CN101216502A - 一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统，该波片温度补偿系统包括有前放电路、第一模数转换器、电压跟随电路、第二模数转换器、FPGA处理器和DSP处理器，FPGA处理器对信号的处理可以分为解调单元、累加积分单元、温度补偿参数获取单元，DSP处理器对信号的处理可以分为滤波单元、补偿系数获取单元、修正单元。本发明波片温度补偿系统在不改变原有±π/2方波偏置调制和阶梯波反馈的闭环信号检测系统基础上，通过不等占空比方波调制展宽干涉输出结果的尖峰，然后应用电压跟随通道提取λ/4波片温度误差补偿因子，并最终在DSP处理器中实现误差补偿因子对光纤电流互感器闭环系统输出结果的修正。

Description

一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统

技术领域

本发明涉及一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统。

背景技术

如图1所示，光纤电流互感器是基于Ampere定律和Faraday效应原理的，该光纤电流互感器通过测量在传感光纤内传输的模式正交的两束偏振光间由于敏感导线内电流量而产生的相位差来间接地测量电流值。具体方法是：光源发出的光经耦合器、起偏器后，随即分成两束正交的线偏振光，沿着保偏光纤延迟线的X、Y两个正交模式传输至传感头。在传感头的λ/4光纤波片处，两束线偏光分别被转换为左旋和右旋圆偏光，进入传感光纤。在传感光纤中，由于Faraday磁光效应作用，两束圆偏光传输速度不同，从而产生Faraday相差。当两束圆偏光传输到传感光纤末端时，发生镜面反射，两束光在模式互换(左旋变右旋，右旋变左旋)后沿原光路返回，Faraday效应加倍，并且在λ/4光纤波片处再次转变为两束模式正交的线偏光(模式也互换了)。最终，携带Faraday效应相位信息的两束光在起偏器处发生干涉，然后经3dB耦合器进入光电探测器，从光电探测器输出的干涉光强信号P_d经后续的硬件电路结构进行处理后加载在相位调制器上。

由于两束偏振光始终在同一根光纤中传输，并且经过了完全相同的传输路径和模式变化，所以光路系统具有良好的互易性，因此到达光电探测器的光信息只携带了由于Faraday效应产生的非互易相位差φ_F。考虑闭环系统在相位调制器处人为引入的非互易相差-方波调制偏置相移和阶梯波反馈调制相移，光电探测器敏感到的光强信号P_d＝0.5×L×P₀×(1+cos(φ_F+φ_S+φ_R))式中，L表示光路损耗系数，P₀表示光源输出光强，φ_F表示Faraday效应产生的非互易相位差，且φ_F＝4NVI(N是传感光纤匝数，V是传感光纤Verdet常数，I是导线中传输电流值)，φ_S表示人为引入的方波偏置调制相移，φ_R表示人为引入的阶梯波反馈调制相移。

光电探测器响应光强信息而输出的电压信号经过放大、滤波后送入A/D转换器转换为数字信息，然后送入基于DSP+FPGA的数字信号处理装置，经信号处理装置解析后以输出量作为反馈量，经过数模转换器及其驱动电路后加载到相位调制器上，在两束相干光间引入一个与法拉第效应相移大小、方向相反的反馈相移，实现闭环信号检测。

发明内容

本发明的目的是在现有光纤电流互感器的结构上，通过在基于DSP+FPGA的数字信号处理器中内嵌波片温度补偿系统，该波片温度补偿系统对光电探测器输出的信息分为闭环检测通道和电压跟随通道；所述闭环检测通道用于检测Faraday相位差信息；所述电压跟随通道用于获得补偿所需的最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax，然后利用时序解调得到补偿系数 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h}.$ 采用本发明的波片温度补偿可以使光纤电流互感器在全温-40～60℃范围内输出精度从补偿前的0.75％提高到了0.25％，补偿效果明显。

本发明是一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统，其特征在于：该波片温度补偿系统包括有前放电路、第一模数转换器、电压跟随电路、第二模数转换器、FPGA处理器和DSP处理器，FPGA处理器对信号的处理分为解调单元、累加积分单元、温度补偿参数获取单元，DSP处理器对信号的处理分为滤波单元、补偿系数获取单元、修正单元；FPGA处理器一方面对闭环检测信号D₀进行解调、累加积分后分别输出数字反馈信号F₁和数字解调输出信号D₁；所述数字反馈F₁通过数模转换器转换后用于驱动相位调制器，产生反馈相移φ_R以抵消Faraday相移，形成闭环检测系统；所述数字解调输出信号D₁则送往DSP处理器做滤波处理后输出滤波解调信号D₂；FPGA处理器另一方面对电压信号V₀进行跟随获取，从而得到用于检测λ/4波片温度补偿所需的最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax，并将最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax输出给DSP处理器中进行补偿系数 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h}$ 获取。

所述的波片温度补偿系统，其前放电路、第一模数转换器、解调单元、累加积分单元、滤波电路形成闭环检测通道。

所述的波片温度补偿系统，其电压跟随电路、第二模数转换器、温度补偿参数获取单元、补偿系数获取单元、修正单元形成电压跟随通道。

本发明的优点在于：不改变原有±π/2方波偏置调制和阶梯波反馈的闭环信号检测系统的基础上，通过不等占空比方波调制展宽干涉输出结果的尖峰，然后应用第二通道提取波片温度误差补偿因子，并最终在DSP中实现误差补偿因子对互感器系统输出结果的修正。该方法是一种通用的光路误差无偿方法，其它包括光源误差、起偏器误差、相位调制器误差，和传感光纤线性双折射误差等，都可以应用这种方法加以补偿。

附图说明

图1是光纤电流互感器的结构框图。

图2是本发明采用波片温度补偿的信号处理单元的结构框图。

图3(A)是光纤电流互感器输出的波形图。

图3(B)是采用本发明波片温度补偿后的光纤电流互感器输出的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图2所示，本发明是一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统，该波片温度补偿系统包括有前放电路、第一模数转换器、电压跟随电路、第二模数转换器、FPGA处理器和DSP处理器，FPGA处理器对信号的处理可以分为解调单元、累加积分单元、温度补偿参数获取单元，DSP处理器对信号的处理可以分为滤波单元、补偿系数获取单元、修正单元。

在本发明中，FPGA处理器一方面对闭环检测信号D₀进行解调、累加积分后分别输出数字反馈信号F₁和数字解调输出信号D₁；所述数字反馈F₁通过数模转换器转换后用于驱动相位调制器，产生反馈相移φ_R以抵消Faraday相移，形成闭环检测系统；所述数字解调输出信号D₁则送往DSP处理器做滤波处理后输出滤波解调信号D₂。FPGA处理器另一方面对电压信号V₀进行跟随获取，从而得到用于检测λ/4波片温度补偿所需的最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax，并将最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax输出给DSP处理器中进行补偿系数 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h}$ 获取。在DSP处理器中对滤波解调信号D₂与补偿系数P进行累加获得修正结果φ_out送回FPGA处理器作为光纤电流互感器的输出。

在本发明中，对光电探测器敏感到的干涉光强P_d输出信号中包含有闭环检测信号和温度补偿所需的所有信息。波片温度补偿系统把光电探测器输出信号分成两个通道：一是闭环检测通道，二是电压跟随通道。闭环检测通道包括有前放电路、第一模数转换器、解调单元、累加积分单元、滤波电路。电压跟随通道包括有电压跟随电路、第二模数转换器、温度补偿参数获取单元、补偿系数获取单元、修正单元。考虑到第一模数转换器电平输入范围以及直流分量的影响，在前置运放环节设置隔直滤波前放电路，来提高信噪比的同时滤除直流分量。

在本发明中，FPGA处理器的温度补偿参数获取单元根据时序关系解调、提取最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax。

在本发明中，DSP处理器的补偿系数获取单元获取的补偿系数为 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h},$ 并以补偿系数P对闭环系统数字输出的滤波处理结果D₂进行修正，修正结果φ_out送回FPGA处理器作为光纤电流互感器的补偿输出。所述修正结果φ_out＝-8NVI(N是传感光纤匝数，V是传感光纤Verdet常数，I是导线中传输电流值)。

在本发明中，最小干涉光强参数 $P_{d\min }=[P_d{|}_{{\mathrm{\φ}}_S=\frac{\mathrm{\π}}{2}}+P_d{|}_{{\mathrm{\φ}}_S=-\frac{\mathrm{\π}}{2}}]/2={\mathrm{LP}}_0/2,$ 且φ_S＝±π/2，P_d表示光电探测器敏感到的干涉光强，φ_S表示人为引入的方波偏置调制相移，L表示光路损耗系数，P₀表示光源输出光强。

在本发明中，最大干涉光强参数 $P_{d\max }=\frac{{\mathrm{LP}}_0}{2}[1-{h\cos \mathrm{\φ}}_R+(1-h)\cos ({\mathrm{\φ}}_F-{\mathrm{\φ}}_R)]\≈{\mathrm{LP}}_0(1-h),$ 且h＝1-sin^δsin^2θ，δ表示λ/4波片位相差，θ表示λ/4波片对轴角度，L表示光路损耗系数，P₀表示光源输出光强，φ_F表示Faraday效应产生的非互易相位差，且φ_F＝4NVI(N是传感光纤匝数，V是传感光纤Verdet常数，I是导线中传输电流值)，φ_R表示人为引入的阶梯波反馈调制相移。

根据最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax，则 $P_{d\max }/P_{d\min }=\frac{{\mathrm{LP}}_0(1-h)}{{\mathrm{LP}}_0/2}=\frac{{2\mathrm{LP}}_0(1-h^2)}{{\mathrm{LP}}_0(1+h)}\≈\frac{2}{1+h},$ 且h＝1-sin^δsin^2θ。

若令补偿输出 ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\φ}}_R\×\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }},$ 则得：φ_out＝-8NVI。因此，通过引入误差补偿措施，有效地减小了波片位相差温度误差造成的影响。

未采用温度补偿的光纤电流互感器输出的最大干涉光强参数P_dmax提取需要有足够的采样时间，如图3(A)所示，当采用频率F＝1/2τ等占空比方波调制方式时(F称作互感器本征频率，τ是偏振光在互感器光路中的渡越时间)，由于最大干涉光强参数P_dmax是方波沿跳变时产生的尖峰，即偏置调制相位φ_S＝0时形成的峰值，对于采样来说，它只是一个脉冲，峰值的保持时间无法满足模数转换器(A/D转换器)采样要求。根据最大干涉光强参数P_dmax形成原理，通过改变调制方式检测其值。本发明通过采用不等占空比方波调制，首先使得尖峰脉冲得到展宽，然后通过第二模数转换器实现对最大干涉光强参数P_dmax的采样提取。本发明采用不等占空比方波调制的原理如图3(B)所示。

本发明公开的一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿方法，在不改变原有±π/2方波偏置调制和阶梯波反馈的闭环信号检测系统基础上，通过不等占空比方波调制展宽干涉输出结果的尖峰，然后应用电压跟随通道提取λ/4波片温度误差补偿因子，并最终在DSP处理器中实现误差补偿因子对光纤电流互感器闭环系统输出结果的修正。应用本发明波片温度补偿的光纤电流互感器在全温条件下(-40～60℃)，输出精度从补偿前的0.75％提高到了补偿后的0.25％。

Claims (8)

1.一种适用于光纤电流互感器的波片温度补偿系统，其特征在于：该波片温度补偿系统包括有前放电路、第一模数转换器、电压跟随电路、第二模数转换器、FPGA处理器和DSP处理器，FPGA处理器对信号的处理分为解调单元、累加积分单元、温度补偿参数获取单元，DSP处理器对信号的处理分为滤波单元、补偿系数获取单元、修正单元；FPGA处理器一方面对闭环检测信号D₀进行解调、累加积分后分别输出数字反馈信号F₁和数字解调输出信号D₁；所述数字反馈F₁通过数模转换器转换后用于驱动相位调制器，产生反馈相移φ_R以抵消Faraday相移，形成闭环检测系统；所述数字解调输出信号D₁则送往DSP处理器做滤波处理后输出滤波解调信号D₂；FPGA处理器另一方面对电压信号V₀进行跟随获取，从而得到用于检测λ/4波片温度补偿所需的最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax，并将最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_damx输出给DSP处理器中进行补偿系数 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h}$ 获取。

2.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，其特征在于：前放电路、第一模数转换器、解调单元、累加积分单元、滤波电路形成闭环检测通道。

3.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，共特征在于：电压跟随电路、第二模数转换器、温度补偿参数获取单元、补偿系数获取单元、修正单元形成电压跟随通道。

4.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，其特征在于：FPGA处理器的温度补偿参数获取单元根据时序关系解调、提取最小干涉光强参数P_dmin、最大干涉光强参数P_dmax。

5.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，其特征在于：DSP处理器的补偿系数获取单元获取的补偿系数为 $P=\frac{P_{d\max }}{P_{d\min }}\≈\frac{2}{1+h},$ 并以补偿系数P对闭环系统数字输出的滤波处理结果D₂进行修正，修正结果φ_out送回FPGA处理器作为光纤电流互感器的补偿输出。

6.根据权利要求5所述的波片温度补偿系统，其特征在于：所述修正结果φ_out＝-8NVI，其中N是传感光纤匝数，V是传感光纤Verdet常数，I是导线中传输电流值。

7.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，其特征在于：最大干涉光强参数 $P_{d\max }=\frac{{\mathrm{LP}}_0}{2}[1-{h\cos \mathrm{\φ}}_R+(1-h)\cos ({\mathrm{\φ}}_F-{\mathrm{\φ}}_R)]\≈{\mathrm{LP}}_0(1-h),$ 且h＝1-sin^δsin^2θ，δ表示λ/4波片位相差，θ表示λ/4波片对轴角度，L表示光路损耗系数，P₀表示光源输出光强，φ_F表示Faraday效应产生的非互易相位差，且φ_F＝4NVI(N是传感光纤匝数，V是传感光纤Verdet常数，I是导线中传输电流值)，φ_R表示人为引入的阶梯波反馈调制相移。

8.根据权利要求1所述的波片温度补偿系统，其特征在于：最小干涉光强参数 $P_{d\min }=[P_d{|}_{{\mathrm{\φ}}_S=\frac{\mathrm{\π}}{2}}+P_d{|}_{{\mathrm{\φ}}_S=-\frac{\mathrm{\π}}{2}}]/2={\mathrm{LP}}_0/2,$ 且φ_S＝±π/2，P_d表示光电探测器敏感到的干涉光强，φ_S表示人为引入的方波偏置调制相移，L表示光路损耗系数，P₀表示光源输出光强。

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