CN110554229B - 新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器。光路系统包括采用光纤顺次连接的光源、保偏耦合器A、Y波导、保偏耦合器B、保偏延迟光纤、45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导和反射镜。本发明利用铌酸锂波导的Pockels效应实现对被测电压电场的敏感。光路中，45°旋光镜之前采用保偏光纤连接，之后采用低偏光纤连接，以此保证参与干涉的两正交线偏振光在光路中经历相同的光程，实现光路的互易性。本全光纤互易型敏感光路，不追求某两段光纤等长，降低了系统对工艺的要求；其互易性保证了系统的测量精度和稳定性；其全光纤连接提高了系统的环境适应性及抗干扰能力。本发明还利用集成光学工艺技术对传感头进行了整体封装，提高了本发明的实用性。

Description

新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器

技术领域

本发明属于光学电压电场传感技术领域，具体涉及一种新型基于 Pockels效应的非介入式全光纤互易型电压电场传感器。

背景技术

以电力能量流和大数据智能化信息流为基础的全新一代电力系统在全球能源、交通、工业、军事等各个领域的全面推进，牵引了人类各领域的技术变革。在各领域的电气系统中，电压和电场测量均是系统电学参量测量的重要组成，对其的快速、准确、可靠测量直接影响各电气系统的稳定、可靠运行，因此，电压和电场的测量技术和测量设备也成为了各电气系统的关键技术支撑和核心基础设备。

在民用电力系统中，电磁式互感器和电容分压式互感器一直作为电压和电场测量的主流设备在广泛应用，但是由于其存在磁饱和、绝缘复杂、有爆炸、二次开路危险等固有缺点，且暂态性能和频率特性也已无法满足快速继电保护的需求，因此，随着电气系统容量的大幅增加和电压等级不断升高，传统的电磁式互感器和电容分压式互感器越来越无法适应电力系统发展的需要。在军用电力系统，特别是舰船这种空间有限的电力系统中，采用的是霍尔电压传感器进行电压测量，且在使用中为提高精度做了大量的措施。但是由于霍尔电压传感器的绝缘和抗干扰能力差，响应速度低，安装要求严格，这种测量方式只能用于稳态测量。此外，霍尔电压互感器无法测量高电压，极大的限制了舰船综合电力系统的更新升级。因此，新型电压电场精准测量技术成为了民用及军用电力系统电参量测量领域亟待解决的技术难题。

基于光学原理的非介入式电压电场测量技术，具有信号灵敏度高、动态范围大、暂态特性好、抗干扰能力强、绝缘特性好等优点，为电压电场测量领域的革命性换代解决方案，对推动各领域电力系统的发展具有重要的意义。

在近30年的研究中，基于光学原理的电压电场测量技术层出不穷，包括基于敏感晶体的Pockels效应、Kerr效应，基于压电材料的逆压电效应，以及光纤光栅技术等，其中，基于敏感晶体Pockels效应的光学电压电场互感器是目前的主流设计方案。在基于敏感晶体Pockels效应的光学电压电场互感器中，所采用的敏感晶体可以分为块状敏感晶体和集成光学型敏感晶体，其中块状敏感晶体的应用相对成熟。但是由于块状敏感晶体的极化现象、阈值限制等局限，其无法实现对直流电压电场参量的测量。而集成光学型敏感晶体是由刻蚀技术制成的光波导，其灵敏度高、光路简单、体积小，经特殊处理后可实现对直流电压电场的准确敏感测量。

现有技术的光学电压互感器的光路结构如图1所示。该光路结构采用的光纤全部为保偏光纤，为使参与干涉的两正交偏振光在光路中经过相同的光程，该技术要求测量光路和补偿光路的两段保偏光纤必须绝对相等，否则将导致最终发生干涉的两束光的相关性降低，甚至无法发生干涉。但是，现有工艺技术几乎无法保证这两段保偏光纤绝对相等，这就使得该技术介绍的理论光路结构难以实现应用。

为了降低图1所示光路结构的工艺要求，提高其实用性，现有技术对该光路结构的传感头进行了改进。其改进的主要内容为在铌酸锂波导的首端设置透镜，在铌酸锂波导的末端设置反射膜，如图2所示。也就是说，在改进的传感头中各光学器件不再利用光纤来连接，因而也就不用再追求两段保偏光纤的绝对相等。众所周知，光纤的主要优点是传输损耗低，而在此改进传感头的光路结构中，由于各光学器件不再利用光纤连接，器件前后间隙中的空气会导致光在器件间传输时产生较大的损耗，且此损耗会随环境的波动产生较大的变化，导致传感器性能的不稳定。此外，舍弃光纤也无法保证各光学器件在连接中的对轴准确，且光在光学器件的端面上会产生反射，这些都会影响测量结果的准确性，这些因素也限制了此种传感头的应用。

因此，亟需深入研究光学电压电场传感器光路结构的设计方案，优化其工艺性，提高其测量精度、稳定性、环境适应性和抗干扰能力，为推动光学电压电场传感器在各领域电力系统中的工程化应用奠定基础。

发明内容

本发明解决的技术问题为：针对现有光学电压电场传感器光路结构工艺复杂，稳定性、环境适应性及抗干扰能力差，不适于工程化应用等问题，基于利用铌酸锂波导的Pockels效应，提出了一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，提高了测量精度、稳定性、环境适应性和抗干扰能力，为推动光学电压电场传感器在各领域电力系统中的工程化应用奠定基础。

本发明的技术方案为：一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，包括：采用保偏光纤顺次连接的光源、保偏耦合器A、Y波导、保偏耦合器B、保偏延迟光纤和传感头；还包括探测器及信号处理模块；传感头中又包括：采用低偏光纤顺次连接的45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导和反射镜；

所述光源发射的偏振光经保偏耦合器A进行分光后，一部分到达Y 波导，另一部分经由保偏耦合器A的空头端舍弃；到达Y波导的光经Y 波导分光、起偏、调制后，由其双端的快轴或慢轴分别输出两束能量相等的线偏振光至保偏耦合器B；Y波导双端与保偏耦合器B同侧的两个端口分别90°对轴熔接和0°对轴熔接，形成90°熔接点和0°熔接点；

经保偏耦合器B对输入的两束线偏振光合光后，两等能量线偏振光以正交模式输出(即两正交线偏振光)至保偏延迟光纤，其中之一沿保偏延迟光纤快轴传输，另一沿保偏延迟光纤慢轴传输；经保偏延迟光纤后，两正交线偏振光进入45°旋光镜，旋转45°后由连接45°旋光镜和准直器的低偏光纤射出至准直器；经准直器准直，由连接准直器与铌酸锂波导的低偏光纤入射到铌酸锂波导；铌酸锂波导被置于外部两个电极之间，两个电极分别连接在外部电源的正负端，在两个电极之间形成被测电压电场；两正交线偏振光在铌酸锂波导中通过时，获得由被测电压电场引入的线性电光延迟相位；获得线性电光延迟相位的两正交线偏振光由铌酸锂波导射出后被反射镜反射，再次至铌酸锂波导，再次通过铌酸锂波导获得线性电光延迟相位，使累计获得的线性电光延迟相位加倍后送至准直器；经准直器后再次通过45°旋光镜，并沿同一方向再次旋转45°，两正交线偏振光累计旋转90°，发生偏振模式互换；偏振模式互换后的正交线偏振光再次经过保偏延迟光纤送至保偏耦合器B，由保偏耦合器B分光后分别经过90°熔接点和0°熔接点，由双端返回Y波导；在本光路结构中，当选择的是快轴Y波导时(即所述Y波导为快轴Y波导时)，则此时由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏；当选择的是慢轴Y波导时(即所述Y波导为慢轴Y波导时)，则此时由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏。发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器进行光电转换，即将干涉光的光强信号转换为探测器的输出电压信号，并将此输出电压信号送至信号处理模块，另一部分舍弃；由信号处理模块对探测器送来的输出电压信号进行检测(进行检测，优选包括对输出电压信号依次进行滤波、放大、解调、模数转换)，并输出与被测电压电场比例相关的数字信号(即输出模数转换后的数字信号)，实现对被测电压电场的准确测量。

优选的，光源采用宽谱保偏光源，光源发射的光为线偏振光。

优选的，保偏耦合器A，分光比为1:1；正向传输时，光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达Y波导，另一部分经由保偏耦合器A的空头端舍弃；反向传输时，发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器，另一部分舍弃。

优选的，Y波导，包括单端和双端，其单端和双端采用的光纤均为保偏光纤；Y波导分为快轴Y波导和慢轴Y波导，具体为：快轴Y波导会对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的快轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被消偏；慢轴Y 波导会对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的慢轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被消偏。

优选的，铌酸锂波导，具体为：以铌酸锂为基底，采用钛扩散技术制作，波导中心有一条由刻蚀技术制成的通光通路，两端分别与低偏光纤对轴耦合连接。在工作时，光信号沿通光的通路传输，铌酸锂波导置于外部两个电极之间，光信号进入铌酸锂波导时存在两个正交的偏振模式，由于Pockels效应，外加电压电场会使在铌酸锂波导中传输的两正交偏振模式产生线性电光延迟相位，即产生相位差，进而实现对被测电压电场的敏感。

优选的，外部电源为交直流电压源或交直流电场源。

优选的，发生偏振模式互换，具体为：沿保偏光纤传输的两正交线偏振光在旋转90°后，此前沿保偏光纤快轴传输的线偏振光旋转至沿保偏光纤慢轴传输，此前沿保偏光纤慢轴传输的线偏振光旋转至沿保偏光纤快轴传输。

优选的，信号处理模块，即为对探测器送来的输出电压信号进行处理和向Y波导发送控制信号的信号处理电路；具体为：探测器输出电压信号经由信号处理电路的滤波、放大、解调及模数转换后输出与被测电压电场比例相关的数字信号；同时再依据此数字信号，经由信号处理电路的数模转换对Y波导的调制相位进行调节，实现系统的闭环控制。

优选的，45°旋光镜之前所采用的连接光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后所采用的连接光纤为低偏光纤，以此来保证参与干涉的两正交线偏振光在光路系统中经历相同的光程，实现光路系统的互易性。

优选的，45°旋光镜之前所采用的连接光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后所采用的连接光纤为低偏光纤，以此来保证参与干涉的两正交线偏振光在光路系统中经历相同的光程，实现光路系统的互易性，具体为：在45°旋光镜之前的光路系统中，由于经过两次45°旋光镜，两正交线偏振光累计旋转90°，发生偏振模式互换，所以采用保偏光纤传输不会产生附加的光程差，且提高了光路系统的抗干扰能力。在45°旋光镜之后的光路系统中，两正交线偏振光不会发生偏振模式互换，由于低偏光纤无快轴、慢轴之分，两正交线偏振光在低偏光纤中的传输速度相等，为保证光路系统的互易性，因此选择低偏光纤作为此部分光路的连接光纤。

优选的，电压电场传感器为全光纤敏感光路系统，即所有光学元器件均由光纤连接，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的环境适应性及抗干扰能力。

优选的，传感头置于高压一次侧，传感头内仅包含45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导、反射镜及低偏光纤这些光学元器件，无需供能，实现了高压的非介入式测量，安全可靠性高，彻底解决了高压测量中绝缘性的难题。

优选的，利用集成光学工艺技术将45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导及反射镜之间的三段低偏光纤缩短至毫米级，并将这四个光学器件及三段低偏光纤整体封装，以缩小置于高压一次侧传感头的尺寸，提高本发明的实用性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用钛扩散铌酸锂材料作为敏感晶体，利用此集成光学型敏感晶体的Pockels效应作为敏感被测电压电场的原理，可实现对交直流电压电场的准确敏感测量；

(2)本发明在传感头中采用低偏光纤来连接各光学器件，使本发明设计的电压电场敏感光路具有天然的完全互易性，进而提高了光学电压电场传感器的测量精度和测量稳定性；

(3)本发明设计的光路对各光学器件间光纤的长度不做要求，不用追求做到两段光纤等长，降低了光路系统对工艺的要求；

(4)本发明设计的电压电场传感器为全光纤敏感光路，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的环境适应性及抗干扰能力；

(5)本发明在实际应用中，传感头置于高压一次侧，其内仅包含45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导、反射镜及连接这些光学器件的低偏光纤，无需供能，实现高压的非介入式测量，安全可靠性高；光路的其他部分及信号处理模块封装为电气单元置于二次侧；电气单元与传感头利用保偏光纤连接，由于光纤具有良好的绝缘性能，实现高压绝缘隔离。

(6)本发明45°旋光镜之前所采用的连接光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后所采用的连接光纤为低偏光纤，以此来保证参与干涉的两正交线偏振光在光路系统中经历相同的光程，实现光路系统的互易性。

附图说明

图1为现有技术的光学电压互感器光路结构示意图；

图2为现有技术改进的改进型传感头结构示意图；

图3为本发明光学电压电场传感器光路结构示意图；

图4为本发明铌酸锂集成光学型敏感晶体结构示意图；

图5为本发明光路系统中偏振光振动方向变换过程示意图：其中， (a1)为Y波导双端上分支中线偏振光的振动方向示意图；(a2)为Y 波导双端下分支中线偏振光的振动方向示意图；(b1)为经90°熔接点后偏振光的振动方向示意图；(b2)为经0°熔接点后偏振光的振动方向示意图；(c)为经保偏耦合器B合光后偏振光的振动方向示意图；(d)为经45°旋光镜后偏振光的振动方向示意图；(e)为光信号反向通过45°旋光镜后偏振光的振动方向示意图；(f1)为经保偏耦合器B分光后上分支中偏振光的振动方向示意图；(f2)为经保偏耦合器B分光后下分支中偏振光的振动方向示意图；(g1)为经90°熔接点后，Y波导双端上分支中偏振光的振动方向示意图；(g2)为经0°熔接点后，Y波导双端下分支中偏振光的振动方向示意图；(h)为双端光信号返回Y波导并合光后，偏振光的振动方向示意图；(i)为经Y波导消偏后，偏振光的振动方向示意图。

图6为本发明整体封装型传感头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明公开了一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，包括采用光纤顺次连接的光源、保偏耦合器A、Y波导、保偏耦合器B、保偏延迟光纤、45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导和反射镜。本发明利用铌酸锂波导的Pockels效应实现对被测电压电场的敏感。光路中，45°旋光镜之前采用保偏光纤连接，之后采用低偏光纤连接，以此保证参与干涉的两正交线偏振光在光路中经历相同的光程，实现光路的互易性。本全光纤互易型敏感光路，不追求某两段光纤等长，降低了系统对工艺的要求；其互易性保证了系统的测量精度和稳定性；其全光纤连接提高了系统的环境适应性及抗干扰能力。本发明还利用集成光学工艺技术对传感头进行了整体封装，提高了本发明的实用性。

本发明公开的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器的光路为全光纤光路，且具有完全的互易性，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的测量精度、测量稳定性、抗干扰能力及环境适应性，为电压电场测量领域的革命性换代解决方案。在军用电力系统，特别是舰船这种空间有限的电力系统中，采用本发明公开的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器可完美解决传统霍尔电压传感器所存在的测量范围不足、绝缘和抗干扰能力差、响应速度低、只适于稳态测量等问题，为我国更高电压等级舰船综合电力系统的研发及应用提供技术支撑，为高能武器的上舰提供保障。

本发明的光学电压电场传感器包括：采用光纤顺次连接的光源、保偏耦合器A、Y波导、保偏耦合器B、保偏延迟光纤、45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导、反射镜、探测器及信号处理模块。其中，铌酸锂波导处于外部电极片之间来敏感被测电压U；Y波导在光路系统中起分光、调制、起偏及消偏的作用；Y波导的双端分别与保偏耦合器B同侧的两个端口以 90°对轴熔接和以0°对轴熔接，形成90°熔接点和0°熔接点；在光路结构中，45°旋光镜之前采用的光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后采用的光纤为低偏光纤。传感头由45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导、反射镜以及连接这些光学器件的低偏光纤组成，在实际应用中的优选方案为，传感头置于高压一次侧，光路的其他部分及信号处理模块集成为电气单元置于二次侧。

此光路系统在工作时，光源发射的偏振光经保偏耦合器A进行分光后，一部分到达Y波导，另一部分舍弃。到达Y波导的光经Y波导分光、起偏、调制后，由其双端的快轴(或慢轴)分别输出两束能量相等的线偏振光至保偏耦合器B；Y波导双端与保偏耦合器B同侧的两个端口分别 90°对轴熔接和0°对轴熔接，形成90°熔接点和0°熔接点；经保偏耦合器 B对输入的两束线偏振光合光后，两等能量线偏振光以正交模式输出至保偏延迟光纤，其中之一沿保偏光纤快轴传输，另一沿保偏光纤慢轴传输；经保偏延迟光纤后，两正交线偏振光进入45°旋光镜，并分别旋转45°后由连接45°旋光镜和准直器的低偏光纤射出至准直器；低偏光纤无快轴、慢轴之分，两正交线偏振光在低偏光纤中的传输速度相等；经准直器准直，两正交线偏振光由连接准直器与铌酸锂波导的低偏光纤入射到铌酸锂波导；铌酸锂波导被置于外部两个电极之间，由于两个电极分别连接在外部电源的正负端，因此在两个电极之间形成被测电压电场；两正交线偏振光在铌酸锂波导中通过时，获得由被测电压电场引入的线性电光延迟相位；获得线性电光延迟相位的两正交线偏振光由铌酸锂波导射出后被反射镜反射，再次至铌酸锂波导，再次通过铌酸锂波导获得线性电光延迟相位，使累计获得的线性电光延迟相位加倍后送至准直器；经准直器后再次通过45°旋光镜，并沿同一方向再次旋转45°，两正交线偏振光累计旋转90°，发生偏振模式互换，即正向时沿保偏光纤快轴传输的光，反向时沿慢轴传输；正向时沿保偏光纤慢轴传输的光，反向时沿快轴传输；偏振模式互换后的正交线偏振光再次经过保偏延迟光纤送至保偏耦合器B，由保偏耦合器B 分光后分别经过90°熔接点和0°熔接点，由双端返回Y波导；在本光路结构中，当选择的是快轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏；当选择的是慢轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏。发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器进行光电转换，即将干涉光的光强信号转换为探测器的输出电压信号，并将此输出电压信号送至信号处理模块，另一部分舍弃；由信号处理模块对探测器送来的输出电压信号进行检测，并输出与被测电压电场比例相关的数字信号，实现对被测电压电场的准确测量。

为提高本发明的实用性，利用集成光学工艺技术将45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导及反射镜之间的三段低偏光纤缩短至毫米级，并将这四个光学器件及三段低偏光纤整体封装，缩小置于高压一次侧传感头的尺寸，为推动光学电压电场传感器的工程化应用奠定基础。

本发明提出的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器的光路结构如图3所示。其基本原理是利用铌酸锂波导内铌酸锂晶体的Pockels效应来实现对被测电压电场的敏感测量。本发明所设计的光路为全光纤光路，且具有完全的互易性，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的测量精度、测量稳定性、抗干扰能力及环境适应性。同时，在本光路的传感头中，采用低偏光纤连接45°旋光镜、准直器、敏感晶体及反射镜，光路对这些器件之间低偏光纤的长度不做要求，不用追求做到长度相等，降低了光路系统对工艺的要求，对提高本发明的实用性、推进光学电压电场传感器的工程化应用具有重要的意义。

本发明光路方案搭建的过程具体为：光源与探测器通过保偏光纤与保偏耦合器A同侧的两个端口分别熔接；保偏耦合器A另一侧的一个端口与Y波导单端熔接，另一个端口空置，工艺上会在其端面涂抹包裹硅橡胶以减小反射；Y波导双端通过保偏光纤与保偏耦合器B同侧的两个端口分别90°对轴熔接和0°对轴熔接，形成90°熔接点和0°熔接点；保偏耦合器B另一侧的一个端口与保偏延迟光纤熔接，另一个端口空置，工艺上同样会在其端面涂抹包裹硅橡胶来减少反射；保偏延迟光纤另一侧与45°旋光镜熔接；45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导及反射镜再顺次利用低偏光纤对轴熔接。传感器中的信号处理模块用于对探测器送来的输出电压信号进行处理和向Y波导发送控制信号，以实现系统的闭环控制，完成被测电压电场信号的准确测量。

本发明提出的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器的设计思路及工作原理为：

(1)光源发射的偏振光经保偏耦合器A进行分光后，一部分到达Y波导，另一部分经由保偏耦合器A的空头端舍弃。

所述光源采用宽谱光源，优选超辐射发光二极管、掺铒光源等，以提高干涉光信号的相干长度。

所述保偏耦合器A的分光比优选为1:1。

(2)到达Y波导的光经Y波导分光、起偏、调制后，由其双端的快轴(或慢轴)分别输出两束能量相等的线偏振光，经90°熔接点和0°熔接点送至保偏耦合器B。

所述Y波导，包括单端和双端，其单端和双端采用的光纤均为保偏光纤；Y波导在光路系统中起分光、调制及起偏的作用；Y波导可分为快轴Y波导和慢轴Y波导，具体为：快轴Y波导会对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的快轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被消偏；慢轴Y波导会对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的慢轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被消偏。

(3)经保偏耦合器B对输入的两束线偏振光合光后，两等能量线偏振光以正交模式输出至保偏延迟光纤，其中之一沿保偏延迟光纤快轴传输，另一沿保偏延迟光纤慢轴传输。

所述保偏耦合器B的分光比优选为1:1。

所述保偏延迟光纤的长度优选为200m左右，其作用是起到时间延迟，以利于信号处理模块进行信号处理。

(4)经保偏延迟光纤后，两正交线偏振光进入45°旋光镜，旋转45°后由连接45°旋光镜和准直器的低偏光纤射出至准直器；经准直器准直，由连接准直器与铌酸锂波导的低偏光纤入射到铌酸锂波导；两正交线偏振光在铌酸锂波导中通过时，获得由被测电压电场引入的线性电光延迟相位；随后，两正交线偏振光由铌酸锂波导射出至反射镜，并被反射镜反射再次至铌酸锂波导，再次通过获得线性电光延迟相位，使累计获得的线性电光延迟相位加倍后送至准直器；经准直器后再次通过45°旋光镜。

所述铌酸锂波导以铌酸锂为基底，采用钛扩散技术制作，波导中心有一条由刻蚀技术制成的通光通路，两端分别与低偏光纤对轴耦合连接，其结构如图4所示。在工作时，光信号沿X轴方向传输，被测交直流电压电场通过外部平行板电极加在铌酸锂波导Y轴方向的两个电极之间，光信号进入铌酸锂波导时存在两个正交的偏振模式，由于铌酸锂波导的Pockels效应，外加电压电场会使在铌酸锂波导中传输的两正交线偏振光产生相位差优选为：

其中，δ为光信号两正交线偏振光所产生的相位差；λ为光源的波长； n₀为铌酸锂波导未加电场时的折射率；γ₂₂为线性电光系数；l和d分别是铌酸锂波导在通光方向上的长度及两电极之间的距离；u为分压到铌酸锂波导Y轴方向两个电极之间的待测电压；U_π为铌酸锂波导的半波电压。

可以看出，改变铌酸锂波导的长度和两电极之间的距离，可以改变铌酸锂波导的半波电压，进而改变单位被测电压下两正交线偏振光通过铌酸锂波导时产生的相位差，起到调节传感器测量范围及测量灵敏度的作用。

(5)两正交线偏振光两次通过45°旋光镜，累计旋转90°，发生偏振模式互换；偏振模式互换后的正交线偏振光再次经过保偏延迟光纤送至保偏耦合器B，由保偏耦合器B分光后分别经过90°熔接点和0°熔接点，由双端返回Y波导；在本光路结构中，当选择的是快轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏；当选择的是慢轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光不具有互易性， Y波导会对其进行消偏。

所述偏振模式互换，具体为：沿保偏光纤传输的两正交线偏振光在旋转90°后，此前沿保偏光纤快轴传输的线偏振光旋转至沿保偏光纤慢轴传输，此前沿保偏光纤慢轴传输的线偏振光旋转至沿保偏光纤快轴传输。

(6)发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器进行光电转换，即将干涉光的光强信号转换为探测器的输出电压信号，并将此输出电压信号送至信号处理模块，另一部分舍弃；由信号处理模块对探测器送来的输出电压信号进行检测，并输出与被测电压电场比例相关的数字信号，实现对被测电压电场的准确测量。

所述信号处理模块，即为对探测器送来的输出电压信号进行处理和向 Y波导发送控制信号的信号处理电路，主要由AD转换器、数字信号处理单元、DA转换器及相关驱动电路组成。具体为：携带被测电压电场信息的干涉光强信号经探测器转换为输出电压信号后，经前置放大，由AD转换为数字信号进入以FPGA为核心的数字信号处理单元，数字信号处理单元完成光学电压电场互感器的闭环信号检测。系统中采用微弱信号相干检测技术、调制解调技术、闭环控制技术等实现电压电场参量的检测与测量。数字方波经DA转换为模拟信号，通过Y波导在光路中引入±π/2的偏置相移，保证系统工作于灵敏度最高的正交工作点；利用数字相关检测技术对 AD转换的数字信息进行解调处理，实现强噪声背景下电压电场信号的有效提取，消除电路长期漂移的影响，并为闭环检测提供误差信号；对误差信号进行累加，形成数字阶梯波，经DA转换形成模拟阶梯波，施加在Y 波导的调制器上，使之产生反馈相移

其与Pockels相移2δ大小相等、方向相反，实现系统闭环控制。

本发明设计光路结构为全光纤敏感光路系统，即所有光学元器件均由光纤连接，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的环境适应性及抗干扰能力。

本发明设计的光路结构的主要特点是45°旋光镜之前采用的光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后采用的光纤为低偏光纤。在45°旋光镜之前的光路系统中，由于经过两次45°旋光镜，两正交线偏振光累计旋转90°，发生偏振模式互换，所以采用保偏光纤传输不会产生附加的光程差，且提高了光路系统的抗干扰能力。在45°旋光镜之后的光路系统中，两正交线偏振光不会发生模式互换，由于低偏光纤无快轴、慢轴之分，两正交线偏振光在低偏光纤中的传输速度相等，为保证光路系统的互易性，因此选择低偏光纤作为此部分光路的连接光纤。

如图5所示，为本发明光路系统中偏振光振动方向变换过程示意图：其中，(a1)为Y波导双端上分支中线偏振光的振动方向示意图；(a2) 为Y波导双端下分支中线偏振光的振动方向示意图；(b1)为经90°熔接点后偏振光的振动方向示意图；(b2)为经0°熔接点后偏振光的振动方向示意图；(c)为经保偏耦合器B合光后偏振光的振动方向示意图；(d) 为经45°旋光镜后偏振光的振动方向示意图；(e)为光信号反向通过45°旋光镜后偏振光的振动方向示意图；(f1)为经保偏耦合器B分光后上分支中偏振光的振动方向示意图；(f2)为经保偏耦合器B分光后下分支中偏振光的振动方向示意图；(g1)为经90°熔接点后，Y波导双端上分支中偏振光的振动方向示意图；(g2)为经0°熔接点后，Y波导双端下分支中偏振光的振动方向示意图；(h)为双端光信号返回Y波导并合光后，偏振光的振动方向示意图；(i)为经Y波导消偏后，偏振光的振动方向示意图。

下面结合图5证明本发明提出的全光纤电压电场传感器光路结构的互易性，此处假设保偏光纤的X轴为其快轴，保偏光纤的Y轴为其慢轴。假设使用的是快轴Y波导(采用慢轴Y波导时原理相同)。下文中，PM 代表保偏光纤；LB代表低偏光纤；k代表保偏光纤快轴；m代表保偏光纤慢轴。

(1)光源发出的光经保偏光纤耦合器A后进入Y波导。经其分光、起偏及调制后，由Y波导双端的上下支分别输出两束能量相等，且沿X轴偏振的线偏振光E₁、E₂，如图5(a1)、(a2)所示。此时，E₁、E₂在光路中所经的路径分别为：

E₁：PM3_k；表示保偏光纤3的快轴；

E₂：PM4_k。表示保偏光纤4的快轴；

(2)随后，E₁经90°熔接点后沿保偏光纤5的Y轴传输，E₂经0°熔接点后沿保偏光纤6的X轴传输，如图5(b1)、(b2)所示。此时，E₁、E₂在光路中所经的路径分别为：

E₁：PM3_k+PM 5_m；表示先经过保偏光纤3的快轴，再经过保偏光纤5 的慢轴

E₂：PM4_k+PM 6_k。表示先经过保偏光纤4的快轴，再经过保偏光纤6 的快轴

(3)线偏振光E₁、E₂在保偏耦合器B处合光后由保偏光纤7输出，历经保偏延迟光纤，至45°旋光镜之前，它们的偏振方向均保持不变，如图 5(c)所示。此时，E₁、E₂在光路中所经的路径分别为：

E₁：PM3_k+PM 5_m+PM7_m；表示先经过保偏光纤3的快轴，再经过保偏光纤5的慢轴，再经过保偏光纤7的慢轴；(+前表示光信号通过的顺序，+前为先通过，+后为后通过)

E₂：PM4_k+PM 6_k+PM7_k。

(4)经45°旋光镜后，线偏振光E₁、E₂的偏振方向均旋转45°，随后由低偏光纤1输出，如图5(d)所示。此时，E₁、E₂所经的路径分别为：

E₁：PM3_k+PM5_m+PM7_m+LB1；(LB1为低偏光纤1)

E₂：PM4_k+PM6_k+PM7_k+LB1。

(5)线偏振光E₁、E₂经准直器、铌酸锂波导后，由反射镜反射，再次通过铌酸锂波导、准直器及45°旋光镜，E₁、E₂的偏振方向又旋转45°，随后由保偏光纤7输出，并在保偏延迟光纤中保持，如图5(e)所示。由于线偏振光E₁、E₂累计旋转了90°，因此再次进入保偏光纤7时，其偏振模式发生了互换。此时，E₁、E₂在光路中所经的路径分别为：

E₁：PM3_k+PM5_m+PM7_m+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_k；

E₂：PM4_k+PM6_k+PM7_k+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_m。

(6)E₁、E₂经保偏耦合器B分光后，由保偏光纤5和保偏光纤6分别输出，E₁分出的两束能量相等的光为E₁₁和E₁₂，E₂分出的两束能量相等的光为E₂₁和E₂₂，如图5(f1)、(f2)所示。此时，E₁₁、E₁₂、E₂₁和E₂₂在光路中所经的路径分别为：

E₁₁：PM3_k+PM5_m+PM7_m+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_k+PM5_k；

E₁₂：PM3_k+PM5_m+PM7_m+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_k+PM6_k；

E₂₁：PM4_k+PM6_k+PM7_k+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_m+PM5_m；

E₂₂：PM4_k+PM6_k+PM7_k+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_m+PM6_m；

(7)偏振光E₁₁和E₂₁经90°熔接点后由保偏光纤3输出；E₁₂和E₂₂经0°熔接点后由保偏光纤4输出，如图5(g1)、(g2)所示。此时，E₁₁、E₁₂、E₂₁和E₂₂在光路中所经的路径分别为：

E₁₁：PM3_k+PM5_m+PM7_m+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_k+PM5_k +PM3_m；

E₁₂：PM3_k+PM5_m+PM7_m+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_k+PM6_k +PM4_k；

E₂₁：PM4_k+PM6_k+PM7_k+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_m+PM5_m +PM3_k；

E₂₂：PM4_k+PM6_k+PM7_k+2*LB1+2*LB2+2*LB3+PM7_m+PM6_m +PM4_m；

(8)随后，四束线偏振光进入Y波导合光，如图5(h)所示。由于本光路使用的是快轴Y波导，其会对在其快轴(X轴)方向传输的光信号起偏，对在其慢轴(Y轴)方向传输的光消偏，因此，传输在慢轴方向上的光信号E₁₁、E₂₂会被消偏，传输在快轴方向上的光信号E₂₁、E₁₂被保留，发生干涉，如图5(i)所示。

由前述分析可知，E₂₁、E₁₂在光路中所经历的路径完全相同，即本发明提出的全光纤电压电场传感器的光路结构具有完全的互易性，光信号在其内传输时不会产生寄生的相位差。因此本发明设计的光路结构提高了光学电压电场传感器的测量精度和测量稳定性。

本发明在应用中，由45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导、反射镜以及低偏光纤组成的传感头会被置于高压一次侧来敏感被测电压，光路的其他部分及信号处理模块集成为电气单元置于二次侧。由于传感头无需供能，实现了高压的非介入式测量，安全可靠性高，彻底解决了高压测量中绝缘性的难题。

为缩小置于高压一次侧传感头的尺寸，降低系统绝缘难度，本发明会利用集成光学工艺技术，在保证对轴准确的前提下，将45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导及反射镜之间的三段低偏光纤缩短至毫米级，并将这四个光学器件及三段低偏光纤整体封装，其结构示意图如图6所示。本发明实现的整体封装型传感头对提高光学电压电场传感器的实用性、推动其工程化应用具有革命性的意义。

国内外资料研究表明，基于光学干涉原理的各类传感器系统，当系统工作在第一级干涉条纹内时，系统具有较高的可靠性；而当系统跨条纹工作时，则会由于各级干涉条纹的光强变化小，导致所工作在的条纹级数难以确定，进而会给传感器系统工作的可靠性带来隐患。

本发明公开的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器可根据不同应用场景的具体要求，定制优选方案，使传感器系统工作在第一级干涉条纹内的情况下，不仅可以保证应用场景所要求的电压电场测量范围，而且具有最高的测量灵敏度。

前述分析可知，由于铌酸锂波导的Pockels效应，外加电压电场会使在铌酸锂波导中传输的两正交偏振模式产生相位差δ；光信号正反两次通过铌酸锂波导，累计获得的线性电光延迟相位加倍，即在Y波导处发生干涉的两线偏振光所具有的相位差为2δ。

设光源的波长为λ，铌酸锂波导未加电场时的折射率为n₀；铌酸锂波导的线性电光系数为γ₂₂；铌酸锂波导在通光方向上的长度及两电极之间的距离分别为l和d；外部被测电压为U；外部被测电压分压到传感头中铌酸锂波导两个电极之间的电压为u，u＝U/κ，κ为分压系数，其可通过调整外部两电极之间的间距来进行调节。优选方案则在Y波导处发生干涉的两线偏振光所具有的相位差2δ为：

假设应用场景所需求的最大电压测量值为U_max，则在Y波导处发生干涉的两线偏振光所具有的最大相位差为

为保证传感器系统能够满足应用场景所要求的电压测量范围，并且工作在第一级干涉条纹内，则要求相位差2δ_max应处于-π～+π之间，即优选关系为：

为使传感器在满足上述约束条件的前提下，还具有最高的测量灵敏度，则应满足|2δ_max|→π。

通过调节参数l、d和κ，使系统满足上述所列优选约束条件，即可保证所采用的传感器系统工作在第一级干涉条纹内的前提下，不仅满足了应用场景所要求的测量范围，而且具有最高的测量灵敏度。

本发明进一步的优选方案所采用的光学元器件的具体指标为：光源采用1310nm的SLD保偏光源；保偏耦合器A和保偏耦合器B采用分光比为1:1的保偏耦合器；Y波导采用快轴Y波导；保偏延迟光纤的长度为 200m，铌酸锂波导在通光方向的长度为5cm，铌酸锂波导内部两电极之间的距离为100μm。由此搭建的试验样机实现了对交直流电压电场的敏感测量，并且通过理论分析证明了本优选方案能够对不小于15kV电压等级的电压实现准确测量，优选用于舰船领域，填补了舰船领域传统霍尔电压传感器无法测量高压的缺陷，为舰船综合电力系统向更高电压等级更新升级提供技术支撑，为高能武器的上舰提供保障。

综上即为本发明提出的新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器。最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而为脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于包括：采用保偏光纤顺次连接的光源、保偏耦合器A、Y波导、保偏耦合器B、保偏延迟光纤和传感头；还包括探测器及信号处理模块；传感头中又包括：采用低偏光纤顺次连接的45°旋光镜、准直器、铌酸锂波导和反射镜；

所述光源发射的偏振光经保偏耦合器A进行分光后，一部分到达Y波导，另一部分经由保偏耦合器A的空头端舍弃；到达Y波导的光经Y波导分光、起偏、调制后，由其双端的快轴或慢轴分别输出两束能量相等的线偏振光至保偏耦合器B；Y波导双端与保偏耦合器B同侧的两个端口分别90°对轴熔接和0°对轴熔接，形成90°熔接点和0°熔接点；

经保偏耦合器B对输入的两束线偏振光合光后，两等能量线偏振光以正交模式输出至保偏延迟光纤，其中之一沿保偏延迟光纤快轴传输，另一沿保偏延迟光纤慢轴传输；经保偏延迟光纤后，两正交线偏振光进入45°旋光镜，旋转45°后由连接45°旋光镜和准直器的低偏光纤射出至准直器；经准直器准直，由连接准直器与铌酸锂波导的低偏光纤入射到铌酸锂波导；铌酸锂波导被置于外部两个电极之间，两个电极分别连接在外部电源的正负端，在两个电极之间形成被测电压电场；两正交线偏振光在铌酸锂波导中通过时，获得由被测电压电场引入的线性电光延迟相位；获得线性电光延迟相位的两正交线偏振光由铌酸锂波导射出后被反射镜反射，再次至铌酸锂波导，再次通过铌酸锂波导获得线性电光延迟相位，使累计获得的线性电光延迟相位加倍后送至准直器；经准直器后再次通过45°旋光镜，并沿同一方向再次旋转45°，两正交线偏振光累计旋转90°，发生偏振模式互换；偏振模式互换后的正交线偏振光再次经过保偏延迟光纤送至保偏耦合器B，由保偏耦合器B分光后分别经过90°熔接点和0°熔接点，由双端返回Y波导；当选择的是快轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏；当选择的是慢轴Y波导时，则此时由双端保偏光纤慢轴返回的两束线偏振光为具有互易性的光信号，其会在Y波导处发生干涉，而由双端保偏光纤快轴返回的两束线偏振光不具有互易性，Y波导会对其进行消偏；发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器进行光电转换，即将干涉光的光强信号转换为探测器的输出电压信号，并将此输出电压信号送至信号处理模块，另一部分舍弃；由信号处理模块对探测器送来的输出电压信号进行检测，并输出与被测电压电场比例相关的数字信号，实现对被测电压电场的准确测量。

2.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：所述的光源采用宽谱保偏光源，光源发射的光为线偏振光。

3.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：保偏耦合器A，分光比为1:1；正向传输时，光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达Y波导，另一部分经由保偏耦合器A的空头端舍弃；反向传输时，发生干涉后的光信号经保偏耦合器A分光后，一部分到达探测器，另一部分舍弃。

4.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：Y波导，包括单端和双端，其单端和双端采用的光纤均为保偏光纤；Y波导分为快轴Y波导和慢轴Y波导，具体为：快轴Y波导会对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的快轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被消偏；慢轴Y波导会对在其双端每根保偏光纤慢轴中传输的光进行起偏，对在其双端每根保偏光纤快轴中传输的光进行消偏，即正向传输时，光从双端每根保偏光纤的慢轴输出，反向传输时，从双端每根保偏光纤慢轴返回至Y波导的光会被保留，从双端每根保偏光纤快轴返回至Y波导的光会被消偏。

5.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：所述铌酸锂波导，具体为：以铌酸锂为基底，采用钛扩散技术制作，波导中心有一条由刻蚀技术制成的通光通路，两端分别与低偏光纤对轴耦合连接；在工作时，光信号沿通光的通路传输，铌酸锂波导置于外部两个电极之间，光信号进入铌酸锂波导时存在两个正交的偏振模式，由于Pockels效应，外加电压电场会使在铌酸锂波导中传输的两正交偏振模式产生线性电光延迟相位，即产生相位差，进而实现对被测电压电场的敏感。

6.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：外部电源为交直流电压源或交直流电场源。

7.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：所述信号处理模块，即为对探测器送来的输出电压信号进行处理和向Y波导发送控制信号的信号处理电路；具体为：探测器输出电压信号经由信号处理电路的滤波、放大、解调及模数转换后输出与被测电压电场比例相关的数字信号；同时再依据此数字信号，经由信号处理电路的数模转换对Y波导的调制相位进行调节，实现系统的闭环控制。

8.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：45°旋光镜之前所采用的连接光纤为保偏光纤，45°旋光镜之后所采用的连接光纤为低偏光纤，以此来保证参与干涉的两正交线偏振光在光路系统中经历相同的光程，实现光路系统的互易性。

9.根据权利要求1所述的一种新型非介入式全光纤互易型电压电场传感器，其特征在于：电压电场传感器为全光纤敏感光路系统，即所有光学元器件均由光纤连接，降低了光信号在传输过程中的损耗，提高了光学电压电场传感器的环境适应性及抗干扰能力。

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