CN112198374B - 一种高频高精度空间电场测量系统及方法 - Google Patents

一种高频高精度空间电场测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空间电场测量技术，具体涉及一种高频高精度空间电场测量系统及方法，该系统包括待测电场区域，半导体激光器、第一、第二偏振控制模块、判断控制器、电光探针；半导体激光器通过保偏光纤分别与第一、第二偏振控制模块相连，第一、第二偏振控制模块通过保偏光纤与电光探针连接，第一、第二偏振控制模块均与判断控制器连接。该测量系统采用了工作频率较高的CdTe晶体作为电光探针，能够实现对高频空间电场的测量；基于电光效应的原理，不会对待测的空间电场造成影响；使用差分电路，能够减小环境随机噪声对本测量仪器的影响；在一个周期内进行两次并行检测，提高了本测量系统的准确性和可靠性。

Description

一种高频高精度空间电场测量系统及方法
技术领域
本发明属于空间电场测量技术领域，尤其涉及一种高频高精度空间电场测量系统及方法。
背景技术
空间电场检测在输电线路的电磁环境测量、电力设备的安全性能校核、电力系统防雷预警等电力行业中有着极为广泛的应用。
在传统的电场检测中，一般多采用电学的方法，测量时需要将检测探头放置在待测区域，通过探头将电场信号转化为电信号并经过电缆传输给后续设备进行处理。由于此种探头由导体构成，因此这种传感器本身就会使得空间电场产生畸变，导致测量结果的不准确。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种利用光学方法的高频高精度空间电场测量系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高频高精度空间电场测量系统，包括待测电场区域，包括：半导体激光器、第一、第二偏振控制模块、判断控制器、电光探针；半导体激光器通过保偏光纤分别与第一、第二偏振控制模块相连，第一、第二偏振控制模块通过保偏光纤与电光探针连接，第一、第二偏振控制模块均与判断控制器连接。
在上述高频高精度空间电场测量系统中，第一、第二偏振控制模块的内部均自上而下包括：第一透镜、分束镜、第二透镜、1/4波片、1/2波片，第一光电二极管、第三透镜、偏振分束镜、第四透镜、第二光电二极管、差分放大器；分束镜使得进入偏振控制模块的激光一部分继续在内部传播，一部分射出该偏振控制模块进入电光探针，反射后重新进入偏振控制模块；偏振分束镜可以将电光探针中反射回偏振控制模块的两束偏振方向不同且具有相位差的偏振光分离开，分别射向第一、第二光电二极管；第一、第二光电二极管将光强度信息转化为电信息；差分放大器比较第一、第二光电二极管电信息。
在上述高频高精度空间电场测量系统中，电光探针采用碲化镉CdTe晶体。
一种高频高精度空间电场测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、半导体激光器产生两束激光，分别射向第一、第二偏振控制模块；
步骤2、在其中一个偏振控制模块中，入射的激光首先经过透镜变为平行光射向分束镜，一部分经分束镜反射垂直向下传播，经过1/4波片、1/2波片延迟后射向偏振分束镜，偏振分束镜将反射光分为两个不同偏振方向的光，再分别射向第一、第二光电二极管，水平向左射出的光线为Lo，竖直向下射出的光线为Le；
步骤3、另一部分经分束镜透射后进入电光探针，通过待测电场的作用，这束光在电光探头内部发生双折射现象，从而产生两束偏振方向不同的且具有相位差
Figure BDA0002710677760000021
的偏振光，记为Mo与Me；经电光探针后部介质膜的反射重新射向分束镜，经分束镜反射后也垂直向下传播，经过1/4与1/2波片延迟和偏振分束镜后，将带有相位差的两个不同偏振方向的Mo与Me分开，分别与步骤2中射向第一、第二光电二极管的Lo与Le两束光发生干涉；
步骤4、利用第一、第二光电二极管检测干涉光强度并将其转化为电信号，经过差分放大器后送入判断控制器；
经过理论推导可得入射到第二光电二极管上发生干涉的两束光的合成光强与外加电场与之间的关系为：
Figure BDA0002710677760000022
其中，I0为半导体激光器发射的激光光强，I为第二光电二极管检测出的合成光强，
Figure BDA0002710677760000023
为由于电光效应导致的相位差，γ为转换系数，与电光探针中采用的晶体本身性质有关，E为待测空间电场强度；
设在系统运行时，最初激光发射器的入射光相位为
Figure BDA0002710677760000024
则由理论分析可得Mo与Me的相位均为
Figure BDA0002710677760000025
而Lo虽然经过了电光晶体，相位不发生变化，Le为电光效应导致相位变化的光，相位为
Figure BDA0002710677760000026
Mo与Lo发生干涉，没有相位差，第一光电二极管检测的光强为式(1)的直流分量
Figure BDA0002710677760000027
Me与Le发生干涉，相位差为
Figure BDA0002710677760000028
第二光电二极管检测的光强为式(1)，两者相减得到最后与电场相关的信号S1；
Figure BDA0002710677760000031
令式(2)除以第一光电二极管检测到的直流分量
Figure BDA0002710677760000032
得到与外加电场成比的输出信号S：
Figure BDA0002710677760000033
步骤5、根据式(3)，判断控制器中通过携带光强信息的电信号反推出外加电场的值，判断控制器将自动校验两次检测值，结果相差小于预设的误差后输出检测结果。
与现有技术相比，本发明采用了工作频率较高的CdTe晶体作为电光探针，能够实现对高频空间电场的测量；基于电光效应的原理，不会对待测的空间电场造成影响；使用差分电路，能够减小环境随机噪声对本测量仪器的影响；在一个周期内进行两次并行检测，提高了本测量系统的准确性和可靠性。
附图说明
图1是本发明一个实施例高频高精度空间电场测量系统的示意图；
图2是本发明一个实施例偏振控制模块的内部结构示意图；
其中，1-第一透镜、2-分束镜、3-第二透镜、4-1/4波片、5-1/2波片，6第一光电二极管、7-第三透镜、8-偏振分束镜、9-第四透镜、10-第二光电二极管、11-差分放大器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例提供的一种高频高精度空间电场测量系统采用光学的方法，利用电光晶体的双折射现象来实现空间电场的检测，不会对空间电场造成影响；选择了工作频率较高的CdTe晶体，能够实现对10Ghz以上高频电场的测量；利用差分电路与并行检测手段，提高了本测量系统的准确性和可靠性。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种高频高精度空间电场测量系统，包括：半导体激光器，产生两束完全相同的激光，对应两套完全相同的第一、第二偏振控制模块；
电光探针，进入电光探针的激光在待测电场的作用下会发生双折射现象，产生两束偏振方向不同且具有相位差的偏振光；
保偏光纤，保持线偏振光的偏振方向不变，降低外部干扰，实现高精度测量。
第一、第二偏振控制模块，其内部元件由上到下为：第一透镜、分束镜、第二透镜、1/4波片、1/2波片，第一光电二极管、第三透镜、偏振分束镜、第四透镜、第二光电二极管、差分放大器；分束镜使得进入该偏振控制模块的激光一部分继续在模块内部传播，一部分射出偏振控制模块进入电光探针，反射后重新进入偏振控制模块；偏振分束镜可以将电光探针中反射回偏振控制模块的两束偏振方向不同且具有相位差的偏振光分离开，分别射向第一、第二光电二极管；第一、第二光电二极管用来将光强度信息转化为电信息；差分放大器用来比较第一、第二光电二极管电信息的不同。
判断控制器，收集两个偏振控制模块产生的电信息，进行比较之后根据公式：
Figure BDA0002710677760000041
计算得到待测的空间电场强度，其中S为收集到的电信号，γ为转换系数，与电光探针中采用的晶体本身性质有关，E为待测的空间电场强度；
电光探针中使用的电光晶体为碲化镉(CdTe)晶体，该晶体的工作频率较高，可达10Ghz以上，因此使得本系统可以用于高频空间电场的测量。
完全相同的第一、第二偏振控制模块，可在一个周期内进行两次并行检测。判断控制器将自动校验两次检测值，结果相差小于预设的误差后才输出检测结果，提高了本测量系统的准确性和可靠性。
具体实施时，如图1所示，一种高频高精度空间电场测量系统，包括半导体激光器、第一、第二偏振控制模块、电光探针和判断控制器，其中第一、第二偏振控制模块的内部结构如图2所示，第一透镜1、分束镜2、第二透镜3、1/4波片4、1/2波片5，第一光电二极管6、第三透镜7、偏振分束镜8、第三透镜9、第二光电二极管乙10、差分放大器11。
具体包括以下步骤：
S1，半导体激光器产生两束稳定的光，分别射向两个相同的第一、第二偏振控制模块。
S2，在其中一个偏振控制模块中，入射的激光首先经过透镜变为平行光射向分束镜，一部分在分束镜上被反射垂直向下传播，经过波片延迟后射向偏振分束镜，偏振分束镜会把此反射光分为两个不同偏振方向(o方向、e方向)的光分别射向两个光电二极管，设o方向水平向左射出，e方向竖直向下射出，对应的光线为Lo与Le。
S3，另一部分在分束镜上透射后进入电光探针，由于外加电场的作用，这束光会在电光探头内部发生双折射现象，从而产生两束偏振方向不同(o方向、e方向)且具有相位差
Figure BDA0002710677760000055
的偏振光，记为Mo与Me。经电光探针后部介质膜的反射重新射向分束镜，在分束镜上反射后也垂直向下传播，经过1/4与1/2波片延迟和偏振分束镜后，把带有相位差的两个不同偏振方向的Mo与Me分开，分别与S2中最初射向光电二极管的Lo与Le两束光发生干涉。
S4，分别用两个光电二极管检测干涉光强度并将其转化为电信号，经过差分放大器后送入判断控制器。
经过理论推导可得入射到光电二极管乙上发生干涉的两束光的合成光强与外加电场与之间的关系为：
Figure BDA0002710677760000051
其中，I0为半导体激光器发射的激光光强，I为第二光电二极管检测出的合成光强，
Figure BDA0002710677760000052
为由于电光效应导致的相位差，γ为转换系数，与电光探针中采用的晶体本身性质有关，E为待测空间电场强度。
设在系统运行时，最初激光发射器的入射光相位为
Figure BDA0002710677760000053
则由理论分析可得Mo与Me的相位均为
Figure BDA0002710677760000054
而Lo虽然经过了电光晶体，但是由于是寻常光，因此相位不发生变化，Le为电光效应导致相位变化的光，相位为
Figure BDA0002710677760000061
Mo与Lo发生干涉，由于没有相位差，因此第一光电二极管检测的光强即为式(1′)的直流分量
Figure BDA0002710677760000062
Me与Le发生干涉，相位差为
Figure BDA0002710677760000063
因此第二光电二极管检测的光强就是式(1)本身，两者相减得到最后与电场相关的信号S1；
Figure BDA0002710677760000064
再令(2′)除以第一光电二极管检测到的直流分量
Figure BDA0002710677760000065
即可得到与外加电场成比的输出信号S：
Figure BDA0002710677760000066
S5，根据式(3′)，即可在判断控制器中通过携带光强信息的电信号反推出外加电场的值，因为由两个相同的偏振控制模块，因此本系统可以在一个周期内进行两次并行检测。判断控制器将自动校验两次检测值，结果相差小于预设的误差后才输出检测结果。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高频高精度空间电场测量系统，包括待测电场区域，其特征是，包括：半导体激光器、第一、第二偏振控制模块、判断控制器、电光探针；半导体激光器通过保偏光纤分别与第一、第二偏振控制模块相连，第一、第二偏振控制模块通过保偏光纤与电光探针连接，第一、第二偏振控制模块均与判断控制器连接；
第一、第二偏振控制模块的内部均自上而下包括：第一透镜、分束镜、第二透镜、1/4波片、1/2波片、第一光电二极管、第三透镜、偏振分束镜、第四透镜、第二光电二极管、差分放大器；分束镜使得进入偏振控制模块的激光一部分继续在内部传播，一部分射出该偏振控制模块进入电光探针，反射后重新进入偏振控制模块；偏振分束镜可以将电光探针中反射回偏振控制模块的两束偏振方向不同且具有相位差的偏振光分离开，分别射向第一、第二光电二极管；第一、第二光电二极管将光强度信息转化为电信息；差分放大器比较第一、第二光电二极管电信息。
2.如权利要求1所述高频高精度空间电场测量系统，其特征在是，电光探针采用碲化镉CdTe晶体。
3.如权利要求1-2任意一项所述高频高精度空间电场测量系统的测量方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、半导体激光器产生两束激光，分别射向第一、第二偏振控制模块；
步骤2、在其中一个偏振控制模块中，入射的激光首先经过透镜变为平行光射向分束镜，一部分经分束镜反射垂直向下传播，经过1/4波片、1/2波片延迟后射向偏振分束镜，偏振分束镜将反射光分为两个不同偏振方向的光，再分别射向第一、第二光电二极管，水平向左射出的光线为Lo，竖直向下射出的光线为Le；
步骤3、另一部分经分束镜透射后进入电光探针，通过待测电场的作用，这束光在电光探头内部发生双折射现象，从而产生两束偏振方向不同的且具有相位差
Figure FDA0003209423570000011
的偏振光，记为Mo与Me；经电光探针后部介质膜的反射重新射向分束镜，经分束镜反射后也垂直向下传播，经过1/4与1/2波片延迟和偏振分束镜后，将带有相位差的两个不同偏振方向的Mo与Me分开，分别与步骤2中射向第一、第二光电二极管的Lo与Le两束光发生干涉；
步骤4、利用第一、第二光电二极管检测干涉光强度并将其转化为电信号，经过差分放大器后送入判断控制器；
经过理论推导可得入射到第二光电二极管上发生干涉的两束光的合成光强与外加电场与之间的关系为：
Figure FDA0003209423570000021
其中，I0为半导体激光器发射的激光光强，I为第二光电二极管检测出的合成光强，
Figure FDA0003209423570000022
为由于电光效应导致的相位差，γ为转换系数，与电光探针中采用的晶体本身性质有关，E为待测空间电场强度；
设在系统运行时，最初激光发射器的入射光相位为
Figure FDA0003209423570000023
则由理论分析可得Mo与Me的相位均为
Figure FDA0003209423570000024
而Lo虽然经过了电光晶体，相位不发生变化，Le为电光效应导致相位变化的光，相位为
Figure FDA0003209423570000025
Mo与Lo发生干涉，没有相位差，第一光电二极管检测的光强为式(1)的直流分量
Figure FDA0003209423570000026
Me与Le发生干涉，相位差为
Figure FDA0003209423570000027
第二光电二极管检测的光强为式(1)，两者相减得到最后与电场相关的信号S1；
Figure FDA0003209423570000028
令式(2)除以第一光电二极管检测到的直流分量
Figure FDA0003209423570000029
得到与外加电场成比的输出信号S：
Figure FDA00032094235700000210
步骤5、根据式(3)，判断控制器中通过携带光强信息的电信号反推出外加电场的值，判断控制器将自动校验两次检测值，结果相差小于预设的误差后输出检测结果。
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