CN113176619A - 一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪 - Google Patents

一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪 Download PDF

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CN113176619A CN202110270498.3A CN202110270498A CN113176619A CN 113176619 A CN113176619 A CN 113176619A CN 202110270498 A CN202110270498 A CN 202110270498A CN 113176619 A CN113176619 A CN 113176619A
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Abstract

本发明提供一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括：发光二极管，用于发射光源；高斯滤波片，其设置在发光二极管的出光方向上，用于将发光二极管发射的光源转化成高斯光束；半反半透镜，其设置在高斯滤波片的出光方向上，用于将高斯光束分为反射光和透射光；光谱处理单元，其设置在半反半透镜的透射光的出光方向上，用于对透射光进行偏振处理；光谱采集单元，其包括第一光谱仪和第二光谱仪，第一光谱仪设置在半反半透镜的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；第二光谱仪设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；数据处理模块，用于对原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。

Description

一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪
技术领域
本发明涉及大地磁异常探测技术领域，尤其涉及一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪。
背景技术
随着国内外高精度地球物理场观测研究的深入，科学家对大地磁异常的研究越来越感兴趣，大地的磁异常可以反映地球的磁层、电离层、太阳风暴的活动情况，更重要的是大地的磁异常可以反映地壳、地幔和地核的变化，因此对地震的临震预报尤为重要。
目前对地震的预报还是一个世界性的科学难题，中国自1966年邢台地震后便开始应用大地磁异常的信息开展地震前兆观测和地震的预报工作。地磁场总体是一个稳定的磁场，磁感应强度的大小在0.5-0.6Gauss，但是由于地壳、地幔和地核的变化带来的磁异常只有地磁场强度的2％-4％，属于弱磁场的测量，所以对磁异常的探测原则上分辨率越高越好。目前基于超导的磁场传感器测量极限可以达到10-8Gauss，此外还有各向异性的磁阻传感器也可以达到10-6Gauss，但是这些磁传感器成本太高、设计复杂，不适合大范围的应用。
随着量子信息技术的蓬勃发展，基于量子弱测量的放大小信号的测量技术已经得到了广泛的应用，例如专利CN104089718A公开了一种恒温测试系统及温度监测方法，该方法公开了基于弱测量对温度的检测，专利CN110031080A公开了一种微弱声场信号的弱测量装置及方法。然而目前还没有基于量子弱测量原理的弱磁场相关的研究。
发明内容
为了解决上述问题，结合量子弱测量的原理和传统的光纤陀螺仪，本发明提供了一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，能够测量地磁异常的微小变化，具有成本低、体积小、高灵敏度、高精度的特点。
本发明提供一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括：
发光二极管，其用于发射光源；
高斯滤波片，其设置在所述发光二极管的出光方向上，用于将所述发光二极管发射的光源转化成高斯光束；
半反半透镜，其设置在所述高斯滤波片的出光方向上，用于将所述高斯光束分为反射光和透射光；
光谱处理单元，其设置在所述半反半透镜的透射光的出光方向上，用于对所述透射光进行偏振处理；
光谱采集单元，其包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述第一光谱仪设置在所述半反半透镜的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；所述第二光谱仪设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；
数据处理模块，用于对所述原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。
进一步地，所述光谱处理单元包括：
第一偏振控制器，其设置在所述半反半透镜的透射光的出光方向上；
第一偏振分束器，其设置在所述第一偏振控制器的出光方向上，用于将从所述第一偏振控制器发出的偏振光分成沿竖直方向偏振的偏振光V和沿水平方向偏振的偏振光H；
第一平面镜，其设置在所述偏振光H的出光方向上；
光学器件，其设置在磁场中，且位于所述第一平面镜的反射光的出光方向上，到达所述光学器件的光束在其内部多次反射后射出；
第二平面镜，其设置在所述光学器件的出光方向上；
第三平面镜，其设置在所述偏振光V的出光方向上；
第二偏振分束器，其设置在所述第二平面镜和第三平面镜的共同出光方向上；
第二偏振控制器，其设置在所述第二偏振分束器的出光方向上。
进一步地，所述光谱处理单元还包括：
补偿器，其设置在所述第三平面镜和第二偏振分束器之间，用于补偿初始工作状态偏振光V与偏振光H之间的相位差，且所述补偿器与数据处理模块通信连接。
进一步地，所述第二光谱仪设置在所述第二偏振控制器的出光方向上。
进一步地，所述光学器件，包括：
入射端面，其上开设第一小孔；
出射端面，其上开设第二小孔，所述第二小孔的高度大于第一小孔的高度；
所述入射端面和出射端面的内侧均镀有反射膜。
进一步地，所述光学器件为Faraday磁光效应敏感光学器件，其制作材质为菲德尔系数的材料或在所述光学器件的空腔内部充满菲德尔系数的气体。
进一步地，所述数据处理模块包括：
AD采集单元，其与所述第一光谱仪、第二光谱仪通信连接，用于采集从所述第一光谱仪输出的原始光谱和从第二光谱仪输出的偏振处理后的光谱；
计算单元，其与所述AD采集单元通信连接，用于根据原始光谱和偏振处理后的光谱计算得到中心波长的移动；
判断单元，其与所述计算单元通信连接，用于判断所述中心波长的移动是否小于光谱最小分辨率，若否，则调节补偿器进行相位补偿；若是，则将中心波长的移动输出。
进一步地，所述计算单元计算中心波长的移动的公式为：
Figure BDA0002974159190000041
式中，δλ0表示中心波长的移动，Δλ为原始光谱的带宽，λ0为中心波长，α为偏振光经过第一偏振控制器后的偏振方向与竖直方向的夹角，β为合成的偏振光束经过第二偏振控制器后的偏振方向与水平方向的夹角，Im()表示虚部，i表示虚数单位，
Figure BDA0002974159190000042
为偏振光V和偏振光H总的相位差，
Figure BDA0002974159190000043
N为光学器件中光线反射的次数，D为光学器件水平方向的长度，H0为静态的地磁场大小，Vverdet为菲德尔系数，ΔH为磁异常变化引起磁场强度值的变化，Δφ为偏振光V与偏振光H之间的光程差带来的相位差，φm为补偿器对应的调制相位。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明通过设计光学器件可以把磁场的变化信息弱耦合到偏振光的偏振方向的变化中去，基于量子弱测量的原理可以测得微小的磁场变化；
2、本发明采用数据处理模块通过负反馈控制补偿器，可以通过闭环控制仪器的工作状态；
3、本发明采用第一光谱仪和第二光谱仪可以对原始光谱和弱测量后的光谱进行实时监测，解决光源光功率不稳定的问题，使得基于频率域的光谱测量具有更高的信噪比和灵敏度。
附图说明
图1是本发明一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的结构图；
图2是本发明一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的光学器件的结构图；
图3是本发明一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的数据处理模块的结构图；
图4是利用本发明的大地磁异常探测仪进行地磁异常测量的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括发光二极管1、高斯滤波片2、半反半透镜3、光谱处理单元4、光谱采集单元、数据处理模块7和外接设备8。
发光二极管1为超辐射发光二极管，其可以产生较高强度的光源。
高斯滤波片2设置在发光二极管1的出光方向上，可以将发光二极管1发射的光源转化成具有一定带宽的高斯光束。
半反半透镜3设置在高斯滤波片2的出光方向上，可以将高斯光束分为反射光和透射光。
光谱处理单元4包括第一偏振控制器41、第一偏振分束器42、第一平面镜43、光学器件44、第二平面镜45、第三平面镜46、第二偏振分束器47、第二偏振控制器48和补偿器49，第一偏振控制器41设置在半反半透镜3的透射光的出光方向上，第一偏振分束器42设置在第一偏振控制器41的出光方向上，第一偏振分束器42将从第一偏振控制器41发出的偏振光分成沿竖直方向偏振的偏振光V和沿水平方向偏振的偏振光H，第一平面镜43设置在偏振光H的出光方向上，光学器件44设置在磁场中，且位于第一平面镜43的反射光的出光方向上，第二平面镜45设置在光学器件44的出光方向上，第三平面镜46设置在偏振光V的出光方向上，第二偏振分束器47设置在第二平面镜45和第三平面镜46的共同出光方向上；第二偏振控制器48设置在第二偏振分束器47的出光方向上，补偿器49设置在第三平面镜46和第二偏振分束器47之间，补偿器49采用RS-232接口与数据处理模块7通信连接；本实施例中，补偿器49选用SOLEIL-BABINET补偿器，光学器件44选用Faraday磁光效应敏感光学器件，光学器件44可以采用菲德尔系数的材料制作或者在光学器件44的内部充满菲德尔系数的气体。
参考图2，光学器件44的形状为矩形，包括入射端面441和出射端面442，入射端面441上开设第一小孔4411，从第一平面镜43射出的光线通过第一小孔4411射入光学器件44的内部，出射端面442上开设第二小孔4421，在光学器件44的内部多次反射后的光线通过第二小孔4421射出，第二小孔4421的高度大于第一小孔4411的高度，入射端面441和出射端面442的内侧均镀有反射膜。
光学器件44由于放置在磁场中，因Faraday磁光效应带来的相位差为
Figure BDA0002974159190000061
其中N是光线在光学器件44中反射的次数，D是光学器件44在水平方向的长度，磁场强度H与磁感应强度B的关系为：B＝μH，其中μ是磁导率，测量的磁场方向是沿水平方向的磁场分量。
光谱采集单元包括第一光谱仪5和第二光谱仪6，第一光谱仪5设置在半反半透镜3的反射光的出光方向上，用来采集反射光的光谱，该反射光的光谱作为测量光谱移动的基准，即以该反射光的光谱为原始光谱，第二光谱仪6设置在第二偏振控制器48的出光方向上，用来采集从第二偏振控制器48射出的光束的光谱。
参考图3，数据处理模块7包括依次通信连接的AD采集单元71、计算单元72、判断单元73和DA转换单元74；本实施例中，数据处理模块7为FPGA数据处理模块。
AD采集单元71的输入端与第一光谱仪5的输出端、第二光谱仪6的输出端通信连接，用来采集从第一光谱仪5输出的原始光谱和从第二光谱仪6输出的偏振处理后的光谱，AD采集单元71采用不同的采样速率可以控制光谱的分辨率从而控制测量的极限；计算单元72的输入端与AD采集单元71的输出端通信连接，AD采集单元71将采集到的光谱数据传输给计算单元72，计算单元72根据接收到的原始光谱和偏振处理后的光谱进行高斯拟合，得到中心波长的移动，进而得到中心波长与大地磁异常的微小变化之间的关系，实现通过弱测量检测到微弱的磁场变化的目的。
判断单元73的输入端与计算单元72的输出端通信连接，计算单元72将计算得到的中心波长的移动量发送给判断单元73，判断单元73判断中心波长的移动是否小于光谱最小分辨率，若否，则发送信号调节补偿器49进行相位补偿，补偿器49采用直流伺服电机驱动，可以提供偏振光V和偏振光H之间0到2π连续的相位延迟，调节补偿器49的相位使得中心波长的移动小于光谱最小分辨率(理想情况下中心波长的移动等于0)；若是，则将中心波长的移动输出给DA转换单元74。
外接设备8的接收端与DA转换单元74的输出端通信连接，DA转换单元74将接收到的数据传输给外接设备8，本实施例中，外接设备8可以把接收到的数据传输给LED显示屏进行显示或者USB储存，也可以通过无线传输建立监控网络。
本实施例提供的大地磁异常探测仪的测量原理为：发光二极管1输出稳定高强度的光源，经过高斯滤波片2，可以得到具有一定带宽Δλ的高斯光束|ψi>；高斯光束到达半反半透镜3后，半反半透镜3将高斯光束分为反射光和透射光，反射光入射到第一光谱仪5，第一光谱仪5将反射光的光谱传入数据处理模块7进行处理；
同时经半反半透镜3出射的透射光经过第一偏振控制器41，第一偏振控制器41的偏振方向与竖直方向的夹角为α，通过后光束的量子态变为：
|φi>＝sin(α)|H>+cos(α)|V>
从第一偏振控制器41射出的光束到达第一偏振分束器42，第一偏振分束器42将偏振光分成沿竖直方向偏振的偏振光V和沿水平方向偏振的偏振光H；偏振光V依次经过第三平面镜46、补偿器49到达第二偏振分束器47，同时偏振光H依次经过第一平面镜43、光学器件44、第二平面45到达第二偏振分束器47，最后两束偏振光经过第二偏振分束器47合成一束总偏振光；
两束偏振光之间总的相位差
Figure BDA0002974159190000081
为：
Figure BDA0002974159190000082
其中，NDVverdetH0为大地静磁场由于Faraday磁光效应带来的相位差，NDVverdetΔH为大地磁异常变化带来的相位差，Δφ为偏振光V与偏振光H之间的光程差带来的相位差，φm为补偿器49对应的调制相位，当仪器开始工作的时候，调制相位满足NDVverdetH0+Δφ+φm＝0，当调制完成后，就可以从中心波长的移动得到磁异常的变化；
第二偏振分束器47合成的总偏振光通过第二偏振控制器48对该合成的总偏振光进行后选择处理，得到后选择的偏振态为：
Figure BDA0002974159190000091
本实施例中所对应的可观测算符为：A＝|H><H|-|V><V|
根据量子弱测量中弱值的定义：
Figure BDA0002974159190000092
即可以得到出射光谱中心波长的移动的计算公式：
Figure BDA0002974159190000093
Figure BDA0002974159190000094
式中，δλ0表示中心波长的移动，Δλ为原始光谱的带宽，λ0为中心波长，α为偏振光经过第一偏振控制器41后的偏振方向与竖直方向的夹角，β为合成的偏振光束经过第二偏振控制器48后的偏振方向与水平方向的夹角，Im()表示虚部，i表示虚数单位，
Figure BDA0002974159190000095
为偏振光V和偏振光H总的相位差，
Figure BDA0002974159190000096
N为光学器件44中光线反射的次数，D为光学器件44水平方向的长度，H0为静态的地磁场大小，Vverdet为菲德尔系数，ΔH为磁异常变化引起磁场强度值的变化，Δφ为偏振光V与偏振光H之间的光程差带来的相位差，φm为补偿器49对应的调制相位。
综上，可以通过出射光谱中心波长的移动公式得到由于Faraday磁光效应带来的相位差，进而达到测量地磁场的微弱变化的目的。
本实施例中，光学器件44、第二平面镜45、第三平面镜46、补偿器49、第二偏振分束器47、第二偏振控制器48对应于量子弱测量的弱耦合和后选择，把由于Faraday磁光效应引起的相位变化耦合到水平偏振光中，然后通过第二偏振控制器48后选择量子态。
参考图4，本实施例提供的大地磁异常探测仪的工作流程分为两个状态：置零调制状态和工作状态；当置零调制状态完成后，大地磁异常探测仪才进入工作状态；在静置零调制状态时，数据处理模块7可以对补偿器进行闭环反馈调节从而补偿由其它效应引起的相位差，使得NDVverdetH0+Δφ+φm＝0，在每次开机后，可以根据外部的环境由数据处理模块7确定置零调制状态的调制时间，并根据得到的光谱数据进行反馈调节。
置零调制状态具体为：仪器每次开机静置时会根据仪器所处的环境通过反馈调节补偿器49补偿偏振光H和偏振光V之间的相位差，通过第一光谱仪5和第二光谱仪6探测到原始光谱和处理后的光谱，数据处理模块7经过高斯拟合计算得到中心波长的移动δλ0，进而判断中心波长移动δλ0是否小于光谱最小分辨率；若否，则通过调节补偿器49进行相位补偿，再进行探测光谱和计算中心波长移动δλ0等过程；若是，则得到任意t时刻的第一光谱仪5和第二光谱仪6探测到的光谱，进而得到中心波长移动δλ0和地磁场异常值ΔH，并输出结果至外接设备8，然后采用同样的方法得到t+Δt时刻探测到的光谱。
本实施例中第一偏振控制器41和第二偏振控制器48的参数可以为：第一偏振控制器41偏振方向与竖直方向的夹角α＝0.1rad，第二偏振控制器48的偏振方向与水平方向的夹角β＝0.1rad，设计的光学器件44沿磁场方向的尺寸为0.1m，设计光线在光学器件44中传播10次，光学器件44的空腔内部填充菲德尔系数Vverdet＝123rad/T·m的CO2，第一光谱仪5、第二光谱仪6和DA转换单元74中光谱的分辨率均为0.2nm，则量子弱测量实现的大地磁异常探测仪对弱磁场变化的分辨率为1.64×10-6Gauss。由上述实例可以证明大地磁异常探测仪具有高精度的分辨率和较小的仪器尺寸，符合便携式地磁异常探测仪的测量要求。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，包括：
发光二极管(1)，其用于发射光源；
高斯滤波片(2)，其设置在所述发光二极管(1)的出光方向上，用于将所述发光二极管(1)发射的光源转化成高斯光束；
半反半透镜(3)，其设置在所述高斯滤波片(2)的出光方向上，用于将所述高斯光束分为反射光和透射光；
光谱处理单元(4)，其设置在所述半反半透镜(3)的透射光的出光方向上，用于对所述透射光进行偏振处理；
光谱采集单元，其包括第一光谱仪(5)和第二光谱仪(6)，所述第一光谱仪(5)设置在所述半反半透镜(3)的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；所述第二光谱仪(6)设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；
数据处理模块(7)，用于对所述原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。
2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光谱处理单元(4)包括：
第一偏振控制器(41)，其设置在所述半反半透镜(3)的透射光的出光方向上；
第一偏振分束器(42)，其设置在所述第一偏振控制器(41)的出光方向上，用于将从所述第一偏振控制器(41)发出的偏振光分成沿竖直方向偏振的偏振光V和沿水平方向偏振的偏振光H；
第一平面镜(43)，其设置在所述偏振光H的出光方向上；
光学器件(44)，其设置在磁场中，且位于所述第一平面镜(43)的反射光的出光方向上，到达所述光学器件(44)的光束在其内部多次反射后射出；
第二平面镜(45)，其设置在所述光学器件(44)的出光方向上；
第三平面镜(46)，其设置在所述偏振光V的出光方向上；
第二偏振分束器(47)，其设置在所述第二平面镜(45)和第三平面镜(46)的共同出光方向上；
第二偏振控制器(48)，其设置在所述第二偏振分束器(47)的出光方向上。
3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光谱处理单元(4)还包括：
补偿器(49)，其设置在所述第三平面镜(46)和第二偏振分束器(47)之间，用于补偿初始工作状态偏振光V与偏振光H之间的相位差，且所述补偿器(49)与数据处理模块(7)通信连接。
4.根据权利要求2所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述第二光谱仪(6)设置在所述第二偏振控制器(48)的出光方向上。
5.根据权利要求3所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光学器件(44)，包括：
入射端面(441)，其上开设第一小孔(4411)；
出射端面(442)，其上开设第二小孔(4421)，所述第二小孔(4421)的高度大于第一小孔(4411)的高度；
所述入射端面(441)和出射端面(442)的内侧均镀有反射膜。
6.根据权利要求5所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光学器件(44)为Faraday磁光效应敏感光学器件，其制作材质为菲德尔系数的材料或在所述光学器件(44)的空腔内部充满菲德尔系数的气体。
7.根据权利要求6所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述数据处理模块(7)包括：
AD采集单元(71)，其与所述第一光谱仪(5)、第二光谱仪(6)通信连接，用于采集从所述第一光谱仪(5)输出的原始光谱和从第二光谱仪(6)输出的偏振处理后的光谱；
计算单元(72)，其与所述AD采集单元(71)通信连接，用于根据原始光谱和偏振处理后的光谱计算得到中心波长的移动；
判断单元(73)，其与所述计算单元(72)通信连接，用于判断所述中心波长的移动是否小于光谱最小分辨率，若否，则调节补偿器(49)进行相位补偿；若是，则将中心波长的移动输出。
8.根据权利要求7所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述计算单元(72)计算中心波长的移动的公式为：
Figure FDA0002974159180000031
式中，δλ0表示中心波长的移动，Δλ为原始光谱的带宽，λ0为中心波长，α为偏振光经过第一偏振控制器(41)后的偏振方向与竖直方向的夹角，β为合成的偏振光束经过第二偏振控制器(48)后的偏振方向与水平方向的夹角，Im()表示虚部，i表示虚数单位，
Figure FDA0002974159180000032
为偏振光V和偏振光H总的相位差，
Figure FDA0002974159180000033
N为光学器件(44)中光线反射的次数，D为光学器件(44)水平方向的长度，H0为静态的地磁场大小，Vverdet为菲德尔系数，ΔH为磁异常变化引起磁场强度值的变化，Δφ为偏振光V与偏振光H之间的光程差带来的相位差，φm为补偿器(49)对应的调制相位。
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