CN117031101B - 宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备，SLED光源与3×3保偏光纤耦合器一个输入端连接，探测器与3×3保偏光纤耦合器其余输入端连接，3×3保偏光纤耦合器的两个输出端与偏振合束器的两个输入端连接；偏振合束器的输出端与直波导相位调制器的一端连接，直波导相位调制器的另一端与保偏传输光缆的一端连接，保偏传输光缆的另一端与光纤传感环连接；探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，信号解调电子单元的调制信号输出端连接相位调制器的电控制端口。优点：可以在更短的渡越时间下进行反馈调制解调以期获得更高的测量带宽，使电流互感器可测量大电流的同时也可提高电流传感器测量的测量带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备，属于光电技术领域。
背景技术
当前在电力测量、工业电解等领域广泛使用光纤电流传感器进行电流测量，基于3×3耦合器的Sagnac干涉型方案由于具有测量带宽大的特征被探索用于对雷电等脉冲式电流测量。其主要特征为传感回路部分采用完全互易的光纤光路设计，以提高传感器抗干扰的能力，利用3×3耦合器的特征，在返回输出端分别获得固定偏振点位于处的两路干涉信号，从而实现电流的开环检测，可实现高带宽的电流测量，其探测信号与被测量响应关系为三角函数关系。但当被电流动态范围过大时，存在比较严重的非线性失真或失效，针对不同的测量范围需要特定敏感能力的传感环与之匹配。雷电监测、电磁炮、电磁弹射等各种新型电磁能装置中对电流测量需要同时满足测量带宽与测量范围方面的能力，基于现有方案，需要多种不同规格的该类型光纤电流传感器进行组合测量。由于上述类型光纤电流传感器的局限性，无法满足这些新场景的电流测量要求，光纤电流传感器进一步拓展其性能指标以满足上述测量场景的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽频带光纤电流传感器、测量方法、系统、介质及设备，以解决现有光纤电流传感器的局限性，无法满足这些新场景的电流测量要求的缺陷。
一种宽频带光纤电流传感器，包括SLED光源、3×3保偏光纤耦合器、偏振合束器、相位调制器、保偏传输光缆、探测器、光纤传感环和信号解调电子单元；
所述SLED光源与3×3保偏光纤耦合器一个输入端连接，用于将光源输入的线偏振光输入至3×3保偏光纤耦合器，所述3×3保偏光纤耦合器的两个输出端与偏振合束器的两个输入端连接，将输入的两线偏振光叠加成相互正交的光并从偏振合束器输出光纤的快慢轴输出至相位调制器，所述相位调制器用于对相互正交的线偏振光的相位差进行调制，并通过保偏传输光缆输入至光纤传感环，相互正交的偏振光经过传感环将电流引起的相位差信息反射回相位调制器、偏振合束器以及3x3光纤耦合器；
所述3×3保偏光纤耦合器的输入侧同边的两个端口分别连接两个探测器，用于将反射回的线偏振光输入两个探测器，反馈出电信号强度；
所述探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述信号解调电子单元的调制信号输出端连接相位调制器的电控制端口。
进一步地，所述3×3保偏光纤耦合器的其一输出端与偏振合束器的其一输入端0°准直熔接，所述3×3保偏光纤耦合器的另一输出端与偏振合束器的另一输入端90°准直熔接。
进一步地，所述偏振合束器与直波导相位调制器成0°准直连接。
进一步地，所述3×3保偏光纤耦合器的输入端包括输入单模光纤一、输入保偏光纤和输入单模光纤二，所述SLED光源通过输入保偏光纤与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器包括探测器一和探测器二，所述探测器一通过输入单模光纤一与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器二通过输入单模光纤二与3×3保偏光纤耦合器连接。
进一步地，所述3×3保偏光纤耦合器的输出端包括输出保偏光纤一、输出单模光纤和输出保偏光纤二，所述SLED光源输出端通过输出保偏光纤一和输出保偏光纤二与偏振合束器的输入端连接，所述输出单模光纤用于连接无芯光纤或端面斜切进行防反射。
进一步地，所述信号解调电子单元包括探测信号调理、模数转换模块、信号处理模块和调制驱动模块，所述光电信号调理与模数转换模块用于完成探测器信号前置处理以及数字模拟信号转换，所述信号处理模块用于完成电流信号解算以及反馈调制信号产生及输出，所述调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
一种宽频带光纤电流传感器的传感器测量方法，所述方法包括：
通过探测器一和探测器二分别获得第个调制解调周期的探测信号/>和探测信号，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使/>信号为零；
将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中/>是标定相关系数。
进一步地，所述探测信号的电压强度公式表示如下：
；
所述探测信号的电压强度公式表示如下：
；
表示系统光学损耗，/>表示探测器响应能力，/>表示光源输出功率，/>表示由电流产生的相位，/>为圆周率。
进一步地，所述将探测信号和探测信号/>相减获得信号差值/>的计算公式为：
。
一种宽频带光纤电流传感器的传感器测量系统，所述系统包括：
第一计算模块，用于通过探测器一和探测器二分别获得第个调制解调周期的探测信号/>和探测信号/>，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
第二计算模块，用于将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使/>信号为零；
第三计算模块，用于将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中/>是标定相关系数。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现所述的宽频带光纤电流传感器测量方法。
一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现所述的宽频带光纤电流传感器测量方法的操作。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明基于3x3耦合器的反馈式光纤电流传感器，在电流较大时，可以根据实时检测的电流大小进行动态反馈调制，当电流变化量过大偏离预期的线性范围时，可以进行反馈调制，提高电流传感器的测量范围。且该方案存在固定偏置工作点，不需要调制器进行固定偏置调制，可以在更短的渡越时间下进行反馈调制解调以期获得更高的测量带宽，使电流互感器可测量大电流的同时也可以提高电流传感器测量的测量带宽。
附图说明
图1为本发明的光纤电流传感器的原理结构示意图；
图2为本发明的3×3保偏光纤耦合器示意图；
图3为本发明的光纤电流传感器的信号解调电子单元功能框图；
图中：1、SLED光源；2、3×3保偏光纤耦合器；2-1、输入单模光纤一；2-2、输入保偏光纤；2-3、输入单模光纤二；2-4、输出保偏光纤一；2-5、输出单模光纤；2-6、输出保偏光纤二；3、偏振合束器；4、相位调制器；5、保偏传输光缆；6、光纤传感环；7、探测器一；8、探测器二；9、信号解调电子单元。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1，如图1所示，本发明公开一种宽频带光纤电流传感器，包括高偏型SLED光源1、3x3保偏光纤耦合器2、偏振合束器3、相位调制器4、保偏传输光缆5、光纤传感环6、探测器一7、探测器二8和信号解调电子单元9；
所述高偏型SLED光源通过保偏光纤连接到3x3保偏光纤耦合器一个输入端；所述3x3保偏光纤耦合器两个输出端与偏振合束器两个输入端相熔接，其中一个0°准直熔接，另一个90°准直熔接；偏振合束器与直波导相位调制器成0°准直熔接；
所述相位调制器另一端与保偏传输光缆熔接；所述的保偏传输光缆的另一端与测量处的光纤传感环熔接；所述的3x3保偏光纤耦合器与接入光源同侧的两个端口分别与两个探测器相熔接，所述的两个探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述的信号解调电子单元的调制信号输出端连接直波导相位调制器的电控制端口；
所述SLED光源与3×3保偏光纤耦合器一个输入端连接，用于将光源输入的线偏振光输入至3×3保偏光纤耦合器，所述3×3保偏光纤耦合器的两个输出端与偏振合束器的两个输入端连接，将输入的两线偏振光叠加成相互正交的光并从偏振合束器输出光纤的快慢轴输出至相位调制器，所述相位调制器用于对相互正交的线偏振光的相位差进行调制，并通过保偏传输光缆输入至光纤传感环，相互正交的偏振光经过传感环将电流引起的相位差信息反射回相位调制器、偏振合束器以及3x3光纤耦合器；
所述3×3保偏光纤耦合器的输入侧同边的两个端口分别连接两个探测器，用于将反射回的线偏振光输入两个探测器，反馈出电信号强度；
所述探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述信号解调电子单元的调制信号输出端连接相位调制器的电控制端口。
作为本发明的优选实施方式，所述3x3保偏光纤耦合器具有如下特征：与高偏型SLED光源连接的尾纤为保偏光纤；与探测器、探测器相熔接的两个尾纤为单模光纤；输出侧与偏振合束器相熔接的两端口尾纤为保偏光纤，另一端口尾纤为单模光纤，熔接一根无芯光纤或端面斜切进行防止反射处理；
如图2所示，具体为所述3×3保偏光纤耦合器2的输入端包括输入单模光纤一2-1、输入保偏光纤2-2和输入单模光纤二2-3，所述SLED光源通过输入保偏光纤与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器包括探测器一7和探测器二8，所述探测器一7通过输入单模光纤一2-1与3×3保偏光纤耦合器2连接，所述探测器二8通过输入单模光纤二2-3与3×3保偏光纤耦合器2连接；所述3×3保偏光纤耦合器2的输出端包括输出保偏光纤一2-4、输出单模光纤2-5和输出保偏光纤二2-6，所述SLED光源1输出端通过输出保偏光纤一2-4和输出保偏光纤二2-6与偏振合束器3的输入端连接，输出单模光纤2-5用于连接无芯光纤或端面斜切进行防反射。
作为本发明的优选实施方式，所述的实现宽频带光纤电流传感器，通过直波导相位调制器进行反馈调制获得测量值，以探测器一7和探测器二8信号的差值乘以反馈系数/>所得的信号/>为高度，以光学渡越时间/>为阶梯宽度形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零（极小值）时，探测信号强度为/>；
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述信号解调电子单元包括探测信号调理、模数转换模块、信号处理模块和调制驱动模块，所述光电信号调理与模数转换模块用于完成探测器信号前置处理以及数字模拟信号转换，所述信号处理模块用于完成电流信号解算以及反馈调制信号产生及输出，所述调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
实施例2，一种宽频带光纤电流传感器的传感器测量方法，所述方法包括：
通过探测器一和探测器二分别获得第i个调制解调周期的探测信号和探测信号，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使/>信号为零；
将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中是标定相关系数。
下面结合上述对该实施结构特性及传感器的测量方法对该发明的实施机制进行具体描述：
光源发出的光经过3x3耦合器从另一侧的两个保偏尾纤端口出来，功率大小各为入射光的三分之一（不考虑插损），另一单模光纤端口接无芯光纤防止回波干扰。采用一个偏振合束器将两个保偏光进行正交合束，即其中一端呈90°准直熔接，分别进入合束器输出保偏光纤的快慢轴，之后接入直波导相位调制器，通过相位调制器可以对相互正交的两束光调节相位差，从相位调制器之后通过一段保偏光缆后进入传感环中。在传感环传播过程中，相互正交的偏振光的传播速度受到探测电流磁场的作用。相互产生一定的相位差，传至末端经过金反射镜发生反射再回传至调制器以及耦合器，经过电流磁场作用的正交光在耦合器发生干涉，分别从与连接光源尾纤同侧的另外单模光纤尾端输出，其中一路干涉偏置相位为，另一路为/>。其相关的干涉光强经过探测器转化为电压信号，两个探测器的输出信号电压强度可用如下公式表示：
所述探测信号的电压强度公式表示如下：
；
所述探测信号的电压强度公式表示如下：
；
表示系统光学损耗，/>表示探测器响应能力，/>表示光源输出功率，/>表示由电流产生的相位，/>为圆周率。
在电子解调单元的信号调理模块中，对两探测信号进行相减处理由式（1）得到：
（1）。
相位电流与被测试电流可以由式（2）描述：
；（2）
为传感强度系数，/>为传感光纤匝数；/>为被测试电流大小。
采用调制器进行反馈调制时，（3）
相位调制器调制关系由式（4）表示，
；（4）
为调制比例系数，其为一个常数；/>为调制信号输出范围控制参数；/>为输出调制信号的输出数字量；/>代表调制信号强度。
在实际的反馈调制中，以的采样值乘以系数/>所得/>作为阶梯波台阶的高度，以传感器渡越时间/>为阶梯时间宽度的阶梯波作为调制信号，使得/>，即，若/>，则进一步反馈新的/>，致使/>=0。当反馈频率足够高(＞200kHz),足够小，使得/>与/>及电流/>成正比，于是测试电流可以采用每次反馈量的积分进行表示/>，从而获得测量电流值，/>表示标定系数，采用标准互感器校准获得。
实施例3，一种宽频带光纤电流传感器的传感器测量系统，所述系统包括：
第一计算模块，用于通过探测器一和探测器二分别获得第个调制解调周期的探测信号/>和探测信号/>，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
第二计算模块，用于将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使/>信号为零；
第三计算模块，用于将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中/>是标定相关系数。
实施例4，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，用于实现实施例2的方法。
实施例5，一种计算机设备，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现实施例2的操作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种宽频带光纤电流传感器的测量方法，所述传感器包括SLED光源、3×3保偏光纤耦合器、偏振合束器、相位调制器、保偏传输光缆、探测器、光纤传感环和信号解调电子单元；
所述SLED光源与3×3保偏光纤耦合器一个输入端连接，用于将光源输入的线偏振光输入至3×3保偏光纤耦合器，所述3×3保偏光纤耦合器的两个输出端与偏振合束器的两个输入端连接，将输入的两线偏振光叠加成相互正交的光并从偏振合束器输出光纤的快慢轴输出至相位调制器，所述相位调制器用于对相互正交的线偏振光的相位差进行调制，并通过保偏传输光缆输入至光纤传感环，相互正交的偏振光经过光纤传感环将电流引起的相位差信息反射回相位调制器、偏振合束器以及3x3保偏光纤耦合器；
所述3×3保偏光纤耦合器的输入侧同边的两个端口分别连接两个探测器，用于将反射回的线偏振光输入两个探测器，反馈出电信号强度；
所述探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述信号解调电子单元的调制信号输出端连接相位调制器的电控制端口；
所述3×3保偏光纤耦合器的输入端包括输入单模光纤一、输入保偏光纤和输入单模光纤二，所述SLED光源通过输入保偏光纤与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器包括探测器一和探测器二，所述探测器一通过输入单模光纤一与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器二通过输入单模光纤二与3×3保偏光纤耦合器连接;其特征在于，所述测量方法包括：
通过探测器一和探测器二分别获得第个调制解调周期的探测信号/>和探测信号/>，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使信号/>为零；
将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中/>是标定相关系数。
2.根据权利要求1所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，
所述探测信号的电压强度公式表示如下：
；
所述探测信号的电压强度公式表示如下：
表示系统光学损耗，/>表示探测器响应能力，/>表示光源输出功率，/>表示由电流产生的相位，/>为圆周率。
3.根据权利要求2所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，所述将探测信号和探测信号/>相减获得信号差值/>的计算公式为：
。
4.根据权利要求1所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，所述3×3保偏光纤耦合器的其一输出端与偏振合束器的其一输入端0°准直熔接，所述3×3保偏光纤耦合器的另一输出端与偏振合束器的另一输入端90°准直熔接。
5.根据权利要求1所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，所述偏振合束器与相位调制器成0°准直连接。
6.根据权利要求1所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，所述3×3保偏光纤耦合器的输出端包括输出保偏光纤一、输出单模光纤和输出保偏光纤二，所述SLED光源输出端通过输出保偏光纤一和输出保偏光纤二与偏振合束器的输入端连接，所述输出单模光纤用于连接无芯光纤或端面斜切进行防反射。
7.根据权利要求1所述的宽频带光纤电流传感器的测量方法，其特征在于，所述信号解调电子单元包括探测信号调理模块、模数转换模块、信号处理模块和调制驱动模块，所述探测信号调理模块与模数转换模块用于完成探测器信号前置处理以及数字模拟信号转换，所述信号处理模块用于完成电流信号解算以及反馈调制信号产生及输出，所述调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。
8.一种宽频带光纤电流传感器的测量系统，所述传感器包括SLED光源、3×3保偏光纤耦合器、偏振合束器、相位调制器、保偏传输光缆、探测器、光纤传感环和信号解调电子单元；
所述SLED光源与3×3保偏光纤耦合器一个输入端连接，用于将光源输入的线偏振光输入至3×3保偏光纤耦合器，所述3×3保偏光纤耦合器的两个输出端与偏振合束器的两个输入端连接，将输入的两线偏振光叠加成相互正交的光并从偏振合束器输出光纤的快慢轴输出至相位调制器，所述相位调制器用于对相互正交的线偏振光的相位差进行调制，并通过保偏传输光缆输入至光纤传感环，相互正交的偏振光经过光纤传感环将电流引起的相位差信息反射回相位调制器、偏振合束器以及3x3保偏光纤耦合器；所述3×3保偏光纤耦合器的输入侧同边的两个端口分别连接两个探测器，用于将反射回的线偏振光输入两个探测器，反馈出电信号强度；所述探测器的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元连接，所述信号解调电子单元的调制信号输出端连接相位调制器的电控制端口；
所述3×3保偏光纤耦合器的输入端包括输入单模光纤一、输入保偏光纤和输入单模光纤二，所述SLED光源通过输入保偏光纤与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器包括探测器一和探测器二，所述探测器一通过输入单模光纤一与3×3保偏光纤耦合器连接，所述探测器二通过输入单模光纤二与3×3保偏光纤耦合器连接，其特征在于，所述系统包括：
第一计算模块，用于通过探测器一和探测器二分别获得第个调制解调周期的探测信号/>和探测信号/>，将探测信号/>和探测信号/>相减获得信号差值/>；
第二计算模块，用于将信号差值乘以反馈系数/>，所得信号/>为高度，以光学渡越时间/>为周期形成阶梯波作为反馈调制信号,使/>信号为零，如果/>不为零，进一步获得采用新的/>进行反馈，直到使信号/>为零；
第三计算模块，用于将每次反馈量进行累加，经过标定后，获得探测信号强度，其中/>是标定相关系数。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一所述的宽频带光纤电流传感器测量方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；
处理器，用于执行所述指令，使得所述设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的宽频带光纤电流传感器测量方法的操作。
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