CN102928680A - 一种基于偏振补偿的电场测量*** - Google Patents

一种基于偏振补偿的电场测量*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于偏振补偿的电场测量***，属于高电压测量技术领域。包括控制单元和测量单元，控制单元包括激光源、偏振控制器、探测器和处理器，测量单元包括传感器和偏振分束器。本发明的基于偏振补偿的电场测量***，通过对激光偏振态的实时补偿，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使得电场传感器具有最优的性能；不再采用1/4波片，保证了电场测量***的温度稳定性；本发明测量***通过偏振态的实时补偿，克服了温度、振动等环境因素对电光晶体、光纤物理特性的不良影响，使电场测量***可应用于户外较恶劣的环境中，开拓了电场测量***的应用范围和场合。

Description

一种基于偏振补偿的电场测量***
技术领域
本发明涉及一种基于偏振补偿的电场测量***，可应用于较恶劣环境中的强电场测量，属于高电压测量技术领域。
背景技术
在高电压工程及核工程等领域，会产生非常强的电场，对之进行测量的关键部件是电场传感器，应满足以下基本要求：频率范围宽，动态范围大；空间分辨率高，对原场的干扰小等。值得注意的是对强电场的测量不仅限于实验室环境，大部分应用处于户外环境，需要考虑温度、振动等环境因素的影响，要求传感器具有较高的稳定性。
光学电场传感器具有频带宽、对原场干扰小等优点，已广泛应用于电压、电场测量。已有技术中基于光学电场传感器的电场测量***的结构示意图如图1所示。该测量***包括测量单元101和控制单元102，分别位于强电场环境和电磁屏蔽环境（如继电保护小室）中。位于控制单元的激光源103产生线偏振光，通过保偏光纤104传输至准直透镜105，激光经准直透镜聚焦后经过起偏器106、1/4波片107传输至电场传感器108。电场传感器采用具有线性电光效应的晶体（如LiNbO3晶体、BGO晶体等），在外界电场的作用下，晶体的折射率会发生变化，从而对在晶体中传输的激光产生偏振态调制。从电场传感器输出的椭圆偏振态信号进入偏振分束器109，偏振态信号转换为光强度信号。光强度信号经过准直透镜110聚焦后进入输出单模光纤111，传输至位于控制单元的探测器112，光强度信号转化为电压信号。检测电压信号后即可根据测量***的传递函数反推出待测的电场信号。
静态工作点
Figure BDA00002331404500011
对测量***的传递函数具有重要影响，如图2所示。当
Figure BDA00002331404500012
或π时，静态工作点位于传递函数的饱和区域，一方面大大降低测量的灵敏度，另一方面使测量波形产生严重畸变。当
Figure BDA00002331404500013
时，即传感器输出激光的偏振态为圆偏振态，静态工作点位于传递函数的线性区域，测量***具有最大的灵敏度和线性输入输出特性。因此，对光学电场传感器的基本要求是静态工作点
Figure BDA00002331404500014
等于或接近π/2。
已有技术主要存在两个缺陷：一方面通过1/4波片107产生π/2的静态偏置点，1/4波片的性能受温度的影响很大，当温度变化时，
Figure BDA00002331404500015
将偏离π/2，严重影响了电场传感器的温度稳定性，甚至导致器件的失灵。另一方面，电光晶体具有热电、光折变等附加的物理效应，温度或光辐照等环境因素将剧烈影响电场传感器的稳定性，将电场传感器的应用范围限制于实验室环境中。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于偏振补偿的电场测量***，通过对输入激光进行偏振态的反馈控制，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使测量***具有最佳性能，同时消除环境因素（温度、振动等）对测量的影响，使电场传感器适用于较恶劣环境中电场的测量。
本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***，包括控制单元和测量单元；
所述的控制单元包括：
激光源，用于产生激光；
偏振控制器，用于接收来自激光源的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤传输至测量单元，偏振控制器与激光源通过输入单模光纤相连；
探测器，用于接收来自测量单元的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号，探测器与测量单元通过输出单模光纤相连；
处理器，用于接收来自探测器的两路电压信号，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数，处理器分别与探测器和偏振控制器通过同轴电缆相连；
所述的测量单元包括：
传感器，用于接收来自控制单元的激光，在没有电场作用时，传感器输出为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤与控制单元相连；
偏振分束器，用于接收传感器输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器的输入端与传感器相连，偏振分束器的输出端通过输出单模光纤与控制单元相连。
本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***，其优点是：本发明的电场测量***通过对激光偏振态的实时补偿，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使得电场传感器具有最优的性能；测量***中的传感器不再采用1/4波片，消除了1/4波片对传感器温度稳定性的影响，保证了电场测量***的温度稳定性；本发明测量***通过偏振态的实时补偿，克服了温度、振动等环境因素对电光晶体、光纤物理特性的不良影响，使电场测量***可应用于户外较恶劣的环境中，开拓了电场测量***的应用范围和场合。
附图说明
图1为已有技术中电场测量***的结构示意图。
图2为静态工作点对电场测量***的传递函数的影响的原理示意图。
图3为本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***的结构示意图。
图4为本发明测量***中处理器的工作流程图。
图1中，101是测量单元，102是控制单元，103是激光源，104是输入保偏光纤，105是输入准直透镜，106是起偏器，107是1/4波片，108是传感器，109是偏振分束器，110是输出准直透镜，111是输出单模光纤，112是探测器。
图3中，1是测量单元，2是控制单元，3是激光源，4是光纤跳线，5是偏振控制器，6是输入单模光纤，7是输入准直透镜，8是传感器，9是偏振分束器，10是输出准直透镜，11是输出单模光纤，12是探测器，13是处理器，14是同轴电缆。
具体实施方式
本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***，其结构如图3所示：
测量***包括测量单元1和控制单元2；
所述的控制单元2包括：
激光源3，用于产生激光；
偏振控制器5，用于接收来自激光源3的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤6传输至测量单元1，偏振控制器5与激光源3通过光纤跳线4相连；
探测器12，用于接收来自测量单元1的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号Vout1和Vout2，探测器12与测量单元1通过输出单模光纤11相连；
处理器13，用于接收来自探测器12的两路电压信号Vout1和Vout2，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数E，处理器13分别与探测器12和偏振控制器5通过同轴电缆14相连；
所述的测量单元1包括：
传感器8，通过准直透镜7接收来自控制单元2的激光，在没有电场作用时，传感器输出的为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤6与控制单元2相连；
偏振分束器9，用于接收传感器8输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器9的输入端与传感器8相连，偏振分束器9的输出端通过准直透镜10与输出单模光纤11相连。
以下结合图4，详细说明本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***的工作原理：
处理器12接收来自探测器的两路电压信号Vout1和Vout2，经过模数转换后变为两路数字信号Dout1和Dout2。
设置刷新时间△t，每经过△t的时间启动偏振控制器5一次。
判断传感器输出激光是否为圆偏振态。首先判断Dout1与Dout2的比值是否为1，如果不为1，则通过偏振控制器5进行反馈调节，直至Dout1/Dout2=1。其次微调偏振控制器5的控制信号，令Dout=Dout1/Dout2，微调偏振控制器之后Dout的变化量为△Dout，判断△Dout与阈值δ的关系。若△Dout/△Vcont≥δ，则通过偏振控制器5进行反馈调节，直至△Dout/△Vcont<δ，即完成一次偏振补偿，此时锁定偏振控制器5，使传感器输出激光保持为圆偏振态。
进行电场测量时，产生触发信号，锁定偏振控制器，同时根据两路数字信号Dout1和Dout2计算出待测电场E。
本发明提出的基于偏振补偿的电场测量***中，激光源3可采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411，其中心波长为1550nm。偏振控制器5可采用OZ Optics生产的偏振控制器EPC-400，其原理属于挤压光纤型，具有100Hz的响应速度，可以用于补偿温度、振动等环境因素所引起的偏振态变化。连接测量单元和控制单元的输入光纤5及输出光纤11可采用通信用单模光纤，长度为200米，可实现测量端与控制端的电气隔离。传感器8可选用LiNbO3晶体作为电光晶体，其长度为10mm-40mm，截面为1cm2-2.25cm2的正方形。偏振分束器的材料可选为BK7，截面尺寸与传感器的截面尺寸相同。探测单元12具有一对光电转换模块，以将光强度信号转换为电压信号，可采用Thorlabs公司的平衡光探测器PDB460C。处理器13可选用德州仪器公司的C6000系列，同时实现模数转换、比较器、数字信号运算等功能。

Claims (1)

1.一种基于偏振补偿的电场测量***，其特征在于，该测量***包括控制单元和测量单元；
所述的控制单元包括：
激光源，用于产生激光；
偏振控制器，用于接收来自激光源的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤传输至测量单元，偏振控制器与激光源通过输入单模光纤相连；
探测器，用于接收来自测量单元的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号，探测器与测量单元通过输出单模光纤相连；
处理器，用于接收来自探测器的两路电压信号，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数，处理器分别与探测器和偏振控制器通过同轴电缆相连；
所述的测量单元包括：
传感器，用于接收来自控制单元的激光，在没有电场作用时，传感器输出为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤与控制单元相连；
偏振分束器，用于接收传感器输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器的输入端与传感器相连，偏振分束器的输出端通过输出单模光纤与控制单元相连。
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