CN113777050B - 基于二分光谱探测模块的弱测量方法及其系统 - Google Patents

基于二分光谱探测模块的弱测量方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二分光谱探测模块、一种弱测量系统和一种基于二分光谱探测模块的弱测量方法，包括：二分光谱探测模块接收到光信号后，将光束用分束器分成完全相同的两路光；两束光分别经过两个带通滤波器，输出两路光束；滤波后的两路光束分别由两个光电探测器接收，输出两路电压信号；当二分光谱探测模块有电信号输出时，采集读取从二分光谱探测模块输出的两路电压信号；计算机程序接收数据采集卡输出的数据，并将它们分别存入到两个一维数组中去；从两个数组中取出同一时刻的两路信号幅值并进行归一化差分计算；基于归一化差分计算得到的数值解算出弱测量中的待测参量。本发明降低了对探测器的分辨率要求，有效地减小了弱测量方案探测器体积。

Description

基于二分光谱探测模块的弱测量方法及其系统
技术领域
本发明涉及弱测量技术中提升检测带宽和信噪比的技术，具体的，涉及一种基于二分光谱探测模块及基于二分光谱探测模块的弱测量方法，更为具体地，涉及一种能快速从光谱中提取必要信息的方法及系统，更为具体地，涉及一种在弱测量过程中快速提取光谱信息的探测模块和数据处理算法。
背景技术
弱测量技术是量子测量中的概念。弱测量技术在系统演化之后进行强测量，把系统的状态投影到某种我们想要的状态上去，以期对原系统只产生微弱的影响。弱测量技术可以以丢弃大量测量结果，即多次测量为代价，得到一个待测算符本征值之外的结果，这个结果可以大大偏离待测算符的本征值。这对于精密测量来说，就是可以实现高精度、高灵敏度的测量。
现有的弱测量技术如偏置弱测量、联合弱测量等方案已经实现了高灵敏度的参量测量。在现有的光学弱测量方案中，将光谱作为弱测量中的探针系统，通过测量光谱信息来实现参量测量。因此，探测部分通常采用光谱仪。
专利文献Ultrasensitive biased weak measurement for longitudinal phaseestimation(Zhang,Z.H.,Chen G,Xu X Y,et al.Phys.rev.a,2016,94(5):053843.)中的偏振弱测量方案就采用了光谱仪。光谱仪虽然有较高分辨率，能获取到完整的光谱信息，但存在以下问题：1.光谱仪体积较大，不利于实现弱测量方案的集成化；2.高分辨率光谱仪扫描光谱的时间较长，致使弱测量检测带宽受限；3.光谱仪将信号光按波长分解，致使到达探测器处的光强弱，信噪比难以提高。
专利文献CN107632310A(申请号：CN201710817401.X)公开了一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法，该发明涉及一种基于微弱光偏振测量的空间小目标材质判别装置与方法，属于光电探测技术领域。该发明通过采用微弱光探测与偏振探测相结合的方式，通过微弱光探测技术实现远距离探测；通过偏振探测实现目标材质判别。但是偏置弱测量方案对探测器的分辨率要求比较高。
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二分光谱探测模块、一种弱测量系统和一种基于二分光谱探测模块的弱测量方法。
根据本发明提供的一种二分光谱探测模块，包括：
分束器：将接收到的光束，分成完全相同的两路光，分别记为第一路光、第二路光；
第一带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长左侧，对第一路光进行滤波，得到滤波后的第一路光；
第二带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长右侧，对第二路光进行滤波，得到滤波后的第二路光；
第一光电探测器：根据接收到的滤波后的第一路光的光强，输出与光强对应的第一路电压信号；
第二光电探测器：根据接收到的滤波后的第二路光的光强，输出与光强对应的第二路电压信号。
根据本发明提供的一种弱测量系统，包括光学模块和数据处理模块，还包括权利要求1所述的二分光谱探测模块；
光学模块包括：
SLD高斯光源：产生单峰高斯光谱光束的SLD光源，输出给第一偏振片；
第一偏振片：在光轴45度方向，将光束输出为45度线偏振光，输出给第一四分之一波片；
第一四分之一波片：在光轴90度方向，将光束输出为圆偏振光，输出给相位补偿器；
相位补偿器：使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，输出给第二四分之一波片；
第二四分之一波片：光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，输出光给第二偏振片；
第二偏振片：光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直，输出光给二分光谱探测模块的分束器；
二分光谱探测模块的第一路电压信号、第二路电压信号输出给数据处理模块；
数据处理模块包括：
带有测量输入电压能力的A/D数据采集卡：当二分光谱探测模块有电信号输出时，用A/D数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块输出的第一路电压信号、第二路电压信号这两路电信号。
优选地，在所述弱测量系统中：
将SLD光源产生的单峰高斯光谱光束输入到光路中来，光路中的光束进行前选择偏振，将光束先通过光轴在45度方向的第一偏振片，输出为45度线偏振光；再通过光轴在90度方向的第一四分之一波片，输出为圆偏振光；这束圆偏振光的前选择态为：
Figure BDA0003244909460000031
Figure BDA0003244909460000032
为偏振初始态；
i表示初始；
符号
Figure BDA0003244909460000035
>为态矢符号；
由此可以看出，经过前选择后的偏振态为H光和V光的相干叠加态。
优选地，在所述弱测量系统中：
对前选择后的光束进行偏置弱测量，圆偏振光经过相位补偿器，由于相位补偿器内双折射晶体的双折射效应，光束在不同的波长被调制成不同的偏振态，设置相位补偿器使得光源中心波长对应的偏振态为线偏振态，其他波长对应的偏振态为椭圆偏振态。
优选地，在所述弱测量系统中：
对经过相位补偿器后光束进行后选择过程，经过相位补偿器的光束经过第二四分之一波片和第二偏振片，第二四分之一波片的光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，而第二偏振片的光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直；经过第二四分之一波片和第二偏振片后的光束的后选择态为
Figure BDA0003244909460000033
其中，
Figure BDA0003244909460000034
为被偏振片和波片检偏出来的偏振末态；∈为偏转角度，∈小于1度；
经过后选择后，光束相当于被投影到一个与前选择态近乎垂直的后选择态上，在输出光的光谱上观察到双峰，若改变弱测量中的待测参量，观察到双峰的高度变化。
根据本发明提供的一种基于二分光谱探测模块的弱测量方法，包括：
步骤S1：二分光谱探测模块接收到光信号后，将光束用分束器分成完全相同的两路光；
步骤S2：在二分光谱探测模块中两束光分别经过两个滤波窗口在频谱上分别位于光源中心波长左右并且窗口上升下降沿比较陡峭的带通滤波器，输出两路光束；
步骤S3：在二分光谱探测模块中滤波后的两路光束分别由两个光电探测器接收，输出两路电压信号；
步骤S4：数据处理模块中，当二分光谱探测模块有电信号输出时，用A/D数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块输出的两路电压信号；
步骤S5：数据处理模块中，计算机程序接收数据采集卡输出的数据，并将它们分别存入到两个一维数组中去；
步骤S6：数据处理模块中，计算机程序从两个数组中取出同一时刻的两路信号幅值并进行归一化差分计算；
步骤S7：数据处理模块中，计算机程序基于归一化差分计算得到的数值解算出弱测量中的待测参量。
优选地，在所述步骤S1中：
所述达到二分光谱探测模块的信号光谱是经历了弱测量的全过程，包括偏振前选择、待测参量感知和偏振后选择后，最终进入二分光谱探测模块前的光信号光谱。
优选地，在所述步骤S2中：
生成高斯光谱光源，将光束通过前选择后，变成圆偏振态，之后经过相位补偿器使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，然后经过后选择，由二分光谱探测模块接收，二分光谱探测模块将输出光进行二分探测后输出两路电信号；
所述光源中心波长是预先用光谱仪从光信号源处测量所得的信号光初始中心波长；
所述光源为SLD光源，其光谱具有高斯特性且为单峰光谱。
优选地，在所述步骤S4中：
数据采集卡测量得到二分光谱探测模块两路输出电压的幅值，即弱测量光路输出光二分后两光束的光强值。
优选地，在所述步骤S6中：
用P1表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱左侧短波长光的光强，用P2表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱右侧长波长光的光强，二分光谱探测模块两路输出电信号的幅值与光强成正比，表述为αP1和αP2，α为输出电压强度和待测光功率的比值；
利用计算机程序基于数据采集卡测量的电信号幅值，进行归一化差分运算，计算得到我们定义的偏移量ΔP
Figure BDA0003244909460000051
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、与传统的偏置弱测量方案相比，有效地降低了对探测器的分辨率要求；
2、有效地减小了弱测量方案探测器的体积，便于实现弱测量方案中探测部分的模块化和整体系统的集成化；
3、有效地提高了检测带宽和弱测量的实时性；
4、有效地提高了信噪比。
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为本发明中基于二分光谱探测模块的弱测量方法具体实例示意图；
图2为本发明中使用的二分光谱探测模块结构示意图；
图3为使用二分光谱探测模块作为弱测量探测部分的测量值与待测参量值关系图；
图4为使用光谱仪作为弱测量探测部分的中心频率偏移和待测参量值关系图；
图5为数据处理算法流程图；
图6-图9为采用中心波长为1550nm的高斯光谱光源时，仿真得到二分探测模块各项参数对灵敏度的影响，各图中横坐标为各项参数，纵坐标为不同参数下的灵敏度与理想参数下灵敏度的比值(在考虑各项参数的影响时，认为其他参数为理想情况)；
图6为二分光谱探测模块两路光电探测器的探测效率比对灵敏度的影响；
图7为二分光谱探测模块中两路滤波器窗口截止波长对灵敏度的影响；
图8(a)为二分光谱探测模块中滤波窗口形状(即实际使用的滤波窗口形状) 不变时，窗口位置对灵敏度的影响，其中，(b)为高通带带通滤波器滤波窗口形状，(c)为低通带带通滤波器滤波窗口形状；
图9为二分光谱探测模块中滤波窗口上升沿和下降沿陡峭度对灵敏度的影响；
图中：
1为SLD高斯光源；
2为第一偏振片；
3为第一四分之一波片；
4为相位补偿器；
5为第二四分之一波片；
6为第二偏振片；
7为二分光谱探测模块；
8为数据处理模块；
9为分束器；
10为高通带带通滤波器；
11为低通带带通滤波器。
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
根据本发明提供的一种二分光谱探测模块，如图2所示，包括：
分束器：将接收到的光束，分成完全相同的两路光，分别记为第一路光、第二路光；
第一带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长左侧，对第一路光进行滤波，得到滤波后的第一路光；
第二带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长右侧，对第二路光进行滤波，得到滤波后的第二路光；
第一光电探测器：根据接收到的滤波后的第一路光的光强，输出与光强对应的第一路电压信号；
第二光电探测器：根据接收到的滤波后的第二路光的光强，输出与光强对应的第二路电压信号。
根据本发明提供的一种弱测量系统，包括光学模块和数据处理模块8，还包括权利要求1所述的二分光谱探测模块7；
光学模块包括：
SLD高斯光源1：产生单峰高斯光谱光束的SLD光源，输出给第一偏振片；
第一偏振片2：在光轴45度方向，将光束输出为45度线偏振光，输出给第一四分之一波片；
第一四分之一波片3：在光轴90度方向，将光束输出为圆偏振光，输出给相位补偿器；
相位补偿器4：使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，输出给第二四分之一波片；
第二四分之一波片5：光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，输出光给第二偏振片；
第二偏振片6：光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直，输出光给二分光谱探测模块7的分束器；
二分光谱探测模块7的第一路电压信号、第二路电压信号输出给数据处理模块 8；
数据处理模块8包括：
带有测量输入电压能力的A/D数据采集卡：当二分光谱探测模块7有电信号输出时，用A/D数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块7输出的第一路电压信号、第二路电压信号这两路电信号。
具体地，在所述弱测量系统中：
将SLD光源产生的单峰高斯光谱光束输入到光路中来，光路中的光束进行前选择偏振，将光束先通过光轴在45度方向的第一偏振片2，输出为45度线偏振光；再通过光轴在90度方向的第一四分之一波片3，输出为圆偏振光；这束圆偏振光的前选择态为：
Figure BDA0003244909460000081
Figure BDA0003244909460000082
为偏振初始态；
i表示初始；
符号
Figure BDA0003244909460000085
为态矢符号；
由此可以看出，经过前选择后的偏振态为H光和V光的相干叠加态。
具体地，在所述弱测量系统中：
对前选择后的光束进行偏置弱测量，圆偏振光经过相位补偿器4，由于相位补偿器4内双折射晶体的双折射效应，光束在不同的波长被调制成不同的偏振态，设置相位补偿器4使得光源中心波长对应的偏振态为线偏振态，其他波长对应的偏振态为椭圆偏振态。
具体地，在所述弱测量系统中：
对经过相位补偿器4后光束进行后选择过程，经过相位补偿器4的光束经过第二四分之一波片5和第二偏振片6，第二四分之一波片5的光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，而第二偏振片6的光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直；经过第二四分之一波片5和第二偏振片6后的光束的后选择态为
Figure BDA0003244909460000083
其中，
Figure BDA0003244909460000084
为被偏振片和波片检偏出来的偏振末态，∈为偏转角度，∈小于1度；
经过后选择后，光束相当于被投影到一个与前选择态近乎垂直的后选择态上，在输出光的光谱上观察到双峰，若改变弱测量中的待测参量，观察到双峰的高度变化。
根据本发明提供的一种基于二分光谱探测模块7的弱测量方法，如图1所示，包括：
步骤S1：二分光谱探测模块7接收到光信号后，将光束用分束器分成完全相同的两路光；
步骤S2：在二分光谱探测模块7中两束光分别经过两个滤波窗口在频谱上分别位于光源中心波长左右并且窗口上升下降沿比较陡峭的带通滤波器，输出两路光束；
步骤S3：在二分光谱探测模块7中滤波后的两路光束分别由两个光电探测器接收，输出两路电压信号；
步骤S4：数据处理模块8中，当二分光谱探测模块7有电信号输出时，用A/D 数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块7输出的两路电压信号；
步骤S5：数据处理模块8中，计算机程序接收数据采集卡输出的数据，并将它们分别存入到两个一维数组中去；
步骤S6：数据处理模块8中，计算机程序从两个数组中取出同一时刻的两路信号幅值并进行归一化差分计算；
步骤S7：数据处理模块8中，计算机程序基于归一化差分计算得到的数值解算出弱测量中的待测参量。
如图3-图9表示：
具体地，在所述步骤S1中：
所述达到二分光谱探测模块7的信号光谱是经历了弱测量的全过程，包括偏振前选择、待测参量感知和偏振后选择后，最终进入二分光谱探测模块7前的光信号光谱。
具体地，在所述步骤S2中：
生成高斯光谱光源，将光束通过前选择后，变成圆偏振态，之后经过相位补偿器4使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，然后经过后选择，由二分光谱探测模块7接收，二分光谱探测模块7将输出光进行二分探测后输出两路电信号；
所述光源中心波长是预先用光谱仪从光信号源处测量所得的信号光初始中心波长；
所述光源为SLD光源，其光谱具有高斯特性且为单峰光谱。
具体地，在所述步骤S4中：
数据采集卡测量得到二分光谱探测模块7两路输出电压的幅值，即弱测量光路输出光二分后两光束的光强值。
具体地，在所述步骤S6中：
用P1表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱左侧短波长光的光强，用P2表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱右侧长波长光的光强，二分光谱探测模块 7两路输出电信号的幅值与光强成正比，表述为αP1和αP2，α为输出电压强度和待测光功率的比值；
利用计算机程序基于数据采集卡测量的电信号幅值，进行归一化差分运算，计算得到我们定义的偏移量ΔP
Figure BDA0003244909460000101
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的优选例。
本发明提供了一种基于二分光谱探测模块的弱测量新方法，包括：光学模块、二分光谱探测模块和数据处理模块；所述光学模块用于实现偏置弱值放大；所述二分光谱探测模块用于将光学模块输出的光信号进行光谱二分，并以电信号输出光谱二分后的光强；所述数据处理模块用于对所测量数据进行分析和处理，根据二分光谱探测模块的输出电信号计算出弱值。本发明所设计的二分光谱探测模块，可以有效解决目前弱测量方案中存在的光谱探测时间过长、检测带宽受限问题以及光谱仪分散了信号光导致的低信噪比问题。
本发明将二分法和弱测量技术结合到一起，利用高斯光谱光源的特性和弱测量的性质，通过将弱测量输出光谱按高斯光谱中心波长分割后进行归一化求差，可以在基本保持灵敏度的同时，比较好地减小弱测量方案中探测部分的体积，并且得到比较理想的测量实时性。
在本实施例中，部署有光学模块、二分光谱探测模块和数据处理模块；其中，所述光学模块用于实现偏置弱值放大；所述二分光谱探测模块用于将光信号二分后再转换成电信号，以获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所测量数据进行分析和处理，获得合适的弱测量的偏移量。
所述基于二分光谱探测模块的弱测量新方法，包括：光学二分探测部分和数据处理部分；其中，所述光学二分探测部分用于弱测量实验和二分探测结合，所述数据处理部分用于对数据采集和处理并得到待测参量。
所述光学二分探测部分具体过程如下：
生成高斯光谱光源，将光束通过前选择后，变成圆偏振态，之后经过相位补偿器使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，然后经过后选择，由二分光谱探测模块接收，二分光谱探测模块将输出光进行二分探测后输出两路电信号。
所述数据处理部分具体过程如下：
数据采集卡实时地接收二分光谱探测模块的两路输出电信号，得到弱测量输出光以光源中心波长为界进行光谱二分后两侧的光强值，用P1表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱左侧短波长光的光强，用P2表示右侧长波长光的光强，二分光谱探测模块两路输出电信号的幅值与光强成正比，可认为是αP1和αP2；利用计算机程序基于数据采集卡测量的电信号幅值，进行归一化差分运算，计算得到我们定义的偏移量ΔP，
Figure BDA0003244909460000111
具体地，所述基于二分光谱探测模块的弱测量新方法，包括如下步骤：
步骤A1：将SLD光源产生的单峰高斯光谱光束输入到光路中来。
步骤A2：光路中的光束进行前选择偏振，具体为，将光束先通过光轴在45度方向的一个偏振片A，输出为45度线偏振光；然后再通过光轴在90度方向的一个四分之一波片B，输出为圆偏振光；这束圆偏振光的前选择态为：
Figure BDA0003244909460000112
由此可以看出，经过前选择后的偏振态为H光和V光的相干叠加态。
步骤A3：对前选择后的光束进行偏置弱测量过程，具体为，圆偏振光经过一个相位补偿器，由于相位补偿器内双折射晶体的双折射效应，光束在不同的波长会被调制成不同的偏振态，设置相位补偿器使得光源中心波长对应的偏振态为线偏振态，其他波长对应的偏振态为椭圆偏振态。
步骤A4：对经过相位补偿器后光束进行后选择过程，具体为，经过相位补偿器的光束经过一个一个四分之一波片C和一个偏振片D，四分之一波长C的光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，而偏振片D的光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直；经过四分之一波片C和偏振片D后的光束的后选择态为
Figure BDA0003244909460000113
其中，∈为偏转角度，∈小于1度。
经过后选择后，光束相当于被投影到一个与前选择态近乎垂直的后选择态上，我们可以在输出光的光谱上观察到双峰，若改变弱测量中的待测参量，可以观察到双峰的高度变化。
步骤A5：接收过程，二分光谱探测模块接收弱测量输出光信号，在模块内将输出光以光源中心波长为界二分，测出两侧的光强后以电信号输出。
在以往的弱测量方案中，利用光谱仪测得输出光的光谱，并根据输出光的中心波长相对于光源中心波长的偏移量来计算待测参量。但是高分辨率的光谱仪体积庞大且实时性能不佳。使用二分光谱探测模块，可以有效地降低探测模块的体积并且得到较为理想的实时性。
步骤B1：将二分光谱探测模块的两路输出电信号接到AD数据采集卡的输入端口；
步骤B2：数据采集卡测量得到二分光谱探测模块两路输出电压的幅值，即弱测量光路输出光二分后两光束的光强值；
步骤B3：计算机程序基于数据采集卡测量的电信号幅值，进行归一化差分运算，计算得到和待测参量相关的偏移量，后续可以根据偏移量推算出弱测量中的待测参量。
本实例中，在保持光学模块不变的情况下，分别使用二分光谱探测模块和光谱仪作为弱测量的探测部分，得到的结果分别如图3和图4所示。可以看出，使用二分光谱探测模块作为弱测量的探测部分时，其灵敏度与使用光谱仪时相比并未出现明显的下降。而在实例中，使用二分光谱探测模块的采样率超过1kHz，远高于响应时间约为1至2秒的光谱仪。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的优选例。
根据本发明提供的一种基于二分光谱探测模块的弱测量新方法，包括：
弱测量信号光探测步骤：使用二分光谱探测模块接收弱测量输出光信号，在模块内将输出光以光源中心波长为界二分，测出两侧的光强后以电信号输出；
数据处理步骤：通过A/D数据采集卡测量并记录二分光谱探测模块的输出电信号，将两路电信号进行归一化求差，解算得出弱测量中的待测物理参量；
所述弱测量输出光信号是信号光经历了弱测量的全过程，包括偏振前选择、待测参量感知和偏振后选择后，最终进入二分光谱探测模块前的光信号；
所述光源中心波长是预先用光谱仪从弱测量光信号源处测量所得的信号光初始中心波长。
具体地，所述光源为SLD光源，其光谱具有高斯特性且为单峰光谱。
具体地，所述弱测量信号光探测步骤包括：
弱测量信号光探测步骤M1.1：二分光谱探测模块接收到光信号后，将光束经过分束器后分成完全相同的两路光；
弱测量信号光探测步骤M1.2：两束光分别经过两个带通滤波器，两个带通滤波器的滤波窗口在频谱上分别位于光源中心波长左右并且窗口上升下降沿比较陡峭，这样就实现了输出光信号的光谱二分；
弱测量信号光探测步骤M1.3：将滤波后的两路光束分别由两个光电探测器接收，输出两路电压信号。
具体地，所述数据处理步骤包括：
数据处理步骤M2.1：将二分光谱探测模块的两路输出电信号接到能够接收多路输入电信号的AD数据采集卡的输入端口；
数据处理步骤M2.2：计算机程序接收数据采集卡输出的数据，根据数据解算出待测参量，具体步骤包括：
数据处理步骤M2.2.1：计算机程序实时地接收数据采集卡输出的两路数据，并将它们分别存入到两个一维数组中去；
数据处理步骤M2.2.2：计算机程序从两个数组中取出同一时刻的两路信号幅值P1和P2，根据这两个值计算出ΔP；
数据处理步骤M2.2.3：计算机程序基于ΔP和已知的其它参数，解算出弱测量中的待测参量。
具体地，若弱测量方案采用偏置弱测量，设光源输入光谱为P0(w)，则弱测量输出信号光光谱为Pout(w)＝sin2(wτ1-∈)P0(w)，其中，w0是输入光的中心频率，τ1＝β+τ，woβ-∈≈0，τ是偏置弱测量中的待测参量，∈是后选择偏离角度，β是偏置时延。用P1表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱左侧短波长光的光强，
Figure BDA0003244909460000131
用P2表示右侧长波长光的光强，
Figure BDA0003244909460000132
二分光谱探测模块两路输出电信号的幅值与光强成正比，可认为是αP1和αP2。利用计算机程序对输出电信号幅值进行归一化差分运算，得到
Figure BDA0003244909460000133
在理想情况下，根据P1和P2有
Figure BDA0003244909460000141
其中，σ是光源光谱的线宽，
Figure BDA0003244909460000142
στ1＜＜1。计算机程序算出ΔP后即可根据上式及已知的其它参数解算出待测参量τ。
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 (9)

1.一种弱测量系统，其特征在于，包括光学模块和数据处理模块（8），还包括：二分光谱探测模块（7）；
光学模块包括：
SLD高斯光源（1）：产生单峰高斯光谱光束的SLD光源，输出给第一偏振片（2）；
第一偏振片（2）：在光轴45度方向，将光束输出为45度线偏振光，输出给第一四分之一波片（3）；
第一四分之一波片（3）：在光轴90度方向，将光束输出为圆偏振光，输出给相位补偿器（4）；
相位补偿器（4）：使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，输出给第二四分之一波片（5）；
第二四分之一波片（5）：光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，输出光给第二偏振片（6）；
第二偏振片（6）：光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直，输出光给二分光谱探测模块（7）的分束器；
二分光谱探测模块（7）的第一路电压信号、第二路电压信号输出给数据处理模块（8）；
数据处理模块（8）包括：
带有测量输入电压能力的A/D数据采集卡：当二分光谱探测模块（7）有电信号输出时，用A/D数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块（7）输出的第一路电压信号、第二路电压信号这两路电信号；
所述二分光谱探测模块包括：
分束器：将接收到的光束，分成完全相同的两路光，分别记为第一路光、第二路光；
第一带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长左侧，对第一路光进行滤波，得到滤波后的第一路光；
第二带通滤波器：滤波窗口在频谱上位于所述光束的光源中心波长右侧，对第二路光进行滤波，得到滤波后的第二路光；
第一光电探测器：根据接收到的滤波后的第一路光的光强，输出与光强对应的第一路电压信号；
第二光电探测器：根据接收到的滤波后的第二路光的光强，输出与光强对应的第二路电压信号。
2.根据权利要求1所述的弱测量系统，其特征在于，在所述弱测量系统中：
将SLD光源产生的单峰高斯光谱光束输入到光路中来，光路中的光束进行前选择偏振，将光束先通过光轴在45度方向的第一偏振片（2），输出为45度线偏振光；再通过光轴在90度方向的第一四分之一波片（3），输出为圆偏振光；这束圆偏振光的前选择态为：
Figure 196586DEST_PATH_IMAGE001
Figure 648427DEST_PATH_IMAGE002
为偏振初始态；
i表示初始；
符号
Figure 712811DEST_PATH_IMAGE003
为态矢符号；
由此可以看出，经过前选择后的偏振态为H光和V光的相干叠加态。
3.根据权利要求1所述的弱测量系统，其特征在于，在所述弱测量系统中：
对前选择后的光束进行偏置弱测量，圆偏振光经过相位补偿器（4），由于相位补偿器（4）内双折射晶体的双折射效应，光束在不同的波长被调制成不同的偏振态，设置相位补偿器（4）使得光源中心波长对应的偏振态为线偏振态，其他波长对应的偏振态为椭圆偏振态。
4.根据权利要求1所述的弱测量系统，其特征在于，在所述弱测量系统中：
对经过相位补偿器（4）后光束进行后选择过程，经过相位补偿器（4）的光束经过第二四分之一波片（5）和第二偏振片（6），第二四分之一波片（5）的光轴与前选择中偏振片的光轴角度垂直，而第二偏振片（6）的光轴与前选择中偏振片的光轴角度接近垂直；经过第二四分之一波片（5）和第二偏振片（6）后的光束的后选择态为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 996025DEST_PATH_IMAGE005
为偏振片和波片检偏出来的偏振末态；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为偏转角度，
Figure 897116DEST_PATH_IMAGE006
小于1度；
在输出光的光谱上观察到双峰，若改变弱测量中的待测参量，观察到双峰的高度变化。
5.一种基于二分光谱探测模块（7）的弱测量方法，其特征在于，采用权利要求1所述的弱测量系统，包括：
步骤S1：二分光谱探测模块（7）接收到光信号后，将光束用分束器分成完全相同的两路光；
步骤S2：在二分光谱探测模块（7）中两束光分别经过两个滤波窗口在频谱上分别位于光源中心波长左右并且窗口上升下降沿比较陡峭的带通滤波器，输出两路光束；
步骤S3：在二分光谱探测模块（7）中滤波后的两路光束分别由两个光电探测器接收，输出两路电压信号；
步骤S4：数据处理模块（8）中，当二分光谱探测模块（7）有电信号输出时，用A/D数据采集卡采集读取从二分光谱探测模块（7）输出的两路电压信号；
步骤S5：数据处理模块（8）中，计算机程序接收数据采集卡输出的数据，并将它们分别存入到两个一维数组中去；
步骤S6：数据处理模块（8）中，计算机程序从两个数组中取出同一时刻的两路信号幅值并进行归一化差分计算；
步骤S7：数据处理模块（8）中，计算机程序基于归一化差分计算得到的数值解算出弱测量中的待测参量。
6.根据权利要求5所述的基于二分光谱探测模块（7）的弱测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中：
达到所述 二分光谱探测模块（7）的信号光谱是经历了弱测量的全过程，包括偏振前选择、待测参量感知和偏振后选择后，最终进入二分光谱探测模块（7）前的光信号光谱。
7.根据权利要求5所述的基于二分光谱探测模块（7）的弱测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
生成高斯光谱光源，将光束通过前选择后，变成圆偏振态，之后经过相位补偿器（4）使不同波长的光处于不同的偏振态，其中光源中心波长对应的光处于线偏振态，其他波长对应的光处于椭圆偏振态，然后经过后选择，由二分光谱探测模块（7）接收，二分光谱探测模块（7）将输出光进行二分探测后输出两路电信号；
所述光源中心波长是预先用光谱仪从光信号源处测量所得的信号光初始中心波长；
所述光源为SLD光源，其光谱具有高斯特性且为单峰光谱。
8.根据权利要求5所述的基于二分光谱探测模块（7）的弱测量方法，其特征在于，在所述步骤S4中：
数据采集卡测量得到二分光谱探测模块（7）两路输出电压的幅值，即弱测量光路输出光二分后两光束的光强值。
9.根据权利要求5所述的基于二分光谱探测模块（7）的弱测量方法，其特征在于，在所述步骤S6中：
用
Figure 367411DEST_PATH_IMAGE007
表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱左侧短波长光的光强，用
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示弱测量输出光以光源中心波长为界频谱右侧长波长光的光强，二分光谱探测模块（7）两路输出电信号的幅值与光强成正比，表述为
Figure 769574DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 641715DEST_PATH_IMAGE011
为输出电压强度和待测光功率的比值；
利用计算机程序基于数据采集卡测量的电信号幅值，进行归一化差分运算，计算得到定义的偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 710777DEST_PATH_IMAGE013
。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136732A (zh) * 2015-08-24 2015-12-09 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 田间作物双波段成像ndvi测量装置
CN106984813A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 华南理工大学 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
CN107121207A (zh) * 2016-02-24 2017-09-01 上海交通大学 基于联合弱测量技术的时间延迟估计方法及系统
CN108507986A (zh) * 2018-03-17 2018-09-07 杨佳苗 差动共焦分立荧光光谱及荧光寿命探测方法与装置
CN110031080A (zh) * 2019-03-25 2019-07-19 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种微弱声场信号的弱测量装置及方法
CN110207822A (zh) * 2019-05-29 2019-09-06 上海交通大学 高灵敏度光学时延估计系统、方法及介质
CN110308152A (zh) * 2019-07-26 2019-10-08 上海御微半导体技术有限公司 一种光学检测装置和光学检测方法
CN111077109A (zh) * 2020-01-16 2020-04-28 北京航空航天大学 一种基于双光梳光谱技术的温度和浓度测量系统和方法
CN112254836A (zh) * 2020-09-23 2021-01-22 菲兹克光电(长春)有限公司 一种基于比色法的光纤超高温测温仪
CN112867912A (zh) * 2018-10-22 2021-05-28 Drs网络和成像系统公司 用于遥感的集成光学量子弱测量放大传感器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136732A (zh) * 2015-08-24 2015-12-09 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 田间作物双波段成像ndvi测量装置
CN107121207A (zh) * 2016-02-24 2017-09-01 上海交通大学 基于联合弱测量技术的时间延迟估计方法及系统
CN106984813A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 华南理工大学 一种激光选区熔化加工过程同轴监测方法及装置
CN108507986A (zh) * 2018-03-17 2018-09-07 杨佳苗 差动共焦分立荧光光谱及荧光寿命探测方法与装置
CN112867912A (zh) * 2018-10-22 2021-05-28 Drs网络和成像系统公司 用于遥感的集成光学量子弱测量放大传感器
CN110031080A (zh) * 2019-03-25 2019-07-19 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种微弱声场信号的弱测量装置及方法
CN110207822A (zh) * 2019-05-29 2019-09-06 上海交通大学 高灵敏度光学时延估计系统、方法及介质
CN110308152A (zh) * 2019-07-26 2019-10-08 上海御微半导体技术有限公司 一种光学检测装置和光学检测方法
CN111077109A (zh) * 2020-01-16 2020-04-28 北京航空航天大学 一种基于双光梳光谱技术的温度和浓度测量系统和方法
CN112254836A (zh) * 2020-09-23 2021-01-22 菲兹克光电(长春)有限公司 一种基于比色法的光纤超高温测温仪

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Generation of multi-photon entangled states based on weak measurement and linear optical elements;Pituk Panthong等;《Optik》;20160331;第127卷(第6期);第3440-3444页 *
High-precision temperature sensor based on weak measurement;Yanjia Li等;《OPTICS EXPRESS》;20190722;第27卷(第15期);第21455-21462页 *
光纤弱值放大中的振幅型噪声和一种抑制方法;黄朝政等;《量子光学学报》;20210625;第27卷(第2期);第94-101页 *
基于弱值放大的高精度测量方法的研究现状;许杨等;《中国激光》;20210831;第48卷(第15期);第1-14页 *
量子态估计简介及其在超导电路电动力学系统中的应用;杨阳等;《控制理论与应用》;20171115(第11期);第1446-1459页 *

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