一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计
阅读说明：本技术 一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计 (Three-component optical fiber type seismic accelerometer based on quantum weak value amplification ) 是由 黄鲸珲 胡祥云 王广君 段雪影 于 2021-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计,包括三个相互正交的加速度计；单个加速度计包括：量子弱测量前选择模块、偏振分束器、第一自准直透镜、量子弱测量后选择模块、平面镜、第二自准直透镜,线性速度感应光纤环、数据接受和处理模块。通过合适的选择光子态的前选择态和后选择态,然后根据广义Sagnac效应,线性速度感应光纤环把平动速度信息耦合到偏振光的相位差中,经过数据接受和处理模块得到光谱的中心波长的移动,进而得到中心波长的移动与平动速度的关系,三个单独的加速度计最终得到三个方向的线速度、加速度以及三个分量的角速度信息,本发明具有更高的信噪比、灵敏度和测量精度。(The invention provides a three-component optical fiber type seismic accelerometer based on quantum weak value amplification, which comprises three mutually orthogonal accelerometers; the single accelerometer includes: the device comprises a selection module before quantum weak measurement, a polarization beam splitter, a first auto-collimation lens, a selection module after quantum weak measurement, a plane mirror, a second auto-collimation lens, a linear velocity induction optical fiber ring and a data receiving and processing module. Through proper selection of the front selection state and the rear selection state of the photon state, then according to the generalized Sagnac effect, the linear velocity sensing optical fiber ring couples the translation velocity information into the phase difference of the polarized light, the movement of the center wavelength of the spectrum is obtained through the data receiving and processing module, and then the relation between the movement of the center wavelength and the translation velocity is obtained, and the linear velocity, the acceleration and the angular velocity information of three components in three directions are finally obtained through three independent accelerometers.)
技术领域
本发明涉及地震仪领域，具体涉及一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计。
背景技术
目前对地面平移运动和旋转运动的联合观测和解释，对于强地面运动地震学、宽频带地震学、地震工程学、地震物理学、地震仪表设备、地震灾害、地震构造的研究具有重要意义。其中对平移运动的监测和记录的加速度计按照原理可以分为，主要包括压阻式、压点式、隧穿式、谐振式、光学式、电容式以及近年来大规模应用的微电子加速度传感器(MEMS)。与其它的加速度计相比，光纤加速度计由于灵敏度高、动态范围广、抗电磁干扰能力强等优点而被广泛应用于油气勘探和地震监测。
此外随着地震学的不断发展以及测量技术的不断提高，对于地面运动中旋转运动的观测和研究诞生了一门新兴的交叉学科，旋转地震学成为研究由天然地震、爆破和周围环境振动引起的地面旋转运动的全新的学科。一方面旋转地震学的信号可以通过高精度的陀螺仪得到；另一方面，通过对三分量的平移运动的加速度的精确测量，然后通过有限差分原理可以得到相对应的三个旋转方向的角速度，从而满足对旋转地震学研究精度的需要。但是目前的加速度计在部分频率的转换后与光纤陀螺仪的数据不吻合，原因是对弱强度的平动信号测量不准确，所以有必要设计更高灵敏度、高精度和稳定性的加速度计。
发明内容
有鉴于此，为了解决目前的加速度计对弱强度的平动信号测量不准确的技术问题，本发明提供了一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计，包括三个相互正交的加速度计；
单个所述加速度计包括：量子弱测量前选择模块、偏振分束器、第一自准直透镜、量子弱测量后选择模块、平面镜、第二自准直透镜，线性速度感应光纤环、数据接受和处理模块；
所述量子弱测量前选择模块包括：SLED超辐射发光光源、高斯滤波片、分光镜和第一偏振片；
所述SLED超辐射发光光源发射的光源经过所述高斯滤波片后形成具有一定带宽的高斯光谱，然后由所述分光镜把光束分为反射光和透射光；
所述反射光入射到所述数据接受和处理模块，反射光的光谱作为测量光谱移动的基准光谱，同时所述透射光经过所述第一偏振片对偏振光进行前选择，然后经过所述偏振分束器把将线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；
所述沿竖直方向偏振的偏振光V经过所述平面镜、所述第二自准直透镜、所述线性速度感应光纤环、所述第一自准直透镜逆时针传播；
所述沿水平方向偏振的偏振光H经过所述第一自准直透镜、所述线性速度感应光纤环和所述第二自准直透镜顺时针传播；
最后两束偏振光经过所述偏振分束器合成一束总偏振光，所述总偏振光通过所述量子弱测量后选择模块进行后选择，此后光束入射到所述数据接受和处理模块，通过相应的采集和数据处理后得到的光谱与所述基准光谱进行比较，计算得到中心波长的移动，进而根据弱值放大原理得到中心波长的移动与平动速度的关系。
优选地，所述线性速度感应光纤环由保偏光纤绕制成，包括：固定的质量块和可移动的质量块。
优选地，所述量子弱测量后选择模块包括第二偏振片。
优选地，所述数据接受和处理模块包括：第一光谱仪、第二光谱仪和数据处理模块，所述第一光谱仪、第二光谱仪分别与所述数据处理模块电性连接。
优选地，所述数据接受和处理模块，用于对光谱实时采样、处理及高斯拟合，得到中心波长的移动，进而根据弱测量原理得到中心波长的移动与待测平动速度的关系：
其中，δ表示求微分，α为偏振光经过第一偏振片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片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，是广义Sagnac效应引起的相位差，c是真空中的光速，λ0是真空中初始光谱的波长，N是光纤环匝数，Δλ为初始光谱的带宽，ν是平动的速度，L是光纤的长度。
优选地，所述数据处理模块包括：ADC采集器、FPGA可编程器件、动态随机存取存储器RAM和液晶显示器LCD。
优选地，所述偏振分束器、所述第一自准直透镜、所述平面镜、所述第二自准直透镜和所述线性速度感应光纤环组成一个保偏光纤环光路模块，所述保偏光纤环光路模块用于将平动的速度信息耦合在偏振光的相位信息上。
优选地，所述第一自准直透镜和所述第二自准直透镜用于实现自由光路与所述线性速度感应光纤环的连接。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明通过对保偏光纤环的广义Sagnac效应的弱值放大可以实现对平动线速度的高灵敏度和高精度的测量。
2、本发明中的FPGA数据处理模块可以对测量得到的数据实时处理，进一步得到平动加速度和旋转角速度的关系。
3、本发明中的两个光谱仪可以对初始光谱和弱测量后的光谱实时监测，可以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
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计的结构图；
图2是本发明实施例中单个基于量子弱测量弱值放大的加速度计的原理图；
图中标号说明：11-量子弱测量前选择模块、111-SLED超辐射发光光源、112-高斯滤波片、113-分光镜、114-第一偏振片、12-偏振分束器、13-第一自准直透镜、15-平面镜、16- 第二自准直透镜、17-线性速度感应光纤环、172-固定的质量块、171-可移动的质量块、14- 量子弱测量后选择模块、141-第二偏振片、18-数据接受和处理模块、181-第一光谱仪、182- 第二光谱仪、183-数据处理模块。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计。
请参考图1和图2，图1是本发明实施例中一种基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计的结构图，三分量光纤式地震加速度计主要由三个相互正交的加速度计组成，每个加速度计的测量数据都由统一的数据处理模块处理。
图2是本发明实施例中单个基于量子弱测量弱值放大的加速度计的原理图，图2以x 轴方向的加速度为例，单个基于量子弱值放大的加速度计具体包括：量子弱测量前选择模块11、偏振分束器12、第一自准直透镜13、平面镜15、第二自准直透镜16，线性速度感应光纤环17、量子弱测量后选择模块14、数据接受和处理模块18；
其中，量子弱测量前选择模块11包括：SLED超辐射发光光源111、高斯滤波片112、分光镜113、第一偏振片114；
线性速度感应光纤环17包括：固定的质量块172和可移动的质量块171；
量子弱测量后选择模块14包括：第二偏振片141；
数据接受和处理模块18包括：第一光谱仪181、第二光谱仪182和数据处理模块183。
所述超辐射SLED超辐射发光光源111发射的高强度光源经过高斯滤波片112后形成具有一定带宽的高斯光谱，然后由分光镜113把光束分为反射光和透射光，反射光入射到第一光谱仪181然后传入到数据处理模块183，反射光的光谱作为测量光谱移动的基准光谱，同时经由分光镜113出射的透射光经过第一偏振片114对偏振光进行前选择，然后经过偏振分束器12把将线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。
所述第一偏振片114的偏振方向与竖直方向的夹角为α，偏振光经过前选择后变为：
|φi＞＝sin(α)|H>+cos(α)|V>
|φi>对应前选择的量子态，|H>对应于偏振方向沿水平方向的量子态，|V>对应于偏振方向沿竖直方向的量子态。
沿竖直方向偏振的偏振光V经过平面镜15、第二自准直透镜16、线性速度感应光纤环17、第一自准直透镜13逆时针传播，沿水平方向偏振的偏振光H经过第一自准直透镜 13、线性速度感应光纤环17和第二自准直透镜16顺时针传播，最后两束偏振光经过偏振分束器12合成一束。该过程对应于量子弱测量中的弱耦合，由于广义的Sagnac效应会使顺时针和逆时针传播的偏振光之间产生一个相位差：
c是真空中的光速，λ0是真空中初始光谱的波长，N是光纤环匝数，ν是平动的速度，L是光纤的长度。经过弱耦合和后选择后，偏振光变为：
|φf>对应后选择的量子态，β为合成的偏振光束经过第二偏振片后的偏振方向与水平方向的夹角。
经过偏振分束器12合成的总偏振光通过第二偏振片14进行后选择，此后光束入射到数据接受和处理模块18，通过相应的采集和数据处理后得到的光谱与初始光谱进行比较，计算得到中心波长的移动。本发明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AW的定义：
<φfφi>对应后选择成功地概率，<φf|A|φi>表示测得可观测量A的期望。
可以得到出射光谱中心波长的移动公式：
其中Δλ为初始光谱的带宽，Im()表示取虚部的函数。由于相位差是关于平动速度ν的函数，所以最终通过上式得到中心波长的移动δλ0与平动速度ν的关系：
以上过程便是基于量子弱测量弱值放大的原理：通过对量子态合适的前选择和后选择，把平动速度由线性速度感应光纤环17耦合到偏振光的相位中，最后经过弱值放大的原理得到平动速度和光谱中心波长移动的关系。
在本实施例中，所述线性速度感应光纤环17可以在偏振光传输过程中保持该偏振光的偏振度，该光纤环不同于传统的光纤环的绕制，该光纤环绕制的面积近乎为零。所述线性速度感应光纤环17包含固定的质量块172和可移动的质量块171。光纤环绕制在固定的质量块172和可移动的质量块171上，固定的质量块172与整个系统固定连接，可移动的质量块171可以如图1所示的左右滑动用于感知平动的速度，两个滑块之间的距离很小并且之间的相互摩擦系数很小，用机械限制两个质量块的上下运动，这样使得沿x轴的加速度计只对x方向的平动速度敏感。
在本实施例中，所述数据接受和处理模块18包含第一光谱仪181、第二光谱仪182和数据处理模块183。第一光谱仪181、第二光谱仪182是把光信号转换为电信号(通常是电压)。数据处理模块183如图1所示包含高速的ADC采集器，FPGA可编程器件，可以储存数据的动态随机存取存储器RAM以及可以实时显示测量结果的LED。FPGA可编程器件可以实时地对采集到的的光谱进行高斯拟合得到中心波长的值，从而得到中心波长的移动，以及平动的角速度的值。进一步地，可以根据奈奎斯特采样定理确定ADC对光谱有效的采样时间，计算出具有一定分辨率的平动加速度的值a＝dν/dt，其中dν表示在dt时间范围内速度的变化量，理论上dt时间越小加速度的计算越精确，其精确度取决于ADC的采样率和FPGA的数据处理的能力。
所述三分量光纤式地震加速度计如图1所示可以测得x轴、y轴和z轴相互正交的三分量速度和加速度的值。理论上旋转矢量(ωx,ωy,ωz)可以用波场的旋度表示。及得到的三个相互正交的速度νx、νy、νz可以进一步得到三个分量的角速度：
其中，表示对波场求旋度，Δ＝(δx，δy,δz)，δx，δy,δz分别表示对x轴、y轴和z轴方向的速度求偏导。
利用该基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计进行测量时，具体采用以下技术进行实现：
本实施例中第一偏振片114、第二偏振片141和线性速度感应光纤环17的参数可以为: 第一偏振片114偏振方向与竖直方向的夹角α＝1.0rad，第二偏振片141的偏振方向与水平方向的夹角β＝0.01rad，线性速度感应光纤环17的长度对应于NL＝5000m，光源光谱的中心波长λ0＝833×10-9m，对应的高斯光谱的谱宽Δλ＝80×10-9m。第一光谱仪181、第二光谱仪182和DAC转换模块中光谱的分辨率均为0.2nm，则基于量子弱值放大的三分量光纤式地震加速度计平动速度测量的分辨率为2.0×10-9m/s。由上述实例可以证明本发明具有高精度的分辨率。
本发明实施后带来的有益效果是：
1、本发明通过对保偏光纤环的广义Sagnac效应的弱值放大实现了对平动线速度的高灵敏度和高精度的测量。
2、本发明中的FPGA数据处理模块对测量得到的数据实时处理，进一步得到平动加速度和旋转角速度的关系。
3、本发明中的两个光谱仪对初始光谱和弱测量后的光谱实时监测，解决了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。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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