一种路径编码弱值放大的光学相位读出系统及方法与流程

本申请涉及光学相位测量及相干光学读出，具体涉及一种路径编码弱值放大的光学相位读出系统及方法。

背景技术：

1、光学相位读出技术通过将角速度、折射率变化、位移、温度、应变或压力等待测物理量转换为相干光场之间的相位差，并采用直接强度探测、平衡探测、零差探测或正交相干探测等方式获得测量结果。对于微小相位信号，提高探测光功率可以增大光电转换信号，但探测器、跨阻放大器和模数转换器的线性动态范围有限，继续提高光功率可能引起饱和或削顶失真。

2、弱值放大或后选择测量通过预选择态与后选择态之间的近正交关系，使微小扰动在选定读出量中产生增强响应。然而，部分方案依赖空间模式、偏振模式、多模波导或复杂模式转换结构，且暗端或近暗端输出功率较低，直接光强探测容易受到探测器噪声、电子噪声和漂移的影响。

3、相干零差或正交相干探测可以利用参考光场对低功率信号场进行读出，但独立本振会增加光源及相位锁定结构；当参考光功率或混频输出功率过高时，还可能使探测器或后端读出链饱和。因此，需要一种利用同一组传感相干光场生成幅相可调参考场，并能够与暗端、近暗端或后选择主信号场进行相干差分读出的技术方案。

技术实现思路

1、本申请所要解决的技术问题是：在暗端、近暗端或后选择工作状态下，如何利用结构较简单且幅相状态可调的同源参考场，对低功率主信号场进行相干差分读出，并在探测链动态范围受限的条件下降低饱和及共模噪声对相位读出的影响。

2、为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案。

3、本申请提供一种路径编码弱值放大的光学相位读出系统，包括相位传感单元、主信号生成单元、路径编码参考单元、相干混频单元以及差分探测单元；路径编码参考单元包括第一参考路径和第二参考路径，第一参考路径和第二参考路径中的至少一者设置有调节单元，其中：

4、相位传感单元基于相干探测光生成第一相干光场和第二相干光场，并将待测物理量编码为两相干光场之间的相对相位差；

5、主信号生成单元调节两相干光场的幅度和/或相位关系并进行干涉处理，生成处于目标工作点的主信号场；

6、路径编码参考单元使第一相干光场和第二相干光场分别经由第一参考路径和第二参考路径形成第一参考光场和第二参考光场，对至少一个参考光场的幅度和/或相位进行调节后进行合并，生成路径编码参考场；

7、主信号场与路径编码参考场采用不同的幅相组合关系，且路径编码参考场在目标工作点具有非零光功率；相干混频单元对主信号场和路径编码参考场进行相干混频；

8、差分探测单元对相干混频后的输出光信号进行差分探测，得到表征待测物理量的差分读出信号。

9、本申请还提供一种路径编码弱值放大的光学相位读出方法，包括：

10、基于相干探测光生成第一相干光场和第二相干光场，以将待测物理量编码为第一相干光场与第二相干光场之间的相对相位差；

11、调节第一相干光场与第二相干光场之间的幅度和/或相位关系，并对第一相干光场和第二相干光场进行干涉处理，生成处于目标工作点的主信号场；

12、使第一相干光场经由第一参考路径形成第一参考光场，使第二相干光场经由第二参考路径形成第二参考光场，调节第一参考光场和/或第二参考光场的幅度和/或相位后进行合并，生成在目标工作点具有非零光功率的路径编码参考场，其中，主信号场与路径编码参考场采用不同的幅相组合关系；

13、对主信号场和路径编码参考场进行相干混频，得到混频输出光信号；

14、对混频输出光信号进行差分探测，得到表征待测物理量的差分读出信号。

15、与直接对暗端或近暗端光强进行探测相比，本申请利用由同一组相干光场经不同路径编码形成的参考场对主信号场进行相干差分读出，可获得相位的同相分量、正交分量或选定相位投影，并可抑制相干混频输出中的共模强度波动。

16、路径编码参考场由第一相干光场和第二相干光场经不同于主信号场的幅相组合形成，无需额外设置独立本振光源；通过调节参考场功率、主信号工作点和/或输入功率，可以使探测支路适配探测器及后端读出链的线性动态范围。

1.一种路径编码弱值放大的光学相位读出系统，其特征在于，包括相位传感单元、主信号生成单元、路径编码参考单元、相干混频单元以及差分探测单元；所述路径编码参考单元包括第一参考路径和第二参考路径，所述第一参考路径和所述第二参考路径中的至少一者设置有调节单元，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学相位读出系统还包括光源单元和输入功率调节单元，其中：

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主信号生成单元包括主相位调节器和主合束器，其中：

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节单元包括设置于所述第一参考路径的第一调节单元和/或设置于所述第二参考路径的第二调节单元，其中：

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一调节单元和所述第二调节单元分别包括幅度调节器、相位调节器、延时调节器和偏振调节器中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相干混频单元包括正交光学混频器，所述正交光学混频器包括第一混频输入端和第二混频输入端；

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述差分探测单元包括第一探测器组和第二探测器组，所述差分读出信号包括同相差分读出信号和正交差分读出信号；

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相干混频单元包括光学耦合器，所述差分探测单元包括平衡探测器，所述差分读出信号包括单通道差分读出信号，其中：

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学相位读出系统还包括输出处理单元，其中：

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学相位读出系统还包括控制单元，所述控制单元包括主工作点调节模块和参考场调节模块，其中：

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制单元还包括功率监测单元，其中：

12.一种路径编码弱值放大的光学相位读出方法，其特征在于，包括：