CN102854360A - 光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，属于光纤传输技术领域。所述的稳定控制装置在偏振器前端设置第一光纤滤波器，在传感单元前端设置第二光纤滤波器，消除光纤电流互感器中由于对轴误差及温度引起光学器件光谱窗口漂移引入的光波谱形和功率变化，使光纤电流互感器中传输光谱稳定，消除传感单元Faraday效应的积分光相移误差。本发明提供的基于光纤滤波器的全光纤电流互感器光路新方案解决了传统光路中光纤之间以及光纤与器件之间难以精确对轴以及温度漂移导致的光学器件光谱窗口漂移问题，消除了光谱波动对误差信号的影响，扩大了系统对直流随机相位漂移的跟踪范围，提高系统的抗干扰能力和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传输技术领域，具体涉及一种光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置。
背景技术
基于磁光Faraday效应的光纤电流互感器采用光纤作为传感介质，不存在铁磁共振和磁滞饱和的隐患，同时具有频带宽、动态范围大、检测精度高、体积小、重量轻、环境适应性能好，以及制造和维护成本低等一系列优点，从根本上避免了传统电流互感器的固有缺陷。光纤电流互感器中光路器件的对轴角度误差及温度引起光学器件的光谱窗口漂移，都会影响光路中传输光波的谱形和功率，影响传感单元Faraday效应的积分光相移，同时导致干涉信号幅值波动即影响闭环前向通道增益，产生测量误差，影响互感器测量精度。光路器件对轴角度误差及温度引起光学器件光谱窗口漂移是影响光纤电流互感器长期稳定性的一个重要因素，因此，传输光谱的稳定控制技术是光纤电流互感器的关键技术之一。
目前已有的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制技术主要有宽谱光源和光源温控技术、调整光纤之间以及光纤与器件之间的对轴角度等。其中宽谱光源和光源温控系统较为常用。
首先分析一下光路器件对轴角度误差及温度引起光学器件光谱窗口漂移对传输光波谱形和功率影响的物理机制：
典型的光纤电流互感器光路由光源、偏振器、相位调制器、传感单元与探测器构成，各个器件之间存在光纤的熔接。光入射进保偏光纤后，将其分解为沿慢轴和快轴的偏振分量。由于偏振模色散,不同的偏振分量通过一定长度的保偏光纤后具有不同的光程。光纤之间的熔接所产生的对轴角度误差会使得从第一根光纤输出的光波的2个偏振分量在进入第二根光纤时将发生偏振模式的交叉耦合;当保偏光纤的主轴与偏振器的透光轴成一定角度对接时,从偏振器输出的光波将是沿透光轴方向传输的主波与耦合波的干涉输出。因此，光波经保偏光纤和偏振器传输后,输出光谱的形状将发生变化。
光纤电流互感器中采用宽谱光源，通常是超辐射发光二极管(SLD)，利用宽谱光源相干长度短与保偏光纤的偏振保持优点，抑制对轴误差导致的干涉耦合。同时，对光源采用温控技术，以抑制温度变化带来的光源中心波长及光谱形状变化。
实际宽谱光源的光谱接近高斯函数，但是由于宽谱光源参数(比如管芯腔长、掺杂区位置、切割面角度与耦合尾纤的反射等)的不理想，仍存在谱型不对称、谱中存在位置与大小不确定的纹波等情况，这将影响宽谱光源的相干函数，使得次相干峰与主相干峰可能产生寄生干涉信号，直接影响光纤电流互感器的精度。同时，温控虽然可以较为有效的控制中心波长减小其漂移幅度，但是无法对光源光谱进行修正、调整。
当光纤与光纤之间或光纤与器件之间的对轴角度不为零时,输入光波经保偏光纤和偏振器传输后输出光谱中会叠加周期函数,周期函数的周期和幅值与对轴角度和光纤长度有关。因此,实际应用中,当光纤长度一定时,为了控制光谱形状的变化程度,应调整光纤之间以及光纤与器件之间的对轴角度。由于高精度的对轴误差调整在光路的制作过程难以实现，使得这种方法的发展受到了一定限制。
发明内容
本发明是提出了一种光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，涉及无源光谱滤波控制方法，通过在光路中的关键位置引入两个光纤滤波器（所述的关键位置是指偏振器前端和传感单元前端），消除光纤电流互感器中由于对轴误差及温度引起光学器件光谱窗口漂移引入的光波谱形和功率变化，使光纤电流互感器中传输光谱稳定，消除传感单元Faraday效应的积分光相移误差。
由于偏振耦合以及光学器件光谱窗口漂移的存在，光纤电流互感器输出光波的谱形发生变化，功率降低，使主波干涉场的直流分量提高。同时，光路标度因子发生变化。主波干涉的标度因子随模式耦合的强度增加而降低，交叉波和耦合波的存在使标度因子增加。标度因子与耦合点的分布、耦合点相位跃变均有关，当传感单元受到外界因素干扰（如温度或磁场）时，标度因子也会随之发生变化且这种变化是随机的。其次会产生寄生相移，使光纤电流互感器工作点发生漂移。同时，由于Farady效应的积分光相移大小还与耦合点的分布以及相位跃变的统计规律有关，其误差特性具有很强的随机性。最后，破坏输出信号的对称性。交叉波耦合破坏光电探测器输出信号的对称性，在大动态范围时引起光纤电流互感器的标度因子的非线性。根据光干涉和衍射原理设计而成的光纤滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，其性能的高低直接关系到光路信号传输质量。本发明中在偏振器前设置的第一光纤滤波器可以对宽谱光源的光谱进行整形，使不同环境下的光谱形状稳定，避免由于光源光谱波动导致的误差。在传感单元的前端设置的第二光纤滤波器可以滤除缺陷光路带来的频率噪声成分，抑制光路器件对轴角度误差以及光学器件光谱窗口漂移引入的传感单元Faraday效应的积分光相移误差，使进入传感单元的光源光谱稳定，并精准测量Faraday效应的积分光相移。
本发明提供的基于光纤滤波器的全光纤电流互感器光路新方案解决了传统光路中光纤之间以及光纤与器件之间难以精确对轴以及温度漂移导致的光学器件光谱窗口漂移问题，消除了光谱波动对误差信号的影响，扩大了系统对直流随机相位漂移的跟踪范围，提高系统的抗干扰能力和稳定性。
本发明的有益效果：
(1)、本发明在环形分束器后、偏振器前端设置第一光纤滤波器，调整光源光谱，修正光源光谱漂移所导致的误差，提高了光信号灵敏度；
(2)、本发明在传感单元前设置第二光纤滤波器，修正光路中对轴误差以及温度漂移带来的光谱窗口漂移，使系统传输光谱稳定，消除传感单元Faraday效应的积分光相移误差。
附图说明
图1为本发明提供的光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用光纤滤波器的光纤电流互感器方案，现有技术中的光纤电流互感器如参考文献[1]（光纤电流互感器λ/4波片温度误差补偿，张朝阳，张春熹等，电工技术学报，2008年12月，第23卷第12期），其中的光纤电流互感器结构包括光源、耦合器、起偏器、相位调制器、延迟光缆、传感单元、光电转换和信号处理单元等，通过对λ/4光纤波片温度误差形成机理的分析，得出波片相位延迟角度的温度误差是影响光纤电流互感器检测精度的一个主要原因。本发明在现有技术的基础上，提出了一种光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，在偏振器前端设置第一光纤滤波器，调整光源光谱；在传感单元前端设置第二光纤滤波器，修正光路中对轴误差以及温度漂移带来的光谱窗口漂移。所述的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置的光路结构如图1所示，光路结构由宽谱光源、环形分束器、第一光纤滤波器、偏振器、延迟光纤、相位调制器、保偏延迟光缆、第二光纤滤波器、传感单元、光电探测器和信号处理电路组成。其中，传感单元包括45°°熔点，λ/4波片，反射镜及传感光纤环，第二光纤滤波器输出端的光纤与传感光纤环之间45°熔点熔接，在45°熔点处的传感光纤环上设置有λ/4波片，在传感光纤环的末端设置反射镜。宽谱光源的光信号经过环形分束器后进入第一光纤滤波器，在第一光纤滤波器中被整形后，滤除光波中不需要的频率分量光波，然后进入偏振器，光在偏振器中偏振方向发生变化，只朝一个方向（X轴）偏振。偏振器的输出端与相位调制器的输入端通过两段保偏光纤以45°熔接，这段保偏光纤也称延迟光纤，用于降低相位调制器输入两光波的偏振相关性。相位调制器的输出端与第二光纤滤波器之间通过保偏延迟光缆熔接连接，同时，相位调制器还与信号处理电路连接，用于接收信号调理电路中的反馈调制波，对光路中的光进行相位调整。从相位调制器输出的光路中的光信号在进入传感单元前再一次被第二光纤滤波器滤波、整形。光进入传感单元后被Farady效应调制，反射镜将其反射回原光路中，到达光电探测器。最后光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的一个输出端给相位调制器提供电信号从而实现相位调制。整个光路如图1所示。所述的环形分束器为三端口器件，其中前端的两个端口连接光源和光电探测器，后端的第三端口连接第一光纤滤波器。光在第一光纤滤波器处被整形，然后进入偏振器。
宽谱光源是光路中重要元器件，当光路中其他参数不变时对于形状相似的光谱在光纤电流互感器中带来的偏振误差较小，而形状相差较大的光谱带来的误差值相差较大。谱宽相差不大的情况下光谱的平均波长在长波长处近高斯形状的光源在光纤电流互感器中产生的偏振误差比平坦光谱小。偏振器前的第一光纤滤波器可以滤除宽谱光源中无用的频率成分，使不同环境下光谱稳定在上述使光纤电流互感器具有最佳性能的状态。同时，消除光源起偏方向与光纤主轴之间夹角所导致的偏振特性变化。
光路器件对轴角度误差将影响光纤电流互感器精度。当光纤之间以及光纤与器件之间的对轴角度不为零时,完全非偏振光经保偏光纤和偏振器传输后,输出光谱的形状不会改变,但功率值下降;偏振或部分偏振光经保偏光纤和偏振器传输后,输出光谱中将会叠加周期函数。周期函数的周期跟光纤长度有关,幅值大小跟光纤之间以及光纤与器件之间的对轴角度有关,即周期随光纤长度的增加而减小,幅值随光纤之间或光纤与器件之间对轴角度的增大而增大。此外,光纤长度和对轴角度改变时,输出光谱的平均波长、总功率和FWHM也会发生改变,从而影响光谱的稳定性。本发明中在传感单元的前端设置第二光纤滤波器可以滤除非完美光路带来的频率成分，抑制光路器件对轴角度误差以及光学器件光谱窗口漂移引入的传感单元Faraday效应的积分光相移误差，使进入传感单元单元的光源光谱稳定，并精准测量Faraday效应的积分光相移。
Claims (5)
1.光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，光路结构包括宽谱光源、环形分束器、偏振器、相位调制器、延迟光纤、保偏延迟光缆、传感单元、光电探测器和信号处理电路，其特征在于：在所述的光路结构中还包括第一光纤滤波器和第二光纤滤波器。
2.根据权利要求1所述的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，其特征在于：所述的第一光纤滤波器设置在偏振器前端；所述的第二光纤滤波器设置在传感单元前端。
3.根据权利要求1所述的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，其特征在于：所述的传感单元包括45°熔点、λ/4波片、反射镜及传感光纤环，第二光纤滤波器输出端的光纤与传感光纤环在45°熔点处45°熔接，在45°熔点处的传感光纤环上设置有λ/4波片，在传感光纤环的末端设置反射镜。
4.根据权利要求1所述的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，其特征在于：宽谱光源的光信号经过环形分束器后进入第一光纤滤波器，在第一光纤滤波器中被整形后，进入偏振器，偏振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通过保偏延迟光缆与第二光纤滤波器相连，光进入传感单元后被Farady效应调制，反射镜将其反射回原光路中，到达光电探测器；最后光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，信号处理电路的一个输出端给相位调制器提供电信号从而实现相位调制。
5.根据权利要求1所述的光纤电流互感器传输光谱的稳定控制装置，其特征在于：所述的环形分束器为三端口器件，其中前端的两个端口连接光源和光电探测器，后端的第三端口连接第一光纤滤波器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Xiaxiao Inventor after: Yu Jia Inventor after: Dang Yujie Inventor after: Feng Xiujuan Inventor after: Wang Xichen Inventor after: Li Chuansheng Inventor before: Wang Xiaxiao Inventor before: Feng Xiujuan Inventor before: Wang Xichen Inventor before: Li Chuansheng Inventor before: Yu Jia |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: WANG XIAXIAO FENG XIUJUAN WANG XICHEN LI CHUANSHENG YU JIA TO: WANG XIAXIAO YU JIA DANG YUJIE FENG XIUJUAN WANG XICHEN LI CHUANSHENG |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180131 Address after: 101400 Beijing city Huairou District Yanqi Park Economic Development Zone No. 38 Street Patentee after: Kaiyuan Rui (Beijing) Photoelectric Technology Co., Ltd. Address before: 100191 Haidian District, Xueyuan Road, No. 37, Patentee before: Beihang University |
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| TR01 | Transfer of patent right |