技术领域
[0001] 本公开涉及量子气体传感器控制的技术领域，具体地，涉及一种用于变电设备量子气体传感器提升动态范围的方法及装置。
相关背景技术
[0002] 随着全球能源需求的不断增长，电力系统的可靠性和安全性变得日益重要。变电设备作为电力系统的核心组成部分，其性能直接关系到电网的稳定运行。在众多影响变电设备性能的因素中，气体泄漏检测是确保其长期稳定运行的关键环节。传统的气体检测方法，如热导率法、红外吸收法等，虽然在一定程度上可以满足检测需求，但在灵敏度、响应速度和动态范围等方面存在局限性。
[0003] 近年来，量子技术的发展为气体检测领域带来了革命性的进步。量子气体传感系统利用量子效应实现对极小气体浓度变化的高灵敏度检测。然而，现有的量子气体传感，如非正交量子测量技术，在动态范围上存在限制，这在实际应用中可能导致检测精度的下降，尤其是在变电设备这样的复杂环境中，气体浓度可能在很宽的范围内波动。
[0004] 传统的非正交量子测量技术可以将变电设备内部的痕量气体吸收系数进行放大，非正交量子测量技术通过合适的后选择将本来很微小的偏移量适当的放大到一个可观测的位置，从而实现对变电设备内部痕量气体吸收系数的“放大”测量。非正交量子测量技术有很大的技术优势，但也存在一些问题。例如，非正交量子测量利用弱耦合和后选择技术，将本来很微小的参量适当的放大到一个可观测量的位置，从而间接的对微小量进行测量，这种“放大”是以牺牲后选择探测数据而得到的，也就是说，当后选择角度与前选择角度越接近垂直时，放大倍数就越大，探测端接收到的数据就越少，可以利用的信息量就越小。此外，在非正交量子测量技术中，后选择的不同会得到不同的费舍信息量，从而对最终的测量精度造成影响。
具体实施方式
[0039] 此处参考附图描述本公开的各种方案以及特征。
[0040] 应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他修改。
[0041] 包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。
[0042] 通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本公开的这些和其它特性将会变得显而易见。
[0043] 还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本公开进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本公开的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
[0044] 当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
[0045] 此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合。
[0046] 本公开的第一实施例提供一种用于变电设备量子气体传感器提升动态范围的方法，如图1所示，包括：
[0047] S101，对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值。
[0048] 在本步骤中，对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值。本步骤即非正交量子测量步骤，具体地，针对变电设备内部的绝缘气体进行一次非正交量子测量，从而的得到内部气体吸收系数的初步估计值。
[0049] 进一步地，所述对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值，包括：
[0050] S201，基于信号源发出的信号进行前后选择。
[0051] 在本步骤中基于信号源发出的信号进行前后选择。具体地，信号源发出的信号首先经过对所述信号进行前选择处理，然后在变电设备内部所述信号与绝缘气体之间进行弱相互作用，这里的弱相互作用的强度由气体吸收系数表示，最后对所述信号进行后选择处理，这样在本步骤中完成所述信号的前后选择阶段。
[0052] 在所述基于信号源发出的信号进行前后选择中，所述前后选择需满足以下条件：
[0053]
[0054] 其中， 表示系统的本征值1或‑1，Aw表示量子放大倍数， 和 分别表示系统的前后选择态，其中， 和 分别代表前选择状态和后选择状态，数学符号|·>表示用于描述某状态的态矢，<·|为|·>的共轭， 表示 和 两个态矢的内积。
[0055] 这里的所述前后选择中的前后选择态可以依赖于上一次的非正交量子测量结果进行调整。
[0056] S202，对经过所述前后选择处理的系统进行测量，获取测量数据的概率分布。
[0057] 在通过上述步骤S201基于信号源发出的信号进行前后选择之后，在本步骤中，对经过所述前后选择处理的系统进行测量，获取测量数据的概率分布。具体地，经过测量后的测量数据x的概率分布为：
[0058]
[0059] 其中，x是测量数据值，P0(x)为x的初始概率分布，Pd为后选择概率，g表示待测参量，在本实施例中g表示气体吸收系数，例如气体吸收率， 表示一个与x和g相关的函数，具体表达为：
[0060] S203，根据所述测量数据的概率分布对气体吸收系数进行估值，获取气体吸收系数的估计值。
[0061] 在通过上述步骤S202对经过所述前后选择处理的系统进行测量，获取测量数据的概率分布之后，在本步骤中，根据所述测量数据的概率分布对气体吸收系数进行估值，获取气体吸收系数的估计值。
[0062] S102，根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整。
[0063] 在通过上述步骤S101对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值之后，在本步骤中，根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整。本步骤即前后选择态调整步骤。
[0064] 进一步地，所述根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整包括：
[0065] S301，基于所述估计值，确定最佳前后选择态。
[0066] 在本步骤中，基于所述估计值，确定对应的最佳前后选择态。本步骤即估计值带入步骤，具体地，利用自适应算法将上述非正交量子测量步骤中获取的所述气体吸收系数的估计值带入计算，确定最佳前后选择态。
[0067] S302，基于所述最佳前后选择态对所述前后选择态进行调整。
[0068] 在通过上述步骤S301基于所述估计值，确定对应的最佳前后选择态之后，在本步骤中，基于所述最佳前后选择态对所述前后选择态进行调整。本步骤即调整步骤，具体地对系统的前后选择态进行调整。
[0069] 这里通过对所述前后选择太通过扩大检测的线性响应区间，使得量子气体传感器能够更准确地监测从极低到较高的气体浓度，从而为变电设备的维护和故障诊断提供更为精确的数据支持。
[0070] S103，反复执行非正交量子测量和前后选择态调整，确定系统的前后选择达到最佳时所述气体吸收系数的最终估计值。
[0071] 在通过上述步骤S102根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整之后，在本步骤中，反复执行非正交量子测量和前后选择态调整，确定系统的前后选择达到最佳时所述气体吸收系数的最终估计值。本步骤即判断步骤，目的在于使得系统的前后选择态达到最佳时获取所述气体吸收系数最终的估计值。
[0072] 这里的前后选择达到最佳相当于使测量的费舍信息量达到最大。进一步地，这里当测量的费舍信息量满足系统达到最大的前后选择时，系统的量子放大倍数为：
[0073]
[0074] 其中，x0、0分别为x、x2的均值，这里主要通过调整所述前后选择态以改变量子放大倍数。
[0075] 这样通过反复执行非正交量子测量和对前后选择态进行调整，使得系统的前后选择收敛到最佳状态，从而获取所述气体吸收系数的最终估计值，这样通过反馈回路控制，能够显著提升量子气体传感器的动态范围。
[0076] 在一个具体的实施方式中，通过采用上述用于变电设备量子气体传感器提升动态范围的方法，对时间延迟系统的气体吸收系数参数(例如气体吸收率)进行估计，通过采用增加反馈控制的非正交量子测量技术对系统的微小的吸收系数进行放大测量，并通过自适应算法对系统的后选择进行调整，最后得到更高精度的气体吸收系数估计值。
[0077] 在进行非正交量子测量之前，首先建立自适应算法的数学模型如下：
[0078] 假设系统的前选择态为 后选择态为 测量设备的态为|φ>，其中|φ>＝∫dxφ(x)|x>，式中x为连续变量，φ(x)为波函数。这样，初始态可以表示为测量设备和测量系统之间的张量积的形式；
[0079]
[0080] 上式中：|Ψ>表示初始系统和测量设备的联合量子状态， 表示张量积运算；系统态和测量设备之间的弱耦合 可以表示为：
[0081]
[0082] 其中， 表示测量系统的本征值1或‑1，表示测量设备，g表示耦合强度；在经过弱耦合之后，初始态演化结果用|Ψ′>表示，具体演化公式如下：
[0083]
[0084] 经过后选择态 之后，测量设备的态演化为：
[0085]
[0086] 经过后选择后，测量设备的概率分布P(x)的计算公式如下：
[0087]
[0088] 式中：表示x的本征态与测量设备态的直积运算； 表示系统末态，[0089] P0(x)表示光的初始概率分布；且ζ(x，g)满足：
[0090] ζ(x,g)＝cos2(gx)+sin2(gx)|Aw|2+sin 2(gx)Aw；
[0091] 其中 为量子放大倍数。
[0092] 在参数估值理论中，估计误差所能达到的极限与费舍信息量有关[0093]
[0094] 其中，Δg为估计误差，即 g0和 分别为参数的真实值和估计值，N为总的光子数，I为费舍信息量，其表达式为：
[0095]
[0096] 其中，P(x，g)为后选择后得到的归一化光谱分布。由费舍信息量的表达式可以发现，I的值与P(x,g)有关，而P(x,g)的值与量子放大倍数Aw有关，因此可以通过对I求导得到使费舍信息量最大的Aw。通过计算得到，当量子放大倍数取值为：
[0097]
[0098] 费舍信息量达到最大值。此时的费舍信息量可以达到量子费舍信息量。
[0099] 在时间延迟系统中的具体实施步骤如下：
[0100] 如图2示，这里的信号源1为光梳光源，信号源1发出的光束经过起偏器2后变成线偏振光，这里的所述起偏器2通常为格兰泰勒棱镜，其作用是制备前选择态。当光束经过前选择后，入射到气体吸收池3中从而产生一个非常微弱的吸收系数，记为τ(λ)。
[0101] 经过所述气体吸收池3的光束经过极化偏振片4(PBS)进行后选择，这里的所述极化偏振片4的旋转角度(极化角度)由φ来表示，光束经过极化偏振片后分成两路，探测器5仅接收透射得到的光。
[0102] 在实际测量中，系统的初始态为
[0103]
[0104] 其中， 为前选择态，|H>和|V>分别为水平极化和垂直极化态；经过后选择后，得到的后选择态为
[0105]
[0106] 其中，φ为所述极化偏振片4的极化角度。经过后选择后，得到量子放大倍数为Aw，计算公式如下：
[0107]
[0108] 后选择概率为：
[0109]
[0110] 其中，ω0＝∫P0(ω)ωdω表示在弱耦合之前，光的初始平均频率。Pf可以通过实验数据估计，且Pf＝∫P(ω)dω，P(ω)为光子到达光谱仪后，光的频谱分布。
[0111] 当费舍信息量达到最大时，量子放大倍数为 这样可以得到当前选择固定时，后选择为 时，最佳的后选择调整角度为：
[0112]
[0113] 这里的所述自适应算法的具体过程如下：
[0114] 步骤1：选择一个合适的前后选择 和 满足条件φ＜＜1，按照传统的非正交量子测量方法对时间延迟进行测量，得到测量后的ω的概率分布；
[0115] 步骤2：对吸收系数进行估计，得到估计值
[0116] 步骤3：根据自适应算法中计算得到的公式：
[0117]
[0118] 对系统的后选择态进行调整，并重复测量步骤1、2。
[0119] 在以上测量中，随着自适应调整过程的进行，前后选择态会逐渐达到理论的最佳态，参数估值的精度也会逐渐提高至最优。
[0120] 本公开实施例能够针对变电设备量子气体传感器以提升动态范围，可以有效提升痕量气体的测量灵敏度以及动态范围，经过提升动态范围的量子气体传感器能够有助于实现更早的故障预警，减少因变电设备异常导致的停电事故，提高电力系统的运行效率和安全性。
[0121] 基于相同的发明构思，本公开的第二实施例提供一种用于变电设备量子气体传感器提升动态范围的装置，所述装置包括：
[0122] 非正交量子测量模块，用于对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值；
[0123] 前后选择态调整模块，用于根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整；
[0124] 判断模块，用于反复执行非正交量子测量和前后选择态调整，确定系统的前后选择达到最佳时所述气体吸收系数的最终估计值。
[0125] 进一步地，所述非正交量子测量模块，包括：
[0126] 前后选择单元，用于基于信号源发出的信号进行前后选择；
[0127] 测量单元，用于对经过所述前后选择处理的系统进行测量，获取测量数据的概率分布；
[0128] 估值单元，用于根据所述测量数据的概率分布对气体吸收系数进行估值，获取气体吸收系数的估计值。
[0129] 进一步地，所述前后选择中的前后选择态可以依赖于上一次的非正交量子测量结果进行调整。
[0130] 进一步地，在所述基于信号源发出的信号进行前后选择中，所述前后选择需满足以下条件：
[0131]
[0132] 其中， 表示系统的本征值1或‑1，Aw表示量子放大倍数， 和 分别表示系统的前后选择态，其中， 和 分别代表前选状态和后选状态，数学符号|·>表示用于描述某状态的态矢，<·|为|·>的共轭， 表示 和 两个态矢的内积。
[0133] 进一步地，所述对经过所述前后选择处理的系统进行测量，获取测量数据的概率分布中，所述测量数据的概率分布为：
[0134]
[0135] 其中，x是测量数据值，P0(x)为x的初始概率分布，Pd为后选择概率，g表示待测参量， 表示一个与x和g相关的函数，具体表达为：
[0136]
[0137] 进一步地，所述前后选择态调整模块，包括：
[0138] 最佳前后选择态确定单元，用于基于所述估计值，确定对应的最佳前后选择态；
[0139] 调整单元，用于基于所述最佳前后选择态对所述前后选择态进行调整。
[0140] 进一步地，当测量的费舍信息量满足系统达到最大的前后选择时，系统的量子放大倍数为：
[0141]
[0142] 其中，x0、0分别为x、x2的均值。
[0143] 本公开实施例能够针对变电设备量子气体传感器以提升动态范围，可以有效提升痕量气体的测量灵敏度以及动态范围，经过提升动态范围的量子气体传感器能够有助于实现更早的故障预警，减少因变电设备异常导致的停电事故，提高电力系统的运行效率和安全性。
[0144] 本公开的第三实施例提供一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤，包括：
[0145] S11，对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值；
[0146] S12，根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整；
[0147] S13，反复执行非正交量子测量和前后选择态调整，确定系统的前后选择达到最佳时所述气体吸收系数的最终估计值。
[0148] 本公开的存储介质存储有计算机程序，能够在被处理器执行时实现上述第一实施例中的不同实施方式中的方法。
[0149] 本公开实施例能够针对变电设备量子气体传感器以提升动态范围，可以有效提升痕量气体的测量灵敏度以及动态范围，经过提升动态范围的量子气体传感器能够有助于实现更早的故障预警，减少因变电设备异常导致的停电事故，提高电力系统的运行效率和安全性。
[0150] 本公开的第四实施例提供一种电子设备，所述电子设备至少包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器在执行所述存储器上的计算机程序时实现上述方法的步骤，具体包括：
[0151] S11，对变电设备内部的气体进行非正交量子测量，获取气体吸收系数的估计值；
[0152] S12，根据所述估计值，基于自适应算法对系统的前后选择态进行调整；
[0153] S13，反复执行非正交量子测量和前后选择态调整，确定系统的前后选择达到最佳时所述气体吸收系数的最终估计值。
[0154] 本公开的电子设备的存储器存储有计算机程序，处理器在执行存储器中的计算机程序时实现上述第一实施例中的其他实施方式的方法。
[0155] 本公开实施例能够针对变电设备量子气体传感器以提升动态范围，可以有效提升痕量气体的测量灵敏度以及动态范围，经过提升动态范围的量子气体传感器能够有助于实现更早的故障预警，减少因变电设备异常导致的停电事故，提高电力系统的运行效率和安全性。
[0156] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0157] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0158] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
[0159] 在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0160] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0161] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0162] 所述集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0163] 此外，本申请附图中示出的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不必理解为彼此独立的实施例。而是，可以将一个实施例的其中一个示例中描述的每个特征与来自其他实施例的一个或多个其他期望的特征组合，从而产生未用文字或参考附图描述的其他实施例。
[0164] 以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
