基于弱测量技术的光子陀螺仪制造技术

本发明专利技术提供了一种基于弱测量技术的光子陀螺仪，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；所述光学模块用于采用联合弱测量算法和串行量子处理测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。本发明专利技术采用联合弱测量技术和串行量子处理技术，可以实现对陀螺载体微小角速度的高灵敏度和高精确测量，从而明显提升陀螺仪的测量灵敏度和测量精度，并有效解决光纤陀螺的灵敏度消失问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高精度角度惯性感知，具体地，涉及一种基于弱测量技术的光子陀螺仪。
技术介绍
光学陀螺仪可分为两种方式：传统光学陀螺(如光纤陀螺、激光陀螺)以及光子陀螺(如压缩态光子陀螺、多纠缠光子陀螺)。这些陀螺有良好的技术优势，但是在应用中也存在一些问题。例如：1、传统光学陀螺仪容易受到信号源光子涨落、功率涨落、非互易性、光纤长度、外场等因素的影响的较大，这些因素影响陀螺的精度、灵敏度和稳定性。2、传统光学陀螺以经典物理为基础，其精度和灵敏度不可突破散粒噪声极限，从而影响陀螺仪的精度和灵敏度的进一步提升。3、以往光子陀螺仪的技术实现非常复杂。例如，压缩态光子陀螺仪和多纠缠光子陀螺仪的信号源分别是压缩态光子源和多光子纠缠源，目前都很难制备。由以上描述可知，传统光学陀螺仪和以往光子陀螺仪有明显的技术优势，但是也存在一些难以克服的缺陷。如何利用光学陀螺仪的技术优势同时克服其缺陷成为近年来成为人们重点考虑的问题。近年来，人们发现基于量子干涉的Sagnac效应下测量精度可以明显提升，理论计算结果显示，量子干涉效应在灵敏度方面理论上可以到达甚至突破海森堡极限，比传统的一阶干涉技术在灵敏度和精度方面可以提升多个数量级。量子干涉可以通过原子等实物粒子实现，也可以通过光子流来实现，它们统称为量子陀螺仪。基于原子干涉的陀螺仪通常被称为原子陀螺仪，由于原子质量大，原理上这种陀螺仪的精度可以很高。基于光子干涉的通常被称为光子陀螺仪，目前实现光子干涉主要有两种方式：基于光子压缩态的量子干涉和基于多光子纠缠态的量子干涉，其中前者已经用于引力波的探测，后者目前处于物理原理探索阶段。专利
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于弱测量技术光子陀螺实现方法。适合光纤中光子在高速旋转平台中对于角度信息的感知，尤其是通过采用联合弱测量和串行操控技术可以极大提高探测的精度和提高系统的稳定性。根据本专利技术提供的基于弱测量技术的光子陀螺仪，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。优选地，所述光学模块测量所述陀螺载体的角速度包括如下步骤：步骤A1：前选择偏振，具体为，通过格兰泰勒棱镜将陀螺载体输出的光子信号调制成初始选择态偏振光；步骤A2：将初始选择态偏振光经过第一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入至Sagnac回路并进行串行量子处理后输出串行量子偏振光，所述串行量子偏振光的偏振为： ( e - iωτ H + e iωτ ) / 2 = ( cos ωτ | + ⟩ + i sin ωτ | - ⟩ ) / 2 ]]>其中， | + ⟩ = ( H + V ) / 2 , | - ⟩ = ( H - V ) / 2 ; τ ≈ 2 ΩS c 2 ]]>为待测延迟，S为Sagnac回路面积，ω为光的角频率，τ为Sagnac回路顺、逆时针传播光路的相对时延，H为水平方向偏振，V为垂直方向偏振，|+〉为+45°偏振，|-〉为-45°偏振，Ω为转台转动角速度，c为光速，i表示虚数；步骤A3：所述串行量子偏振光通过光轴在45度方向的四分之一波片输出变偏振态偏振光，所述变偏振态偏振光的偏振为： ( cos ωτ | + ⟩ - sin ωτ | - ⟩ ) / 2 ; ]]>步骤A4：后选择偏振，具体为，所述变偏振态偏振光输入偏振分束器后输出透射偏振光和反射偏振光；步骤A5：通过第一光电探测器采集反射偏振光的模拟信号，通过第二光电探测器采集透射偏振光的模拟信号；所述第一光电探测器采集到的光谱P-1(ω)为：P-1(ω)＝P(ω)·[1-cos(2θ-2ωτ)]/2；所述第一光电探测器采集到的光谱P+1(ω)为：P+1(ω)＝P(ω)·[1+cos(2θ+2ωτ)]/2；其中，P(ω)为输入光频谱，θ为后选择偏振态的偏转角。优选地，所述数据处理模块对所述测量数据进行分析和处理包括如下步骤：步骤C1：采用符合算法和联合弱测量的方法对测量数据进行处理；步骤C2：采用光子陀螺解算算法将测量数据解算出陀螺的参数；所述联合弱测量算法具体为，根据最大似然定理、统计平均处理方法并利用Fisher信息理论模型对测量结果进行统计估计，求出测量数据的测量精度；所述符合算法具体为，根据光子信号的物理关联性，进行符合运算；所述光子陀螺解算算法具体为，利用陀螺方程进一步对所述测量数据进行分析和解算，从而得出陀螺参数。优选地，所述步骤A2包括如下步骤：步骤A201：初始选择态偏振光经过偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理，水平偏振透射光和竖直偏振反射光分别沿逆时针和顺时针方向传播，后经过偏振分束器汇合输出串行量子偏振光；步骤A202：所述串行量子偏振光再次输入另一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入Sagnac回路进行串行量子处理后经过偏振分束器汇合输出；步骤A203：重复步骤A202N次，N大于等于0。优选地，所述初始选择态偏振光为45度偏振光。优选地，电学模块包括光源控制电路、光电探测器控制电路、高速数据采集电路和电信号处理电路；其中，所述光源控制电路用于控制陀螺载体输出光子信号；所述光电探测器控制电路用于对第一光电探测器和第一光电探测器的分别控制且用于同时实现对反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的的模拟信号的同步控制；所述高速数据采集电路用于获取反射偏振光的模拟信号和透射偏振光的的模拟信号的谱信息；所述电信号处理电路用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，包括：陀螺载体、光学模块、电学模块和数据处理模块；其中，所述陀螺载体用于发出光子信号；所述光学模块用于测量所述陀螺载体的角速度；所述电学模块用于控制光学模块的运行以及对光学模块获取所述角速度的模拟信号进行处理获得测量数据并存储；所述数据处理模块用于对所述测量数据进行分析和处理，获得陀螺的参数。2.根据权利要求1所述的基于弱测量技术的光子陀螺仪，其特征在于，所述光学模块测量所述陀螺载体的角速度包括如下步骤：步骤A1：前选择偏振，具体为，通过格兰泰勒棱镜将陀螺载体输出的光子信号调制成初始选择态偏振光；步骤A2：将初始选择态偏振光经过第一偏振分束器，分为水平偏振透射光和竖直偏振反射光输入至Sagnac回路并进行串行量子处理后输出串行量子偏振光，所述串行量子偏振光的偏振为： ( e - iωτ H + e iωτ V ) / 2 = ( cos ωτ | + > + i sin ωτ | - > ) / 2 ]]>其中， | + > ( H + V ) / 2 , | - > = ( H - V ) / 2 ; τ ≈ 2 ΩS c 2 ]]>为待测延迟，S为Sagnac回路面积，ω为光的角频率，τ为Sagnac回路顺、逆时针传播光路的相对时延，H为水平方向偏振，V为垂直方向偏振，|+>为+45°偏振，|->为-45°偏振，Ω为转台转动角速度，c为光速，i表示虚数；步骤A3：所述串行量子偏振光通过光轴在45度方向的四分之一波片输出变偏振态偏振光，所述变偏振态偏振光的偏振为： ( cos ...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄靖正，曾贵华，李钦政，方晨，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31