实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计制造技术

本发明专利技术公开了一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括光源驱动电路、传感光路单元、光电转换单元、Ａ／Ｄ转换单元、数字信号处理单元、Ｄ／Ａ转换单元等。其中传感光路单元包括ＤＦＢ激光器、三端口光环行器、集成光学相位调制器等，结构简单。数字信号处理单元产生各种控制时序、低频调制方波及高频正弦调制信号的同步时钟，完成低频相位漂移的相关解调及产生补偿相移数字量，并对低频相位漂移相关解调之后的信号进行二次相关解调，产生磁场信号反馈量，形成双数字闭环检测，实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和“磁归零”反馈，改善了系统的抗干扰能力和稳定性，扩大了测量的动态范围，提高了测磁灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种弱磁测量技术，尤其涉及一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字 闭环光纤磁强计。
技术介绍
随着科学技术和社会的发展，弱磁测量技术在国防建设、国民经济及生物医学等领域 的应用越来越广泛。在军事领域，随着各国潜艇降噪技术的发展，传统的声呐探潜己经不能满足现代反潜 战争的需要，各种非声探潜技术成为各国研究的热点。磁异探测被认为是目标分类和提高 对潜攻击分辨率的最P」靠手段，目前几乎所有先进反潜巡逻机上都装有灵敏的磁探仪。空间磁场是空间环境重要的物理参数之一，空间磁场的变化反映出空间环境变化的显 著特征，国际上已将高精度磁通门磁强计作为荷载在空间卫星上搭载，进行一系列空间与 地磁场监测、载体姿态测量与控制的计划。在地球物理学方面，地磁场足地球的固有资 源，为航空、航天、航海提供了天然的参考系。地磁场测量是导航、地磁法探矿及地震预 测预报的重要手段。另外弱磁测量在生物磁场及医疗器械、石油管道无损探伤、石油钻井 中的随钻测斜仪和连续测斜仪、海底电缆的探测和识别及港口舰船的自主导航等方面也有 重要应用。目前，传统的微弱磁场传感器有磁通门式磁强计、质子旋进磁强计、光泵磁强计和超 导量子干涉磁强计(SQUID)等。与传统的弱磁测量仪器相比，基于磁致伸縮原理的干涉型 光纤磁强计具有灵敏度高、响应速度快、交直流磁场都可测、体积小、重量轻、成本低、 抗电磁千扰等优点，可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易燃易爆、化学腐蚀等传 统测磁仪器无法工作的恶劣条件下使用。现有技术中的光纤微弱磁场传感器有多种方案如基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁 场传感器、基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器、基于Michelson干涉仪的光纤磁场 传感器等。如图1所示，基于Michelson干涉仪的光纤微弱磁场传感器，包括激光器LD、光隔离器 IS0、光探测器PD、法拉第旋转镜FRM、相位调制器PZT等。采用法拉第旋转镜F固代替传统Michelscm光纤干涉仪中的反射镜，可以保证干涉仪两臂的返回光保持相同的偏振态，基本 上解决普通单模光纤干涉仪中存在的偏振衰落问题。 上述现有技术至少存在以下缺点光路中引入法拉第旋转镜FRM消除了偏振衰落现象，但同时光路中也引入了较大的反 射噪声，光波输入输出端需要加两光隔离器TSO来消除，结构复杂、灵敏度低；另外，采用 PZT相位调制器和法拉第旋转镜不利于光路结构的小型化；传统的光纤磁强计采用模拟闭环 检测方案，系统抗干扰能力较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构简单、灵敏度高的实现T作点控制和磁归零反馈的双数 字闭环光纤磁强计。本专利技术的目的是通过以卜'技术方案实现的本专利技术的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括传感光路单 元，其特征在于，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪之间连接 有光环行器，所述光环行器设有第一端口、第二端口、第三端口；所述激光器发出的光波依次经过所述第一端n 、第二端n进入所述干涉仪；所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口，从所述第二端口输出。 由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，由于激光器与干涉仪之间连接有光环行器，有效降低了干涉仪中存在的反射噪声，结构简单、灵敏度高。附图说明图l为现有技术中基于Michelson干涉仪的光纤微弱磁场传感器的原理图； 图2为本专利技术实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计的原理框图3为本专利技术中信号解调部分示意图4为本专利技术中数字信号处理单元不同步骤中的信号波形示意图； 图5为本专利技术仿真产生的控制时序图6为本专利技术中控制时序的产生流程图。具体实施例方式本专利技术的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计其较佳的具体实施方式是，包括传感光路单元，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪 之间连接有光环行器，所述光环行器设有第-端口、第二端口、第三端口；所述激光器发出的光波依次经过所述第一端口、第二端口进入所述干渉仪； 所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口 ，从所述第三端口输出。 所述干涉仪的输入输出端口连接有集成光学相位调制器；所述第二端口输出的光波输入到所述集成光学相位调制器后，被分成两路输出，并分 别进入所述干涉仪的两臂；所述干涉仪的两臂返回的光波在所述集成光学相位调制器处发生干涉，并将干涉信号 输入给所述第二端口。所述干涉仪的两臂分别采用细径保偏光纤制作，所述两臂的末端通过镀膜形成反射镜o所述干涉仪的两臂分别为信号臂、参考臂，所述信号臂设有磁致伸縮换能器。 所述激光器为分布反馈半导体激光器。本专利技术还包括光电转换单元、前置放大滤波单元、A/D转换单元、数字信号处理单 元、D/A转换单元；从所述第三端口输出的干涉信号依次经过所述光电转换单元、前置放大滤波单元、 A/D转换单元，输入给所述数字信号处理单元，并由所述数字信号处理单元处理后输出；所述数字信号处理单元通过所述D/A转换单元与所述集成光学相位调制器和所述磁致 伸縮换能器的螺线管驱动单元交互信息。所述数字信号处理单元包括控制时序产生部分、数字相关检测部分、反馈信号产生部分；所述数字信号处理单元产生低频调制方波，并将该低频调制方波施加于所述集成光学 相位调制器，在所述控制时序产生部分的控制下，通过所述数字相关检测部分解调低频相 位漂移，产生补偿相移数字量，与上述低频调制方波叠加后经过D/A转换器及模拟缓冲放人 器后施加于集成光学相位调制器，实现干涉仪止交工作点的稳定控制。所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪或Mi che] son干涉仪；当所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪时，所述低频调制方波的幅度为f\ ， r,对应集土T 土了成光学相位调制器在干涉仪两臂之间引入±工相移时的调制电压；2当所述干涉仪为Mchelson干涉仪时，所述低频调制方波的幅度为K^ ， F,对应集成± ±— _4 _4光学相位调制器在干涉仪两臂之间引入±2相移时的调制电压。6数字信号处理单元中的控制时序产生部分发出高频调制信号的同歩时钟，通过高频正 弦调制磁场发生装置产生同歩的高频调制磁场；所述数字相关检测部分对所述低频相位漂移解调之后的信号进行二次相关解调，获得 与待测磁场成比例的相位信息，并产生反馈信号，反馈信号与偏置磁场数字量叠加后经D/A 及放大器之后，与高频正弦调制信号通过加法器叠加输出到螺线管驱动单元反馈回所述磁 致伸縮换能器。偏置磁场的作用是保证磁致伸縮材料工作在最灵敏的区域；所述数字相关检测部分对所述待测磁场的信号进行解调，在所述控制时序的控制下， 通过所述反馈信号，实现换能器屮的净直流磁场为零，即磁归零反馈。本专利技术在光路结构上采用光环行器代替了原来的光隔离器，有效抑制了干涉仪中存在 的反射噪声；采用集成光学相位调制器代替原来的耦合器和PZT相位调制器，提高了光路输 !l',的信噪比，实现了光路结构的全光纤化和小型化；传感光纤采用保偏光纤，光纤末端镀 膜取代法拉第旋转镜，避免了普通单模光纤传感系统中存在的偏振诱导信号衰落问题；采 用双数字闭环检测技术同时实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和磁归零反馈,，改善 了系统的抗干扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括传感光路单元，其特征在于，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪之间连接有光环行器，所述光环行器设有第一端口、第二端口、第三端口；　所述激光器发出的光波依次经过 所述第一端口、第二端口进入所述干涉仪；　所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口，从所述第三端口输出。

【技术特征摘要】
1、一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括传感光路单元，其特征在于，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪之间连接有光环行器，所述光环行器设有第一端口、第二端口、第三端口；所述激光器发出的光波依次经过所述第一端口、第二端口进入所述干涉仪；所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口，从所述第三端口输出。2、 根据权利要求l所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在于，所述干涉仪的输入输出端口连接有集成光学相位调制器；所述光环形器的第二端口输出的光波输入到所述集成光学相位调制器后，被分成两路输出，并分别进入所述干涉仪的两臂；所述T涉仪的两臂返回的光波在所述集成光学相位调制器处发生下涉，并将干涉信号输入给所述光环形器的第二端口 。3、 根据权利要求2所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在于，所述干涉仪的两臂分别采用细径保偏光纤制作，所述两臂的末端通过镀膜形成反射镜。4、 根据权利要求2所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在于，所述干涉仪的两臂分别为信号臂、参考臂，所述信号臂设有磁致伸縮换能器。5、 根据权利要求l所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在T，所述激光器为分布反馈半导体激光器。6、 根据权利要求4所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在于，包括光电转换单元、前置放大滤波单元、A/D转换单元、数字信号处理单元、D/A转换单元；从所述第三端口输出的干涉信号依次经过所述光电转换单元、前置放大滤波单元、A/D转换单元，输入给所述数字信号处理单元，并由所述数字信号处理单元处理后输出；所述数字信号处理单元通过所述D/A转换单元与所述集成光学相位调制器和所述磁致伸縮换能器的螺线管驱动单元交互信息。7、 根据权利要求6所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，其特征在于，所述数字信号处理单元包括控制时序产生部分、数字相关检测部分、反馈相移的产生部分；所述数字信号处理单元产生低频调制方波，在所述控制时序产生部分的控制下，通过所述数字相关检测部分解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春熹，冯秀娟，王夏霄，李传生，张朝阳，于佳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]