一种自校正光电集成电场传感器系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种自校正光电集成电场传感器系统，属于电场测量【技术领域】。其中的激光源的输出端依次通过起偏器、输入保偏光纤与传感器的输入端相连，传感器的输出端依次通过输出保偏光纤、偏振分束器、Y波导调制器与探测器的输入端相连。探测器输出的电信号经处理器产生可调直流电源模块的控制信号及经处理器数学运算反推出待测电场信号，控制可调直流电源模块为Y波导调制器提供电压信号，形成闭环控制。本发明系统通过Y波导调制器的反馈控制，实现系统传递函数的现场标定，提高测量精度；并将系统的静态工作点调整至π/2，使得传感器工作在最佳状态。
【专利说明】一种自校正光电集成电场传感器系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种自校正光电集成电场传感器系统，属于电场测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]电场测量在诸多科学研究和工程【技术领域】具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛的应用。
[0003]随着集成光学技术的迅速发展，光电集成电场传感器得到了愈来愈多的研究和应用。已有基于光电集成传感器的电场测量系统，如申请号为:201310076620.9，发明名称为准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器的专利申请，其铌酸锂直波导传感单元上不含天线，测量灵敏度较低；且采用了光纤陀螺的全数字闭环系统，系统响应时间较长，测量电磁兼容和微波【技术领域】暂态波形较为困难，因此其应用局限于电力系统中的工频强电场或电压测量。申请号为:201210348311.8，发明名称为一种基于共路干涉的集成电场传感器的专利申请，其结构如图1所示，
[0004]
V = A- l + b-cos(p0 +—Tl)(I)
_ _
[0005]其中A为反映了激光源输出的光功率、光路损耗及探测器的光电转换系数；b为传感器的消光比，取决于保偏光纤与传感器中光波导的稱合工艺；％为传感器的静态偏置点，取决于光波导的几何尺寸为半波电场，取决于传感器中铌酸锂晶体、天线及调制电极的几何尺寸；E为待测电场信号，V为探测器输出的电压信号。
[0006]考虑到温度、湿度等环境因素会引起A、b、％三个参数不同程度的变动，为保证测量准确，最好在测量电场信号前，对三个参数进行标定。已有技术中传感器的标定工作需要平行板电极和较高电压幅值(通常在IOkV以上)的电压源等设备辅助，难以在测量现场实现，其应用范围被限制于实M夂环境中。
[0007]另外，静态偏置卢W对传感器的可测范围有重要影响，如图2所示。当％二0或 时，传递函数的静态工作点位于余弦函数的顶部，属于饱和区域，一方面大大降低测量
的灵敏度，另一方面是测量波形发生严重畸变，通过电压信号反推电场信号出现困难；当% = #2，静态工作点位于余弦函数的近似线性段，测量系统具有最大的灵敏度和近似线性的输入输出特性。已有技术中传感器静态偏置点％缺乏反馈控制，一旦温度等环境因数变化引起％变动，传感器静态工作点将偏离余弦函数线性段，测量系统失去最大的灵敏度和近似线性的输入输出特性。
[0008]综上所述，该已有技术主要存在两方面缺陷:其一，传感器标定工作难以在测量现场实现，应用范围被限制于实验室环境中；另一方面，传感器的静态偏置点％缺乏反馈控制，一旦温度等环境因数变化引起％变动，传感器静态工作点将偏离余弦函数线性段，测量系统失去最大的灵敏度和近似线性的输入输出传递函数特性。
【发明内容】

[0009]本发明的目的是提出一种自校正光电集成电场传感器系统，利用Y波导调制器的反馈控制，实现a、b两个参数的现场标定，实现准确测量；并将静态偏置点调整到φ, = Ψ，使传感器具备最佳性能。
[0010]本发明提出的自校正光电集成电场传感器系统，包括:
[0011]激光源，用于发出激光；
[0012]起偏器，用于将激光源发出的激光转化成线偏振光，起谝器与激光源通过单模光纤相连；
[0013]传感器，用于通过输入保偏光纤接收线偏振光，输入保偏光纤的偏振轴以45°与传感器对轴耦合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光，在传感器的光波导中传播；传感器中的天线感应Y方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对光波导中传播的光信号产生调制作用，使两束不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束不同偏振模式的线偏振光在光波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；
[0014]偏振分束器，用于通过输出保偏光纤接收具有相位差的两束不同偏振模式的线偏振光，并使在同一根输出保偏光纤中传播的两束不同偏振模式的线偏振光分离，得到两束独立传播的线偏振光；
[0015]Y波导调制器，用于通过两根保偏光纤接收两束独立传播的线偏振光，并根据来自可调直流模块的电压调制信号校正两束独立传播的线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在Y波导调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，Y波导调制器通过两根保偏光纤与偏振分束器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连；
[0016]探测器，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号；
[0017]处理器，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。
[0018]可调直流电源模块，用于通过电缆线接收处理器输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导调制器。
[0019]本发明提出的自校正光电集成电场传感器系统，其优点是:在测量前，实现传递函数各参数的现场标定，从而实现电场信号的精确测量；通过Y波导调制器，将光电集成电场传感器系统的静态工作点校正至η/2，使得传感器在最佳状态下工作，从而大大提高了本发明的电场传感器系统的电场测量灵敏度。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为已有技术中光电集成电场测量系统的结构示意图。
[0021]图2为静态工作点对电场测量系统传递函数的影响的原理示意图。
[0022]图3为本发明提出的自校正光电集成电场传感器系统的结构示意图。
[0023]图1和图3中，I是激光源，2是起偏器，3是传感器，4是光波导，5是天线，6是调制电极，7是铌酸锂(LiNbO3)晶片，8是检偏器，9是探测器，10是偏振分束器，11是Y波导调制器，12是处理器，13是可调直流电源模块。【具体实施方式】
[0024] 本发明提出的自校正光电集成电场传感器系统，其结构如图3所示，包括:
[0025]激光源I，用于发出激光；
[0026]起偏器2，用于将激光源发出的激光转化成线偏振光，起谝器与激光源通过单模光纤相连；
[0027]传感器3,用于通过输入保偏光纤接收线偏振光,输入保偏光纤的偏振轴以45°与传感器对轴稱合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式(横电波和横磁波两种模式)的线偏振光，在传感器的光波导4中传播；传感器中的天线感应Y方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对光波导中传播的光信号产生调制作用，使两束不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束不同偏振模式的线偏振光在光波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；
[0028]偏振分束器10，用于通过输出保偏光纤接收具有相位差的两束不同偏振模式的线偏振光，并使在同一根输出保偏光纤中传播的两束不同偏振模式的线偏振光分离，得到两束独立传播的线偏振光；
[0029]Y波导调制器11，用于通过两根保偏光纤接收两束独立传播的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束独立传播的线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在Y波导调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，Y波导调制器通过两根保偏光纤与偏振分束器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连；
[0030]探测器9，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号；
[0031]处理器12，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。
[0032]可调直流电源模块13，用于通过电缆线接收处理器输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导调制器。
[0033]本发明提出的自校正光电集成电场传感器系统，其工作原理是:
[0034]激光源发出的部分偏振光经起偏器后变为线偏振光；输入保偏光纤的偏振轴以45°与传感器对轴稱合,则线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式(横电波和横磁波两种模式)的线偏振光，在传感器的光波导中传播；传感器中的天线感应Y方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对光波导中传播的光信号产生调制作用，使两束不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束不同偏振模式的线偏振光在光波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；输出保偏光纤偏振轴以0°与传感器对轴稱合,则具有一定相位差的两正交偏振模式的线偏振光分别沿保偏光纤的快慢轴传播；快慢轴中的两束线偏振光经偏振分束器分束后分开在两根保偏光纤的慢轴中传播，后同时射入Y波导调制器的两臂；￥波导调制器根据来自可调直流电源模块的电压调制信号对在Y波导两臂传播的两束线偏振光的相位差进行校正，校正相位差后的两束线偏振光在Y波导调制器的Y分支的交点处发生干涉，生成的干涉信号传入光探测器进行光电转换，转换的电信号输入处理器进行数学运算，处理器根据该电信号输出可调直流电源模块的控制信号及待测电场信号，可调直流电源模块根据处理器输出的控制信为Y波导调制器提供调制信号。
[0035]在使用本发明传感器系统进行电场测量之前，首先进行测量系统本身的标定和校正，以使测量系统在最佳状态下工作，保证测量系统的测量精确性和稳定性。
[0036]标定方法为:
[0037]设传感器系统的传递函数如式2所示:
[0038]
【权利要求】
1.一种自校正光电集成电场传感器系统，包括: 激光源，用于发出激光； 起偏器，用于将激光源发出的激光转化成线偏振光，起谝器与激光源通过单模光纤相连； 传感器，用于通过输入保偏光纤接收线偏振光，输入保偏光纤的偏振轴以45°与传感器对轴稱合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光，在传感器的光波导中传播；传感器中的天线感应Y方向待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过传感器上的调制电极对光波导中传播的光信号产生调制作用，使两束不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束不同偏振模式的线偏振光在光波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差； 其特征在于还包括: 偏振分束器，用于通过输出保偏光纤接收具有相位差的两束不同偏振模式的线偏振光，并使在同一根输出保偏光纤中传播的两束不同偏振模式的线偏振光分离，得到两束独立传播的线偏振光； Y波导调制器，用于通过两根保偏光纤接收两束独立传播的线偏振光，并根据来自可调直流电源模块的电压调制信号校正两束独立传播的线偏振光的相位差，校正相位差后的两束线偏振光在Y波导调制器的Y分支交点处发生干涉，得到一束干涉后的光信号，Y波导调制器通过两根保偏光纤与偏振分束器相连，通过电缆线与可调直流电源模块相连； 探测器，用于通过单模光纤接收干涉后的光信号，将光信号转换成电压信号； 处理器，用于通过电缆线接收探测器输出的电压信号，根据存储的传递函数及其标定后的参数数学运算得到待测电场信号，同时为可调直流电源模块提供控制信号。 可调直流电源模块，用于通过电缆线接收处理器输出的控制信号，根据该控制信号产生一个电压调制信号，并将该电压调制信号发送至Y波导调制器。
【文档编号】G01R29/12GK103616570SQ201310571507
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】曾嵘, 俞俊杰, 牛犇, 李婵虓, 王博 申请人:清华大学