CN102508177A - 一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器方案，首先由宽谱光源发出的光通过耦合器后，由起偏器起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器进行分别调制，通过延迟光纤后在法拉第旋光器旋转45°，进入换能器，由于换能器采用保偏光纤，因此换能器感应待测磁场，保偏光纤受到调制，传输光的两个模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射，二次经过换能器，敏感信号加倍，再次经过法拉第旋光器再次旋转45°，最后在起偏器处两个模式的光发生干涉。携带干涉相位信息的光返回探测器后，由信号处理电路检测。同样采用Y型集成光学调制器的光路可以达到相同的目的。

Description

一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器

技术领域

本发明涉及了利用干涉光相位检测磁场的一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，属于光传感技术领域。

背景技术

随着科学技术和社会的发展，弱磁测量技术在国防建设、国民经济及生物医学等领域的应用越来越广泛。在军事领域，随着各国潜艇降噪技术的发展，传统的声呐探潜已经不能满足现代反潜战争的需要，各种非声探潜技术成为各国研究的热点。磁异探测被认为是目标分类和提高对潜攻击分辨率的最可靠手段，目前几乎所有先进反潜巡逻机上都装有灵敏的磁探仪。空间磁场是空间环境重要的物理参数之一，空间磁场的变化反映出空间环境变化的显著特征。国际上已将高精度磁通门磁强计作为荷载在空间卫星上搭载，进行一系列空间与地磁场监测、载体姿态测量与控制的计划。在地球物理学方面，地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的参考系。地磁场测量是导航、地磁法探矿及地震预测预报的重要手段。另外弱磁测量在生物磁场及医疗器械、石油管道无损探伤、石油钻井中的随钻测斜仪和连续测斜仪、海底电缆的探测和识别及港口舰船的自主导航等方面也有重要应用。

目前，传统的微弱磁场传感器主要包括磁通门式磁强计、质子旋进磁强计、光泵磁强计和超导量子干涉磁强计(SQUID)等。与传统的弱磁测量仪器相比，基于磁致伸缩原理的干涉型光纤磁场传感器具有灵敏度高、响应速度快、交直流磁场都可测、体积小、重量轻、成本低、抗电磁干扰等优点，可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等传统测磁仪器无法工作的恶劣条件下使用。另外，利用磁致伸缩材料与外磁场的非线性响应关系及光纤干涉仪的复用技术，可制作三轴向的光纤磁场传感器，同时测量矢量磁场的三个正交分量，构建传感阵列，实现磁场的分布式测量。

光纤微弱磁场传感器的研究开始于1979年，目前采用的主要方案为基于Michelson干涉仪，基于Mach-Zehnder干涉仪及基于F-P干涉仪的光纤磁场传感器。由于这三个方案采用的光路结构是为非互易的，因此对外界环境干扰(如温度、振动等)敏感，环境适应能力较差。。

发明内容

本发明为解决现有的光纤微弱磁场传感器存在的对外界环境干扰(如温度、振动等)敏感，环境适应能力较差的问题。为此，本发明提供了一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、换能器、补偿光纤、反射镜和光电探测器，光源的尾纤与分路器的第一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的第二输入端光纤熔接在一起，分路器的输出端光纤与起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与换能器的传感光纤的输入端熔接，换能器的传感光纤的输出端与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端端面采用反射镜，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的第一输出端给相位调制器提供电信号进行相位调制，信号处理电路的第二输出端给换能器提供电信号进行偏置调制。

本发明还提供了一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，包括光源、分路器、集成相位调制器、偏振分束/合束器、延迟光纤、法拉第旋光器、换能器、补偿光纤、反射镜和光电探测器，光源的尾纤与分路器的第一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的第二输入端光纤熔接在一起，分路器的输出端与集成相位调制器熔接，集成相位调制器的第一输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的第一输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器的第二输出端保偏光纤与偏振分束/合束器的第二输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤与延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤与法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与换能器的传感光纤的输入端熔接，换能器的传感光纤的输出端与补偿光纤的输入端以90°熔接，补偿光纤的输出端端面采用反射镜，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的第一输出端给相位调制器提供电信号进行相位调制，信号处理电路的第二输出端给换能器提供电信号进行偏置调制。

由上述技术方案可以看出，本发明首先由宽谱光源发出的光通过耦合器后，由起偏器起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器进行分别调制，通过延迟光纤后在法拉第旋光器旋转45°，进入换能器，由于换能器采用保偏光纤，因此换能器感应待测磁场，保偏光纤受到调制，传输光的两个模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于换能器保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射，二次经过换能器，敏感信号加倍，然后通过延迟光纤，最后在起偏器处与两个模式的光发生干涉，携带干涉相位信息的光返回探测器(PIN)后，由信号处理电路检测，光路结构是互易结构，因此对外界环境干扰(如温度、振动等)不敏感，提高了光路的环境适应性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的第一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的第二种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式提供了一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，并且有两种实现方案，具体为：

第一种实现方案如图1所示，由光源1、分路器2、起偏器3、相位调制器4、延迟光纤5、法拉第旋光器6、换能器7、补偿光纤8、反射镜9，光电探测器10组成。

光信号在分路器的输入端分成两路：一路是光源1的尾纤同分路器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器10的尾纤与分路器2的另一输入端光纤熔接在一起；分路器2的输出端光纤同起偏器3熔接，起偏器3的输出端保偏光纤与相位调制器4的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器4的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接，延迟光纤5的输出端光纤同法拉第旋光器6输入端熔接，法拉第旋光器6输出端光纤与换能器7传感光纤的输入端光纤熔接，换能器7传感光纤的另一端光纤与补偿光纤8以90°熔接，补偿光纤8另一端为反射镜9，光电探测器10的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的一个输出端给相位调制器提供电信号从而实现相位调制，而信号处理电路的另一个输出端给换能器提供电信号从而实现偏置调制，从而判断磁场方向。

第二种实现方案如图2所示，由光源1、分路器2、集成相位调制器11、偏振分束/合束器12、延迟光纤5、法拉第旋光器6、换能器7、补偿光纤8、反射镜9，光电探测器10组成。

光信号在分路器2的输入端分成两路：一路是光源1的尾纤同分路器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器10的尾纤与分路器2的另一输入端光纤熔接在一起；分路器2的输出端集成相位调制器11熔接，集成相位调制器11的一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器12的一个输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器11的另一个输出端保偏光纤与偏振分束/合束器12的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器12的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接，延迟光纤5的输出端光纤同法拉第旋光器6输入端熔接，法拉第旋光器6输出端光纤与换能器7传感光纤的输入端光纤熔接，换能器7传感光纤的另一端光纤与补偿光纤8以90°熔接，补偿光纤8另一端为反射镜9，光电探测器10的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的一个输出端给相位调制器提供电信号从而实现相位调制，而信号处理电路的另一个输出端给换能器提供电信号从而实现偏置调制，从而判断磁场方向。

本具体实施方式的光路的基本原理为：首先由宽谱光源发出的光通过耦合器后，由起偏器起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器进行分别调制，通过延迟光纤后在法拉第旋光器旋转45°，进入换能器，由于换能器采用保偏光纤，因此换能器感应待测磁场，保偏光纤受到调制，传输光的两个模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于换能器保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射，二次经过换能器，敏感信号加倍，再次经过法拉第旋光器再次旋转45°，然后通过延迟光纤，最后在起偏器处与两个模式的光发生干涉。携带干涉相位信息的光返回探测器(PIN)后，由信号处理电路检测。同样采用Y型集成光学调制器(Y波导)的光路可以达到相同的目的，其光路基本原理相同，只是宽谱光源在Y波导处起偏分光并调制，在偏振分束/合束器(保偏耦合器)处形成正交模式的光，其后的传感机理相同，最后在Y波导处形成干涉。

干涉仪输出表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中I₀为到达探测器的光强，φ_m(t)为相位调制器的调制相位，φ_s为由于敏感磁场造成的干涉仪相位差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，包括光源(1)、分路器(2)、起偏器(3)、相位调制器(4)、延迟光纤(5)、法拉第旋光器(6)、换能器(7)、补偿光纤(8)、反射镜(9)和光电探测器(10)，光源(1)的尾纤与分路器(2)的第一输入端光纤熔接在一起，光电探测器(10)的尾纤与分路器(2)的第二输入端光纤熔接在一起，分路器(2)的输出端光纤与起偏器(3)熔接，起偏器(3)的输出端保偏光纤与相位调制器(4)的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器(4)的输出端光纤与延迟光纤(5)的输入端光纤熔接，延迟光纤(5)的输出端光纤与法拉第旋光器(6)输入端光纤熔接，法拉第旋光器(6)输出端光纤与换能器(7)的传感光纤的输入端熔接，换能器(7)的传感光纤的输出端与补偿光纤(8)的输入端以90°熔接，补偿光纤(8)的输出端端面采用反射镜(9)，光电探测器(10)的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的第一输出端给相位调制器(4)提供电信号进行相位调制，信号处理电路的第二输出端给换能器(7)提供电信号进行偏置调制。

2.根据权利要求1所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的光源(1)可以是SLD光源、掺铒光纤光源、LED光源等宽谱光源；所述的分束器(2)是保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的换能器(7)的传感光纤是保偏光纤。

4.根据权利要求1所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的延迟光纤(5)与相位调制器(4)、法拉第旋光器(6)的连接是跳线连接或熔接方式连接。

5.根据权利要求1所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度为45°。

6.一种采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，包括光源(1)、分路器(2)、集成相位调制器(11)、偏振分束/合束器(12)、延迟光纤(5)、法拉第旋光器(6)、换能器(7)、补偿光纤(8)、反射镜(9)和光电探测器(10)，光源(1)的尾纤与分路器(2)的第一输入端光纤熔接在一起，光电探测器(10)的尾纤与分路器(2)的第二输入端光纤熔接在一起，分路器(2)的输出端与集成相位调制器(11)熔接，集成相位调制器(11)的第一输出端保偏光纤与偏振分束/合束器(12)的第一输入端保偏光纤熔接，集成相位调制器(11)的第二输出端保偏光纤与偏振分束/合束器(12)的第二输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器(12)的输出端光纤与延迟光纤(5)的输入端光纤熔接，延迟光纤(5)的输出端光纤与法拉第旋光器(6)输入端光纤熔接，法拉第旋光器(6)输出端光纤与换能器(7)的传感光纤的输入端熔接，换能器(7)的传感光纤的输出端与补偿光纤(8)的输入端以90°熔接，补偿光纤(8)的输出端端面采用反射镜(9)，光电探测器(10)的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的第一输出端给相位调制器(4)提供电信号进行相位调制，信号处理电路的第二输出端给换能器(7)提供电信号进行偏置调制。

7.根据权利要求6所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的光源(1)可以是SLD光源、掺铒光纤光源、LED光源等宽谱光源；所述的分束器(2)是保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器中的任意一种；所述的延迟光纤(5)与集成相位调制器(11)、法拉第旋光器(6)的连接是跳线连接或熔接方式连接。

8.根据权利要求6所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的换能器(7)的传感光纤是保偏光纤。

9.根据权利要求6所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度为45°。

10.根据权利要求6所述的采用反射式互易光路的光纤磁场传感器，其特征在于，所述的偏振分束/合束器(12)采用保偏耦合器。

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