【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤传感，具体涉及一种无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置及方法。
技术介绍
1、磁场作为基本物理量之一，磁场测量在科研研究、工业生产和军事安防等领域中具有重要应用。现有的磁场传感器根据原理可分为霍尔型、磁通门型、光纤型、光泵型和超导量子型，其中霍尔型和磁通门型易受电磁干扰，光泵型和超导量子型装置复杂、维护成本高，在复杂环境条件下的磁场测量应用中具有一定局限性。光纤型磁场传感器由于其成本低、抗干扰能力强、易集成等优势，在磁场测量领域具有重要的应用前景。
2、光纤磁探头是由保偏掺铒光纤绕制成环实现的，磁场使光纤磁探头中传输的顺时针和逆时针的两束光具有非互易性，可利用sagnac干涉仪实现对磁光信号的测量，通过测量光纤环中沿顺时针和逆时针方向传输的两束光的相位差来进行传感，光纤环的互易性结构可以消除光路中的互易性误差，由于光纤环在绕制过程中存在不可避免的应力和扭转，使得光纤端面形成非对称的椭圆折射率分布，当外界存在磁场时，顺时针和逆时针的两束光将产生和磁场有关的相位差通过测量该磁致相位差来测量外界磁场。但是采用普通保偏光纤绕制100米的光纤环，其磁光灵敏度低，无法测量μt以下的磁场，增加光纤长度可以提高光纤磁探头的磁光灵敏度，但是增加了绕制难度和制备成本。在光纤中掺稀土离子可以提高光纤的菲尔德常数，从而增加光纤磁探头的磁光灵敏度，保偏掺铒光纤的磁光灵敏度是普通保偏光纤的5倍，采用保偏掺铒光纤绕制的光纤磁探头虽然可以提升磁光灵敏度，但是无法实现100倍以上的提升。因此，需要一种能提升光纤磁探头的磁光灵敏度100倍
3、现有的光纤磁探头磁光灵敏度提升方法是采用偏振开关和偏振分束器构成循环光路，使磁致相位差在循环光路中多次倍增，但由于器件的插入损耗，光在循环光路中每传播一圈，光功率损耗50％，当循环10次以上时，光功率衰减1024倍，这增加了光信号的检测难度，并且偏振开关和偏振分束器的偏振消光比最高为20db，使每次循环时的噪声恶化。因此需要一种能同时增加光纤磁探头磁光灵敏度和补偿循环光路中光功率损耗的光路结构。
技术实现思路
1、针对现有技术无法同时提升光纤磁探头磁光灵敏度和补偿光功率损耗以提高磁场测量灵敏度的问题，本专利技术提供了一种无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置及方法，通过两个高速高消光比的光开关实现高速、低噪声的光路循环控制和磁光灵敏度提升，通过保偏掺铒光纤绕制的光纤磁探头和泵浦源，提高磁光灵敏度的同时对光功率损耗进行补偿，能够实现大于100倍的磁光灵敏度放大，实现μt以下的磁场测量。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，包括：
4、光源，用于提供信号光；
5、耦合分束器，共有四个端口，第一端口连接光源，第二端口和第三端口用于将光源提供的信号光分为两路光功率相等的光，分别以顺时针和逆时针方向进入循环放大光路，以及用于接收从循环放大光路返回的光信号；第四端口用于输出返回的光信号至光电探测器；
6、循环放大光路，包括第一光开关、第二关开关、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器、带泵浦源的光纤磁探头，所述的第一光开关和第二关开关均具有三个光接口和一个电极，通过电极控制光接口选通，使得进入循环放大光路的顺时针信号光和逆时针信号光能够在带泵浦源的光纤磁探头内多次绕行后再返回至2:2耦合分束器的第二端口和第三端口；
7、光电探测器，用于将返回的光信号的干涉功率转换为模拟电压；
8、控制模块，其用于控制第一光开关、第二关开关的光接口选通，以及用于将光电探测器输出的模拟电压转换为数字信号并解调出磁场大小。
9、优选的，所述的循环放大光路中，将光开关的三个光接口分别定义为a端口、b端口和c端口，所述的a端口常通，b端口和c端口选通，通过电极控制光开关的b端口和c端口的选通情况；
10、所述的第一光开关的b端口和第二光开关的b端口分别连接2:2耦合分束器的第二端口和第三端口，第一光开关的c端口连接第二光开关的c端口，第一光开关的a端口通过第一光纤滤波器连接带泵浦源的光纤磁探头，第二光开关的a端口通过第二光纤滤波器连接带泵浦源的光纤磁探头。
11、优选的，所述的通过电极控制光开关的b端口和c端口的选通情况，是指通过改变光开关电极上的电压，使得光开关的b端口与a端口导通，或者c端口与a端口导通。
12、优选的，所述的带泵浦源的光纤磁探头包括泵浦源、波分复用器和光纤磁探头；所述的波分复用器一侧设有第一端口和第二端口，其中第一端口连接第一光纤滤波器，第二端口连接泵浦源，波分复用器另一侧设有第三端口，所述的第三端口连接光纤磁探头的顺时针入口；光纤磁探头的逆时针入口连接第二光纤滤波器。
13、优选的，所述的光纤磁探头是由保偏掺铒光纤绕制成的光纤环，光纤环的两端分别为光纤磁探头的顺时针入射口和逆时针入射口。信号光和由泵浦源发射的泵浦光在掺铒光纤中传输时，发生受激辐射光放大，泵浦光被铒离子吸收，辐射出信号光，实现信号光的光功率放大。
14、优选的，光纤磁探头在外界磁场的作用下，使沿顺时针和逆时针方向传输的两束光之间产生磁致相位差，使得返回的信号光发生干涉。
15、优选的，所述的控制模块包括fpga、以及分别连接fpga的第一数模转换器、第二数模转换器、模数转换器；所述的第一数模转换器和第二数模转换器分别连接第一光开关和第二光开关的电极，所述的模数转换器连接光电探测器。
16、优选的，所述的第一光开关、第二关开关的光功率消光比为30db以上，进一步优选消光比为30-35db。
17、本专利技术的有益效果在于：
18、本专利技术所提出的光纤磁场测量装置通过增加两个光开关，结构简单、成本低廉，光开关具有30db以上的光功率消光比，可以消除每圈光循环时的噪声，同时采用带泵浦的保偏掺铒光纤作为磁敏感单元，其磁光灵敏度比普通保偏光纤高5倍，并且通过受激辐射光放大来补偿每圈循环时的光功率损耗，在提高光纤磁探头磁光灵敏度的同时消除了光功率衰减，通过含有带泵浦的保偏掺铒光纤磁探头的循环放大光路，能够使光纤磁探头的磁光灵敏度提升100倍。本专利技术在增加光纤磁探头灵敏度的同时消除了每圈循环中的光功率损失，对于光纤弱磁测量具有重要意义。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的循环放大光路中，将光开关的三个光接口分别定义为A端口、B端口和C端口，所述的A端口常通，B端口和C端口选通，通过电极控制光开关的B端口和C端口的选通情况；
3.根据权利要求2所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的通过电极控制光开关的B端口和C端口的选通情况，是指通过改变光开关电极上的电压，使得光开关的B端口与A端口导通，或者C端口与A端口导通。
4.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的带泵浦源的光纤磁探头包括泵浦源(13)、波分复用器(7)和光纤磁探头(8)；所述的波分复用器一侧设有第一端口和第二端口，其中第一端口连接第一光纤滤波器，第二端口连接泵浦源，波分复用器另一侧设有第三端口，所述的第三端口连接光纤磁探头的顺时针入口；光纤磁探头的逆时针入口连接第二光纤滤波器。
5.根据权利要求4所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的
6.根据权利要求4或5所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，光纤磁探头在外界磁场的作用下，使沿顺时针和逆时针方向传输的两束光之间产生磁致相位差，使得返回的信号光发生干涉。
7.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的控制模块包括FPGA、以及分别连接FPGA的第一数模转换器(11)、第二数模转换器(12)、模数转换器(10)；所述的第一数模转换器和第二数模转换器分别连接第一光开关和第二光开关的电极，所述的模数转换器连接光电探测器。
8.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的第一光开关、第二关开关的光功率消光比为30dB以上。
9.权利要求2所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置的控制方法，其特征在于，所述的带泵浦源的光纤磁探头由保偏掺铒光纤环和连接保偏掺铒光纤环的泵浦源构成，信号光和由泵浦源发射的泵浦光在掺铒光纤中传输时，发生受激辐射光放大，泵浦光被铒离子吸收，辐射出信号光，实现信号光的光功率放大。
...【技术特征摘要】
1.一种无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的循环放大光路中，将光开关的三个光接口分别定义为a端口、b端口和c端口，所述的a端口常通，b端口和c端口选通，通过电极控制光开关的b端口和c端口的选通情况；
3.根据权利要求2所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的通过电极控制光开关的b端口和c端口的选通情况，是指通过改变光开关电极上的电压，使得光开关的b端口与a端口导通，或者c端口与a端口导通。
4.根据权利要求1所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的带泵浦源的光纤磁探头包括泵浦源(13)、波分复用器(7)和光纤磁探头(8)；所述的波分复用器一侧设有第一端口和第二端口，其中第一端口连接第一光纤滤波器，第二端口连接泵浦源，波分复用器另一侧设有第三端口，所述的第三端口连接光纤磁探头的顺时针入口；光纤磁探头的逆时针入口连接第二光纤滤波器。
5.根据权利要求4所述的无损耗高灵敏度的光纤磁场测量装置，其特征在于，所述的光纤磁探头是由保偏掺铒光纤绕制成的光纤环，光纤环的两端分别为光纤磁探头的顺时针...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。