CN115561504A - 反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，调节相位调制器调制信号的幅值U_PM，当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ，从而确定相位调制器的电光调制系数k_AP，当最优调制深度H_o＝1.84rad时，则最优调制深度对应的调制信号幅值为U_PMo。实现在线的相位调制器半波电压的测量，通过理论最优调制深度来确定最优调制深度对应的调制信号，不额外引入器件，操作简单、便捷；本发明不局限于反射式全光纤电流传感器，同时适用于其他任何需要测量半波电压的干涉式光路结构。

Description

反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法

技术领域

本发明属于光纤电流测量技术领域，具体涉及一种反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法。

背景技术

光纤电流传感器相对于传统的电磁式电流互感器，具有体积小、重量轻、动态范围大、响应速度快、不存在磁饱和问题，且安全环保，能够满足交、直流的测量需求，已经成功应用于电解铝工业、超高压电力网络以及脉冲电流测量等领域。目前，光纤电流传感器主要应用于闭环数据处理方法，但信号处理系统设计复杂、成本高昂。为此，采用正弦波调制技术，应用相关解调方案实现数据处理，是一种可以大幅降低系统成本以及降低制造难度的方案，在精度要求不高的场所，具有广泛的应用需求。

基于正弦波调制的光纤电流传感技术，调制深度是由相位调制器调制信号幅值以及频率确定，直接影响系统的灵敏度。

通常采用测量相位调制器的半波电压的方案，然后再确定相位调制器最优调制深度对应的调制信号幅值。目前，相位调制器半波电压的测量方法主要方法有①倍频法。同时加载直流电压以及交流信号，调节直流电压对应于光强极值，则交流信号出现倍频失真所对应的直流电压之差为半波电压。该方案需同时加载交直流信号，倍频调节要求高，操作难度大；②二是光谱分析法。利用光谱分析仪对比测量光谱的奇次以及偶次分量强度，获取半波电压。该方案测量复杂，且光谱分析仪受限于分辨率，低频率的测量难于实现；③是极值法。改变加载到相位调制器的直流电压，通过光学干涉结构确定输出光强的极值点。半波电压即为相邻极大值与极小值所对应的电压差值。该方案原理简单，但操作繁琐，且测量精度低。

中国发明专利《一种半波电压测量装置和方法》(申请号202111173572.6)通过设计干涉光路，利用在调制相位调制器后高双折射光纤环形镜的输出透过率周期变化来确定相位调制器的半波电压，此测量过程需要光谱仪配合，对测量系统仪器设备要求高，实施过程复杂。

中国发明专利《全光纤电流互感器开环解调及半波电压跟踪方法》(申请号201911281442.7)采用方波调制的方案，利用特殊的方波调制信号对应的时域波形特征，实现半波电压的测量。该方案高度依赖于调制信号，无法适用于正弦波调制情形。

中国发明专利《一种全光纤电流互感器及其半波电压修正方法》(申请号201911120685.2)利用额外光强差的方法，实现了相位调制器半波电压的测量。该方案依赖于方波调制信号，且额外光强差计算中易受系统噪声影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种能提高系统灵敏度的反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法。

为实现上述目的，本发明所设计的反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法如下：

调节相位调制器调制信号的幅值U_PM，当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ，从而确定相位调制器的电光调制系数k_AP：

当最优调制深度H_o＝1.84rad时，则最优调制深度对应的调制信号幅值为U_PMo：

根据式13即可确定正弦调制时，最优调制深度对应的相位调制器调制信号的幅值。

进一步地，所述获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ的计算过程如下：

观测光电探测器接收的光功率峰峰值是否随着调制信号的幅值U_PM增加而增加；

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着U_PM的增加逐步加大；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

ΔP_out＝P_in 式8

因此，当U_PM≥πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着δ的增加保持不变；

查看一个周期内极值点数；

对光电探测器接收的光功率P_out的时间求一阶导数，

则：

其中，P_in为光源光功率；θ为线偏振光偏振面旋转角度，且θ＝0rad；ω_E为角频率；t为时间；

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，一个周期内光功率P_out的极值点为：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，一个周期内的极值点数恒为3，不随U_PM增加而改变；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，一个周期内光电探测器接收的光功率P_out的极值点为：

式中，m为正整数，m₀是H为π的最小整数倍数；因此，当U_PM≥πk_AP/2时，在一个周期内信号的极值点数随着U_PM的增加而逐步增多；

即当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ。

进一步地，所述角频率ω_E的计算过程如下：

对于反射式全光纤电流传感器，计算光束往返通过相位调制器的时间τ_C

式中，L为相位调制器至反射镜间的光纤长度，采用光时域反射仪即可精确测量；n为光纤的折射率，c为真空中的光速；

根据公式2计算相位调制器调制信号的角频率ω_E

进一步地，所述到达光电探测器的光信号P_out的计算过程如下：

当相位调制器的调制信号为：u_PM(t)＝k_AP·δ·sin(ω_E·t)

其中，k_APδ为调制信号的振幅；ω_E为角频率；k_AP为相位调制器电光调制系数，单位为V/rad；δ为相位调制器相位延迟的振幅，单位是rad；

对应的相位调制器相移为

则光束往返通过相位调制器产生的相移角为：

定义调制深度H＝2δ，则到达光电探测器的光信号P_out为：

P_in为光源光功率，θ为线偏振光偏振面旋转角度，此时对应的相位调制器调制信号的幅值U_PM为：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明基于反射式全光纤电流传感器自身的光学结构，实现在线的相位调制器半波电压的测量，通过理论最优调制深度来确定最优调制深度对应的调制信号，不额外引入器件，操作简单、便捷；

2)本发明所采用的时域波形分析方法测量相位调制器半波电压，根据时域波形特征确定大致工作范围，根据数值计算结果实现精确测量，测量速度快、精度高；

3)本发明不局限于反射式全光纤电流传感器，同时适用于其他任何需要测量半波电压的干涉式光路结构。

附图说明

图1为本发明反射式全光纤电流传感器的结构示意图；

图2为调制信号不同幅值时对应的光时域信号分布特性。

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的详细说明。

如图1所示反射式全光纤电流传感器，基本光路结构包括光源、耦合器、起偏器、相位调制器以及传感单元；通过光电探测器接收光功率，并通过示波器或数据采集卡等实时显示光功率的时域波形。通过波形分析以及对采集数据进行移动平均降噪计算，即可精确测量相位调制器的半波电压，用于确定最优调制深度的调制信号。

反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，如下：

对于反射式全光纤电流传感器，计算光束往返通过相位调制器的时间τ_C

式中，L为相位调制器至反射镜间的光纤长度，采用光时域反射仪即可精确测量；n为光纤的折射率，c为真空中的光速；

根据公式2计算相位调制器调制信号的角频率ω_E

当相位调制器的调制信号为：u_PM(t)＝k_AP·δ·sin(ω_E·t)

其中，k_APδ为调制信号的振幅；ω_E为角频率；k_AP为相位调制器电光调制系数，单位为V/rad；δ为相位调制器相位延迟的振幅，单位是rad；

对应的相位调制器相移为

则光束往返通过相位调制器产生的相移角为：

定义调制深度H＝2δ，则到达光电探测器的光信号P_out为：

P_in为光源光功率，θ为线偏振光偏振面旋转角度，且θ＝0rad；ω_E为角频率；t为时间。此时对应的相位调制器调制信号的幅值U_PM为：

如图2所示，调节相位调制器调制信号的幅值U_PM，观测光信号时域波形一个周期内极值点数以及信号的峰峰值，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ。具体方法分为两步：一是观察信号的峰峰值变化，二是观察一个周期内的极值点数。在此过程中，设置被测电流为0A，且采用移动平均降噪算法，降低噪声对测量结果的影响。

具体过程为：观测光电探测器接收的光功率峰峰值是否随着调制信号的幅值U_PM增加而增加；

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着U_PM的增加逐步加大；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

ΔP_out＝P_in 式8

因此，当U_PM≥πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着δ的增加保持不变；

查看一个周期内极值点数；

对光电探测器接收的光功率P_out的时间求一阶导数，

则：

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，一个周期内光功率P_out的极值点为3：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，一个周期内的极值点数恒为3，不随U_PM增加而改变；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，一个周期内光电探测器接收的光功率P_out的极值点为：

式中，m为正整数，m₀是H为π的最小整数倍数；因此，当U_PM≥πk_AP/2时，在一个周期内信号的极值点数随着U_PM的增加而逐步增多；

即当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，从而确定相位调制器的电光调制系数k_AP：

当最优调制深度H_o＝1.84rad时，则最优调制深度对应的调制信号幅值为U_PMo：

根据式13及式2即可确定正弦调制时，最优调制深度对应的相位调制器调制信号的幅值及频率。

Claims (4)

1.一种反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，其特征在于：最优调制深度对应调制信号的确定方法如下：

调节相位调制器调制信号的幅值U_PM，当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ，从而确定相位调制器的电光调制系数k_AP：

当最优调制深度H_o＝1.84rad时，则最优调制深度对应的调制信号幅值为U_PMo：

根据式13即可确定正弦调制时，最优调制深度对应的相位调制器调制信号的幅值。

2.根据权利要求1所述反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，其特征在于：所述获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ的计算过程如下：

观测光电探测器接收的光功率峰峰值是否随着调制信号的幅值U_PM增加而增加；

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着U_PM的增加逐步加大；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，光电探测器接收的光功率峰峰值为ΔP_out：

ΔP_out＝P_in 式8

因此，当U_PM≥πk_AP/2时，光电探测器接收的光功率峰峰值ΔP_out随着δ的增加保持不变；

查看一个周期内极值点数；

对光电探测器接收的光功率P_out的时间求一阶导数，

其中，P_in为光源光功率；θ为线偏振光偏振面旋转角度，且θ＝0rad；ω_E为角频率；t为时间；

则：

当U_PM<πk_AP/2时，-π<H sin(ω_E·t)<π，一个周期内光功率P_out的极值点为：

因此，当U_PM<πk_AP/2时，一个周期内的极值点数恒为3，不随U_PM增加而改变；

当U_PM≥πk_AP/2时，-H<H sin(ω_E·t)<H，一个周期内光电探测器接收的光功率P_out的极值点为：

式中，m为正整数，m₀是H为π的最小整数倍数；因此，当U_PM≥πk_AP/2时，在一个周期内信号的极值点数随着U_PM的增加而逐步增多；

即当光电探测器接收的光功率峰峰值最大且一个周期的极值点数为3时，获取调制深度H＝πrad时所对应的调制信号的幅值U_PMπ。

3.根据权利要求2所述反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，其特征在于：所述角频率ω_E的计算过程如下：

对于反射式全光纤电流传感器，计算光束往返通过相位调制器的时间τ_C

式中，L为相位调制器至反射镜间的光纤长度，采用光时域反射仪即可精确测量；n为光纤的折射率，c为真空中的光速；

根据公式2计算相位调制器调制信号的角频率ω_E

4.根据权利要求3所述反射式全光纤电流传感器最优调制深度的调制信号确定方法，其特征在于：所述到达光电探测器的光信号P_out的计算过程如下：

当相位调制器的调制信号为：u_PM(t)＝k_AP·δ·sin(ω_E·t)

其中，k_APδ为调制信号的振幅；ω_E为角频率；k_AP为相位调制器电光调制系数，单位为V/rad；δ为相位调制器相位延迟的振幅，单位是rad；

对应的相位调制器相移为

则光束往返通过相位调制器产生的相移角为：

定义调制深度H＝2δ，则到达光电探测器的光信号P_out为：

P_in为光源光功率，θ为线偏振光偏振面旋转角度，此时对应的相位调制器调制信号的幅值U_PM为：

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