CN117607761A - 具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法，属于传感器技术领域，包括多点式温度‑磁场传感结构、数据采集与处理单元；多点式温度‑磁场传感结构用于对温度和磁场进行多点感知，并传输至数据采集与处理单元；数据采集与处理单元中搭载有多点磁场感知的温度补偿模块、光强波动下磁场感知的修正模块；多点磁场感知的温度补偿模块用于将各点温度测量值补偿于各点磁场测量值，抑制温度波动对磁场测量的干扰；光强波动下磁场感知的修正模块从反射光谱中获取局部反射光强变化与反射峰值波动信息，用于判别各传感单元的入射光强是否发生波动，利用光强波动下的磁场感知的修正方法，抑制光强变化对磁场测量的影响。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法。
背景技术
磁场传感器在科学和工业应用中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于电力系统监测、地质勘探、生物医学检测和航空航天领域。传统电学磁场传感器基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门等原理，具有绝缘结构复杂、易受电磁干扰影响、频率响应差等缺点，无法满足复杂感知场景下安全、可靠的传感需求。在众多可用的磁场传感器中，基于法拉第旋光效应的磁光晶体式光学磁场传感器因其具有体积小、重量轻、全绝缘、抗电磁干扰、动态范围宽等独特优势而受到越来越多的关注。然而，磁光晶体的费尔德系数受温度的影响，将温度干扰耦合至磁场测量，降低了传感器磁场测量的精确度。为跟踪温度变化以修正温度干扰，现阶段光纤磁场传感器基本采用温度-磁场双参数复合传感的方法。
考虑到基于法拉第旋光效应的磁光晶体式光学磁场传感器是强度调制型，光源光强波动和光纤的弯曲损耗对磁场测量结果也会造成一定影响。此外，还需考虑整个测量系统的经济性问题，为实现多点温度和磁场传感，将单点式传感系统进行简单的叠加所需成本过高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，包括多点式温度-磁场传感结构、数据采集与处理单元；
所述多点式温度-磁场传感结构用于对温度和磁场进行多点感知，并传输至数据采集与处理单元；
所述数据采集与处理单元中搭载有多点磁场感知的温度补偿模块、光强波动下磁场感知的修正模块；
所述多点磁场感知的温度补偿模块用于将各点温度测量值补偿于各点磁场测量值，抑制温度波动对磁场测量的干扰；
所述光强波动下磁场感知的修正模块从反射光谱中获取局部反射光强变化与反射峰值波动信息，用于判别各传感单元的入射光强是否发生波动，利用光强波动下的磁场感知的修正方法，抑制光强变化对磁场测量的影响。
进一步，所述多点式传感结构包括宽带激光光源、环形器、分束器、复合传感单元、光开关、FBG解调仪和光电探测器；所述复合传感单元包括输入端准直器、光纤布拉格光栅、起偏器、磁光晶体、检偏器和输出端准直器；
所述宽带激光光源发出宽带光，经过环形器传递至分束器中，分成n条光路入射至多个复合传感单元的输入端准直器；满足特定中心波长的光被光纤布拉格光栅反射回输入端准直器，通过分束器耦合成一路光，经环形器输入FBG解调仪中生成反射光谱，当温度发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长发生偏移，通过计算得到反射光谱峰值对应的中心波长的偏移量，进而解调出温度值；而其余波长的光透射至起偏器，经过磁光晶体、检偏器和输出端准直器，并经光开关以选通的方式将多点输出光依次输入至光电探测器中进行光强测量，进而支撑多点磁场的感知。
进一步，所述多点式传感结构中，为实现多点温度解调，选用多个中心波长存在差异、反射谱不发生重叠的光纤布拉格光栅进行温度的测量；首先，通过FBG解调仪获取反射光谱峰值所对应的波长数据，即光纤光栅中心波长值λctr,re-i＝1,…,n，其中n为传感点数，通过与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re相减，提取出各光栅中心波长的数据偏移值的集合：
{ΔλB-i＝λctr,re-i-λctr0,re-i|i＝1,...,n}
根据各波长的偏移值求解出各点温度的变化值ΔTi，确定出各点温度值{Ti＝T0-i+ΔTi|i＝1,…,n}
最终得到多点式传感结构下各点的温度表达式为：
式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；
多点式传感结构的磁场感知依赖于出射光强Iout-i＝1,…,n的测量，利用光开关选通不同传感单元出射的透射光，实现多点磁场的感知，多点传感结构下各点的磁场表达式为：
式中，V为磁光晶体的费尔德系数，L为光束在磁光晶体中的有效光程，IIn-i为第i条支路的总输入光强，Ire-i为第i条支路的反射光强。
进一步，所述多点磁场感知的温度补偿模块通过下式计算得到受温度影响下测量磁场值：
式中，a与b的大小与材料结构有关。
进一步，所述光强波动下磁场感知的修正模块首先对光强波动进行判别，再修正光强扰动下磁场测量值，具体如下：
通过FBG解调仪获取反射光谱数据(λ,S(λ))，首先利用寻峰算法获取反射光谱中多个峰值点的数据集合{(λctr,re-i,sctr,re-i)|i＝1,...,n}，以无波动条件下峰值点的数据值{(λctr0,re-i,sctr0,re-i)|i＝1,...,n}作为基准量；同时，反射谱线与波长量所围成形状的面积为反射谱面积，通过对反射谱线进行局部积分得到局部反射光强大小，表示为
式中，λi-1和λi-2分别为第i个反射谱的起始、结束积分的波长，Si(λ)为FBG解调仪输出的第i个传感单元的反射光谱；将多个光栅的局部反射谱进行积分，构建出多点传感系统下局部反射光强的集合为{Ire-i|i＝1,...,n}，设定无波动条件下局部反射光强作为基准量，其基准集合为{Ire0-i|i＝1,...,n}；
当某点传感单元的光强受到扰动时，峰值点、局部反射光强都将偏离基准值，并且两个参量满足与逻辑，设定出各点光强扰动的判定关系式为：
其中，设定各点峰值判定阈值、局部反射光强判定阈值分别为基准量的Kth，当上式成立时，判断为局部某点光强发生了波动，并且需要对该点磁场测量进行修正；当各点峰值量、局部反射光强满足同步变化时，判定为整体传感系统的光强受扰动，需要对所有测点的磁场同步进行修正；
当因光源波动和光纤弯曲损耗引起反射峰峰值功率发生波动时，定义出反射峰峰值功率波动系数：
当因光源波动和光纤弯曲损耗引起局部反射光强发生波动时，定义出局部反射光强的波动系数：
联合考虑各点反射峰峰值功率的波动系数与局部反射光强的波动系数，构建出各传感单元的输入光强补偿系数ki的定义：
将得到的补偿系数ki代入原磁场解调式中，获取修正后的磁场解调模型：
通过上式去除温度与光强扰动对磁场测量的干扰，实现多点磁场的准确测量。
另一方面，本发明提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，包括以下步骤：
S1：制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为基本温度-磁场双参数传感单元；
S2：搭建多点式温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；
S3：利用所获取的各点温度值计算温度补偿后的磁场测量值；
S4：判别光强是否发生波动，并根据波动情况进行光强补偿；
S5：将所搭建的传感系统应用于电力设备上，以实现电力设备内部多点温度、磁场双参数感知。
进一步，步骤S1所述制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，具体包括以下步骤：
S11：制备多个不同中心波长、反射率相差悬殊、反射光谱不重叠的光纤光栅；
S12：对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；
S13：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器通过微加工的方式制备成小尺寸；
S14：将光纤光栅处理、加工，插入至输入端准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部；
S15：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；
S16：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。
进一步，步骤S2所述搭建多点式温度-磁场传感系统，具体包括：
S21：搭建光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至环形器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、FBG解调仪、光开关、光电探测器中；特定中心波长的入射光首先在复合传感单元中光纤光栅处发生反射，其余波长的光将继续透射至磁光晶体中；
S22：将环形器输出的反射光输入至FBG解调仪中，并选择性地将光开关的输出透射光传递至光电探测器中，将FBG解调仪与光电探测器中的数据输出至数据采集与处理单元进行处理；
S23：获取FBG解调仪所测量到的光纤光栅反射谱线数据(xi,yi)re-i＝1,...,n，并从中求解出反射谱中峰值所对应的横坐标数据，即FBG光栅中心波长值λctr,re-i＝1,,n，将该波长值与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re-i＝1,...,n进行相减，获取温度变化下的波长变化量；
S24：控制光开关实现多点传感单元中特定点的光线输入至光电探测器中，并采集光电探测器的输出光强信号，再对其原始信号进行滤波、降噪处理；
S25：依据多点式传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入至传感算法中求解出各点的温度值，再将处理后的光强数据代入至传感算法中求解出初始磁场量，具体如下：
多点式传感结构下各点的温度表达式为：
式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；
多点传感结构下各点的磁场表达式为：
式中，V为磁光晶体的费尔德系数，L为光束在磁光晶体中的有效光程，IIn-i为第i条支路的总输入光强，Ire-i为第i条支路的反射光强。
进一步，步骤S3中，引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿：式：
式中，a与b的大小与材料结构有关。
进一步，步骤S4中，从反射光谱中获取多点反射峰峰值集合{sctr,re-i|i＝1,...,n}、局部反射光强集合{Ire-i|i＝1,...,n}，并与光功率不发生波动情况下的基值进行对比，判别光强是否发生波动；当光强发生波动时，依据所建立的磁场感知修正模型，实现磁场测量的光强补偿；
其中反射峰峰值功率波动系数
局部反射光强的波动系数
各传感单元的输入光强补偿系数
本发明的有益效果在于：本发明不仅实现多点温度与磁场信息的同步测量，还解决了磁场测量过程中受到温度干扰与光功率波动的问题，可在复杂电磁环境下准确监测磁场参量，应用优势显著。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为具备抗温度与光强波动干扰的多点式磁场传感结构示意图；
图2为复合传感单元结构示意图；
图3为FBG所测量到的多点光栅的反射光谱。
附图标记：1-宽带激光光源；2-环形器；3-分束器；4-复合传感单元；5-光开关；6-光电探测器；7-FBG解调仪；8-数据采集与处理单元；9-光纤；10-信号线；11-输入端准直器；12-光纤布拉格光栅；13-起偏器；14-磁光晶体；15-检偏器；16-输出端准直器；17-导热光学胶；18-玻璃管；19-高分子外涂敷胶层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，本发明提出一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，由多点式温度-磁场传感结构、多点磁场感知的温度补偿模块、光强波动下磁场感知的修正模块组成，多点式温度-磁场传感结构主要用于支撑温度、磁场两个参量的感知；多点磁场感知的温度补偿模块主要用于抑制温度波动对磁场测量的干扰，光强波动下磁场感知的修正模块主要用于抑制光源扰动或光纤传输路径上振动扰动所引起光强变化对磁场测量的影响。
多点式温度-磁场传感结构由温度-磁场感知原理、光路测量系统、多点温度-磁场双参数解调算法构成：
①多点式温度-磁场感知是利用多个光纤光栅与磁光晶体的复合传感单元输出的反射光、透射光来实现的。其中，为了实现多点温度感知，需要对各个复合传感单中光栅进行差异化设计，即各光栅中心波长存在差异并且反射光谱不重叠。当温度发生变化时，光纤光栅中心波长会发生偏移，通过算法提取出反射谱线中峰值点所对应波长的偏移量，即可从中解调出温度值。多点磁场感知是利用光开关选通不同传感单元出射的透射光，并通过光电探测器测量其光强大小，再从光强信息中解调出初始磁场值。
②光路测量系统为整体测量系统的硬件部分，多点式温度-磁场传感结构包括由光纤9连接的宽带激光光源1、环形器2、分束器3、复合传感单元4、光开关5、FBG解调仪7、光电探测器6，其结构如附图1所示。
其中光纤光栅与磁光晶体复合传感单元包括：输入端准直器11、光纤布拉格光栅12、起偏器13、磁光晶体14、检偏器15、输出端准直器16，上述装置被放置在玻璃管18中，玻璃管18中充满导热光学胶17，玻璃管18外部包裹有高分子外涂敷胶层19，其结构如附图2所示。磁光晶体与光纤光栅处于同一光路中，运用同一光路的透射光与反射光可以实现温度与磁场的调制-解调。首先，满足特定中心波长的入射光经光纤布拉格光栅发生反射，其余波长的光透射到起偏器上变成线偏振光，穿过磁光晶体后携带磁场信息的出射光通过检偏器和输出端准直器输出传感单元。
宽带激光光源发出宽带光，经过环形器传递至分束器中，分成n条光路入射至多个复合传感单元内部。满足特定中心波长的光发生反射，经环形器输入FBG解调仪中获取反射光谱，而其余波长的光由光开关选择性输出至光电探测器中，检测透射光强的大小。
③多点温度-磁场双参数解调算法主要基于光纤光栅的热光效应和磁光晶体的法拉第旋光效应，其中各参量的感知模型如下：
i.磁场解调：
磁场感知主要利用法拉第旋光效应，即磁光晶体在磁场作用下其线偏振光的偏振方向在晶体中发生旋转，且旋转角度θ与所测磁场B呈线性关系，即：
θ＝VBL (1)
式中，V为磁光晶体的费尔德系数，L为光束在磁光晶体中的有效光程，B为通光方向上的磁感应强度值。
为了获得对旋转角度θ变化的最大灵敏度，需要对起偏器、检偏器的位置进行配置。通过对输出光强求解关于旋转角度θ、起偏器的偏振方向与检偏器偏振方向之间的夹角α的二阶偏导，解得在时，输出光强θ对于输出光强最为灵敏。因此，出射光强Iout可表达为：
Itr-i＝IIn-i-Ire-i (2)
式中，Itr-i为经过光纤光栅后输入磁场传感模块的透射光强，其不受温度变化的影响，因此光纤光栅测温与磁光晶体测试磁场两者相互独立。IIn-i为第i条支路的总输入光强，Ire-i为第i条支路的反射光强。
双向式多点传感结构下各点的磁场表达式为:
ii.温度解调：
当温度发生变化时，光纤布拉格光栅(FBG)会产生热光效应导致其折射率发生变化，进而使得中心波长发生偏移。光纤光栅中心波长随温度的变化关系如下：
其中，T0表示基准温度值，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数，一般情况下，α＜＜ξ。FBG的热光系数和热膨胀系数均取决于材料本体特性，因此当材料选定后可看作常数。
多点温度感知运用多个中心波长不同、反射谱不重叠的光纤光栅进行温度的调制-解调，其反射光谱如附图3所示。利用FBG解调仪获取反射谱中峰值所对应的波长数据，即光纤光栅中心波长值λctr,re-i＝1,...,n，其中n为传感点数。通过与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re相减，即可提取出各光栅中心波长的数据偏移值集合：
{ΔλB-i＝λctr,re-i-λctr0,re-i|i＝1,...,n} (6)
进一步根据各波长的偏移值求解出各点温度的变化值ΔTi，进而确定出各点温度值{Ti＝T0-i+ΔTi|i＝1,...,n}。
最终可得多点传感结构下各点的温度表达式为：
多点磁场感知的温度补偿模块中，磁光晶体的费尔德系数V具有温度敏感特性，使得基于法拉第旋光效应的磁场传感器的工作性能受到环境温度的影响，因此需要进行温度补偿。
费尔德系数的温度依赖性可以表示为：
式中，a与b的大小与材料结构有关，因此不同性能的磁光晶体所对应的a，b取值存在差异。
将式(8)代入初始磁场解调公式(4)中：
将所解调出的各点温度值代入磁场解调式中，实现各点磁场测量的温度补偿。经温度补偿后的磁场表达式为：
光强波动下磁场感知的修正模块中，当整体光源输出光变化、传感单元发生振动或传输路径变化都将引起传感单元输入光强发生波动，包括了反射、透射光强，进而影响磁场测量。从反射光谱的角度分析，当光源光强发生波动时，反射谱中各峰值大小发生相同变化，局部反射谱的积分光强大小也发生波动；当某个传感器的入射光纤受振动干扰，光强发生波动时，对应反射峰的峰高也发生变化，局部各点反射光强发生波动，体现为局部反射谱的积分面积也发生变化。因此，将反射谱峰高、局部反射谱积分光强大小作为光强波动的判别特征，再用于去除磁场测量中光强波动的干扰，以实现磁场测量的修正。
①光强波动判别
通过FBG解调仪获取反射光谱数据(λ,S(λ))，首先利用寻峰算法获取反射光谱中多个峰值点的数据集合{(λctr,re-i,sctr,re-i)|i＝1,...,n}，以无波动条件下峰值点的数据值{(λctr0,re-i,sctr0,re-i)|i＝1,...,n}作为基准量。同时，反射谱线与坐标横轴(波长量)所围成形状的面积为反射谱面积，通过对反射谱线进行局部积分得到局部反射光强大小，可表示为
式中，λi-1和λi-2分别为第i个反射谱的起始、结束积分的波长，Si(λ)为FBG解调仪输出的第i个传感单元的反射光谱。进一步，将多个光栅的局部反射谱进行积分，构建出多点传感系统下局部反射光强的集合为{Ire-i|i＝1,...,n}，设定无波动条件下局部反射光强作为基准量，其基准集合为{Ire0-i|i＝1,...,n}。
当某点传感单元的光强受到扰动时，峰值点、局部反射光强都将偏离基准值，并且两个参量满足与逻辑，可设定出各点光强扰动的判定关系式为
其中，设定各点峰值判定阈值、局部反射光强判定阈值分别为基准量的Kth，当上式成立时，可判断局部某点光强发生了波动，并且需要对该点磁场测量进行修正。同时，当各点峰值量、局部反射光强满足同步变化时，即可判定出为整体传感系统的光强受扰动，需要对所有测点的磁场同步进行修正。
②磁场感知修正
假定光纤光栅反射率的谱线型近似满足高斯分布，即
式中，λ0、Δλ为光纤光栅的中心波长、半高带宽，p为光栅的最高反射率。因此，理论上反射峰峰值即中心波长处光强密度值的表达式为
式中，IIn为输入光纤光栅的总光强，Lopt为光源输出光的波长宽度值，而光纤光栅的反射光强大小可表示为
式中，λ1和λ2分别为光纤光栅反射谱起始和结束波长。由(12)、(13)式可知，反射光谱峰值功率、光栅反射光强与光纤光栅的输入光强IIn-i成同比变化关系。进一步，根据以上关系可推出，在多点传感系统中，峰值功率、局部反射光强在扰动前后的变化比例可近似等于各传感点的输入光强IIn-i的变化比例，据此可通过计算出前两者的前后波动系数而获取输入光强的波动系数。
当因光源波动和光纤弯曲损耗引起反射峰峰值功率发生波动时，定义出反射峰峰值功率波动系数：
同理，当因光源波动和光纤弯曲损耗引起局部反射光强发生波动时，定义出局部反射光强的波动系数：
联合考虑各点反射峰峰值功率的波动系数与局部反射光强的波动系数，构建出各传感单元的输入光强补偿系数ki的定义：
为了修正光强扰动下磁场测量值，将得到的补偿系数ki代入原磁场解调式中，获取修正后的磁场解调模型：
基于以上模型，进而可有效去除温度与光强扰动对磁场测量的干扰，实现多点磁场的准确测量。
在本实施例中，还提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，首先，制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为基本温度-磁场双参数传感单元；其次，搭建出多点式温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；然后，将所获取的各点温度值代入磁场表达式中，实现多点磁场测量的温度补偿；进一步，判别光强是否发生波动，并根据波动情况进行光强补偿；最后，选择电力变压器这种典型的电力设备作为应用对象，将所搭建的传感系统应用于该设备上，以实现变压器内部多点温度、磁场双参数感知。
围绕光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备流程，具体步骤如下：
步骤1：为了分离出各点温度测量信息，需要制备多个不同中心波长、反射率相差悬殊、反射光谱不重叠的光纤光栅；
步骤2：为达到磁场传感模块高灵敏度的需求，对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；
步骤3：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器等光学器件通过微加工的方式制备成小尺寸；
步骤4：将光栅进一步处理、加工，插入至输入端准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部，以达到减小传感单元尺寸、避免光栅损伤与防止了外部振动对光纤光栅测温的干扰；
步骤5：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；
步骤6：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。
搭建多点式多点温度-磁场传感系统，具体实施过程如下：
步骤1：参考测量系统的结构图，搭建出光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至环形器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、FBG解调仪、光开关、光电探测器中。特定中心波长的入射光首先在复合传感单元中光纤光栅处发生反射，其余波长的光将继续透射至磁光晶体中；
步骤2：将环形器输出的反射光输入至FBG解调仪中，并选择性地将光开关的输出透射光传递至光电探测器中，将FBG解调仪与光电探测器中的数据通过信号线10输出至数据采集与处理单元8进行处理；
步骤3：获取FBG解调仪所测量到的光纤光栅反射谱线数据(xi,yi)re-i＝1,...,n，并从中求解出反射谱中峰值所对应的横坐标数据，即FBG光栅中心波长值λctr,re-i＝1,...,n，将该波长值与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re-i＝1,...,n进行相减，获取温度变化下的波长变化量；
步骤4：控制光开关实现多点传感单元中特定点的光线输入至光电探测器中，并采集光电探测器的输出光强信号，再对其原始信号进行滤波、降噪处理；
步骤5：依据之前所建立的多点式传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入至传感算法中求解出各点的温度值，再将处理后的光强数据代入至传感算法中求解出初始磁场量；
实现多点磁场感知的温度与光强波动补偿，具体实施过程如下：
步骤1：引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿；
步骤2：从反射光谱中获取多点反射峰峰值集合{sctr,re-i|i＝1,...,n}、局部反射光强集合{Ire-i|i＝1,...,n}，并与光功率不发生波动情况下的基值进行对比，判别光强是否发生波动；
步骤3：当光强发生波动时，依据所建立的磁场感知修正模型，实现磁场测量的光强补偿；
步骤4：将研发出的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统应用于特定工业场景，如电力场景中变压器内部磁场的测量，可实现变压器内部多点磁场的准确感知。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可以实现本方法的步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，其特征在于：包括多点式温度-磁场传感结构、数据采集与处理单元；
所述多点式温度-磁场传感结构用于对温度和磁场进行多点感知，并传输至数据采集与处理单元；
所述数据采集与处理单元中搭载有多点磁场感知的温度补偿模块、光强波动下磁场感知的修正模块；
所述多点磁场感知的温度补偿模块用于将各点温度测量值补偿于各点磁场测量值，抑制温度波动对磁场测量的干扰；
所述光强波动下磁场感知的修正模块从反射光谱中获取局部反射光强变化与反射峰值波动信息，用于判别各传感单元的入射光强是否发生波动，利用光强波动下的磁场感知的修正方法，抑制光强变化对磁场测量的影响。
2.根据权利要求1所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，其特征在于：所述多点式传感结构包括宽带激光光源、环形器、分束器、复合传感单元、光开关、FBG解调仪和光电探测器；所述复合传感单元包括输入端准直器、光纤布拉格光栅、起偏器、磁光晶体、检偏器和输出端准直器；
所述宽带激光光源发出宽带光，经过环形器传递至分束器中，分成n条光路入射至多个复合传感单元的输入端准直器；满足特定中心波长的光被光纤布拉格光栅反射回输入端准直器，通过分束器耦合成一路光，经环形器输入FBG解调仪中生成反射光谱，当温度发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长发生偏移，通过计算得到反射光谱峰值对应的中心波长的偏移量，进而解调出温度值；而其余波长的光透射至起偏器，经过磁光晶体、检偏器和输出端准直器，并经光开关以选通的方式将多点输出光依次输入至光电探测器中进行光强测量，进而支撑多点磁场的感知。
3.根据权利要求1所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，其特征在于：所述多点式传感结构中，为实现多点温度解调，选用多个中心波长存在差异、反射谱不发生重叠的光纤布拉格光栅进行温度的测量；首先，通过FBG解调仪获取反射光谱峰值所对应的波长数据，即光纤光栅中心波长值λctr,re-i＝1,…,n，其中n为传感点数，通过与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re相减，提取出各光栅中心波长的数据偏移值的集合：
{ΔλB-i＝λctr,re-i-λctr0,re-i|i＝1,...,n}
根据各波长的偏移值求解出各点温度的变化值ΔTi，确定出各点温度值{Ti＝T0-i+ΔTi|i＝1,…,n}
最终得到多点式传感结构下各点的温度表达式为：
式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；
多点式传感结构的磁场感知依赖于出射光强Iout-i＝1,…,n的测量，利用光开关选通不同传感单元出射的透射光，实现多点磁场的感知，多点传感结构下各点的磁场表达式为：
式中，V为磁光晶体的费尔德系数，L为光束在磁光晶体中的有效光程，IIn-i为第i条支路的总输入光强，Ire-i为第i条支路的反射光强。
4.根据权利要求1所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，其特征在于：所述多点磁场感知的温度补偿模块通过下式计算得到受温度影响下测量磁场值：
式中，a与b的大小与材料结构有关。
5.根据权利要求1所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，其特征在于：所述光强波动下磁场感知的修正模块首先对光强波动进行判别，再修正光强扰动下磁场测量值，具体如下：
通过FBG解调仪获取反射光谱数据(λ,S(λ))，首先利用寻峰算法获取反射光谱中多个峰值点的数据集合{(λctr,re-i,sctr,re-i)|i＝1,...,n}，以无波动条件下峰值点的数据值{(λctr0,re-i,sctr0,re-i)|i＝1,...,n}作为基准量；同时，反射谱线与波长量所围成形状的面积为反射谱面积，通过对反射谱线进行局部积分得到局部反射光强大小，表示为
式中，λi-1和λi-2分别为第i个反射谱的起始、结束积分的波长，Si(λ)为FBG解调仪输出的第i个传感单元的反射光谱；将多个光栅的局部反射谱进行积分，构建出多点传感系统下局部反射光强的集合为{Ire-i|i＝1,...,n}，设定无波动条件下局部反射光强作为基准量，其基准集合为{Ire0-i|i＝1,...,n}；
当某点传感单元的光强受到扰动时，峰值点、局部反射光强都将偏离基准值，并且两个参量满足与逻辑，设定出各点光强扰动的判定关系式为：
其中，设定各点峰值判定阈值、局部反射光强判定阈值分别为基准量的Kth，当上式成立时，判断为局部某点光强发生了波动，并且需要对该点磁场测量进行修正；当各点峰值量、局部反射光强满足同步变化时，判定为整体传感系统的光强受扰动，需要对所有测点的磁场同步进行修正；
当因光源波动和光纤弯曲损耗引起反射峰峰值功率发生波动时，定义出反射峰峰值功率波动系数：
当因光源波动和光纤弯曲损耗引起局部反射光强发生波动时，定义出局部反射光强的波动系数：
联合考虑各点反射峰峰值功率的波动系数与局部反射光强的波动系数，构建出各传感单元的输入光强补偿系数ki的定义：
将得到的补偿系数ki代入原磁场解调式中，获取修正后的磁场解调模型：
通过上式去除温度与光强扰动对磁场测量的干扰，实现多点磁场的准确测量。
6.一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为基本温度-磁场双参数传感单元；
S2：搭建多点式温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；
S3：利用所获取的各点温度值计算温度补偿后的磁场测量值；
S4：判别光强是否发生波动，并根据波动情况进行光强补偿；
S5：将所搭建的传感系统应用于电力设备上，以实现电力设备内部多点温度、磁场双参数感知。
7.根据权利要求6所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，其特征在于：步骤S1所述制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，具体包括以下步骤：
S11：制备多个不同中心波长、反射率相差悬殊、反射光谱不重叠的光纤光栅；
S12：对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；
S13：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器通过微加工的方式制备成小尺寸；
S14：将光纤光栅处理、加工，插入至输入端准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部；
S15：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；
S16：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。
8.根据权利要求6所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，其特征在于：步骤S2所述搭建多点式温度-磁场传感系统，具体包括：
S21：搭建光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至环形器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、FBG解调仪、光开关、光电探测器中；特定中心波长的入射光首先在复合传感单元中光纤光栅处发生反射，其余波长的光将继续透射至磁光晶体中；
S22：将环形器输出的反射光输入至FBG解调仪中，并选择性地将光开关的输出透射光传递至光电探测器中，将FBG解调仪与光电探测器中的数据输出至数据采集与处理单元进行处理；
S23：获取FBG解调仪所测量到的光纤光栅反射谱线数据(xi,yi)re-i＝1,...,n，并从中求解出反射谱中峰值所对应的横坐标数据，即FBG光栅中心波长值λctr,re-i＝1,...,n，将该波长值与参考温度T0下的中心波长值λctr0,re-i＝1,...,n进行相减，获取温度变化下的波长变化量；
S24：控制光开关实现多点传感单元中特定点的光线输入至光电探测器中，并采集光电探测器的输出光强信号，再对其原始信号进行滤波、降噪处理；
S25：依据多点式传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入至传感算法中求解出各点的温度值，再将处理后的光强数据代入至传感算法中求解出初始磁场量，具体如下：
多点式传感结构下各点的温度表达式为：
式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；
多点传感结构下各点的磁场表达式为：
式中，V为磁光晶体的费尔德系数，L为光束在磁光晶体中的有效光程，IIn-i为第i条支路的总输入光强，Ire-i为第i条支路的反射光强。
9.根据权利要求6所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，其特征在于：步骤S3中，引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿：式：
式中，a与b的大小与材料结构有关。
10.根据权利要求6所述的具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，其特征在于：步骤S4中，从反射光谱中获取多点反射峰峰值集合{sctr,re-i|i＝1,...,n}、局部反射光强集合{Ire-i|i＝1,...,n}，并与光功率不发生波动情况下的基值进行对比，判别光强是否发生波动；当光强发生波动时，依据所建立的磁场感知修正模型，实现磁场测量的光强补偿；
其中反射峰峰值功率波动系数
局部反射光强的波动系数
各传感单元的输入光强补偿系数
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