基于弱测量方法的参量感知新方案研究

Parameter sensing based on weak measurement adopts the concept and method derived from quantum theory, which make it possible to sense and read out the parameter information with ultra-high precision and sensitivity. Thanks to this technique, the measurement precision of a parameter sensing system can surpass the shot noise limit, thus overcomes a bottle neck exists in the current technology. However, the current weak measurement schemes can not satisfy the realistic use requirement, because of their weakness under disturbance and their low measurable range. In this project, we will study on a new parameter sensing scheme based on weak measurement, for solving the existing problems by complementing the missing functions in the current weak measurement schemes, such as biased pre-modulation, error compensation and feedback control. Rather than being a technical skill used in lab, this new scheme can be applied in the realistic systems, to improve the measurement precision and enhance the overall performances, therefore provides a high value in a wide range of applications, such as aviation, spaceflight, navigation, remote sensing and so on.

弱测量参量感知方案运用量子物理中“弱测量”的概念和方法，以极高的精度和灵敏度感知和读取微弱的目标参量变化，使测量精度更容易逼近或超越散粒噪声极限，从而突破传统参量感知系统的技术瓶颈。然而，现有的弱测量实现方案对外部干扰的适应性很差，可测量范围过小，因而无法满足实际应用的需求。本项目从实用角度出发，提出一种弱测量参量感知新方案，增加了偏置预调制、误差补偿、系统参数反馈控制等功能，解决现有弱测量实现方案鲁棒性差和可测量动态范围小等问题，形成方法上的创新性。本项目提出的新方案可应用在真实环境下的目标参量感知系统，使其测量精度和灵敏度高于传统技术所能达到的水平，提升系统的总体性能，在航空、航天、航海、遥感测绘等相关应用领域具有广泛的应用前景和实用价值。

弱测量参量感知方案运用量子物理中“弱测量”的概念和方法，以极高的精度和灵敏度感知和读取微弱的目标参量变化，突破传统参量感知系统的技术瓶颈。然而在实现中，现有弱测量实现方案存在对外部干扰的适应性弱、可测量范围过小等问题，难以满足实际应用需求。针对这些实际问题，本项目围绕弱测量核心机理、技术方案优化、实际噪声干扰抑制等方面开展理论和实验研究，分析了在弱测量过程中引起误差的因素，建立了误差分析模型；设计了弱测量方法信息处理与反馈控制方案，完成基于弱测量方法的高精度参量测量实验。取得主要研究成果包括：提出了利用高阶厄米-高斯模的多参量弱测量技术新机理，可显著提升信噪比；提出了“差分弱值放大”和“联合偏置弱值放大”方案，使信噪比与动态范围较原始方案分别提升10dB和20dB以上；提出了基于自适应反馈与机器学习的噪声抑制新方案，提高了弱测量方案在噪声干扰下的鲁棒性。在此基础上，完成了一系列弱测量新方案的原理验证实验，实现了灵敏度达到1E-24秒量级的时延测量、精度达到3E-6摄氏度的相对温度测量、以及精度达到7.5E-7弧度的非线性相移测量。本项目提出的新方案可应用在真实环境下的目标参量感知系统，使其测量精度和灵敏度高于传统技术所能达到的水平，提升系统的总体性能，在传感、导航、精密测量等相关应用领域具有广泛的应用前景和实用价值。