CN101149401A - 排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法。同时测量光学电流互感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的光强，即水平极化强度、垂直极化强度和与水平成45°方向极化强度的数据，利用三态测量数据，计算椭圆偏振光水平极化分量和垂直极化分量之间的位相差信息，实时分离检测法拉第效应和线性双折射。本发明所提出的椭圆偏振光的三态椭偏检测方案由于获得了输出光的全部信息，所以在采用法拉第磁光效应光学电流互感器中可实现线性双折射和待测电流的准确实时测量。并可应用于更为广泛的椭圆偏振光检测领域。

Description

排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法

(一)技术领域

发明所涉及的是光学电流互感器中的一种数据检测与处理方法，具体地说是在法拉第磁光效应的光学电流互感器中排除线性双折射影响的数据检测与处理方法。

(二)背景技术

当前电力系统的工作电压日益增高，对高精度、大量程、安全可靠的新型电流互感器的需求日趋强烈，新型电流互感器巨大潜在市场正在形成。光学电流互感器(Optical Current Transformer：OCT)是高压大电流测量领域中的新技术，对于电力计量与保护具有重要的意义。OCT所表现出的无爆炸、无磁饱和、无滞后、体小质轻等优点，得到了许多研究者的认可和关注。虽然有关OCT的研究已经取得了许多可喜的成果，但由于线性双折射等关键技术障碍仍没得到彻底解决，行业准入的实用化OCT系统尚不多见。

OCT利用法拉第磁光效应，通过检测输出光偏振面的旋转角度测量未知电流。常用的信号处理方案为差除和检测方案，这可以克服光源强度起伏的影响和系统的直流漂移。OCT中线性双折射对系统输出的影响仍是OCT实用化的关键技术障碍。差除和检测结果使多数OCT系统输出受线性双折射影响没有改善，其根本原因是OCT方案中待测电流引起的法拉第效应与线性双折射在琼斯矩阵中纠缠在一起，差除和检测方案无法区分。

块状玻璃OCT的差除和检测方案光路如图1所示，以块状玻璃OCT为例，光源发出的光E_in(一般是与水平方向成45°起偏的线偏振光)射入块状玻璃头，经过三次反射，分经四个传感臂，绕头一圈后经过偏振分束器PBS，输出光E_out形成的相互垂直的两个分量(P、S分量)分别表示为：[E_out]₀、[E_out]₁。光电转换后进行差除和运算，得到系统输出 $U_{\mathrm{out}}=\frac{{\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2-{\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|}^2}{{\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2+{\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2}=2\mathrm{VI},$ 式中V为菲尔德常数，I为待测电流。这就是传统的差除和检测方案。

由于线性双折射等因素的影响，系统输出光E_out的光矢轨迹可能退化成椭圆，经过PBS后，由于只检测了E_out中相互垂直的两个偏振态的光强信息，而没有检出这两束光的位相差信息，造成了检测信息的缺失，这样在信号复原时就无法计算出线性双折射和待测电流的准确大小。因而当线性双折射受温度等影响产生不规律变化时，差除和检测方案就无能为力了。如果γ、φ分别为传感臂上的线性双折射值和待测电流产生的法拉第旋转角，经过分析

$\left\{\begin{array}{c}A=\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|=\sqrt{0.5-4\mathrm{\φ}\·\cos \left(2\mathrm{\γ}\right)}\\ B=\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|=\sqrt{0.5+4\mathrm{\φ}\·\cos \left(2\mathrm{\γ}\right)}\\ \mathrm{\δ}=\arg {\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0-\arg {\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1=2\·\tan \left(2\mathrm{\γ}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式表明，仅仅依靠测量A、B数值的差除和检测方案无法计算线性双折射γ和法拉第效应φ的大小，因为在A、B中，线性双折射和法拉第效应以完全相同的乘积形式出现而无法分离，A、B之间不是完全独立的。只有再借助于δ值才能计算出线性双折射和法拉第效应各自的大小。

这说明传统的差除和检测方案不能排除线性双折射的影响，由于线性双折射易受温度等影响而发生不规律变化，因而差除和检测方案所计算出的待测电流要受温度等外界环境因素的影响，这就是OCT关键技术障碍之一。然而差除和检测方案仍是业界目前最主要的检测方案而被广泛应用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决线性双折射，减小温度影响即排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法。

本发明的目的是这样实现的：同时测量光学电流互感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的光强，即水平极化强度、垂直极化强度和与水平成45°方向极化强度的数据，利用三态测量数据，计算椭圆偏振光水平极化分量和垂直极化分量之间的位相差信息，实时分离检测法拉第效应和线性双折射。

本发明还可以包括：

1、所述的同时测量光学电流互感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的光强是光源发出的光E_in射入传感器的传感头，绕传感头一圈或几圈后输出光E_out通过无偏振效应分束器NPBS后被分成两束，其一射入偏振分束器PBS，出射光被分成振幅为A²的P光与振幅为B²的S光，经PIN光电转换后送到计算机；

另一路经过45°检偏器，其出射光强

经光电转换后送至计算机，在计算机中用 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{out}}\left(0\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|}^2=A^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2=B^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right)=\frac{A^2+B^2}{2}+\mathrm{AB}\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right.$ 式计算P、S光之间的相移δ的大小；然后用 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{\mathrm{\δ}}{2}\\ I=\frac{1}{V\sqrt{4-{\mathrm{\δ}}^2}}\·\frac{B^2-A^2}{B^2+A^2}\end{array}\right.$ 式实时计算线性双折射和待测电流的值。

2、所述的光源发出的光E_in是与水平方向成45°起偏的线偏振光。

3、所述的光学电流互感器是块状玻璃电流传感器或光纤电流传感器。由式 $\left\{\begin{array}{c}A=\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|=\sqrt{0.5-4\mathrm{\φ}\·\cos \left(2\mathrm{\γ}\right)}\\ B=\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|=\sqrt{0.5+4\mathrm{\φ}\·\cos \left(2\mathrm{\γ}\right)}\\ \mathrm{\δ}=\arg {\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0-\arg {\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1=2\·\tan \left(2\mathrm{\γ}\right)\end{array}\right.$ 可知，只要测量出椭圆参数方程中的A、B、δ三个值，就能计算出φ、γ的值。当输出椭圆光E_out经过与水平方向形成角的检偏器后，检测到的光强I_out()为：

I_out()＝|[E_out]₀|²cos²+|[E_out]₁|²sin²+|[E_out]₀|·|[E_out]₁|·sin2·cosδ

于是 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{out}}\left(0\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|}^2=A^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2=B^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right)=\frac{A^2+B^2}{2}+\mathrm{AB}\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right.$

由此可见，只需对检偏器在三个特定的角度(＝0°、45°、90°)进行检偏测量(即三态检偏)，就可以计算出A、B、δ的值。

本发明提出了用输出椭偏光三态检测方案。从检测原理上解决法拉第效应与线性双折射的相互纠缠问题，为OCT的实用化提供可行的检测方法。

OCT实用化的主要障碍是系统的温度稳定性问题。本发明克服了差除和检测方案的不完备性，差除和检测方案由于对输出光检测信息的缺失(丢失了P、S光之间的位相差)，从原理上不能区分线性双折射和法拉第效应。本发明所提出的椭圆偏振光的三态检测方案由于获得了输出光的全部信息，所以可实现线性双折射和待测电流的准确实时测量。并可应用于更为广泛的椭圆偏振光检测领域。

(四)附图说明

图1是块状玻璃OCT的差除和检测方案框图；

图2是块状玻璃OCT输出椭圆偏振光的三态检测方案框图；

图3是光纤OCT输出椭圆偏振光的三态检测方案框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实验光源采用武汉电信的LED3S403型SLD，中心波长1290nm；传感头为ZF-7玻璃，反射面镀以单层保偏介质膜；采用PMS-2型光功率计测量检偏光强；大电流发生器输出1KA。对光学传感头采用局部电加热以实现控温。传感头温度分别在24.2℃至42.6℃的六个值，按照图2所示光路搭建系统，光源发出的45°起偏光E_in射入传感器的传感头，经过三次反射，分经四个传感臂，绕传感头一圈后输出光E_out通过无偏振效应分束器NPBS后被分成两束，其一射入偏振分束器PBS，出射光被分成振幅为A²的P光与振幅为B²的S光，经PIN光电转换；

另一路经过45°检偏器，其出射光强

经光电转换，采用PMS-2型光功率计测量三态检偏光强值。δ由 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{out}}\left(0\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|}^2=A^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2=B^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right)=\frac{A^2+B^2}{2}+\mathrm{AB}\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right.$ 式算出。在24.2℃至42.6℃实验范围内，三态检偏方案的电流输出相对偏差随温度变化范围在0.5％-1％以内，差除和检测方案的输出相对偏差随温度的变化范围在4％以上。可见三态检偏法具有解决线性双折射，减小温度影响的实际作用。

Claims (4)

1.排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法，其特征是：同时测量光学电流互感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的光强，即水平极化强度、垂直极化强度和与水平成45°方向极化强度的数据，利用三态测量数据，计算椭圆偏振光水平极化分量和垂直极化分量之间的位相差信息，实时分离检测法拉第效应和线性双折射。

2.根据权利要求1所述的排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法，其特征是：所述的同时测量光学电流互感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的光强是光源发出的45°起偏光E_in射入传感器的传感头，绕传感头一圈或几圈后输出光E_out通过无偏振效应分束器NPBS后被分成两束，其一射入偏振分束器PBS，出射光被分成振幅为A²的P光与振幅为B²的S光，经PIN光电转换后送到计算机；另一路经过45°检偏器，其出射光强经光电转换后送至计算机，在计算机中用 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{out}}\left(0\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_0\right|}^2=A^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)={\left|{\left[E_{\mathrm{out}}\right]}_1\right|}^2=B^2\\ I_{\mathrm{out}}\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}\right)=\frac{A^2+B^2}{2}+\mathrm{AB}\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right.$ 式计算P、S光之间的相移δ的大小；然后用 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{\mathrm{\δ}}{2}\\ I=\frac{1}{v\sqrt{4-{\mathrm{\δ}}^2}}\·\frac{B^2-A^2}{B^2+A^2}\end{array}\right.$ 式实时计算线性双折射r和待测电流I的值。

3.根据权利要求2所述的排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法，其特征是；所述的光源发出的光E_in是与水平方向成45°起偏的线偏振光。

4.根据权利要求2或3所述的排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法，其特征是：所述的光学电流互感器是块状玻璃电流传感器或光纤电流传感器。

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