CN105992934B - 干涉测定传感器 - Google Patents
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Abstract
提供一种干涉测定传感器和相关方法，具有：感测元件，由此，被测对象在两个波之间引起相对相移；至少一个检测器，其测量两个波之间的干扰信号，并且还包含：相移检测单元，具有干扰信号作为输入并且确定代表相对相移的主值
的第一测量；以及对比度检测单元，具有干扰信号作为输入用于确定代表两个波之间的互相关的第二测量(A,12),以及还包括用于将第一和第二测量转换为被测对象值（x）的处理单元。
Description
技术领域
本发明涉及诸如电光电压传感器(特别是对于DC电压)或者光纤电流传感器(FOCS)的干涉测定传感器，其中，待测量的参数中的变化与两个波之间的相对相移有关。
背景技术
已知依赖两个波、通常为波的两个正交偏振模式之间的干扰的传感器，并且其被用于范围广泛的技术领域中。这些传感器的检测器信号有关两个波之间的相对相移φ的余弦。因此，φ和±φ+2nπ(n是整数，本文还称作周期计数器)的相移产生相同的干扰输出，并且因此，不能够相互区分。因此，相对相移的明确的测量范围被限制到[0,π]的范围。
例如，由锗酸铋(Bi4Ge3O12、或者BGO)晶体（其中其[001]晶轴沿着波的光路取向）组成的电光DC电压传感器(也参见参考文献[1]用于另外细节)对于在1310 nm的光波具有约75 kV的对应π电压或者明确的测量范围。
虽然符号歧义性(在
与
之间)能够如例如在参考文献[2]中所描述地那样通过将两个偏振测定信号与(静态)相对相偏(优选地为π/2，称作正交信号)相组合来去除，但是(
与
之间的)周期方面（periodwise）的歧义性是所有干涉测定测量的固有问题。
对于相移的相对测量而言，测量范围能够通过条纹计数、零计数或者类似的历史跟踪技术来扩展。在AC电压测量中，因此能够通过将正交偏振测定信号组合并且使用由AC电压围绕零连续震荡的事实所促进的零计数(参见参考文献[2-4])，将测量范围扩展至π电压的许多倍。然而，对于其中历史信息是不可用的或者不可靠的绝对测量，周期方面的歧义性是真正的问题并且对可实现的测量范围放置基本的限制。由于振荡波形的不存在并且因而零参考的缺乏，尤其对于DC电压或DC电流测量，情况是这样。此外，后者使得难以将电压或电流漂移与诸如变化光学损耗、应力引起双折射等的效应加以区分。参见参考文献[5]，已经尝试通过对所应用的电压进行斩波来解决漂移问题，但是这类解决方案不易适合HV应用。
电光电压传感器也能够使用如例如[6]中所述的调制相位检测(MPD)技术来构建。它一般在非交互相位调制方案中实现，并且通常用于光纤陀螺仪和光纤电流传感器中，参见参考文献[7、8]。交互MPD传感器具有优良相位精度和DC稳定性。共同拥有的专利US7911196 (本文中引用为参考文献[9])描述一种结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子器件的电压传感器。周期方面的歧义性仍然是这种技术中的局限性，并且因此如所述传感器也只能够测量-π与+π之间的DC电光相移
。具有横向配置电压单元的类似系统能够见于参考文献[10]中。
已努力将干涉测量的明确测量范围扩展到2π之外。专利申请WO9805975A1[11]和EP1179735A1[12]两者提出了例如使用尤其是电压或者电流测量中的两个不同的光学波长。因为如由被测对象引起的光学相移取决于波长，在两个波长测量的干涉测定信号通常具有作为被测对象的函数的不同的周期性。因此，由在两个波长的检测器读数组成的测量的值对不具有对于被测对象的简单周期相关性，并且因此能够被用来在大范围中明确分配被测对象值。还能够使用3个或多个的波长(参见参考文献[12])，提供消除所有的剩余歧义点的另外优点。然而，二波长(或者多波长)方法要求在不同波长的至少2组光源和检测器，这显著增加复杂性并且可能降低传感器系统的可靠性。
在干涉测量的另一个方法中，使用低相干光。与由用于常规干涉仪的相干激光源发射的单色辐射相对，这种辐射囊括相对宽的带宽(有时称为白光)。因此，与带宽成反比的低相干光的相干时间是相对短的，仅等于少数光学周期。低相干光源被广泛用于许多光纤传感器，尤其是由许多不同部分、组件和接口组成的传感器，主要用来在时间上将干扰波局部化并且从不期望的后向散射和交叉耦合消除寄生干扰。相同的想法也如在[13]描述的相干复用的传感器系统中进行了探索，其中，基于其非重叠的相干时间来组合并且分离多个信号。
窄相干峰值提供了对于干涉测定测量的自然绝对参考。一个最早对传感器应用采用该原理的尝试出现在参考文献[14]中，并且第一个充分开发的位置传感器在参考文献[15]和US4596466[16]中证明。已开发了使用相同原理的多个低相干干扰传感器来测量物理量，例如压力( [17])、温度( [18，19])等。通常在这些系统中，远程感测干涉仪光学串联连接至本地参考干涉仪。随着本地干涉仪(如例如参考文献[20]中描述的机械地或者电子地)被扫描，低相干光产生一包白光干涉条纹，并且该包的中心条纹提供对于两个干涉仪之间相移的精确复制和锁定的绝对参考，使得在中断之后不应该发生"零遗忘"。同时询问本地干涉仪，例如采用另一个单色光通过条纹计数来测量传输的相移。应该注意的是，对于使用如上所述的低相干光源的所有技术，低相干光用来明确地将干扰信号从一个干涉仪传输到另一个，并且通过常规的条纹计数部件在参考干涉仪中执行相位测量。
还已知称作光学相干域反射法的相关的光学测距技术，参见参考文献[21,22]。该技术扫描延迟线并且检测白光干涉条纹，以便从各种接口测量反射波的到达次数。它在1990年代早期被商业化，并且在该领域获得广泛使用。相同的概念能够扩展至表面压型（profiling）([23])，还扩展至生物样品中的横截面成像，在所述情况下已出现了称作光学相干断层扫描(OCT)([24])的整个领域，其在生物诊断中变得非常强大的工具。这些技术对于样品特性使用反射的或者散射的白光干扰条纹。对于这些技术，使用的波的相移通常不是感兴趣的参数。
代替在被称为时域的方法中扫描延迟来获得白光干扰条纹，在所谓的频域方法中，能够备选地使检测波长变化，并且以固定的非零延迟来测量频谱。在这种情况下，测量含有许多频谱条纹的调制的频谱。频域白光干涉仪含有与时域对应物基本相同的信息，并且能够通过光谱仪单步完成数据获取。它被广泛用于光学相干断层扫描研究[25]，但是也看到了一些传感器应用。
在美国专利5301010[26]中，白光干扰条纹对比度对物理量的相关性被明确用来测量那个量。在本专利中，使用双干涉仪设置并且参考干涉仪的一个臂中的反射器往返震荡，以记录给定的位置附近的多个白光干扰条纹。使用这些条纹的最大值和最小值的相对强度来计算给定路径长度处的干扰对比度的值，并且然后从该对比度值来推断被测对象。本专利还包含具有阶梯式反射镜的优选实施例，产生具有位于其间的测量点的两个移位的白光干扰条纹包。在本专利中，计算干扰对比度并且有意用于物理量的测量。然而，在该技术中不执行相位测量，并且要求通过多个干扰条纹的扫描来测量对比度。
WO 94/18523、WO 03/093759和US 2006/0158659描述还依赖于扫描宽带光的整个干扰条纹的干涉测定设置。
鉴于上文，将提供一种具有干涉测定传感器视为本发明的目的，传感器由两个波之间的相对相移代表的待测量的参数，其没有展现出周期方面的歧义。将对于测量DC参数的传感器去除周期方面的歧义视为本发明的特定目的，其在测量的时长期间不快速震荡。
DE1970121公开了一种干涉设置，其中，对比度参数被测量并且用来确定传感器温度，以校正测量信号。WO 2011/069558公开了一种干涉测定传感器，其在明确的测量范围中测量电流，并且另外，对比度参数被测量并且用来校准传感器信号。
发明内容
因此，根据本发明的第一方面，提供一种干涉测定传感器，其具有：感测元件，由此，被测对象引起两个波之间的相对相移；至少一个检测器，其测量两个波之间的干扰信号，并且还包含：相移检测单元，具有干扰信号作为输入并且确定代表相对相移的主值
的第一测量；以及对比度检测单元，具有干扰信号作为输入并且确定代表两个波之间的互相关(A)的第二测量，并且还有用于将第一和第二测量转换为被测对象值的处理单元。
术语“波”在这里按照字面的一般物理意义意味着包含在空间和时间传播的所有类型的振荡。波可以具有窄或宽频谱含量，可以是长久的或者在持续时间中受到限制，以及可由一个源生成或者从多个源综合。波的性质可以是机械(声)、电磁(光)的，或者具有任何其他类型。在下面描述中，使用光波作为示例来描述本发明。然后两个干扰波能够是例如光波的两个正交线性或圆偏振模式。
干扰中的两个波大体上能够从不同但互相(至少部分)相干的源发射。如果两个波是相同的波的副本，那么互相关函数(也称为互相干的程度)是讨论中的波的自相关函数(也称为自相干的程度)。
对于根据本发明的电压或者电场测量，感测元件能够包括电光晶体、结晶电光纤、极化光纤或者附连到压电元件的光纤或块状光学材料。对于根据本发明的力或者应变测量，感测元件能够包括光纤或者块状光学材料。对于根据本发明的光学磁场传感器或者电流传感器，感测元件能够包括光纤或者波导，其包含专业低双折射光纤、火石玻璃光纤或者自旋高双折射光纤；块状磁光材料，例如钇铁石榴石晶体或者熔融硅石玻璃块；或者附连到磁致伸缩元件的光纤、波导或者块状光学材料；或者其组合。
因为，互相关值随着两个波之间的相对组延迟(其又与其相对相移成比例)而改变，所以，不同的相移周期将会看到不同的互相关值。因此，使用代表互相关的检测的第二测量，传感器能够从如测量的相对相移去除周期歧义性。优选地，使用代表传感器的测量范围内的波的互相关函数的参数的预先确定的函数或者映射，将检测的第二测量值映射至周期计数器n，并且与代表相对相移的主值的检测的第一测量组合，确定对应的明确被测对象值。
一个或多个波的互相关(或者自相关)函数的幅度本身表示干扰对比度或者条纹可见性。各种方法能够被用来如所述地那样获得第一和第二测量，例如偏振测定方法或者调制相位检测方法。
由于互相关(或者自相关)与频谱之间的傅里叶变换关系，干扰中的波应该具有充分宽的频谱以在与目标测量范围相同宽度的范围中产生快速变化互相关(或者自相关)函数。频谱可以覆盖连续带，或者可以由多个不连接的带或者不连接的频谱线的组成。
静态组延迟偏置组件能够被用来调整相对组延迟的偏置，以将目标测量范围移位至对相对组延迟具有强烈并且单调相关性的互相关函数的部分。组延迟偏置组件在两个波之间的干扰点之前要串联传感媒介地插入。
在这里，如与互相关的变化相关的单词"快速"、"强烈"等具体意味着相邻的相移周期之间的互相关值中的差异足够大以由通过信号处理单元的第二测量检测解决，即，
，其中，
是
的测量的不确定性。不确定性
其中取决于光源功率和信号平均时间。
有利地，如果干扰信号的相对幅度在组延迟2π上变化了至少0.1%，即，
，其中A是"第二测量"，尤其是干扰信号的幅度，那么具有组延迟或者相移
的互相关的变化被认为是强烈变化。
传感器是特别优选为对于DC信号，并且更具体而言对于DC电压或者电场测量，尤其是对于媒介或者高电压应用的传感器。
本发明的另外方面涉及一种方法，其确定代表相对相移的主值的第一测量，以及确定代表两个波之间的互相关的第二测量，两个测量从经过感测元件的两个波的干扰信号导出，从而通过与被测对象的相互作用而在两个波之间引入相对相移，并且将第一和第二测量转换为被测对象值。互相关测量与相对相移的主值的组合的测量能够有利地被用来从相移测量去除周期歧义性，并且因此，能够大大增加干涉测定传感器的明确测量范围。
在下面的描述和附图中更详细描述本发明的上述和其他方面连同本发明的另外有利实施例和应用。
附图说明
图1A和1B图示供在本发明的示例中使用的函数或者映射；
图2图示供在本发明的示例中使用的偏振测定正交信号检测方案；
图3图示供在本发明的示例中使用的调制相位检测方案；
图4图示按照本发明的示例的向传感器引入组延迟偏置元件；
图5是按照本发明的示例的基于偏振测定正交信号检测方案的DC电压传感器；
图6是按照本发明的另一个示例的基于偏振测定正交信号检测方案的DC电压传感器；
图7A和7B是按照本发明的示例的基于使用反射配置的偏振测定正交信号检测方案的DC电压传感器；以及
图8和9是按照本发明的示例的基于相位调制信号检测方案的DC电压传感器。
参考符号列表
归一化的检测器信号11
干扰对比度12
相移的主值13
强烈变化的干扰对比度的区域14
波或者光源20
输入偏振器21
感测元件22
分束器23-1、23-2
四分之一波延迟器(QWR)24
输出偏振器25、25-1、25-2
波或者光学检测器41、26、26-1、26-2、26-3
相位调制器30
信号处理单元31
相移检测器31-1
对比度检测器31-2
组延迟移位元件40
偏振分束器65
反射光学器件70
偏振保持(PM)光纤80
45°接头81
准直器82、82'
法拉第旋转器83、83'。
具体实施方式
在下文中，正交偏振干涉仪的示例被用来描述用于本发明中的信号操控或者处理的步骤。应该注意，描述的示例的基本原则应用到另外遭受周期方面的歧义性的许多不同类型的干涉测定传感器。因此，其实际上能够应用到在实现或者解释中仅具有微小差异的、任何类型的干涉仪(迈克尔逊、马赫-曾德尔、法布里-珀罗、萨格纳克干涉仪等)。
通常，在干涉仪中，干扰后的光学检测器信号能够写为基本项和正弦项的总和，基本项与光源的输出功率成比例，正弦项随着如由被测对象影响的干扰波之间的相移
而变化。另外，非单色波的干扰对检测器信号进一步引入了有关波的时间相干的另外修改
。这在数学上能够表示为互相干或者场互相关函数的程度，其中相对组延迟
作为自变量。因此，典型的干扰测量的检测器信号能够笼统代表为：
其中I0代表由光源发射的总功率，
是在波的中心波长的相移，并且
是干扰对比度或者条纹可见性，其通常也定义并且测量为由其总和分割的相邻条纹最大和最小的差异。数学上，能够证明在非单色辐射的情况下，干扰对比度A代表两个干扰波的互相关函数或者互相干的程度的幅度。当波是相同波的副本时，A是讨论中的波的自相关函数或者自相干的程度。因此，传感器信号I(x)取决于相移
和互相关函数
，这两者都是被测对象x的函数。
检测器信号的典型行为在图1A和1B中使用了采用以1310 nm为中心的120 nmFWHM带宽的高斯频谱干扰光波的两个副本的示例示出。为了简洁起见，感测媒介被假定为是非色散的。
归一化的检测器信号被示出为：叠加有干扰对比度A(自相关函数)的，作为相对相移
的函数的震荡线11；作为以毫微微秒(fs)的相对组延迟
的函数的线12。后者形成检测器信号11的峰值上的包络曲线。在图1B中，震荡线13是相移的主值(在范围(-π,+π]内相移绝对值(mod)2π)并且线12另外是干扰对比度A。垂直虚线之间的区域14是适于明确测量相对相移
的7条纹宽的范围,具有干扰对比度A对于相对组延迟
的强烈的单调相关性。
维纳-辛钦定理陈述自相关函数是功率频谱的逆傅里叶变换。因此，宽带辐射也是低相干辐射，其自相关函数是窄函数，其中在其相干时间内其值从一个相周期到另一个相周期显著改变。自相关函数的部分（其中其对相对组延迟具有强烈的单调相关性）(例如，图1B中垂直虚线之间的区域14)是适当的明确测量范围，其中其宽度由频谱确定并且其偏移可由静态组延迟偏置组件控制。如果干扰中的波是正交线性偏振波，那么该静态组件能够是双折射晶体或者双折射光纤组件(诸如偏振保持光纤)；或者如果干扰中的波是正交圆形偏振波，那么能够是法拉第旋转器。组延迟偏置组件在两个波的干扰点之前要串联感测媒介地插入。
因此，假如相移主值
(
内
绝对值
)和干扰对比度被同时测量，那么在其中互相关函数对相对组延迟具有强烈的单调相关性的范围中(例如图1B的垂直虚线之间的区域14)，干扰对比度能够被用来将测量的相移主值分配至正确的周期，并且由此明确地确定相对相移的全值。换言之，干扰对比度能够被用于该范围中来明确地将周期计数器n分配至相移的主值，因为检测的相移主值13的每个周期在线12的单调部分内具有不同的干扰对比度值。
值得注意，仅干扰对比度测量
已经产生x的明确测量(如是在引用的美国专利5301010、参考文献[26]中使用)。然而，对比度测量的准确度通常不够高来实现被测对象x的充分精确的测量。使用本发明中描述的方法，干扰对比度
能够被用来从同时测量的相移主值
去除周期方面的歧义性，其具有对x高得多的灵敏度，并且因此更精确。
一个可能的程序如下：从测量的相移主值
计算测量范围内的相对相移
的所有可能的全值的列表，并且然后转换为对应的被测对象值
。然后，使用代表自相关函数A(x)的参数的预先确定的函数或者映射，确定对应的对比度值
并且与A的测量值进行比较。然后能够选择具有最小偏差
的n，来确定全相对相移
，并且因此确定被测对象值
。
应该注意，上述程序仅描述了示例，并且存在信号处理的其他可能的方式，例如基于2π周期将函数A(x)(线12)分割为值片段(segment)，或者首先将对比度测量转换为相移的对应的全值而非转换为被测对象x。然而，可能的方法共同具有干扰对比度(A)测量被用来提供x的粗糙但明确的测量，并且与明确但高精确的相移主值
测量组合，从而获得x的明确且高精确的测量。
同时测量相移主值
和干扰对比度A的任何方法能够用于实现本发明。接下来，提出这类方法的两个示例。
第一示例基于偏振测定方法，其中图2示出使用偏振测定正交检测的典型传感器的示意图，其中，静态光学相移偏置被引入在两个检测信道之间。如所示的组件是光源20、输入偏振器21、感测元件22(其在使用中将会暴露于被测对象)、第一分束器23-1、第二分束器23-2、四分之一波延迟器(QWR)24、第一输出偏振器25-1、第二输出偏振器25-2和3个光学功率检测器26-1,26-2,26-3。该波的束路径示出为一个或多个散列线。3个检测器连接至输出束路径：第一检测器26-1没有附接的偏振器，第二检测器26-2具有线性输出偏振器25-1，并且第三检测器26-3具有四分之一波延迟器24和线性输出偏振器25-2。在这3个检测器处测量的光学信号是分别高达一些比例常数：
其中I0代表由光源20发射的总功率，并且
是分束器23-1处的相对相移。
在信号处理单元31的第一部分(或者相移检测单元)31-1中，组合至少一些测量的信号来导出代表相移的主值的第一测量。在信号处理单元31的第二部分31-2(或者对比度检测单元)中，组合至少一些测量的信号来导出代表互相关或者自相关函数A的第二测量。为此，存在多个信号处理方式。例如，信号处理单元31能够以下面的方式形成矢量或者复变量Y：
能够进一步示出的是，如由图2所代表的检测方案没有准确的90°相位偏置(尽管是优选的)也工作，并且仅要求具有两个具有除了0°或者180°的某个已知的相对相位差的偏振测定信道。确实，如果例如具有检测器26-3的第三检测器信道具有附加的相位偏移
，那么复变量能够计算为：
其中Y的自变量和绝对值仍然产生相移主值和干扰对比度。在这种情况下，QWR元件24能够通过除了全波和半波延迟器以外的任何相位延迟器来替换。
测量I0的另一个选项能够具有在如由检测器26-2和26-3所代表的两个偏振测定检测器信道的至少一个中从偏振分束器(替换偏振器25-1或者25-2)测量两个反相输出的检测器。两个反相输出的总和然后将会产生总光功率I0。还要注意，在其中总光功率是已知的和/或保持恒定，或者能够容易经由电子装置或者通过使用位于光学感测子系统之前的其他检测器来监控或控制的情况下，不需要I0测量。
作为同时测量相移主值和干扰对比度的方法的第二示例，图3示出使用有源相位调制方案的本发明的示例。示出的传感器使用调制相位检测(MPD)原理，通常实现在"非交互相位调制"方案并且通常被用于光纤陀螺仪和电流传感器中。如上文参考文献[9]引用的共同拥有的美国专利7911196描述例如结合电压感测元件（或者若干这类元件）、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子设备的电压传感器。重要的是注意，MPD技术先前仅被用来测量相移主值。但是如下文所示，相同的测量方案能够扩展至同时产生干扰对比度。
如图3所示的使用MPD检测方案的传感器的基本组件(并且对于具有相同或者类似功能的组件，在适当的情况下使用与图2相同的数字)是光源20、输入偏振器21、感测元件22(其在使用中会暴露于被测对象)、输出偏振器25和检测器26。该波的束路径示出为一个或多个虚线。双折射相位调制器30也包含在束路径中。相位调制器30和检测器26通过信号处理单元31耦合，用于执行如下面描述的信号分析。
双折射相位调制器30与感测媒介22光学串联连接，使得附加的光学相移调制β(t)能够增加至待测量的相移。检测器26在线性偏振器25之后测量调制的光学功率。调制的检测器信号能够写为：
其中I0代表源的总功率，
是没有附加调制的在中心波长处的相对相移，并且
是干扰对比度。
如在上文图2的示例中，信号处理单元31的第一部分(或者相移检测单元)31-1分析检测的信号I(t)，以导出代表相对相移
的相移主值
的第一测量；信号处理单元31的第二部分(或者对比度检测单元)31-2分析检测的信号I(t)，以导出代表互相关或者自相关函数A的第二测量。再次，存在不同信号调制和处理方案。在MPD方案的一个版本中，由相位调制器30施加正弦调制
。等式[4]的检测器信号能够以傅里叶展开被写为调制频率Ω的不同阶k的一系列谐波，即，
其中前3个谐波幅度Bk和相位
为
使用第一类Jk(β)的贝塞尔函数，谐波分量的符号能够通过将谐波分量的相位与激励波形的相位比较来确定。
能够从上文代表形成矢量或者复数，其允许从检测的谐波幅度Bk导出相移主值
和干扰对比度A。
优选调制幅度是β = 1.84拉德，其中J1(β)具有其第一最大数；另一个优选幅度是β = 2.63拉德，其中J1(β)和J2(β)是相等的。但是，大体上，对于用来工作的MPD方法，相位调制幅度β能够为任意小。此外，例如为了稳定幅度的目的，已知的是调制幅度β也能够从测量谐波幅度来计算。代替正弦调制，可使用其他波形、具体来说是方波调制。开环MPD信号处理的另外细节能够见于参考文献[6、27]。
如早期描述，适当的明确测量范围处于其中互相关函数
是单调的并且斜率
优选为尽可能大(即，最陡的点附近)的区内。在图1B中，该区示出为两个垂直虚线之间的区域14。并且为了保证传感器的目标测量范围落入该区中，有可能通过向与感测元件22串联的光路径插入(静态)组延迟偏置元件40来增加预确定的组延迟偏移，如图4所示。应该注意，组延迟偏置元件40能够插入到输入偏振器21与其中波干扰的点之间的任何点处。
如图4由一般检测单元41代表的检测方案能够是偏振测定方案或者如上述的MPD方案，或者同时检测相移主值和干扰对比度的任何其他检测方案。如已经结合图1B描述，应该选择静态元件40的组延迟偏置和光源20的相干时间，使得被测对象x的目标测量范围映射至包含在具有大斜率
的
函数的单调部分内的组延迟范围
。在传感器组件选择或者装配之后，能够对于特定传感器计算或校准干扰对比度函数
，并且可以对于在A与周期计数器n或者被测对象x之间的一对一转换保存在制表的或者函数形式中。
如上所提及，如描述的去除周期方面的歧义性能够应用到许多类型的干涉测定传感器。然而，由于缺少可比较的备选方案，其特别适合于扩展DC电场或者电压传感器的测量范围，如例如参考文献[1]中描述的。
在这些传感器中，低相干光源(例如SLED源、1310 nm的中心波长、40 nm的FWHM带宽)被用来产生干扰信号，其自相关从一个相周期到另一个相周期显著变化。电光晶体被用作感测媒介，以要测量的电压转换为晶体中正交偏振模式之间的相对相移。没有自然双折射的电光晶体(例如Bi4Ge3O12、BGO)是优选的。电光波导或者光纤也能够被用作电压感测媒介。BGO晶体(与[001]方向垂直切割)的端面电连接至提供电压降的电极。
因此，与现有技术中发现的一些传感器设计相比，跨感测晶体应用全电压(而非其一小部分)。电压应用在晶体的纵向方向上，因此，测量在该方向上的电场的路径积分(即，应用的电压)。因此，电压测量独立于晶体中的内部电荷再分布。
在电压的偏振测定检测器的示例中，图2和图4的元件被组合(并且因此在适当的情况下使用相同的数字)，如图5所图示。
图5示出其中感测元件被用于传输的扩展范围的DC电压传感器的设计。3个检测器信道26-1、26-2和26-3分别产生总光功率和两个正交偏振测定信号，如上所述(参见等式[2])。具有静态相对组延迟的双折射晶体(例如结晶石英波板)作为组延迟偏置元件40，插入在输入偏振器21与第二分束器23-2之间，如上所论述。使用组延迟偏置元件40是优选的，但如果待测量的电压的极性是已知的并且因此，测量范围中的图1A和1B中的曲线12的斜率的符号是已知的，那么可能不总是被需要。如果电压极性是未知的，那么双折射晶体40用来在两个极性扩展明确的测量范围。如果采用具有自然双折射的电光晶体作为生成期望的组延迟偏置的感测元件22，那么也可以省略双折射晶体。为了减小组延迟偏置的温度小相关性，组延迟偏置元件40可以是复合光学器件,由两个晶体(其具有平行光轴，如果其热双折射系数是相反符号的话，或者其具有交换光轴，如果其热双折射系数是相同的符号的话)串联制成。另外，能够测量组延迟偏置元件的温度，由此，其温度相关的组延迟和相移变化能够在信号处理中被补偿。
输入偏振器21和两个输出偏振器25-1和25-2的轴以±45°对准，而组延迟偏置元件40和QWR24的轴与感测元件22的电光轴平行对准。在该示例中，被测对象x是BGO晶体的端面之间应用的电压V，其中[001]晶轴在光波传播的方向上取向。优选地，分束器应该相对于电光晶体轴与其轴以45°对准，以便使两个偏振波可能从分束器经历的任何可能的相移相等。例如来自分束器或者来自电光晶体的残留自然双折射的任何残留系统相移能够通过校准表征并且去掉。还能够通过将两个BGO晶体串联组合，其中反平行[001]轴和x/y轴相对彼此旋转90°，从而减少如果存在的BGO的残留双折射。在该布置中，电光相移进行合计，而本征双折射取消，引起更好的零点稳定性。
在图6中，描述与图5类似的设备，其中利用如结合等式[2]上文已经描述地那样测量总功率的不同的方式。仅使用一个无双折射的分束器23-2，并且具有检测器26-1和26-2的两个检测器信道连接至偏振分束器60的两个反相输出。总光学功率由检测器26-1和26-2处的功率的总和给出，而检测器26-1(或者26-2)和检测器26-3构成一对正交偏振测定信道。
代替测量BGO晶体的输出端处的总光学功率，还能够监测光进入感测晶体之前的总光功率。甚至能够依赖光源20的内部监测器来跟踪功率变化或保持稳定的光学功率输出。然而，这类方案将不能够处理从光源到偏振测定检测器的路径中的光损耗变化，这在实际传感器中能够是重要的，尤其是如果光纤被用来将光从光源输送到感测晶体。
偏振测定电压传感器还能够以反射配置设计，其中，如由被测对象引起的电光相移将会加倍。图7A和7B示出了图示这种配置的示例，其中，反射光学器件70置于晶体的一端，并且所有其他光学元件位于另一端处。其他元件与参考上文图5时已经描述的元件相同或者类似。
反射光学器件70可以是平坦/弯曲反射镜、屋顶型反射镜、角锥棱镜反向反射器或者只是沉积在晶体端面上的反射薄膜涂层。反射光学器件处的反射应当理想地保存光的偏振状态，而没有旋转或偏振相关相移。来自反射的任何残留相移也能够通过校准来表征和去掉。优选地，光源和晶体的检测器端连接到地电位，并且反射器端连接到高压，以便将光源和检测器保持在地电位.
图8和9图示与MPD方案结合的扩展范围的DC电压传感器的示例。如上所述(参见等式[4'])，MPD方案是同时测量相移和干扰对比度的另一个方法。然而，透射配置中的基于MPD的电压传感器，与图3描绘的传感器的类似，不适合大多数实际应用，因为相位调制器30中的本征相移以及连接的偏振保持光纤通常对于温度和/或应力变化非常敏感。因此，透射的基于MPD的电压传感器的的输出容易受环境扰动影响。
另一方面，能够基于交互光学设计来设计健壮的MPD传感器，由此，两个干扰波在环路中对向传播(例如在光纤陀螺仪的情况下)，或者在具有交换的正交偏振的反射时折回(retrace)光路径(例如在反射光纤电流传感器的情况下)。在这类设计中，相位调制器的本征相移和互连的PM光纤沿着交互路径自动取消(并且因此，其温度相关性也一样)，而相位调制和被测对象引起的相移加倍。如在导言中已经解释的，这经常被称为"非交互相位调制"。
共同拥有的美国专利7911196(参考文献[9])描述结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器、MPD调制和检测电子设备的非交互相位调制电压传感器。由于相移的周期方面的歧义性问题，那个专利中的传感器仅能够明确地测量-π至+π范围的DC电光相移。然而，如上所示，除了相移以外，MPD信号处理方案还能够被扩展来也产生干扰对比度
。因此，在低相干光源的情况下，例如在US 7911196中描述的传感器能够被用来在扩展的范围中明确地测量DC电压，采用如本文描述的基于对比度的消歧方法和设备。
美国专利7911196中的所有实施例能够受益于本发明。为了证明本专利中的本发明如何能够扩展超出2π测量范围，对US 7911196中描述的示例的适当改编使用参考上文图3时已经描述的元件在图8中示出。在这里，低相干光源20和光电检测器26经由1x2光纤耦合器连接至感测元件22。光首先经过线性偏振器21，进入偏振保持(PM)光纤80，并且通过45°接头81耦合至光纤双折射相位调制器30的两个轴中。光然后耦合离开准直器82，经过45°法拉第旋转器83、组延迟偏置元件40并且进入感测元件22(沿着[001]轴的BGO晶体)，其的端电连接至电压供应V。晶体端面能够涂有透明的导电电极层。光被感测媒介22的远端处的反射光学器件70依次反射回到感测媒介、组延迟偏置元件、法拉第旋转器和PM光纤中。反射光学器件可以是平坦/弯曲反射镜、屋顶型反射镜、角锥棱镜反向反射器或者只是沉积在晶体端面上的反射薄膜涂层。在这个示例中,反射光学器件处的反射应当理想地保存光的偏振状态，而没有旋转或偏振相关相移。
充当静态组延迟偏置元件40的双折射晶体(诸如结晶石英波板)插入到法拉第旋转器83与反射光学器件70之间，以调整组延迟偏置，如上参考图1B时论述的。BGO晶体和双折射晶体的光学轴相对于PM光纤的轴以45°对准,从而通向准直器82。
由于交互路径中的的2次45°法拉第旋转，干扰正交偏振的波随着其重新进入PM光纤和双折射相位调制器30而交换其偏振，由此取消关联的本征相移并且消除其温度相关性。返回路径上的45°接头81和偏振器21允许偏振波的相干混合，并且光电检测器26测量所得到的光功率。
信号处理和控制单元31控制相位调制波形，并且测量光电检测器处的光功率。其例如根据等式[4']描述的程序来计算相移主值和干扰对比度。最终，相移主值和干扰对比度组合成产生电压的明确测量。
例如来自分束器或者反射光学器件或者来自BGO晶体的残留自然双折射的任何残留系统相移能够通过校准表征并且去掉。
图9示出环路配置，其中，图8的反射光学器件70采用Y型相位调制器30以及另一个组准直器82'和法拉第旋转器83'来替换。由于法拉第旋转器83和83'，波在两个对向传播方向上沿着感测媒介22的正交电光轴偏振，而其在PM光纤80中沿着相同的轴偏振。相对于图8的反射配置的优点在于：在光学组件的对准中存在更大的自由度，这可以简化从电光晶体回到PM光纤80的光耦合。图9设计的可能缺陷是组件的更大数量。
虽然上面示出和描述本发明的一些优选的实施例，但要理解,本发明不限于此，而是可以在下面的权利要求的范围内另外以不同方式体现并且实施。
虽然上述示例描述基于光学干涉仪的传感器，但应该领会,本发明能够应用于所有类型的干涉仪。例如，RF或者其他电磁辐射带中的干涉仪也能够受益于测量范围的相同的明确扩展。本发明也不限于电磁波。涉及波(无论它是声、密度还是其他类型的波)的任何干涉计也能够同样地获益。
低相干源能够是宽带宽的光源，或者是由在不同波长的多个源构成的组合源。其频谱的形状不重要。整个频带宽度的倒数应该在与传感器的期望的明确测量范围的宽度对应的组延迟跨度的相同阶。
虽然DC电压传感器的设计作为示例来描述，但本发明也能够容易应用于光纤电流传感器、光纤陀螺仪或者其他类型的干涉测定传感器。然而，对于覆盖其中绝对零参考不可用的大范围的任何DC干涉测定传感器是尤其有利的。
参考文献
Claims (26)
1.一种干涉测定传感器，包括：感测元件(22)，由此，被测对象在经过所述感测元件的两个波之间引起相对相移，其中所述感测元件是电压传感器并且所述被测对象是电压或电场强度，并且所述感测元件(22)内的所述相对相移响应于在其两个面之间应用的所述电压；至少一个检测器(41、26)，其测量所述两个波之间的干扰信号，并且还包括：相移检测单元(31-1)，其具有作为输入的所述干扰信号并且确定代表所述相对相移的主值 的第一测量；以及对比度检测单元(31-2)，其具有作为输入的所述干扰信号以用于确定代表所述两个波之间的互相关的第二测量，并且还包括用于将所述第一测量和所述第二测量转换为被测对象值的信号处理单元(31)，其中所述第二测量是有关所述干扰对比度或者条纹可见性的参数，其中干扰中的所述波具有充分宽频谱以在与目标测量范围相同宽度的范围中产生快速变化并且单调的互相关函数，并且其中使用代表所述互相关的所检测的第二测量，所述传感器从测量的所述相对相移去除周期歧义性。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述信号处理单元(31)将所述第二测量与代表跨所述传感器的测量范围的两个波之间的互相关函数的参数值的预先确定的函数或者映射进行匹配。
3.如权利要求1所述的传感器，其中所述信号处理单元(31)使用所述第二测量来确定周期计数器n。
4.如权利要求1所述的传感器，还包含生成两个波的一个或多个源(20)，所述两个波的互相关函数随所述传感器的所述测量范围内的所述两个波之间的相对组延迟强烈并且单调变化。
5.如权利要求1所述的传感器，其中
，其中A是所述第二测量，并且
是所述相移。
6.如权利要求1所述的传感器，其中所述两个波由相同的源(20)生成，由此，所述互相关函数是由所述源(20)生成的所述波的自相关函数。
7.如权利要求4所述的传感器，其中所述一个或多个源(20)具有覆盖连续带的频谱或者由多个不连接的带或者不连接的频谱线组成的频谱。
8.如权利要求1所述的传感器，还包含组延迟偏置元件(40)，其用来将所述传感器的所述测量范围移位到随所述两个波之间的相对组延迟的所述互相关函数的单调变化的区(14)中。
9.如权利要求2-7中的任一项所述的传感器，还包含组延迟偏置元件(40)，其用来将所述传感器的所述测量范围移位到随所述两个波之间的相对组延迟的所述互相关函数的单调变化的区(14)中。
10.如权利要求8所述的传感器，其中所述组延迟偏置元件(40)是双折射材料、偏振保持光纤或者其组合。
11.如权利要求10所述的传感器，其中所述双折射材料包括双折射波导。
12.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器的所述测量范围包含其中所述互相关函数关于组延迟的梯度具有最大值的区。
13.如权利要求2-8和10中的任一项所述的传感器，其中所述传感器的所述测量范围包含其中所述互相关函数关于组延迟的梯度具有最大值的区。
14.如权利要求1所述的传感器，还包括具有至少两个检测器(26-2、26-3)的至少两个干扰信道和所述干扰信道的至少一个中的至少一个静态光学相位偏置元件(24)，并且其中所述信号处理单元(31)将所述至少两个干扰信道的所述干扰信号组合，以形成所述第一测量和所述第二测量。
15.如权利要求2-8和10-12中的任一项所述的传感器，还包括具有至少两个检测器(26-2、26-3)的至少两个干扰信道和所述干扰信道的至少一个中的至少一个静态光学相位偏置元件(24)，并且其中所述信号处理单元(31)将所述至少两个干扰信道的所述干扰信号组合，以形成所述第一测量和所述第二测量。
16.如权利要求15所述的传感器，其中所述干扰信道之间的所述相位偏置差处于
内，其中i是包含零的整数。
17.如权利要求14和16中的任一项所述的传感器，还包括附加的信号信道，其中检测器(26-3)测量代表干扰之前的所述波的总功率的量，并且其中所述信号处理单元(31)将干扰信道信号和一个或多个附加的信道信号组合，以与总功率或者损耗变化无关地计算所述第一测量和所述第二测量。
18.如权利要求14和16中的任一项所述的传感器，还包括与所述干扰信道的任何干扰信道反相的至少一个附加的信道，并且其中所述信号处理单元(31)将干扰信道信号和一个或多个附加的信道信号组合，以与总功率或者损耗变化无关地计算所述第一测量和所述第二测量。
19.如权利要求2-8、10-12、14和16中的任一项所述的传感器，还包括：光学相位调制元件(30)，其向所述两个波之间的所述相对相移增加相位调制；以及至少一个检测器信道(26)，其用于测量干扰信号，并且其中所述信号处理单元(31)分析调制的干扰信号，以形成所述第一测量和所述第二测量。
20.如权利要求19所述的传感器，其中所述信号处理单元(31)工作在采用代表所述相对相移主值的反馈信号的闭环控制中。
21.如权利要求2-8、10-12、14和16中的任一项所述的传感器，其中所述两个波是光波。
22.如权利要求21所述的传感器，其中所述两个波是正交线性偏振光波或者左和右圆形偏振光波。
23.如权利要求21所述的传感器，包括：至少一个光源(20)；至少一个线性偏振器(21)；光学相位调制器(30)；具有
内的旋转角的法拉第旋转器(83、83')，k是整数；感测元件(22)；和反射光学器件(70)。
24.如权利要求21所述的传感器，其中所述感测元件(22)包括磁光材料或者光纤。
25.一种执行干扰测量的方法，包括以下步骤：
-生成至少两个波；
-确定代表所述两个波之间的互相关函数的参数值的函数或者映射；
-将感测元件(22)暴露于被测对象，所述被测对象是电压或电场强度，并且所述感测元件(22)内的相对相移响应于在其两个面之间应用的所述电压并且所述被测对象引起经过所述感测元件的所述两个波之间的所述相对相移，所述感测元件是电压传感器；
-使所述两个波干扰，其中干扰中的所述波具有充分宽频谱以在与目标测量范围相同宽度的范围中产生快速变化并且单调的互相关函数；
-同时对于所述被测对象的值确定代表所述相对相移的主值的第一测量和代表所述两个波之间的互相关的第二测量；以及
-将所述第一测量和所述第二测量与代表所述互相关函数的参数值的预先确定的函数或者映射组合，并且确定对应的被测对象值，其中代表所述两个波之间的所述互相关函数的所述第二测量是有关干扰对比度或者条纹可见性的参数并且其中使用代表所述互相关的所检测的第二测量，所述传感器从测量的所述相对相移去除周期歧义性。
26.如权利要求25所述的方法，其中代表所述互相关函数的参数值的所述函数或者所述映射用来将所述第二测量转换为周期计数器n。
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