为能达到的最灵敏的线性区。
优选地，所述步骤C所述根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率，指考虑接收光谱处有噪声影响，根据理论和实验仿真结果来拟合出噪声的强度和平均频率。
优选地，步骤D所述改变控制液晶的温度，使系统和探针产生弱耦合，根据接收光谱信息查看系统是否处在线性工作区，关键在于改变液晶的温度ΔT，其温度变化所产生的平均频率的差不能超过系统的线性区，使系统始终处在线性区，具体操作中改变的温度不能超过1℃，即|ΔT|＜1℃。
优选地，所述步骤E中记录接收光的光谱，随波长变化的强度F(λ)，单位为瓦，利用公式ω＝2πc/λ将波长λ转换为频率ω，得到对应的光谱分布F(ω)，其中c表示真空中的光速。
优选地，所述步骤D和E中计算接收光谱的平均频率分别表示为ω1和ω2，公式为
dω表示对频率ω求积分。
所述步骤E中推导液晶所处的当前温度值T，公式为：
其中T0表示初始温度，ΔT表示待测温度变化量；
Δω＝ω1-ω2；ω1表示步骤D中所指初始温度时接收光谱的平均频率，ω2表示步骤 E中变化温度后接收光谱的平均频率；
d为液晶样片的厚度，为20μm；
c为真空中的光速。
优选地，所述步骤E中，通过利用泵浦光调制的液晶和相位补偿器作为后选择的附加相位，对于大范围温度变化而引起系统偏离线性工作区时，能够调节附加相位，进行相位补偿，从而使系统重新回到线性工作区，并且把噪声的影响加入考虑范围内，使测量结果更精确。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、由于后选择附加相位的大动态范围，可以找到系统最佳的高灵敏度的线性工作区，并且当温度大范围变化时，可以用附加相位来补偿系统使之回到线性工作区，实现大动态范围的温度测量；
2、通过加入泵浦光泵浦液晶产生相位，来较高精度的附加相位，从而使系统处在高灵敏度的线性区间，实现高精度温度测量；
3、考虑噪声对系统线性区灵敏度的影响，使得温度测量精度提高。
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为本发明采用的实验设计图；
图2为本发明对时延参数测量的流程图；
图3为噪声的影响的线框示意图。
图中示出：
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
针对现有技术中的缺陷，基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度的温度测量，通过在后选择上引入一个由泵浦光功率进行调制的相位以及大范围的相位调制器共同组成的附加相位，同时实现了高精度和大范围的附加相位，当温度变化范围较大时，可以调节附加相位，使系统精准地处在高灵敏度的线性工作区，进行高精度的可调动态范围的温度测量；同时，系统也进行了噪声分析，使得测量结果更加精确。
通过提升后选择引入的附加相位的精度和范围，实现了对大范围动态变化的温度测量的精准控制，并结合实验分析了噪声的影响，从而实现高精度温度测量。如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤A：搭建一套含有前选择和后选择的弱测量光学实验平台，并在后选择中引入附加相位，其中附加相位由光泵浦的液晶和相位调节器构成；
步骤B：放入弱耦合模块，由引入微小时延的温控液晶构成；
步骤C：调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，并根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率；
步骤D：记录初始温度以及此时接收光谱，然后改变弱耦合模块的液晶的温度，使系统和探针耦合，根据接收光谱信息看系统是否处在线性工作区，若不在，执行步骤C；
步骤E：采集接收光谱，计算其平均频率的变化，从而推导出微小的温度变化值，根据初始温度和温度变化值计算出当前温度。
所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：实验装置中，光源为超辐射发光二极管，光谱呈高斯状，中心波长约为1550nm，平均频率为ω0，然后经过一个准直透镜，把光束转换为空间光；
步骤A2：放入前选择：前选择由偏振片组成，调整偏振片的光轴为π/4；
步骤A3：放入后选择模块：在接收端前，沿着光路方向依次放入受光泵浦的液晶、泵浦光和光功率衰减片、相位调节器、四分之一波片和偏振片，其中四分之一波片和偏振片的光轴偏转角度分别为-π/4和-π/4-ε，其中|ε|＜＜1；
步骤A4：调整接收端的准直透镜，使之把空间光转换为非空间光，用光谱仪探测接收光的光谱信息。
对于所述后选择模块引入的附加相位θf，由光泵浦的液晶和相位调节器构成。所述的两块液晶为向列相液晶，厚度均为20μm。所述附加相位中的相位补偿器是索累-巴比涅补偿器，有0至2π连续可调的延迟，工作波长740nm至1650nm。所述泵浦光原始光功率为100mW，光斑面积为8.6mm2，利用光功率衰减片对泵浦光进行衰减，从而产生相位精度达到3.75×10-5rad，高于相位调节器SBC的精度。步骤B所述放入温控液晶，其温度控制器的精度可达0.01℃。
步骤C所述调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，所述的最灵敏的线性工作区是指通过调节附加相位，可以得到连续3个灵敏度不同的线性工作区，需要通过调节附加相位来找到最灵敏的线性工作区。
所述步骤C调节系统处在所需的线性区，包括如下步骤：
步骤C1：先粗调，调节相位调节器，使系统大致处在线性工作区附近；
步骤C2：然后细调，改变泵浦到液晶(6)上的光强，来调制附加相位，使系统处在线性工作区，后选择角度θf应满足公式：θf≈2nπ+2ε，(n＝1)，因为n＝1的线性区为系统能达到的最灵敏的线性区。
所述步骤C所述根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率，指考虑接收光谱处有噪声影响，根据理论和实验仿真结果来拟合出噪声的强度和平均频率。
步骤D所述需要记录初始温度T0和此时接收端的平均频率ω1。步骤D所述改变控制液晶的温度，使系统和探针产生弱耦合，根据接收光谱信息查看系统是否处在线性工作区，关键在于改变液晶的温度ΔT，使其温度变化所产生的平均频率的差不能超过系统的线性区，使系统始终处在线性区，具体操作中改变的温度不能超过 1℃，即|ΔT|＜1℃。
所述步骤E中记录接收光的光谱，随波长变化的强度F(λ)，单位为瓦，利用公式ω＝2πc/λ将波长转换为频率，得到对应的光谱分布F(ω)，其中c表示光速。
所述步骤E中计算接收光谱的平均频率ω2，公式为
所述步骤E中推导液晶所处的当前温度值，公式为：
其中，T0表示初始温度，ΔT表示待测温度变化量；
Δω＝ω1-ω2，
Σbm为噪声强度总和，ε表示后选择偏转角，取值为0.002；σ表示宽谱SLD光源的谱宽，取值为50nm；
所述步骤E中本发明所指的高精度和大动态范围的温度测量，指通过利用泵浦光调制的液晶和相位补偿器作为后选择的附加相位，它具有较大的可调相位范围和高精度的特点，对于大范围温度变化而引起系统偏离线性工作区时，可以调节附加相位，进行相位补偿，从而使系统重新回到线性工作区，并且把噪声的影响加入考虑范围内，使测量结果更精确。
本发明实现基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量。通过在后选择上引入附加相位，附加相位由一个由泵浦光功率进行调制的相位以及大范围的相位调制器共同组成，同时实现了高精度和大范围。当温度变化范围较大时，可以调节附加相位，使系统精准地处在高灵敏度的线性工作区，进行高精度的可调动态范围的温度测量；在后选择中加入附加相位，可以提高温度测量精度。同时，本发明也进行了噪声分析，使得测量结果更加精确。在本发明中，通过弱测量的理论模型来搭建实验平台，把光束的偏振看作系统，动量即光的频率看作探针。弱测量是通过系统和探针的弱耦合，然后经过与前选择几乎垂直的后选择，从而使动量发生明显的平移。通过观测动量的平移，并分析噪声的影响，计算出当前温度，由此便实现了高精度的温度测量；当待测温度大范围变化时，高分辨率的附加相位可以用来精准调控系统使其回到线性区，从而在大动态范围内实现高精度的温度测量。
优选例1
首先搭建一个弱测量光学平台，光路如图1所示。宽谱SLD光源1是中心波长为1550nm，带宽σ为50nm的高斯光束。探针即光频率的初始状态可以写作|φ>＝∫dωf(ω)|ω>，其中ω为光频率，f(ω)＝(πσ2)exp[-(ω-ω0)2/2σ2]为频率域的波函数。接着，光束进入前选择模块，前选择的系统状态可以被描述为线偏振光
其中|H>和|V>分别表示水平和垂直偏振。
系统和探针的弱耦合可以用演化算子
来描述，其中
Δτ为液晶温度改变ΔT后系统和探针弱耦合引入的时延，其中
其中，
(Δn)0为液晶的在0℃时的双折射系数，此处为0.3485；Tc为液晶的清亮点的温度，对于选择的E7液晶为333℃；β为材料系数，在此处取为0.2542； d为液晶样片的厚度，为20μm；c为真空中的光速。
至此，演化后的状态可以被表示为
然后，系统通过后选择
通过调节后选择的附加相位θf，可以使前后选择达到几乎垂直的状态。对于附加相位θf，精调时，根据公式
其中，n2为液晶的非线性折射系数，P为入射到液晶上的泵浦光功率，S为泵浦光的光斑面积。通过改变泵浦光的功率从而改变液晶(6)对不同偏振光产生的时延。泵浦光原始光功率可达100mW，经过可变中性密度滤光片以后，光功率可被衰减。光泵浦液晶(6)的相位分辨率为3.75×10-5rad.然而相位调节器的分辨率在10-2rad量级。因此，光泵浦液晶(6)所得到的相位差拥有更小的分辨率，从而达到精调，使系统准确处于线性工作区内。
此时的系统状态可以描述为
当前后选择几乎垂直的时候，经过后选择后的光强很弱，但是却获得了接收光谱的光的平均频率的明显移动，通过观测平均频率的移动来计算出温度变化值。因此，弱测量，是通过后选择来牺牲光强，获得待估参数的放大。
当调节后选择的附加相位满足θf≈2π+2ε时，且Δτ＝τf时，此是系统处在最佳的高灵敏度线性工作区。接收光谱的分布可以被表示为
其中
考虑接收光谱处有噪声影响 P(ω)＝Pf(ω)+ΣbmFm(ω)，其中bm表示噪声的强度，Fm(ω)表示中心频率(即平均频率) 为ωm′的噪声的归一化函数。然后，调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，并根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率，见实施例一。接着，中心频率的移动通过计算可以得到
Δω＝ω1-ω2≈k′Δτ+b′，
其中
中心频率的移动与温度变化可以一阶近似为
如果实验中，采用分辨率为0.04pm的光谱分析仪来采集光谱信息，因此
可达到8.07×10-7℃量级。
具体实施过程中，由于噪声的影响，可以看出图3中线框图便是n＝1的最高灵敏度的线性区，经理论和实验的模拟仿真，得到Σbm＝0.0013，噪声的平均频率分别为ω1′＝1559nm和ω2′＝1559nm.图中τ＝Δτ-τf。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，包括：
步骤A：搭建一套含有前选择和后选择的弱测量光学实验平台，并在后选择中引入附加相位，其中附加相位由光泵浦的液晶和相位调节器构成；
步骤B：放入弱耦合模块，由引入微小时延的温控液晶构成；
步骤C：调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，并根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率；
步骤D：记录初始温度以及此时接收光谱，然后改变弱耦合模块的液晶的温度，使系统和探针耦合，根据接收光谱信息看系统是否处在线性工作区，若不在，执行步骤C；
步骤E：采集接收光谱，计算其平均频率的变化，从而推导出微小的温度变化值，根据初始温度和温度变化值计算出当前温度。
2.根据权利要求1所述的基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1：实验装置中，选用的宽谱SLD光源为超辐射发光二极管，光谱呈高斯状，中心波长为1550nm，平均频率为ω0，然后经过一个第一准直透镜，将光束转换为空间光；
步骤A2：放入前选择单元，前选择单元由第一线性偏振片组成，调整第一线性偏振片的光轴为π/4；
步骤A3：放入后选择单元，在接收端前，沿着光路方向依次放入受光泵浦的第一液晶、泵浦激光器、光功率衰减片、相位调节器、四分之一波片和第二线性偏振片，其中四分之一波片和第二线性偏振片的光轴偏转角度分别为-π/4和-π/4-ε，其中|ε|＜＜1；
步骤A4：调整接收端的第二准直透镜，使第二准直透镜把空间光转换为非空间光，用光谱分析仪探测接收光的光谱信息。
3.根据权利要求1所述的基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，步骤C所述调节附加相位，选择最灵敏的线性工作区，所述最灵敏的线性工作区是指通过调节附加相位，可以得到连续3个灵敏度不同的线性工作区，需要通过调节附加相位来找到最灵敏的线性工作区。
4.根据权利要求1所述的基于弱测量的 泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤C调节系统处在所需的线性区，包括如下步骤：
步骤C1：先粗调，调节相位调节器，使系统大致处在线性工作区附近；
步骤C2：然后细调，改变泵浦到液晶上的光强，来调制附加相位，使系统处在线性工作区，后选择角度θf应满足公式：θf≈2nπ+2ε，n＝1，且n＝1的线性区为能达到的最灵敏的线性区。
5.根据权利要求1所述的基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤C所述根据线性区来模拟仿真出噪声强度和平均频率，指考虑接收光谱处有噪声影响，根据理论和实验仿真结果来拟合出噪声的强度和平均频率。
6.根据权利要求1所述的基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，步骤D改变控制液晶的温度，使系统和探针产生弱耦合，根据接收光谱信息查看系统是否处在线性工作区，关键在于改变液晶的温度ΔT，其温度变化所产生的平均频率的差不能超过系统的线性区，使系统始终处在线性区，具体操作中改变的温度不能超过1℃，即|ΔT|＜1℃。
7.根据权利要求2所述的一种基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤E中记录接收光的光谱，随波长变化的强度F(λ)，单位为瓦，利用公式ω＝2πc/λ将波长λ转换为频率ω，得到对应的光谱分布F(ω)，其中c表示真空中的光速。
8.根据权利要求7所述的基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤D和E中计算接收光谱的平均频率分别表示为ω1和ω2，公式为
dω表示对频率ω求积分。
9.根据权利要求8所述的一种基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤E中推导液晶所处的当前温度值T，公式为：
其中T0表示初始温度，ΔT表示待测温度变化量；
Δω＝ω1-ω2；ω1表示步骤D中所指初始温度时接收光谱的平均频率，ω2表示步骤E中变化温度后接收光谱的平均频率；
d为液晶样片的厚度，为20μm；
c为真空中的光速。
10.根据权利要求1所述的一种基于弱测量的泵浦光调制动态范围的高精度温度测量方法，其特征在于，所述步骤E中，通过利用泵浦光调制的液晶和相位补偿器作为后选择的附加相位，对于大范围温度变化而引起系统偏离线性工作区时，能够调节附加相位，进行相位补偿，从而使系统重新回到线性工作区，并且把噪声的影响加入考虑范围内，使测量结果更精确。
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