CN104655954A - 一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，其解决了现有故障录波的模拟量的获取装置容易被强电磁场干扰的技术问题，其包括DFB激光器、免偏置控制铌酸锂电光调制器、分光器、第一光电接收器和第二光电接收器，DFB激光器与免偏置控制铌酸锂电光调制器之间通过保偏光纤连接，免偏置控制铌酸锂电光调制器和分光器之间通过光纤连接；分光器设有两路输出端口，一路输出端口通过光纤与第一光电接收器连接，另一路输出端口通过延迟光纤与第二光电接收器连接，免偏置控制铌酸锂电光调制器设有RF端口，RF端口连接有阻抗匹配器。其可广泛应用于电力系统的故障信号检测。

Description

一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器

技术领域

本发明涉及一种单次信号捕获器，具体说是一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器。

背景技术

电力系统发生故障时，最重要的是及时获取系统发生故障时前后一段时间内的断路器、继电保护装置的动作情况，也就是故障录波需要的模拟信息，以便调度人员能及时准确地判断系统事故的范围、性质等，为事后事故处理和恢复提供决策依据，因而用于故障录波的模拟信息的获取是这一过程的首要关键环节，也是电网调度实现电网事故分析、决定调度决策支持和保护等措施的实施依据。

现有的故障录波的模拟量的获取是用互感器或高压分压器直接获取电信号，用电缆将电信号的模拟量传送到控制室，再作模数转换，最后传送到故障录波系统。比如，在高压分压器上或者互感器上取出电信号，连接50ohm电阻，用长电缆连接到示波器或数模转换线路上。然而，电缆会受到现场强电磁场的干扰，传送的信号模拟量的获取因而会受到影响，使获取的信号不能准确反映实际情况，因此，研制出一种抗强磁场干扰的模拟量获取的装置已成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明就是为了解决现有故障录波的模拟量的获取装置容易被强电磁场干扰的技术问题，提供一种抗强电磁场的无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器。

本发明提供一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，包括DFB激光器、免偏置控制铌酸锂电光调制器、分光器、第一光电接收器和第二光电接收器，DFB激光器与免偏置控制铌酸锂电光调制器之间通过保偏光纤连接，免偏置控制铌酸锂电光调制器和分光器之间通过光纤连接；分光器设有两路输出端口，一路输出端口通过光纤与第一光电接收器连接，另一路输出端口通过延迟光纤与第二光电接收器连接。

优选地，免偏置控制铌酸锂电光调制器设有RF端口，RF端口连接有阻抗匹配器；分光器的分光比例是50∶50。

优选地，DFB激光器连接有温度控制器和电流驱动器。

优选地，阻抗匹配器为50ohm阻抗匹配器。

本发明的有益效果是，通过电光转换及光纤传输有效地避免了电磁场的干扰，实现了抗强电磁场的故障信息模拟量的获取和传输；在延迟光纤的作用下，本发明能够进行24小时监测并能捕获事故前后特定时间段的信号信息。该时间段根据用户对事故前的记录窗口要求而定，捕获的时间段最低0.5微妙。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的免偏置控制铌酸锂电光调制器的转换函数；

图3是仿真实验时输入50Hz正弦波波形图；

图4是仿真实验时对应输入50Hz正弦波时本发明的输出波形图；

图5是图3和图4波形叠加图；

图6是仿真实验时输入衰减信号的波形图；

图7是仿真实验时对应输入衰减信号时本发明的输出波形图；

图8是图6和图7的波形叠加图；

图9是仿真实验时输入方波的波形图；

图10是仿真实验时对应输入方波的本发明的输出波形图；

图11是图9和图10的波形叠加图。

图中符号说明：

1.DFB激光器，2.免偏置控制铌酸锂电光调制器，3.分光器，4.第一光电接收器，5.第二光电接收器，6.被测对象，7.阻抗匹配器，8.温度控制器，9.延迟光纤，10.电流驱动器；图2中横坐标为电压，纵坐标为光强(伏特)；图3、图4、图5中的纵坐标为电压(伏特)，横坐标为时间，总采样点为2500点，总采样时间为50ms；图6、图7、图8中的纵坐标为电压(伏特)，横坐标为时间，共采样2500点，总采样时间为25μs；图9、图10、图11中的纵坐标为电压(伏特)，横坐标为时间，采样时间为250ns，方波上升时间为4ns。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括DFB激光器1、免偏置控制铌酸锂电光调制器2、分光器3、第一光电接收器4和第二光电接收器5，DFB激光器1与免偏置控制铌酸锂电光调制器2之间通过保偏光纤连接，免偏置控制铌酸锂电光调制器2和分光器3之间通过光纤连接；分光器3设有两路输出端口，一路输出端口通过光纤与第一光电接收器4连接，另一路输出端口通过延迟光纤9与第二光电接收器5连接。

被测对象6与免偏置控制铌酸锂电光调制器2的RF端口之间通过阻抗匹配器7连接。阻抗匹配器7为50ohm阻抗匹配器。

分光器3的分光比例是50∶50，一部分分给第二光电接收器5用于观察光信号，其余部分分给第一光电接收器4用于触发。

DFB激光器1单色性、偏振性好，非常适合与免偏置控制铌酸锂电光调制器2配合使用，高频时产生的变频小，传输距离远。DFB激光器1可以连接温度控制器8和电流驱动器10以保持工作的稳定性。

延迟光纤9为特定长度的光纤具有特定的延迟功能，光纤长度决定了事故前的记录窗口的长度，可以根据用户要求而定，至少0.5微妙。

使用时，免偏置控制铌酸锂电光调制器2先将被测对象6的电信号转成光信号，该光信号被分光器3分成两部分，分出的光信号被第一光电接收器4和第二光电接收器5转换为电信号作具体测量。

免偏置控制铌酸锂电光调制器2的原理基于Mach-Zehder干涉仪，故又称MZ调制器。DFB激光器1输出的光作为免偏置控制铌酸锂电光调制器2的入射光被分为两束光，分别进入免偏置控制铌酸锂电光调制器2的两臂，其中的一个臂处于被测高频电场的作用之下，通过电光效应，该臂的折射系数随电场强度而变化，从而改变了光在其中的传播速度，即改变了该路光的相位，在免偏置控制铌酸锂电光调制器2的输出端，两路光又重合。当两路光同相时，幅度相加，反向时，幅度抵消，故而呈现周期性的正弦曲线的转换波形，正弦波的半波长又称为Vπ，调制器的输出幅度为

$I_W=I_O\left\{\sin \right[\frac{1}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{RF}}+(\frac{V_B\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}+\mathrm{\π})]+1\}$

，因为是免偏置电压，故偏置电压为零，由上面的公式可见，即处于线性工作点。免偏置控制铌酸锂电光调制器2的正弦工作曲线在线性工作点(如图2所示的0v点)附近时，可以近似认为是直线。若要更精确，可以用正弦工作曲线将其修正还原。

当被测对象6的被测高频信号加到免偏置控制铌酸锂电光调制器2的RF端口，高频信号的电场加到了免偏置控制铌酸锂电光调制器2的一个臂上，引起该臂的光的速度的改变，如图2所示，免偏置控制铌酸锂电光调制器2的输出光强也随着改变，从而将高频信号的高频电压的幅度变化转变成光强度的变化，完成了调制过程。免偏置控制铌酸锂电光调制器2的频率响应很高，用于光通信的可到40GHz，甚至100GHz，用于本模拟信号转换的仅仅要求1GHz。

本发明采用分光器将电光转换后的被测信号分成两部分，一路被延迟的光作为观察信号，另一路作为触发信号。两路之间的时间差提供了事故前的记录窗口。

下面描述仿真实验结果，实验过程采用JDSU无偏置调制器锁在线性工作点，采用SRSDS345任意信号发生器(30MHz)产生模拟衰减震荡波形，高频部分用HP8082A产生4ns上升沿的方波测试。

如图3、图4和图5所示的输入50Hz正弦波的实验，纵坐标为电压，横坐标为的2500采样点，总采样时间为50ms。

如图6、图7和图8所示的输入衰减信号实验，纵坐标为电压，横坐标为500采样点，总采样为50μs。

如图9、图10和图11所示的输入方波实验，纵坐标为电压，横坐标为2500采样点，从采样周期为250ns，方波上升时间为4ns。

实验结果显示本发明的信号保真度及频率响应，无失真地显示4ns的上升沿，系统的频响需在750MHz以上。幅度的误差在模数转换误差之内。

Claims (4)

1.一种无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，其特征在于，包括DFB激光器、免偏置控制铌酸锂电光调制器、分光器、第一光电接收器和第二光电接收器，所述DFB激光器与所述免偏置控制铌酸锂电光调制器之间通过保偏光纤连接，所述免偏置控制铌酸锂电光调制器和所述分光器之间通过光纤连接；所述分光器设有两路输出端口，一路输出端口通过光纤与所述第一光电接收器连接，另一路输出端口通过延迟光纤与所述第二光电接收器连接。

2.根据权利要求1所述的无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，其特征在于，所述免偏置控制铌酸锂电光调制器设有RF端口，所述RF端口连接有阻抗匹配器；所述分光器的分光比例是50∶50。

3.根据权利要求2所述的无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，其特征在于，所述DFB激光器连接有温度控制器和电流驱动器。

4.根据权利要求3所述的无源瞬态模拟信号捕获及电光光电转换器，其特征在于，所述阻抗匹配器为50ohm阻抗匹配器。