CN104535819A - 光纤电流互感器的y波导环路的偏振误差抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置及方法，属于光纤传感技术领域。通过Y波导相位调制器和偏振分束器实现Y波导环路，Y波导相位调制器的两输出尾纤分别通过熔点1和熔点2与偏振分束器的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂不等长，臂长差为△L。Y波导相位调制器的输入尾纤与环形器连接，偏振分束器的输出尾纤与保偏延迟光纤环连接。本发明可进一步降低光路损耗，降低探测器的散粒噪声，提高互感器的小电流测量精度；通过抑制Y波导环路的偏振误差，可进一步提高小电流测量精度的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置及方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
基于法拉第效应的全光纤电流互感器因其原理优势，被公认为是传统电磁感应式电流互感器的替代品。在国家大力发展特高压和智能电网的背景下，光纤电流互感器作为智能电网的标志性组件已小规模装备应用，受光路噪声和数字量化噪声等因素的制约，小电流测量精度及其稳定性难以满足计量应用需求，成为限制其在计量领域装备应用的主要技术瓶颈。
光纤电流互感器的主流技术方案采用Sagnac干涉仪和数字闭环检测技术。根据光路中所使用相位调制器的不同，Sagnac干涉仪的具体实现方案有如下两种
(1)基于直波导相位调制器的实现方案：如图1所示，光源10发出的光经过环形器11传输到起偏器12，起偏器12输出的线偏振光经过第一个45°熔点，被均分为两束正交的线偏振光沿着直波导相位调制器13输入保偏延迟光纤环14的快慢轴传输，经保偏延迟光纤环14后，由第二个45°熔点变为两束正交的圆偏振光，经过反射镜15反射后返回第二个45°熔点，重新变为两束正交的线偏振光，经过第一个45°熔点后，两束正交线偏振光在起偏器12通光方向的分量发生干涉，生成干涉信号，光电探测器16检测干涉信号并发送给信号处理单元17，干涉信号仅携带被测电流产生的法拉第相位移。
该方案的优点是光路结构具有很好的互易性，对温度、振动等环境干扰具有很好的免疫力，但存在如下问题：
a)光路损耗大，要求光源输出功率和光电探测器的跨阻抗足够大，才能满足互感器输出信噪比的要求，因此增加了光路噪声，影响互感器的小电流测量精度；
b)直波导的生产工艺不成熟，波导芯片与输入输出尾纤的对轴角度无法监测，由此引入的偏振误差导致互感器输出偏置较大。
(2)基于Y波导相位调制器的实现方案：借鉴光纤陀螺技术，ABB公司提出了基于Y波导相位调制器的实现方案，如图2所示。该方案的测量原理与图1所示的直波导方案相同，区别是：采用Y波导相位调制器21完成了起偏器12、第一个45°熔点和直波导相位调制器13三个器件的功能，并通过与耦合器22尾纤的90°熔点实现两线偏振光的正交，正交的两线偏振光在耦合器22的输出端实现合光。
该光路方案的技术优势为：
a)Y波导集成了起偏器和相位调制器的功能，大大降低了光路损耗，降低了光路噪声，可以提高互感器的小电流测量精度；
b)Y波导生产工艺成熟，大大降低了互感器的输出偏置。
但该方案也存在如下问题：
a)光路互易性较直波导方案差，对振动和旋转效应敏感。原因是：Y波导相位调制器和耦合器输入尾纤构成的Y波导环路，可等效为M-Z干涉仪或者Sagnac干涉仪，对振动和旋转效应敏感，影响互感器测量精度的稳定性。
b)Y波导环路的偏振误差对互感器测量精度的影响较大。
目前，尚未有光纤电流互感器Y波导环路偏振特性及其抑制技术的研究。
发明内容
提高光纤电流互感器小电流测量精度的本质是降低系统噪声，提高互感器的输出信噪比。本发明的目的是为了降低光路噪声以提高小电流测量精度及其稳定性，提出了一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置及方法。
本发明提供的光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置，包括Y波导相位调制器和偏振分束器。Y波导相位调制器的两输出尾纤分别通过熔点1和熔点2与偏振分束器的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂的臂长差为△L。Y波导相位调制器的输入尾纤与环形器连接，偏振分束器的输出尾纤与保偏延迟光纤环连接。所述的熔点1根据偏振分束器的工作方式确定，若偏振分束器选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，熔点1为0°，否则，熔点1为90°；所述的熔点2为90°。
本发明提供的光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制方法，利用Y波导相位调制器和偏振分束器组成Y波导环路，其中，Y波导相位调制器的两输出尾纤分别通过熔点1和熔点2与偏振分束器的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂不等长，臂长差为△L。熔点1根据偏振分束器的工作方式确定，若偏振分束器选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，熔点1为0°，否则，熔点1为90°；所述的熔点2为90°。
本发明的优点与积极效果在于：(1)可进一步降低光路损耗，降低探测器的散粒噪声，提高互感器的小电流测量精度；(2)通过抑制Y波导环路的偏振误差，可进一步提高小电流测量精度的稳定性。
附图说明
图1是基于直波导相位调制器的光纤电流互感器光路示意图；
图2是基于Y波导相位调制器的光纤电流互感器光路示意图；
图3是本发明的Y波导环路的偏振误差抑制装置的示意图；
图4是使用本发明的Y波导环路的偏振误差抑制装置的光纤电流互感器的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
本发明采用Y波导相位调制器和偏振分束器的组合取代图2中的Y波导相位调制器和耦合器的组合，通过不对称匹配Y波导环路的两臂臂长差，作为新型的光路设计，该方案可有效抑制波导环路引入的偏振误差。
本发明提供了一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置，如图3所示，包括Y波导相位调制器21和偏振分束器31，Y波导相位调制器21的两输出尾纤通过熔点1和熔点2与偏振分束器31的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂不等长，臂长差为△L。本发明所提出的Y波导环路由Y波导相位调制器21和偏振分束器31及其两器件尾纤的熔点构成，在光纤电流互感器的光路中，Y波导环路分别与环形器11的2端口和保偏延迟光纤环14相连接，其中，Y波导相位调制器21的输入尾纤与环形器11的2端口连接，偏振分束器31的输出尾纤与保偏延迟光纤环14连接。
其中：熔点2为90°；熔点1根据偏振分束器31的工作方式而定。如果偏振分束器31选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，则熔点1为0°，否则，若偏振分束器选择慢轴通光且快轴截止的工作方式，则熔点1为90°。
如图4所示，将本发明提供的Y波导环路的偏振误差抑制装置用于光纤电流互感器，光源10发出的光经过环形器11传输到本发明的Y波导环路的偏振误差抑制装置，Y波导相位调制器21输出两束正交的线偏振光，再经偏振分束器31，两束正交的线偏振光输入保偏延迟光纤环14的快慢轴传输，经保偏延迟光纤环14后，由45°熔点变为两束正交的圆偏振光，图4中的熔点3为45°。经过反射镜15反射后返回熔点3，重新变为两束正交的线偏振光，再经过偏振分束器31和Y波导相位调制器21，两束正交线偏振光在Y波导相位调制器21通光方向的分量发生干涉，生成干涉信号，光电探测器16检测干涉信号并发送给信号处理单元17。
本发明所提出的Y波导环路的偏振误差抑制方法，利用本发明所提供的Y波导环路的偏振误差抑制装置，通过Y波导相位调制器21和偏振分束器31组成Y波导环路。Y波导相位调制器21的第一个输出尾纤通过熔点1与偏振分束器31的第一个输入尾纤连接，Y波导相位调制器21的第二个输出尾纤通过熔点2与偏振分束器31的第二个输入尾纤连接。通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂不等长，臂长差为△L。本发明中通过不对称匹配Y波导环路两臂的臂长差来抑制波导环路引入的偏振误差，其中，△L为Y波导环路的臂长差，具体视光源的相干性及光路的去相干长度而定。所述的熔点1根据偏振分束器的工作方式确定，若偏振分束器选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，熔点1为0°，否则，熔点1为90°；所述的熔点2为90°。
本发明的光纤电流互感器的Y波导环路包括Y波导相位调制器和偏振分束器，由于任何光学器件的偏振特性并非完全理想，且光路制作工艺也不能保证Y波导相位调制器和偏振分束器尾纤的耦合角度为理想的45°，上述不理想特性导致波导环路中存在若干偏振耦合点，从而导致光路中产生多个寄生的偏振耦合分量。理论及仿真分析表明，在改变波导环路臂长差的过程中，其中某些寄生偏振耦合分量之间的光程差得到补偿而重构其相干性，从而出现误差极值。当波导环路的臂长差继续增大，使得任意寄生偏振耦合分量之间的光程差都远大于光源的相干长度，从而不具有相干性，因此不会产生偏振致测量误差，这就是在波导环路光学器件偏振特性不满足要求的情况下抑制偏振误差的有效方法。
通过实验验证，应用本发明方法及装置后，可显著提高光纤电流互感器的小电流测量精度及其稳定性，具体指标是，应用本发明后的光纤电流互感器的精度在额定电流为600A～1200A时达到IEC 0.2S。
Claims (2)
1.一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制装置，其特征在于，包括Y波导相位调制器和偏振分束器；所述的Y波导相位调制器的两输出尾纤分别通过熔点1和熔点2与偏振分束器的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，Y波导环路两臂的臂长差为△L；Y波导相位调制器的输入尾纤与环形器连接，偏振分束器的输出尾纤与保偏延迟光纤环连接；
所述的熔点1根据偏振分束器的工作方式确定，若偏振分束器选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，熔点1为0°，否则，熔点1为90°；所述的熔点2为90°。
2.一种光纤电流互感器的Y波导环路的偏振误差抑制方法，其特征在于，利用Y波导相位调制器和偏振分束器组成Y波导环路，其中，Y波导相位调制器的两输出尾纤分别通过熔点1和熔点2与偏振分束器的两输入尾纤连接，通过熔点1连接的两尾纤和通过熔点2连接的两尾纤分别构成Y波导环路的两臂，设置Y波导环路两臂的臂长差为△L；所述的熔点1根据偏振分束器的工作方式确定，若偏振分束器选择快轴通光且慢轴截止的工作方式，熔点1为0°，否则，熔点1为90°；所述的熔点2为90°。
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