CN107632211A - 一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统及方法，所述系统包括：激光信号源，用于输出波长能够连续调节的激光信号；起偏器，用于对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器；传感器，用于获取所述线偏振光的光功率信号；光电转换模块，用于将所述光功率信号转换为电压信号；调节控制模块，包括：调节单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等；计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
Description
技术领域
本发明涉及电场测量技术领域，并且更具体地，涉及一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统及方法。
背景技术
由于光电集成技术的发展以及其体积小、基本不含金属、对场源干扰小等特点，已有许多研究将其运用到测量电场领域中。如申请号为200610011963.7的专利申请，发明名称为一种用于强电场测量的光电集成传感器，其采用了马赫曾德尔干涉仪式光波导，其结构如图1所示，3是铌酸锂(LiNbO3)晶体，4是马赫曾德尔干涉仪式光波导(M-Z型光波导)，5是电极，6是天线。光波导两段是Y型分叉结构，中间互相平行，其中一支光波导的两侧附有两个电极和偶极子天线。M-Z型光波导电场传感器的传递函数为：
其中a与光电转换器转换系数、激光功率、光路损耗有关，b除了与上述因素有关还与光纤同波导的耦合情况有关。Eπ为半波电场与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关，E为待测电场，V为光电转换器的输出电压，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，其与晶体折射率、两支光波导长度差、激光波长有关：
由(1)式得出，当时，传感器的传递函数处于余弦函数的线性段，输出电压与待测电场关系近似为线性关系，测量系统的准确度和灵敏度都达到最大，如果静态工作点偏离π/2，传感器输出电压与待测电场不为线性关系，很难由输出电压解算出待测电场值，所以控制传感器的静态工作点为π/2至关重要。但是M-Z型光波导的静态工作点由于制作过程中存在误差难于精确控制在π/2，且铌酸锂静态材料制作成的光波导易受外界温度湿度等环境因素影响，静态工作点难以保持不变，造成电场测量不准确。此外，申请号为201310076620.9，发明名称为准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器的专利申请，以及申请号为201310571507.8，发明名称为一种自校正光电集成电场传感器系统的申请专利，虽然都带有传感器静态工作点反馈控制，但都是通过增加Y波导调制器来抵消传感器光波导静态工作点的偏差，并没有直接消除静态工作点的偏差，同时也增加了光路中的元件，增大光路复杂程度，加大光损耗，使得传感器灵敏度降低，系统响应时间增长。
综上所述，该已有技术的缺点是：静态工作点受到制作工艺水平限制以及外界环境因素影响难于精确控制在π/2，且目前的反馈控制方法为增加波导调制器来抵消静态工作点的偏差，没有从根本上控制静态工作点，也增加光路的复杂程度，加大光损耗，使得传感器灵敏度降低，系统响应时间增长。
发明内容
本发明提供了一种一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统及方法，以解决静态工作点难以保持不变，造成电场测量不准确的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统，所述系统包括：激光信号源、起偏器、传感器、光电转换模块和调节控制模块，
所述激光信号源，与所述起偏器的输入端相连接，用于输出波长能够连续调节的激光信号，并将所述激光信号输出至起偏器；
所述起偏器，与所述传感器的输入端相连接，用于对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器；
所述传感器，与所述光电转换模块的输入端相连接，用于获取所述线偏振光的光功率信号，并将所述光功率信号输出至光电转换模块；
所述光电转换模块，与所述调节控制模块相连接，用于将所述光功率信号转换为电压信号，并将所述电压信号的值输出至调节控制模块；
所述调节控制模块，与所述激光信号源的输入端相连接，所述调节控制模块包括：
调节单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等；
计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
优选地，其中所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
优选地，其中所述调节单元包括：
标准电压值存储子单元，用于对标准电压值进行存储；
比较结果获取子单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并将所述比较结果发送至控制子单元；
所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等。
优选地，其中
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
优选地，其中所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
优选地，其中
所述激光信号源与起偏器通过单模光纤相连接；
所述传感器与光电转换模块通过单模光纤相连接。
优选地，其中所述计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度，包括：
E＝kV+c (2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
根据本发明的另一个方面，提供了一种静态工作点可控制光电集成电场测量方法，所述方法包括：
利用激光信号源输出波长能够连续调节的激光信号；
利用起偏器对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器；
利用传感器获取所述线偏振光的光功率信号；
利用光电转换模块将所述光功率信号转换为电压信号；
利用调节控制模块将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等；
在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
优选地，其中所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
优选地，其中
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压信号的值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
优选地，其中所述根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
优选地，其中所述在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度包括：
E＝kV+c (2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
本发明提供的一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统，利用激光信号源、起偏器、传感器、光电转换模块和调节控制模块组成传感器静态工作点负反馈调节系统，将M-Z型光波导光电电场传感器的静态工作点控制在π/2，克服了制作工艺上的误差与外界温度湿度等环境因素对传感器静态工作点造成的影响，解决了M-Z型光波导的静态工作点难于控制的问题，使传感器工作在线性区，提高传感器的准确度和灵敏度。本发明解决了静态工作点难于控制的问题，并不引入抵消静态工作点偏差的调制器，系统结构简单，系统光损耗小、灵敏度高、响应时间快。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为M-Z型光波导传感器结构的示意图；
图2为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统200的结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统的示意图；以及
图4为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量方法400的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图2为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统200的结构示意图。如图2所示，本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统在传感器测量前，利用激光信号源、起偏器、传感器、光电转换模块和调节控制模块组成传感器静态工作点负反馈调节系统，将M-Z型光波导光电电场传感器的静态工作点控制在π/2，克服了制作工艺上的误差与外界温度湿度等环境因素对传感器静态工作点造成的影响，解决了M-Z型光波导的静态工作点难于控制的问题，使传感器工作在线性区，提高传感器的准确度和灵敏度。所述静态工作点可控制光电集成电场测量系统200包括：激光信号源201、起偏器202、传感器203、光电转换模块204和调节控制模块205。
优选地，所述激光信号源201，与所述起偏器的输入端相连接，用于输出波长能够连续调节的激光信号，并将所述激光信号输出至起偏器。
优选地，所述起偏器202，与所述传感器的输入端相连接，用于对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器。优选地，其中所述激光信号源与起偏器通过单模光纤相连接；
所述传感器与光电转换模块通过单模光纤相连接。
优选地，所述传感器203，与所述光电转换模块的输入端相连接，用于获取所述线偏振光的光功率信号，并将所述光功率信号输出至光电转换模块。优选地，其中所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
优选地，所述光电转换模块204，与所述调节控制模块相连接，用于将所述光功率信号转换为电压信号，并将所述电压信号的值输出至调节控制模块。
优选地，所述调节控制模块205，与所述激光信号源的输入端相连接，所述调节控制模块包括：调节单元2051和计算单元2052。
优选地，所述调节单元2051，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等。
优选地，其中所述调节单元包括：
标准电压值存储子单元，用于对标准电压值进行存储；
比较结果获取子单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并将所述比较结果发送至控制子单元；
所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等。优选地，其中所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
优选地，其中
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
优选地，所述计算单元2052，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。优选地，其中所述计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度，包括：
E＝kV+c (2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
以下具体举例说明本发明的实施方式
图3为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统的示意图。如图3所示，1是可调谐激光器，2是起偏器，3是铌酸锂(LiNbO3)晶体，4是马赫曾德尔干涉仪式光波导(M-Z型光波导)，5是电极，6是天线，7是传感器，8是光电转换器，9是处理电路与负反馈调节电路。
本发明实施方式中的可调谐激光源可使用苏州波弗光电科技有限公司提供的可调谐激光器(TWL-CL-R)，波长范围为：1530～1605nm；传感器7的结构为：在铌酸锂晶体3上用钛扩散的方法制作光波导4，并在一条光波导两侧用光刻法加工电极5和天线6；光电转换器可使用苏州波弗光电科技有限公司提供的平衡光电探测器(EXALOS),其接收光波长范围400～1700nm。
本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量系统包括：
可调谐激光器，用于产生波长可连续调节的激光，且受电路电压信号控制；起偏器，用于将激光器产生的激光转化为线偏振光，其通过单模光纤与激光器相连；
传感器，通过保偏光纤与起偏器相连，其光波导结构采用的是马赫曾德尔干涉仪式光波导，其内含有偶极子天线及电极，感应外界特定方向的待测电场信号，电场信号会改变光波导中光信号的相位，从而输出光功率发生改变，光功率大小与待测电场强度相对应，为余弦函数关系；
光电转换器，通过单模光纤接收传感器输出光信号，将光功率信号转化为电压信号；
处理电路，通过电缆线接收光电转换器输出的电压信号，用于存储传感器校准系数及电场强度的计算与显示；
激光波长调节电路，与处理电路在同一电路板上，包括：标准电压值存储单元、电压比较电路及激光调谐器波长控制电路，其工作原理为：将传感器静态工作点为π/2时的光电转换器输出电压值V＝a，存储在激光波长调节电路中。在校准传感器时，当激光波长调节电路接收到光电转换器输出的电压值与存储的标准电压值a不等时，波长控制电路会发出调节激光波长的控制信号，可调谐激光器的激光波长可连续变化，直到激光波长调节电路接收到光电转换器输出的电压值与存储的标准电压值a相等时，停止发出调节激光波长控制信号，可调谐激光器输出激光波长不再改变。此时传感器的静态工作点为π/2，传感器工作于线性工作区，其准确度和灵敏度达到最高。
传感器静态工作点负反馈调节系统，由可调谐激光器、传感器、光电转换器与激光波长调节电路组成，其工作原理为：由可调谐激光器产生激光，经过传感器调制后激光功率大小与传感器静态工作点成余弦函数关系，光电转换器将光功率转换为电压信号，给到激光波长调节电路，并与激光波长调节电路中存储的标准电压值进行比较，电压值不同则激光波长调节电路产生激光波长控制信号，控制可调谐激光器输出激光波长变化，从而导致传感器静态工作点变化，使传感器输出激光功率变化，光电转换器输出电压信号也随之变化，当其与激光波长调节电路中存储的标准电压值相等时，传感器静态工作点达到要求，激光波长调节电路停止产生激光波长控制信号，传感器静态工作点负反馈调节系统完成静态工作点调节。
本发明实施方式的的静态工作点可控制光电集成电场测量系统的工作原理是：
由可调谐激光器发出特定波长的激光经起偏器变为线偏振光，线偏振光经过保偏光纤耦合至传感器的M-Z型光波导中，在光波导的Y分叉处光信号分成两束等光功率光信号分别在两分支光波导中传播，当不存在外界电场时，由于两分支光波导不对称，使两光信号存在固有相位差当在Z轴方向存在外界电场时，其中一支光波导两侧附有两个电极和偶极子天线，感应Z轴方向电场信号，电场信号会改变这支光波导中光信号的相位，改变值为：两束光在两支光波导汇合处发生干涉，由于两束光存在相位差，输出光功率发生改变，光功率改变大小与待测电场强度相对应，当固有相位差电场改变相位值较小时，输出光功率大小与外界电场强度近似为线性关系；光电转换器通过单模光纤接收传感器输出的光信号，并转换为电压信号，电压信号值与光功率成正比即与外界电场强度成线性关系；处理电路通过电缆线接收光电转换器输出的电压信号，并通过存储的标定参数来计算待测电场值。
在校准和使用本发明传感器系统测量电场前，首先进行传感器静态工作点的控制，使传感器工作在线性区，提高传感器的准确度和灵敏度。
控制方法为：在传感器首次使用前，将传感器放置于E＝0V/m的环境下(可通过屏蔽的方法获得E＝0V/m的环境)，此时传感器传递函数如式(1)所示。通过调节激光器输入激光的波长，使传感器的静态工作点为π/2，此时光电转换器输出的电压值V＝a，将a值存储到激光波长调节电路的存储单元中。
在校准传感器时将传感器放置于E＝0V/m的环境下，当激光波长调节电路接收到光电转换器输出的电压值与之前存储的标准电压值a不等时，说明传感器的静态工作点偏离π/2，激光波长控制电路会发出调节激光波长的控制信号，结合式(1)与式(2)，可调谐激光器的波长控制原则为：当激光波长调节电路接收到的电压值大于标准电压值a时，表示传感器工作点小于π/2，此时波长应减小，来提高静态工作点；当激光波长调节电路接收到的电压值小于a时，表示传感器工作点大于π/2，此时波长应增大，来减小静态工作点。可调谐激光器的激光波长可连续变化，直到激光波长调节电路接收到光电转换器输出的电压值与存储的标准电压值a相等时，停止发出调节激光波长控制信号，可调谐激光器输出激光波长不再改变。此时传感器的静态工作点为π/2，传感器工作于线性工作区，其准确度和灵敏度达到最高。
然后对传感器进行校准，获得传递系数k和c，存储在处理电路中，在测量待测电场时，处理电路根据接收的光电转换器电压信号即可计算出待测电场强度，待测电场强度与光电转换器输出电压关系可表示为式(3)：
E＝kV+c (3)。
图4为根据本发明实施方式的静态工作点可控制光电集成电场测量方法400的流程图。如图3所示，所述静态工作点可控制光电集成电场测量方法400从步骤401处开始，在步骤401利用激光信号源输出波长能够连续调节的激光信号。
优选地，在步骤402利用起偏器对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器。
优选地，在步骤403利用传感器获取所述线偏振光的光功率信号。优选地，其中所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
优选地，在步骤404利用光电转换模块将所述光功率信号转换为电压信号。
优选地，在步骤405利用调节控制模块将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等。
优选地，其中
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压信号的值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
优选地，其中所述根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
优选地，在步骤406在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
优选地，其中所述在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度包括：
E＝kV+c (2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
本发明的实施例的静态工作点可控制光电集成电场测量方法400与本发明的另一个实施例的静态工作点可控制光电集成电场测量系统200相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (12)
1.一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统，其特征在于，所述系统包括：激光信号源、起偏器、传感器、光电转换模块和调节控制模块，所述激光信号源，与所述起偏器的输入端相连接，用于输出波长能够连续调节的激光信号，并将所述激光信号输出至起偏器；
所述起偏器，与所述传感器的输入端相连接，用于对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器；
所述传感器，与所述光电转换模块的输入端相连接，用于获取所述线偏振光的光功率信号，并将所述光功率信号输出至光电转换模块；
所述光电转换模块，与所述调节控制模块相连接，用于将所述光功率信号转换为电压信号，并将所述电压信号的值输出至调节控制模块；
所述调节控制模块，与所述激光信号源的输入端相连接，所述调节控制模块包括：
调节单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等；
计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节单元包括：
标准电压值存储子单元，用于对标准电压值进行存储；
比较结果获取子单元，用于将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并将所述比较结果发送至控制子单元；
所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制子单元，用于根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述激光信号源与起偏器通过单模光纤相连接；
所述传感器与光电转换模块通过单模光纤相连接。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算单元，用于在测量待测电场时，根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度，包括：
E＝kV+c(2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
8.一种静态工作点可控制光电集成电场测量方法，其特征在于，所述方法包括：
利用激光信号源输出波长能够连续调节的激光信号；
利用起偏器对所述激光信号进行处理，获取线偏振光，并通过保偏光纤将所述线偏振光耦合至传感器；
利用传感器获取所述线偏振光的光功率信号；
利用光电转换模块将所述光功率信号转换为电压信号；
利用调节控制模块将所述电压信号的值和预设的标准电压值进行比较，获取比较结果，并根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等；
在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述传感器为马赫曾德尔干涉仪式M-Z型光波导，所述M-Z型光波导包括：偶极子天线和电极，用于感应外界特定方向的待测电场信号。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
将传感器放置于电场强度为0的环境下，通过调节激光信号源输出的激光信号的波长，使传感器的静态工作点为π/2，并利用公式(1)计算此时光电转换模块输出的电压信号的值，并将所述电压信号的值作为标准电压值；
其中，a为计算因子1，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗有关；b为计算因子2，与光电转换模块的转换系数、激光信号功率、光路损耗和光纤同波导的耦合情况有关；Eπ为半波电场，与传感器晶体、天线和电极的结构尺寸有关；E为待测电场强度；V为光电转换模块输出的电压信号的值，V与E为余弦函数关系，为传感器的静态工作点，与晶体折射率、两支光波导长度差、激光信号波长有关。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述比较结果对所述激光信号源输出的激光信号的波长进行控制，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等，包括：
将传感器放置于电场强度为0的环境下，
当电压信号的值大于标准电压值时，减小激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2；
当电压信号的值大于标准电压值时，增大激光信号源的激光信号的波长，直至光电转换模块输出的电压信号的值与标准电压值相等时，停止发出调节激光信号波长控制信号，此时激光信号器输出的激光信号的波长不再改变，传感器的静态工作点为π/2。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在测量待测电场时，利用调节控制模块根据光电转换模块输出的电压信号的值计算待测电场强度包括：
E＝kV+c (2)
其中，E为待测电场强度；k和c为传递系数，通过对传感器进行校准获取所述k和c；V为光电转换模块输出的电压信号的值。
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| CN201710774300.9A CN107632211A (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种静态工作点可控制光电集成电场测量系统及方法 |
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