一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪制造技术

本发明专利技术提供一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括：发光二极管，用于发射光源；高斯滤波片，其设置在发光二极管的出光方向上，用于将发光二极管发射的光源转化成高斯光束；半反半透镜，其设置在高斯滤波片的出光方向上，用于将高斯光束分为反射光和透射光；光谱处理单元，其设置在半反半透镜的透射光的出光方向上，用于对透射光进行偏振处理；光谱采集单元，其包括第一光谱仪和第二光谱仪，第一光谱仪设置在半反半透镜的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；第二光谱仪设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；数据处理模块，用于对原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪
本专利技术涉及大地磁异常探测
，尤其涉及一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪。
技术介绍
随着国内外高精度地球物理场观测研究的深入，科学家对大地磁异常的研究越来越感兴趣，大地的磁异常可以反映地球的磁层、电离层、太阳风暴的活动情况，更重要的是大地的磁异常可以反映地壳、地幔和地核的变化，因此对地震的临震预报尤为重要。目前对地震的预报还是一个世界性的科学难题，中国自1966年邢台地震后便开始应用大地磁异常的信息开展地震前兆观测和地震的预报工作。地磁场总体是一个稳定的磁场，磁感应强度的大小在0.5-0.6Gauss，但是由于地壳、地幔和地核的变化带来的磁异常只有地磁场强度的2％-4％，属于弱磁场的测量，所以对磁异常的探测原则上分辨率越高越好。目前基于超导的磁场传感器测量极限可以达到10-8Gauss，此外还有各向异性的磁阻传感器也可以达到10-6Gauss，但是这些磁传感器成本太高、设计复杂，不适合大范围的应用。随着量子信息技术的蓬勃发展，基于量子弱测量的放大小信号的测量技术已经得到了广泛的应用，例如专利CN104089718A公开了一种恒温测试系统及温度监测方法，该方法公开了基于弱测量对温度的检测，专利CN110031080A公开了一种微弱声场信号的弱测量装置及方法。然而目前还没有基于量子弱测量原理的弱磁场相关的研究。
技术实现思路
为了解决上述问题，结合量子弱测量的原理和传统的光纤陀螺仪，本专利技术提供了一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，能够测量地磁异常的微小变化，具有成本低、体积小、高灵敏度、高精度的特点。本专利技术提供一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括：发光二极管，其用于发射光源；高斯滤波片，其设置在所述发光二极管的出光方向上，用于将所述发光二极管发射的光源转化成高斯光束；半反半透镜，其设置在所述高斯滤波片的出光方向上，用于将所述高斯光束分为反射光和透射光；光谱处理单元，其设置在所述半反半透镜的透射光的出光方向上，用于对所述透射光进行偏振处理；光谱采集单元，其包括第一光谱仪和第二光谱仪，所述第一光谱仪设置在所述半反半透镜的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；所述第二光谱仪设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；数据处理模块，用于对所述原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。进一步地，所述光谱处理单元包括：第一偏振控制器，其设置在所述半反半透镜的透射光的出光方向上；第一偏振分束器，其设置在所述第一偏振控制器的出光方向上，用于将从所述第一偏振控制器发出的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；第一平面镜，其设置在所述偏振光H的出光方向上；光学器件，其设置在磁场中，且位于所述第一平面镜的反射光的出光方向上，到达所述光学器件的光束在其内部多次反射后射出；第二平面镜，其设置在所述光学器件的出光方向上；第三平面镜，其设置在所述偏振光V的出光方向上；第二偏振分束器，其设置在所述第二平面镜和第三平面镜的共同出光方向上；第二偏振控制器，其设置在所述第二偏振分束器的出光方向上。进一步地，所述光谱处理单元还包括：补偿器，其设置在所述第三平面镜和第二偏振分束器之间，用于补偿初始工作状态偏振光V与偏振光H之间的相位差，且所述补偿器与数据处理模块通信连接。进一步地，所述第二光谱仪设置在所述第二偏振控制器的出光方向上。进一步地，所述光学器件，包括：入射端面，其上开设第一小孔；出射端面，其上开设第二小孔，所述第二小孔的高度大于第一小孔的高度；所述入射端面和出射端面的内侧均镀有反射膜。进一步地，所述光学器件为Faraday磁光效应敏感光学器件，其制作材质为菲德尔系数的材料或在所述光学器件的空腔内部充满菲德尔系数的气体。进一步地，所述数据处理模块包括：AD采集单元，其与所述第一光谱仪、第二光谱仪通信连接，用于采集从所述第一光谱仪输出的原始光谱和从第二光谱仪输出的偏振处理后的光谱；计算单元，其与所述AD采集单元通信连接，用于根据原始光谱和偏振处理后的光谱计算得到中心波长的移动；判断单元，其与所述计算单元通信连接，用于判断所述中心波长的移动是否小于光谱最小分辨率，若否，则调节补偿器进行相位补偿；若是，则将中心波长的移动输出。进一步地，所述计算单元计算中心波长的移动的公式为：式中，δλ0表示中心波长的移动，Δλ为原始光谱的带宽，λ0为中心波长，α为偏振光经过第一偏振控制器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控制器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，为偏振光V和偏振光H总的相位差，N为光学器件中光线反射的次数，D为光学器件水平方向的长度，H0为静态的地磁场大小，Vverdet为菲德尔系数，ΔH为磁异常变化引起磁场强度值的变化，Δφ为偏振光V与偏振光H之间的光程差带来的相位差，φm为补偿器对应的调制相位。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：1、本专利技术通过设计光学器件可以把磁场的变化信息弱耦合到偏振光的偏振方向的变化中去，基于量子弱测量的原理可以测得微小的磁场变化；2、本专利技术采用数据处理模块通过负反馈控制补偿器，可以通过闭环控制仪器的工作状态；3、本专利技术采用第一光谱仪和第二光谱仪可以对原始光谱和弱测量后的光谱进行实时监测，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。附图说明图1是本专利技术一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的结构图；图2是本专利技术一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的光学器件的结构图；图3是本专利技术一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪的数据处理模块的结构图；图4是利用本专利技术的大地磁异常探测仪进行地磁异常测量的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。请参考图1，本专利技术的实施例提供了一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，包括发光二极管1、高斯滤波片2、半反半透镜3、光谱处理单元4、光谱采集单元、数据处理模块7和外接设备8。发光二极管1为超辐射发光二极管，其可以产生较高强度的光源。高斯滤波片2设置在发光二极管1的出光方向上，可以将发光二极管1发射的光源转化成具有一定带宽的高斯光束。半反半透镜3设置在高斯滤波片2的出光方向上，可以将高斯光束分为反射光和透射光。光谱处理单元4包括第一偏振控制器41、第一偏振分束器42、第一平面镜43、光学器件44、第二平面镜45、第三平面镜46、第二偏振分束器47、第二偏振控制器48和补偿器49，第一偏振控制器41设置在半反半透镜3的透射光的出光方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，包括：/n发光二极管(1)，其用于发射光源；/n高斯滤波片(2)，其设置在所述发光二极管(1)的出光方向上，用于将所述发光二极管(1)发射的光源转化成高斯光束；/n半反半透镜(3)，其设置在所述高斯滤波片(2)的出光方向上，用于将所述高斯光束分为反射光和透射光；/n光谱处理单元(4)，其设置在所述半反半透镜(3)的透射光的出光方向上，用于对所述透射光进行偏振处理；/n光谱采集单元，其包括第一光谱仪(5)和第二光谱仪(6)，所述第一光谱仪(5)设置在所述半反半透镜(3)的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；所述第二光谱仪(6)设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；/n数据处理模块(7)，用于对所述原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，包括：
发光二极管(1)，其用于发射光源；
高斯滤波片(2)，其设置在所述发光二极管(1)的出光方向上，用于将所述发光二极管(1)发射的光源转化成高斯光束；
半反半透镜(3)，其设置在所述高斯滤波片(2)的出光方向上，用于将所述高斯光束分为反射光和透射光；
光谱处理单元(4)，其设置在所述半反半透镜(3)的透射光的出光方向上，用于对所述透射光进行偏振处理；
光谱采集单元，其包括第一光谱仪(5)和第二光谱仪(6)，所述第一光谱仪(5)设置在所述半反半透镜(3)的反射光的出光方向上，用于采集原始光谱；所述第二光谱仪(6)设置在经偏振处理后的透射光的出光方向上，用于采集偏振处理后的光谱；
数据处理模块(7)，用于对所述原始光谱和偏振处理后的光谱进行比较，得到中心波长的移动。


2.根据权利要求1所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光谱处理单元(4)包括：
第一偏振控制器(41)，其设置在所述半反半透镜(3)的透射光的出光方向上；
第一偏振分束器(42)，其设置在所述第一偏振控制器(41)的出光方向上，用于将从所述第一偏振控制器(41)发出的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；
第一平面镜(43)，其设置在所述偏振光H的出光方向上；
光学器件(44)，其设置在磁场中，且位于所述第一平面镜(43)的反射光的出光方向上，到达所述光学器件(44)的光束在其内部多次反射后射出；
第二平面镜(45)，其设置在所述光学器件(44)的出光方向上；
第三平面镜(46)，其设置在所述偏振光V的出光方向上；
第二偏振分束器(47)，其设置在所述第二平面镜(45)和第三平面镜(46)的共同出光方向上；
第二偏振控制器(48)，其设置在所述第二偏振分束器(47)的出光方向上。


3.根据权利要求2所述的基于量子弱测量原理的大地磁异常探测仪，其特征在于，所述光谱处理单元(4)还包括：
补偿器(49)，其设置在所述第三平面镜(46)和第二偏振分束器(47)之间，用于补偿初始工作状态偏振光V与偏振光H之间的相位差，且所述补偿器(49)与数据处理模块(7)通信连接。


4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄鲸珲，胡祥云，王广君，段雪影，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42