高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置及方法

本发明属于量子精密测量与惯性传感，具体涉及高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置，还涉及高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量方法。

背景技术：

1、光纤陀螺仪（fog）基于sagnac效应工作，是全固态惯性导航核心器件。传统fog的测量精度受限于光场量子化引起的散粒噪声，无法突破标准量子极限。纠缠增强技术为突破这一极限提供了新途径。

2、现有基于连续变量纠缠态的量子光纤陀螺仪方案（cn116793330a），虽然可以利用自零拍探测避免外部本底光的引入，但在极低频旋转信号（约hz甚至直流dc量级）的实际测量中，信号极易被光纤环中的1/f噪声、热噪声、声学振动等低频经典环境噪声所掩盖，导致量子压缩特性被破坏乃至完全失效，无法在实际应用中体现出超越散粒噪声极限的优势。

3、因此，如何有效规避光纤环路中的低频经典噪声，在保留量子光场低噪声特性的同时提取极低频的sagnac相移信号，成为当前纠缠增强光纤陀螺仪走向实用化亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置，通过在sagnac干涉环路中引入mhz量级的高频相位调制与锁相解调技术，将低频信号上变频至无经典噪声的高频段，彻底规避低频技术噪声，实现突破标准量子极限的高精度角速度测量。

2、本发明的另一目的是提供高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量方法，解决了现有技术中量子光纤陀螺仪低频测量易受经典噪声掩盖导致量子优势失效的问题。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置，包括纠缠光源制备模块、光纤传感模块及旋转速度解调模块，纠缠光源制备模块用于产生纠缠光场；光纤传感模块用于使纠缠光场产生相移；旋转速度解调模块用于解算光纤传感模块中光纤环路的旋转角速度。

4、本发明第一个技术方案的特点还在于：

5、纠缠光源制备模块包括沿光路方向依次设置的双波长激光器、第一简并参量放大器和第二简并参量放大器及纠缠分束器；第一简并参量放大器和第二简并参量放大器均平行于光路方向设置，双波长激光器输出的种子光和775nm泵浦光分别经过第一简并参量放大器和第二简并参量放大器压缩为两束单模压缩态光场，两束单模压缩态光场经纠缠分束器合束并控制相对相位为π/2后，输出两束纠缠光场，即第一纠缠光场和第二纠缠光场；

6、纠缠光源制备模块还包括腔长控制模块，腔长控制模块包括第一比例积分微分控制器、第二比例积分微分控制器、第一pzt压电陶瓷元件及第二pzt压电陶瓷元件，第一pzt压电陶瓷元件与第一简并参量放大器的谐振腔镜相连，第二pzt压电陶瓷元件与第二简并参量放大器的谐振腔镜相连；第一比例积分微分控制器和第二比例积分微分控制器分别根据两束单模压缩态光场的相位误差信号驱动对应的第一pzt压电陶元件瓷和第二pzt压电陶瓷元件的腔体长度。

7、光纤传感模块包括顺时环形器、逆时环形器及由多匝保偏光纤构成的光纤环路，第一纠缠光场经顺时环形器注入光纤环路形成顺时针光场；第二纠缠光场经逆时环形器注入光纤环路形成逆时针光场；

8、光纤环路中还设置电光相位调制器及高频信号源，电光相位调制器15串联在光纤环路中，高频信号源用于驱动电光相位调制器；顺时针光场和逆时针光场分别经电光相位调制器调制为两束高频光场，即高频顺时针光场和高频逆时针光场。

9、旋转速度解调模块包括光纤耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、差分放大器和锁相放大器；高频顺时针光场和高频逆时针光场共同汇入光纤耦合器进行合束干涉，再分别由第一光电探测器和第二光电探测器转换为光电流信号；差分放大器对两路光电流信号进行相减处理提取光电流差信号；锁相放大器接收到光电流差信号，并将光电流差信号与同频于高频信号源的参考信号进行混频及低通滤波，输出正比于sagnac光纤环路旋转相移的解调信号以解算sagnac光纤环路的旋转角速度。

10、本发明所采用的第二个技术方案是，高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量方法，通过纠缠光源制备模块产生纠缠光场，纠缠光场经过光纤传感模块生成高频光场，高频光场经过旋转速度解调模块提取出低频经典环境噪声且保持量子压缩特性的解调信号，最终根据解调信号解算出光纤传感模块中光纤环路的旋转角速度。

11、本发明第二个技术方案的特点还在于：

12、纠缠光源制备模块包括沿光路方向依次设置的双波长激光器、第一简并参量放大器和第二简并参量放大器及纠缠分束器；第一简并参量放大器和第二简并参量放大器均平行于光路方向设置，双波长激光器输出的种子光和775nm泵浦光分别经过第一简并参量放大器和第二简并参量放大器压缩为两束单模压缩态光场，两束单模压缩态光场经纠缠分束器合束并控制相对相位为π/2后，输出两束纠缠光场，即第一纠缠光场和第二纠缠光场；

13、纠缠光源制备模块1还包括腔长控制模块，腔长控制模块包括第一比例积分微分控制器、第二比例积分微分控制器、第一pzt压电陶瓷元件及第二pzt压电陶瓷元件，第一pzt压电陶瓷元件与第一简并参量放大器的谐振腔镜相连，第二pzt压电陶瓷元件与第二简并参量放大器的谐振腔镜相连；第一比例积分微分控制器和第二比例积分微分控制器分别根据两束单模压缩态光场的相位误差信号驱动对应的第一pzt压电陶元件瓷和第二pzt压电陶瓷元件的腔体长度；

14、光纤传感模块包括顺时环形器、逆时环形器及由多匝保偏光纤构成的光纤环路，第一纠缠光场经顺时环形器注入光纤环路形成顺时针光场；第二纠缠光场经逆时环形器注入光纤环路形成逆时针光场；

15、光纤环路中还设置电光相位调制器及高频信号源，电光相位调制器串联在光纤环路中，高频信号源用于驱动电光相位调制器；顺时针光场和逆时针光场分别经电光相位调制器调制为两束高频光场，即高频顺时针光场和高频逆时针光场。

16、纠缠增强光纤陀螺旋转角速度具体测量步骤如下：

17、步骤1、纠缠光源制备模块中的双波长激光器输出种子光和775nm泵浦光，种子光和775nm泵浦光分别经过第一简并参量放大器和第二简并参量放大器产生两束单模压缩光场；将两束单模压缩光场输入纠缠分束器生成第一纠缠光场和第二纠缠光场；

18、步骤2、第一纠缠光场注入顺时环形器形成顺时针光场，第二纠缠光场注入逆时环形器形成逆时针光场；

19、步骤3、将顺时针光场和逆时针光场均注入光纤环路，同时，通过外部驱动电极驱动高频信号源通过电光相位调制器向顺时针光场和逆时针光场分别施加相位调制，生成高频顺时针光场和高频逆时针光场；

20、步骤4、以角速度旋转sagnac光纤环路，高频顺时针光场和高频逆时针光场之间产生sagnac相位差，高频顺时针光场和高频逆时针光场分别经过第一光电探测器、第二光电探测器转换为两路光电流信号，两路光电流信号经差分放大器相减处理提取光电流差信号，锁相放大器接收到光电流差信号，并将光电流差信号与同频于高频信号源的参考信号进行混频及低通滤波，提取出包含低频sagnac相移的解调信号，通过解调信号计算出旋转角速度。

21、步骤1中产生两束单模压缩光场的过程中，第一比例积分微分控制器和第二比例积分微分控制器分别根据两束单模压缩光场相位误差信号驱动对应的第一pzt压电陶元件瓷和第二pzt压电陶瓷元件的腔体长度，将第一简并参量放大器和第二简并参量放大器产生两束单模压缩光场的相对位相控制到π/2。

22、步骤1中第一纠缠光场和第二纠缠光场生成的具体过程如下：

23、双波长激光器的输出频率为的种子光和频率为泵浦光，经第一简并参量放大器和第二简并参量放大器压缩产生两束单模压缩光，定义纠缠分束器输入端的两束单模压缩态光场和的线性化算符表示为：

24、(1)

25、(2)

26、式（1）-式（2）中，和分别表示两束单模压缩态光场的宏观相干振幅，和表示两束单模压缩态光场的正交振幅涨落，、表示两束单模压缩态光场的正交位相涨落，

i表示虚数单位；、分别表示两束单模压缩态光场；表示量子涨落；

27、两束单模压缩光场通过50:50纠缠分束器合束，在此过程中控制两束单模压缩光场的相对相位，输出第一纠缠光场和第二纠缠光场，具体表示为：

28、(3)

29、式（3）中，表示第一纠缠光场，表示第二纠缠光场，

i表示虚数单位；、分别表示两束单模压缩态光场；

30、当第一简并参量放大器和第二简并参量放大器输出的两束单模压缩光场为压缩方向相互正交的压缩态光场，纠缠分束器输出的第一纠缠光场和第二纠缠光场为双模明亮纠缠态光场，其关联噪声特性满足：

31、(4)

32、式（4）中，

r表示两束单模压缩态光场的压缩参数，、分别表示两束单模压缩态光场的正交振幅，、分别表示两束单模压缩态光场的正交位相，表示量子关联噪声；此时，两束单模压缩态光场带相同的宏观相干振幅，表示通过50:50纠缠分束器输出光场的宏观相干振幅，表示纠缠分束器的输入光场的宏观相干振幅。

33、步骤4的具体过程如下：

34、步骤4.1、顺时针光场和逆时针光场注入光纤环路，通过电光相位调制器进行非对称高频相位调制，施加的调制信号为，考虑到光束在光纤环路传输的时间延迟以及外界旋转产生的低频sagnac相移，顺时针光场和逆时针光场经光纤环路14传输总相位分别表示为：

35、(5)

36、(6)

37、式（5）-（6）中，表示顺时针光场总相位，表示逆时针光场总相位，表示旋转sagnac光纤环路产生的低频sagnac相移，表示光场在光纤环路内传输的时间延迟，表示电光相位调制器的调制深度，表示电光相位调制器的调制角频率，表示高频顺时针光场和高频逆时针光场之间产生sagnac相位差，

t表示顺时针光场和逆时针光场在光纤环路内总的传输时间；

38、则光纤环路（14）输出的光场相对相位为：

39、(7)

40、式（7）中，表示高频顺时针光场和高频逆时针光场之间产生sagnac相位差，表示顺时针光场总相位，表示逆时针光场总相位，表示旋转sagnac光纤环路产生的低频sagnac相移，表示光场在光纤环路传输的时间延迟，表示电光相位调制器的调制深度，表示电光相位调制器的调制角频率，

t表示顺时针光场和逆时针光场在光纤环路内总的传输时间；

41、定义有效调制深度，并通过重置时间原点消去固定相位，

42、得到表达式：

43、(8)

44、式（8）中，表示旋转sagnac光纤环路产生的低频sagnac相移，表示电光相位调制器的有效调制深度，表示电光相位调制器的调制角频率，

t表示顺时针光场和逆时针光场在光纤环路内总的传输时间；

45、步骤4.2、两路光电流信号经差分放大器相减处理提取光电流差信号为：

46、(9)

47、式（9）中，表示差分放大器（20）提取的光电流差信号，表示第一纠缠光场，表示第二纠缠光场，、分别表示第一纠缠光场和第二纠缠光场的共轭算符，为高频顺时针光场和高频逆时针光场之间产生sagnac相位差；

48、将和进行线性化处理和，忽略高阶微扰项，经过计算可得：

49、(10)

50、式（10）中，表示通过50:50纠缠分束器输出光场的宏观相干振幅，表示与纠缠态相关的联合正交振幅涨落算符，表示量子涨落，表示旋转sagnac光纤环路产生的低频sagnac相移，表示电光相位调制器的调制角频率，表示差分放大器提取的光电流差信号，表示电光相位调制器的有效调制深度；

51、步骤4.3、将送入锁相放大器的rf端口，与高频信号源同频的参考信号进行混频并低通滤波，得到包含低频sagnac相移的解调信号：

52、(11)

53、式（11）为低通滤波操作，为第一类贝塞尔函数，为解调后的噪声项，其功率谱密度取决于纠缠光场在频率处的噪声，表示通过50:50纠缠分束器输出光场的宏观相干振幅，表示电光相位调制器的调制角频率，表示旋转sagnac光纤环路产生的低频sagnac相移，

t表示顺时针光场和逆时针光场在光纤环路内总的传输时间。

54、本发明的有益效果是：本发明的高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置，通过纠缠光源制备模块产生明亮纠缠态光场，结合高频相位调制与锁相解调技术，将极低频sagnac旋转信号上变频至mhz量级高频段，成功避开了光纤在低频段的1/f噪声、声学振动和热噪声等经典环境噪声，确保了量子压缩降噪效果不被环境破坏。在mhz高频段，双模明亮压缩纠缠态光场能够保持正交分量噪声低于散粒噪声极限的优异特性。经锁相解调后，系统角速度测量的灵敏度可突破标准量子（经典散粒噪声）极限，理论提升因子达

er。

55、本发明的高频解调的纠缠增强光纤陀螺旋转角速度测量装置测量旋转角速度的方法，不仅保留了干涉仪自零拍差分探测无需引入外部本底光的优点，避免了强本底光注入引发的布里渊散射损耗，同时利用光环形器实现了近乎无损的光束注入与提取，显著提高了系统的抗损耗能力和实际工程应用的可行性。