实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法技术

本发明专利技术涉及一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，包括低偏型SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、直波导相位调制器、法拉第旋光器、保偏传输光缆、光纤传感环、探测器和信号解调电子单元，所述的低偏型SLED光源通过单模光纤连接到光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光纤偏振器相熔接。本发明专利技术还涉及一种实现非互易动态相位调制的信号解调方法。采用了本发明专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法，实现固定相位偏置的调制，也可实现动态反馈的调制，可以降低了电流传感器由于频繁调制引入的噪声，提高小信号测量精度，同时可以获得较高的测量带宽，可以根据实时检测的电流大小进行动态调制，提高电流传感器的测量范围。

【技术实现步骤摘要】
实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法
本专利技术涉及光电
，尤其涉及光纤传感领域，具体是指一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法。
技术介绍
当前在电力测量、工业电解等领域被广泛使用的光纤电流传感器主要采用Sagnac干涉式数字闭环调制方案实现，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。为了使光纤电流传感器工作在线性特性最佳区域，需要通过相位调制器施加调制信号，使传感器工作点位于±π/2相位处。包含相位调制器的光路部分为互易性光路的一部分，相位调制无法使工作点一直工作在+π/2或－π/2，因为相位调制器调制的结果为初始经过相位调制器和返回经过相位调制器所产生的调制相位只差，只能通过周期性调制信号，使传感器工作点交替位于±π/2相位处，且调制周期为光纤传感器光学渡越时间的2倍。在这种情况下，光纤电流传感器的电流值实际采样值频率受限于光学渡越时间，大大削弱了系统的测量带宽。其次在测量电流较大的情况下，系统的工作点也会偏离±π/2相位处，需要按上述周期施加阶梯波调制，阶梯高度产生的相位差大小刚好与电流产生的相位大小相互抵消，传感系统的工作点才不会偏离±π/2相位处。由于调制信号通道以及调制器、探测器本身具有一定的带宽，周期性调制会使探测器输出产生周期性脉冲波。脉冲波不能正确表达电流测量信息，所以脉冲波的宽度也一定程度降低了光纤电流传感器的测量带宽。在此方案下，光纤电流传感器的测量值带宽一般小于1MHz。此外，另有一些开环型光纤电流传感方案，其主要带宽取决于传感光纤环的长度，根据设计需要一般可以实现10MHz及以上光学带宽。由于没有反馈调制机制，这类光纤电流传感器测量范围较小，且存在较大的线性失真。随着特高压直流输电系统的建设，全光纤电流传感器由于具有无电磁干扰、动态范围大、可测直流等特点，在直流换流站中获得了广泛的应用，从而进一步促进了光纤电流传感器工程技术的成熟。于此同时，柔性直流工程中换流阀等测点对电流测量的响应时间、高次谐波测量精度等提出了更高的要求。此外，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。由于上述主要两类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。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足测量精度高、测量带宽高、适用范围较为广泛的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法。为了实现上述目的，本专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法如下：该实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其主要特点是，所述的光纤电流传感器包括低偏型SLED光源、光纤耦合器、光纤偏振器、直波导相位调制器、法拉第旋光器、保偏传输光缆、光纤传感环、探测器和信号解调电子单元，所述的低偏型SLED光源通过单模光纤连接到光纤耦合器；所述的光纤耦合器与光纤偏振器相熔接，所述的光纤偏振器与直波导相位调制器成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器另一端与法拉第旋光器输入端熔接；所述的法拉第旋光器输出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；所述的光纤耦合器中与光源接入端同侧的另一端与探测器相熔接，所述的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。较佳地，所述的光纤传感环由特殊旋转熊猫型高双折射光纤和金属反射膜构成。较佳地，所述的特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分和匀速旋转率部分，所述的匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。较佳地，所述的信号解调电子单元包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块，所述的光电信号调理与模数转换模块用于完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变，所述的数字计算模块用于完成电流信号解算以及调制信号产生，所述的调制驱动模块用于完成调制信号的驱动输出。该基于上述的光纤电流传感器实现非互易动态相位调制的信号解调方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作、传感器系统相位偏置测量的处理操作和动态反馈电流信号解调的处理操作。较佳地，所述的相位调制器2π相位自测试及温度漂移自补偿的处理操作，具体包括以下步骤：(1-1)信号解调电子单元输出的调制信号输出范围由电子单元内部参数控制，以一定的周期控制调制信号输出最大调制值和最小调制值；(1-2)判断最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差是否为2π，如果是，则探测器输出值相等；否则，信号解调电子单元根据探测器输出值调整控制调制信号输出范围的参数，直至最大调制值和最小调制值所调制相位之间的差为2π；(1-3)信号解调电子单元实时调制，控制调制信号输出范围的参数值锁定规范化2π电压值，使达自动温度补偿。较佳地，所述的传感器系统相位偏置测量的处理操作，具体包括以下步骤：(2-1)在测量电流为0的情况下，信号解调电子单元控制调制信号输出遍历从最小值至最大值，获得探测器所测出的最大值与最小值；(2-2)计算出最大值与最小值的平均值，控制调制信号输出直到探测器输出值等于这个平均值。较佳地，所述的动态反馈电流信号解调的处理操作，具体为：根据所检测的电流值大小，判断电流相位是否超出预期的非线性区域，如果是，则产生调制信号使探测器信号输出值保持在零点，使光纤电流互感器的工作点处于线性度最佳位置。采用了本专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器及相应的信号解调方法，实现固定相位偏置的调制，也可实现动态反馈的调制。在测量电流较小的情况下，电流传感器可以处于固定相位偏置的调制工作模式，可以降低了电流传感器由于频繁调制引入的噪声，提高小信号测量精度，同时可以获得较高的测量带宽；在电流较大时，可以根据实时检测的电流大小进行动态调制，当电流变化量过大偏离我们预期的线性范围时，可以进行反馈调制，提高电流传感器的测量范围。最后，非互易调制的光纤电流传感器调制解调不在需要依赖一个一定长度的光纤延时环及渡越时间，在动态调制模式下，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为本专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的结构示意图。图2为本专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的相位与探测器信号强度关系示意图。图3为本专利技术的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器的信号解调电子单元功能框图。附图标记：1低偏型SLED光源2光纤耦合器3光纤偏振器4直波导相位调制器5法拉第旋光器6保偏传输光缆7光纤传感环8探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的光纤电流传感器包括低偏型SLED光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤偏振器(3)、直波导相位调制器(4)、法拉第旋光器(5)、保偏传输光缆(6)、光纤传感环(7)、探测器(8)和信号解调电子单元(9)，所述的低偏型SLED光源(1)通过单模光纤连接到光纤耦合器(2)；所述的光纤耦合器(2)与光纤偏振器(3)相熔接，所述的光纤偏振器(3)与直波导相位调制器(4)成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器(4)另一端与法拉第旋光器(5)输入端熔接；所述的法拉第旋光器(5)输出端与保偏传输光缆(6)熔接，所述的保偏传输光缆(6)的另一端与测量处的光纤传感环(7)熔接；所述的光纤耦合器(2)中与光源接入端同侧的另一端与探测器(8)相熔接，所述的探测器(8)的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元(9)连接，所述的信号解调电子单元(9)的调制信号输出端连接直波导相位调制器(4)的电控制端口。/n

【技术特征摘要】
1.一种实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的光纤电流传感器包括低偏型SLED光源(1)、光纤耦合器(2)、光纤偏振器(3)、直波导相位调制器(4)、法拉第旋光器(5)、保偏传输光缆(6)、光纤传感环(7)、探测器(8)和信号解调电子单元(9)，所述的低偏型SLED光源(1)通过单模光纤连接到光纤耦合器(2)；所述的光纤耦合器(2)与光纤偏振器(3)相熔接，所述的光纤偏振器(3)与直波导相位调制器(4)成45°准直熔接，所述的直波导相位调制器(4)另一端与法拉第旋光器(5)输入端熔接；所述的法拉第旋光器(5)输出端与保偏传输光缆(6)熔接，所述的保偏传输光缆(6)的另一端与测量处的光纤传感环(7)熔接；所述的光纤耦合器(2)中与光源接入端同侧的另一端与探测器(8)相熔接，所述的探测器(8)的电信号通过安装引脚与信号解调电子单元(9)连接，所述的信号解调电子单元(9)的调制信号输出端连接直波导相位调制器(4)的电控制端口。


2.根据权利要求1所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的光纤传感环(7)由特殊旋转熊猫型高双折射光纤和金属反射膜构成。


3.根据权利要求2所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的特殊旋转熊猫型高双折射光纤依次包含不旋转部分、匀变旋转率部分和匀速旋转率部分，所述的匀速旋转率部分光纤末端镀金属反射膜，匀变旋转率部分的最高旋转速率与匀速段速率相同。


4.根据权利要求1所述的实现非互易动态相位调制的光纤电流传感器，其特征在于，所述的信号解调电子单元(9)包含光电信号调理与模数转换模块、信号解调模块、调制驱动模块、数字计算模块，电流信息输出模块，所述的光电信号调理与模数转换模块用于完成光电信号滤波放大以及模拟信号到数字信号的转变，所述的数字计算模块用于完成电流信号解算以及调制信号产生，所述的调制驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭耐，黄勇，许宗幸，
申请(专利权)人：上海康阔光智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31