CN109752581A

CN109752581A - 偏振检偏式闭环全光纤电流互感器

Info

Publication number: CN109752581A
Application number: CN201910194734.0A
Authority: CN
Inventors: 刘泽; 薛挺
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109752581B

Abstract

本发明提供了一种偏振检偏式闭环全光纤电流互感器。包括：宽带光源、探测器、保偏光纤分束偏振器、相位调制器、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器和控制电路。宽带光源发出宽谱光给保偏光纤分束偏振器，保偏光纤分束偏振器输出光波给相位调制器和λ/4波片，λ/4波片将偏振光分解为左旋圆和右旋圆偏振光并传输给传感光纤。传感光纤内的电流产生的磁场通过法拉第效应引起光波偏振态旋转，在传感光纤的末端经反射镜反射的偏振光经过λ/4波片后合成为线偏振光，通过探测器和控制电路检测检偏处理后的线偏振光的光功率，得到数字信号，并数字信号作为开环数字量反馈给相位调制器，以实现闭环反馈。本发明可以实现大动态范围、高精度、高稳定的电流检测。

Description

偏振检偏式闭环全光纤电流互感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种偏振检偏式闭环全光纤电流互感器。

背景技术

与传统的电磁式互感器相比，光纤电流互感器具有如下优势；安全优势：绝缘结构简单，绿色环保、无爆炸、无油气、无SF6、无二次开路危险；成本优势：220kV以上时，采用光纤，大幅降低绝缘成本；性能优势：体积小，重量轻；动态范围大，可测交流/直流，无磁饱和，频带响应宽，抗干扰能力强，适合数字化输出；光纤电流互感器适应国家智能电网发展规划要求。

根据采用2种不同光学相位调制器的不同工作机理，目前有2种光纤电流互感器的光路结构方案：

第一种光路结构方案：现有技术中的一种采用集成光学多功能相位调制器MIOC为核心的Sagnac干涉型光学结构如图1所示。该方案的优点为：基于Sagnac干涉仪的光纤陀螺工作原理，理论成熟；缺点为：光学结构插入损耗大，温度、振动等环境因素会影响系统性能。

如下是已有的采用相位调制器方案的光纤电流互感器的专利列表。

除了No.15专利“反射式全光纤电流互感器”，申请号201320439007.4，解释了偏振器的功能为起偏与检偏外，其他所有专利中均错误地描述为光波在偏振片位置实现干涉。但是No.15专利中描述了激光器作为光源，而不是宽带光源，如SLD或者ASE光源，由此不可避免光纤中的非线性效应引起的误差；同时也没有正确的解释相位调制器用于控制光波偏振方向旋转功能。

如下是已有的描述光纤电流互感器的文章。

上述所有公开发表的参考文献，也均没有正确的理解相位调制器的功能。均错误地解释，在偏振片位置发生干涉；

上述现有技术中的专利与文献错误的物理现象解释，引入了错误的数学模型描述，从而导致了错误的结论以及错误的光学系统结构设计，从而也会引起电路与闭环控制软件中的严重的错误设计；最终的结果，是这种非常具有优势的光学结构不能实现工程应用。

对于采用相位调制器作为λ/2波片的偏振方向旋转开关光学结构的光纤电流互感器传感系统，对于光器件的需求如下：

1.光源必须是宽带；

2.系统需要保偏光纤分束，来保持光波的偏振特性。

3.偏振器的偏振消光比要求>60dB。

其中：光功率分束，通常采用传统的光纤耦合器，也有采用环形器方案，偏振分束器方案。但是，采用后2种方案存在不可克服的弱点：

1.光纤环形器存在弱点：由于工作机理限制，存在较大的波长相关损耗(WDL)，偏振相关损耗(PDL)。温度相关损耗(TDL)，以及各种损耗交叉影响，反而会大幅度降低系统的其他性能，如系统的线性以及系统的测量误差，所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦合器，而不采用光纤环形器；

2.偏振分/合束器存在弱点：工作机理：基于光波在双折射晶体中传播，偏离光轴方向传播，o光和e光走离，从而实现2偏振光束分开；或者采用格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜，偏振分束棱镜等实现2偏振光束分开。由于体积限制，商业的偏振分束器大多采用双折射晶体方案，由于光波传播限制，2偏振态光束在空间分离部分仍然有部分重叠，从而大幅降低性能，特别是用于模拟的光纤传感系统，不能达到偏振消光比>60dB。所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦合器，也不采用光纤偏振分/合束器。

3.与光纤环形器、偏振分/合束器相比，采用传统的光纤耦合器，包括保偏光纤耦合器，与光纤偏振器组合，能够获得相对较好的WDL，PDL，TDL，以及满足物理学客观规律的互易性，所以是传统方案的最佳选择。

4.传统光纤耦合器的弱点，参见已经授权本发明人的光学器件专利

No.	申请号	专利名称
			1	200920216913.1	2×2保偏光纤分束器
2	201520663325.8	2×2保偏光纤分束器

已有的光纤偏振器专利，

No.	专利名称	申请号
			1	晶体包裹型保偏光纤偏振器	02217755.8
2	微光学光纤偏振器	200420003467.3

以及目前的商业光学器件，均不能够实现偏振消光比>60dB。

发明内容

本发明的实施例提供了一种偏振检偏式闭环的全光纤电流互感器，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，包括：宽带光源、探测器、保偏光纤分束偏振器、相位调制器、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器和控制电路；

所述的宽带光源，用于发出宽谱光，将该宽谱光传输给保偏光纤分束偏振器；

所述的保偏光纤分束偏振器，用于将宽带光源输出光波的功率分束，并且实现起偏，该光波以45度角入射进入相位调制器；将从相位调制器返回的光波检偏，光功率分束，并且将入射到探测器的光功率实现二次检偏，使得被检偏光波的偏振消光比倍增；

所述的相位调制器，作为偏振方向旋转开关，用于将接收到的光波的偏振方向通过外加电信号旋转，将所输出的偏振光经过保偏光纤延迟线圈传输到λ/4波片；

所述的λ/4波片，用于将接收到的偏振光分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，将所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传输给传感光纤；

所述的传感光纤，用于当传感光纤内有电流流过时，则电流产生的磁场通过法拉第效应引起光波偏振态旋转，在传感光纤的末端经反射镜反射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过λ/4波片后，合成为线偏振光，所述线偏振光的偏振角度叠加了法拉第效应的电流感生磁场引起的偏转角度；所述线偏振光经过相位调制器再次回到保偏光纤分束偏振器，该保偏光纤分束偏振器对所述线偏振光进行检偏处理；

所述的探测器，用于检测所述保偏光纤分束偏振器检偏处理后的线偏振光的光功率，将光功率转换为电信号，将电信号输出给控制电路；

所述的控制电路，用于对所述探测器传输过来的电信号进行模数转换采样、数字滤波和解调处理，得到数字信号，将所述数字信号输出；并将所述数字信号作为开环数字量反馈给所述相位调制器，以实现闭环反馈。

优选地，当所述宽带光源为保偏光纤输出的SLD光源时，SLD光源的输出保偏尾纤与保偏光纤分束偏振器的输入保偏尾纤为0度或者90度对准，保偏光纤分束偏振器的起偏为单一偏振光；

当所述宽带光源为普通单模光纤输出的SLD光源或者ASE光源，单模光纤与保偏光纤分束偏振器的输入保偏尾纤的角度对准方向不限，保偏光纤分束偏振器实现起偏功能。

优选地，所述保偏光纤分束偏振器的保偏尾纤与所述相位调制器输入端的保偏尾纤以45度角熔接，将所述相位调制器作为可调节光波偏振方向的λ/2波片。

优选地，所述相位调制器的输出保偏尾纤与所述保偏光纤延迟线圈的保偏光纤的双折射主轴0度角对准熔接，所述保偏光纤延迟线圈的尾纤与λ/4波片的尾纤角度成45角，光波以45度角入射进入λ/4波片。

优选地，当传感光纤环有电流流过时，在保偏光纤分束偏振器输出的方波信号的每个半周期内进行采样，将相邻两个半周期的采样值相减得到光纤电流互感器的开环数字量，并将所述开环数字量反馈给所述相位调制器；

所述相位调制器根据所述开环数字量产生数字阶梯波，所述数字阶梯波与所述保偏光纤分束偏振器输出的方波信号同步叠加，所述数字阶梯波的持续时间等于光纤在保偏光纤延迟环中往返的传输时间。

优选地，所述保偏光纤分束偏振器的偏振消光比高于60dB。

优选地，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器，该铌酸锂相位调制器实现光波偏振面π/2偏转角度。

优选地，所述的方法还包括：

通过控制电路将电压V_π施加到用于偏振旋转开关的相位调制器上，光波偏转角以45度入射进入相位调制器，通过改变相位调制器的电压，改变光波的相位，实现调节相位调制器输出的光波的偏振角度，使得所述相位调制器实现可调节光波偏振方向的λ/2波片的功能；

实现光波偏振方向π弧度偏转的电压V_π的计算公式如下：

由可得：

因此实现π/2弧度偏转，需要施加的电压Vπ/2为

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器采用保偏光纤分束偏振器，并且采用相位调制器作为可调节λ/2波片的闭环控制方法，光学系统的插入损耗小；相位调制器输出后的光波偏振旋转，仅在1根光纤中完成，温度与振动稳定性好，更加有利于工程化应用。本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器中的保偏光纤分束偏振器的偏振消光比可以提高到>60dB，甚至可以高达80dB；从而可以把具有优势的光学设计实现实际的工程应用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种采用集成光学多功能相位调制器MIOC为核心的Sagnac干涉型光学结构图；

图2为本发明实施例提供的一种采用相位调制器作为λ/2波片的偏振方向旋转开关光学结构图；

图3为现有技术中的一种相位调制器上施加的方波调制电信号与输出的光信号响应示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例对于采用相位调制器方案的光纤电流互感器光学结构的实际物理背景解释如下：

1.光波的干涉仅存在于2个不同光纤合束到1根光纤中时，此时存在2个光波的模场分布空间位置不同，效果是产生光功率损失或者功率分离；在同一根光纤中传播的光波，光波模场分布空间位置相同，在不存在非线性效应情况下，即使存在非线性效应的前提下，物理机理中不会，也不可能发生干涉效应，即光功率不会损失或者分离；即使回到偏振片中，光波模场分布空间位置仍然相同，光功率不会损失，也不会产生干涉效应。

2.偏振片的真正的用途，就是传统起偏与检偏功能；光纤电流互感器的光学系统中所观察到的光功率损失，正是由于偏振片检偏所引起的。模拟光纤传感系统应用中，要求偏振消光比达到与MIOC调制器波导类似80dB，至少要求达到60dB以上，才能够抑制偏振误差，提高系统的信噪比，这是本发明实施例所要描述的核心内容；而目前的单个偏振片与器件基本不能达到60dB量级，达到80dB的偏振消光比更加困难；即使级联2个偏振片以提高偏振消光比，对准精度要求非常高<0.1°甚至更高；此外，偏振器的光纤与相位调制器光纤熔接的对准精度会大幅度降低所能够达到的偏振消光比。

3.相位调制器的真正的用途是：作为λ/2波片的偏振方向旋转开关的光学结构。输入光波以单一偏振态形势，与调制器波导的TE或TM模成45度角度入射；可以通过调节相位调制器的工作电压，以实现入射光波偏振态π/2弧度旋转；相位调制器的工作电压即为实现光波π/2弧度旋转所对应的电压。

与MIOC相位调制器的干涉方案相比，作为可调节λ/2波片的相位调制器的方案的优势在于：系统的插入损耗比MIOC方案小6dB，即MIOC后分束与合束各损失3dB，如果考虑器件的插入损耗，约7dB；相位调制器输出后的光波偏振旋转，仅在1根光纤中完成，温度与振动稳定性好，更加有利于工程化应用；理论上，可以不采用低双折射单模光纤，而仅采用普通的单模光纤；由此可以大幅度降低成本。

本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器涉及的内容包括：

1.采用保偏光纤分束偏振器；

2.对于光学系统提出要求偏振消光比达到60dB以上才能够工业使用；

3.这种光纤电流互感器光学结构的工作机理是利用法拉第磁光效应引起的光波偏振态的偏转，从而通过起偏与检偏来测量被测电流；

4.相位调制器作为可调节λ/2波片的偏振方向旋转开关的工作机理；

5.相位调制器作为可调节λ/2波片的偏振方向旋转开关的电压计算方法；

6.相位调制器作为可调节λ/2波片的偏振方向旋转开关的电流互感器闭环控制方法，可以实现大测量范围，高测量线性。

本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器采用基于相位调制器作为λ/2波片的偏振方向旋转开关光学结构，可以实现大动态范围、高精度、高稳定的交流、直流通用的电流检测功能。

采用可调节λ/2波片偏振方向旋转开关的相位调制器，利用法拉第磁光效应引起的光波偏振态的偏转，从而通过起偏与检偏来测量被测电流，其最根本的工作机理是光学起偏与检偏原理。

本发明实施例提供的一种采用相位调制器作为λ/2波片的偏振方向旋转开关光学结构如图2所示。光路方案的光学元件包括宽带光源、探测器、保偏光纤分束偏振器、相位调制器、保偏光纤、λ/4波片、传感光纤和反射镜。

光路熔接示意图描述如下：

1.采用SLD(Super Luminesent Diode，超辐射发光二极管)光源为宽带光源，从SLD光源发出的宽谱光首先经过保偏光纤分束偏振器，保偏光纤分束偏振器的起偏为单一偏振光；SLD光源的输出保偏尾纤与保偏光纤分束偏振器的输入保偏尾纤可以是0度，或者90度对准，以利用SLD光源的其中1个偏振模式。如果采用ASE(Amplified SpontaneousEmission，放大自发辐射)光源，由于ASE光源的偏振态是自然光，可以任意对准，输出也是稳定的单一偏振光；

2.保偏光纤分束偏振器的保偏尾纤与相位调制器输入端保偏尾纤以45度角熔接；保偏光纤分束偏振器输出的光波以45度角入射进入相位调制器。相位调制器将接收到的光波分解为正交的2束偏振光，其中相位调制器的功能作为可调节光波偏振方向的λ/2波片；

3.相位调制器的输出保偏尾纤与保偏光纤延迟线圈的保偏光纤的双折射主轴0度角对准熔接；相位调制器输出的偏振光传输到保偏光纤延迟线圈，保偏光纤延迟线圈再将偏振光传输到λ/4波片。

4.保偏光纤延迟线圈的尾纤与λ/4波片的尾纤角度成45角，光波以45度角入射进入λ/4波片，被分解为左旋与右旋2个相反方向旋转的圆偏振光。

5-1.λ/4波片输出的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进入低双折射传感光纤。

5-2.如果传感光纤内有电流流过，则电流产生的磁场通过法拉第效应引起光波偏振态旋转；

6-1.在传感光纤的末端经反射镜反射，左旋圆偏振光变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变为左旋圆偏振光。

6-2.在传感光纤内存在电流流过情况下，经过反射镜反射后，由电流产生磁场所引起的光波偏振态旋转角度倍增。

7.经反射镜返回的2个左旋与右旋的圆偏振光经过λ/4波片后，再次合成单一偏振角度的线偏振光，但是角度叠加了法拉第效应的电流感生磁场引起的偏转角度；

8.因此，线偏振光反向入射到相位调制器的角度，为45度角叠加了电流感生磁场所引起的偏振角度变化；

9.线偏振光最后回到保偏光纤分束偏振器：

9-1.由于传感光纤中存在电流流过，光波会产生偏振旋转，

9-2.光波经过偏振器检偏后，

9-3.再经过部分反射镜反射，

9-4.再次经过偏振器检偏，检偏效果倍增；

10.最后回到探测器，探测器检测检偏后的光功率，转换为电信号输出到控制电路；

11.由控制电路模数转换采样，然后输入控制器软件进行数字滤波处理，进行解调，解调后的电信号用于控制调制器相位电压，以实现闭环反馈，另外同时输出数字信号。

其中，光波两次经过保偏光纤分束偏振器，每次都有一个固有的3dB损耗；相位调制器插入损耗～4dB；保偏光纤分束偏振器附加损耗约1dB，整个光路结构的固有光学插入损耗约15dB。

2.光纤电流互感器的闭环控制方法：

2.1根据法拉第磁光效应与马吕斯定律，当施加方波偏置调制时，FOCT的输出响应为：

I(t)＝I₀cos²[Δφ_f+φ(t)]

式中:φ_f为电流感生磁场引起的相移，Δφ_f＝4VNI，V是光纤的Verdet常数，I是电流，N是传感光纤旋绕在电流电缆上面的圈数。

φ(t)为相位调制器上施加的幅值为V_π/4、频率为1/2T(往返保偏光纤延迟环本征频率)的方波偏置调制信号。

图3为现有技术中的一种相位调制器上施加的方波调制电信号与输出的光信号响应示意图，如图3所示，传感光纤环中无电流流过时，输出是一条直线(非理想情况下常含有2倍本征频率的误差脉冲)。

当传感光纤环有电流流过时，法拉第效应导致光波的偏振面发生旋转，在偏振器处检偏，最终表现出工作点移动，输出变成一个与调制方波同频的方波信号。

在方波输出信号的每个半周期内进行采样，相邻两个半周期的采样值相减给出光纤电流互感器的开环数字量，可表示为：

V_Out＝Gsin²φ_s

式中:G为与输出光强、电路增益等有关的常数。

闭环状态下，反馈回路产生一数字阶梯波与方波调制信号同步叠加，阶梯的持续时间等于光纤在保偏光纤延迟环中往返的传输时间；

阶梯高度Δφf用来闭环处理时，用来抵消电流产生磁场所引起的偏振旋转的相位偏差，此时FOCT经解调后输出的电压为：

V_Out＝Gsin²(φ_s+φ_τ)

只要借助于软件程序控制反馈回路，使探测器接收到的正负半周的电压差V_Out＝0，就能使FOCT工作在闭环状态。这种全数字处理技术实际上是利用可编程逻辑单元及其外围电路将数字解调与数字闭环反馈结合在一起。由于采样是在方波信号的每个半周期内进行相邻两个半周期的采样值相减给出FOCT的开环数字量，反馈回路路根据该数字量产生适当的相位阶梯，从而避免相位调制器的温度稳定性问题和模拟解调中电子线路引起的漂移，大幅度提高了FOCT的动态范围和标度因数的线性度。并且可以满足高精度、高稳定的交流、直流通用检测功能。

3.保偏光纤分束偏振器的偏振消光比必须高于60dB

由于探测器输出的是Veldert相移的多值函数，对应着±π/2相移，闭环FOCT的最大测量范围是：

最小测量极限受到探测器光子散粒噪声限制，通常约1μrad；

闭环光纤电流互感器的测量范围：1微弧度～π/2弧度，～60dB动态范围。

FOCT的输出响应为

I(t)＝I₀cos²[Δφ_f+φ(t)]～I₀·cos[2·(Δφ_f+φ(t))+1]/2

Δφ_f的范围为±π/2，2Δφ_f的范围为±π/；

消光比为光强的微分，

由此确定偏振片的综合偏振消光比必须高于60dB，才能够提高微小电流测量时的性能指标。

另外，由于保偏光纤的偏振保持功能限制，以及输出耦合对准角度限制，即使所测量到器件的偏振消光比在20～30dB范围，由于本发明所采用的保偏光纤分束偏振器具有非常巧妙的设计，也完全可以满足实际使用要求。

上述保偏光纤分束偏振器是一种实现光功率分束，并且集成光学偏振片，同时实现起偏或检偏功能的光纤无源光器件，特别是一种可以保持光波偏振态的2×2保偏光纤分束偏振器。

上述保偏光纤分束偏振器集成了光纤器件的分束与偏振(起偏或检偏)的功能，即在实现光功率分束的同时，也实现了光波的偏振方向单一偏振态选择或者检偏的功能。

上述保偏光纤分束偏振器可以让光波往返通过同一个偏振片2次，而毋需采用2个偏振片，更加不用对准2个偏振片的角度，简化生产组装工艺，可以非常容易地实现偏振消光比倍增。

上述保偏光纤分束偏振器继承了保偏光纤分束器工艺简单，稳定，性能可靠；输入输出光纤与相连接光纤类型相同，工作波长范围宽，成品率高，插入损耗小，工作温度范围宽，总长度较短的优点，并且可以解决在保偏光纤应力轴需要以特定角度对准的光路中熔接难度高的问题。

4.铌酸锂相位调制器实现光波偏振面π/2偏转角度的电压计算方法：

对于X切Y传的铌酸锂晶体(也可以是其他电光晶体材料，或者半导体材料，能够实现双偏振态光波通过并且实现相位调制功能的材料)，TE(横电)模的半波电压V_π(TE)，TM(横磁)模的半波电压V_π(TM)；TE模对应的e光，利用的电光系数分量为γ₃₃；TM模对应的o光，利用的电光系数分量为γ₁₃；均是铌酸锂晶体Z轴方向电场分量引起折射率变化：

其中n_o与n_e分别是o光与e光的折射率；Γ_TE和Γ_TM分别为Z方向电场与TE模或TM模的互作用的重叠积分。

对于波长为λ＝1310nm，有

1	n<sub>o</sub>＝2.2218	n<sub>e</sub>＝2.14502	(n<sub>e</sub>/n<sub>o</sub>)<sup>3</sup>＝0.90
				2	γ<sub>13</sub>＝8.39	γ<sub>33</sub>＝28.8	γ<sub>33</sub>/γ<sub>13</sub>＝3.43
3	Γ<sub>TM</sub>＝0.48	Γ<sub>TE</sub>＝0.56	Γ<sub>TE</sub>/Γ<sub>TM</sub>＝1.15

则有理论计算得：实际测量得因此在系统测量误差范围内，选择其中，是TE模的半波电压，是TM模的半波电压。

由于λ/2波片可使线偏振光振动面转过2倍夹角的角度，实现光波偏振方向2π弧度偏转的电压V_π为：

理论计算：实际测量

在系统测量误差范围内，选择

得到：

因此实现π/2弧度偏转，需要施加的电压V_π/2为

如果则有V_π/2＝3.3V

见图2，通过控制电路将电压V_π施加到用于偏振旋转开关的相位调制器上。光波偏转角以45度入射进入相位调制器，通过改变相位调制器的电压，改变光波的相位，即可调节相位调制器输出的光波的偏振角度，实现可调节λ/2波片的功能，就是本发明实施例中的相位调制器的的偏振旋转开关的功能。

综上所述，本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器采用保偏光纤分束偏振器，并且采用相位调制器作为可调节1/2波片的闭环控制方法，光学系统的插入损耗小；相位调制器输出后的光波偏振旋转，仅在1根光纤中完成，温度与振动稳定性好，更加有利于工程化应用。本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器中的保偏光纤分束偏振器的偏振消光比可以提高到>60dB，甚至可以高达80dB；从而可以把具有优势的光学设计实现实际的工程应用。克服了传统保偏光纤耦合器存在的具有较大偏振相关损耗PDL的弱点，可以提高系统的最小测量电流精度(3～5倍)，可以实现大动态范围、高精度、高稳定的交流、直流通用的电流检测功能。

本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器克服了采用传统光纤耦合器存在的波长相关损耗WDL、温度相关损耗TDL的弱点。本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器的光路组装工艺简单，保偏光纤分束器的光纤类型与光源、相位调制器相同，不会存在这种问题；相位调制器作为可调节λ/2波片的偏振方向旋转开关的电流互感器闭环控制方法，可以实现大测量范围，高测量线性。

本发明实施例的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器可以提高系统可靠性，包括器件可靠性，以及光路熔接的可靠性。最终能够将具有优势的光学结构真正推向工业应用。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，包括：宽带光源、探测器、保偏光纤分束偏振器、相位调制器、λ/4波片、传感光纤、反射镜、探测器和控制电路；

2.根据权利要求1所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，当所述宽带光源为保偏光纤输出的SLD光源时，SLD光源的输出保偏尾纤与保偏光纤分束偏振器的输入保偏尾纤为0度或者90度对准，保偏光纤分束偏振器的起偏为单一偏振光；

3.根据权利要求1所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，所述保偏光纤分束偏振器的保偏尾纤与所述相位调制器输入端的保偏尾纤以45度角熔接，将所述相位调制器作为可调节光波偏振方向的λ/2波片。

4.根据权利要求1所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，所述相位调制器的输出保偏尾纤与所述保偏光纤延迟线圈的保偏光纤的双折射主轴0度角对准熔接，所述保偏光纤延迟线圈的尾纤与λ/4波片的尾纤角度成45角，光波以45度角入射进入λ/4波片。

5.根据权利要求1至4任一项所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，当传感光纤环有电流流过时，在保偏光纤分束偏振器输出的方波信号的每个半周期内进行采样，将相邻两个半周期的采样值相减得到光纤电流互感器的开环数字量，并将所述开环数字量反馈给所述相位调制器；

6.根据权利要求5所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，所述保偏光纤分束偏振器的偏振消光比高于60dB。

7.根据权利要求6所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，所述相位调制器为铌酸锂相位调制器，该铌酸锂相位调制器实现光波偏振面π/2偏转角度。

8.根据权利要求1至7任一项所述的偏振检偏式闭环全光纤电流互感器，其特征在于，所述的方法还包括：

实现光波偏振方向π弧度偏转的电压V_π的计算公式如下：

由可得：

因此实现π/2弧度偏转，需要施加的电压Vπ/2为