CN106680595B - 基于集成光波导的双探针电场测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于集成光波导的双探针电场测量装置，包括激光器、M‑Z型集成光波导传感器，光电转换装置，前置放大器，双电子探针，数据处理及传输***和位于集成光波导传感器内的一对信号电极，其中，激光器通过光纤传输至M‑Z型集成光波导传感器，经其调制后由光纤传输给光电转换装置转换为电信号，再经过前置放大器放大输出至数据处理及传输***，双电子探针之一通过绝缘杆与M‑Z型集成光波导传感器中的一对信号电极之一连接，另一个电子探针通过绝缘杆与信号电极中的另一个连接，一对信号电极相对并列设置于M‑Z型集成光波导传感器内光波导的两侧。
Description
技术领域
本发明属于空间环境探测技术领域,具体而言，本发明涉及一种基于集成光波导的双探针电场测量装置
背景技术
电磁场是宇宙中最重要、最普遍的一种场，是联系高空与地下信息的天然媒介。对太空中电场环境进行探测，研究电场、磁场和电离层参量变化的相关性，可以用于地震、火山等自然灾害的监测，用于空间天气对人类活动(包括通讯、导航和GPS定位等)的影响研究。目前，国际上比较成熟的测量空间电场的方法主要有两种：双探针电场测量法和电子漂移电场测量法。其中双探针测量法由于其技术简单、成熟可靠，可以在任何地方工作，其测量频率范围从DC一直到MHz，是目前进行空间电场探测的主要方法，其测量原理如图1所示。双探针探测电场的原理为测量两点之间的电位差，其方法是向空间伸出两杆，在各自的端头安装与其有电性绝缘的金属球或金属圆柱体作为探针即电场传感器。在两探针上的电位与其各自周围等离子体的电位一致时，测量出两探针之间的电位差除以两探针之间的距离就得到了沿伸杆方向的电场分量。
然而，上述测量方法其连接线、探头和输出设备组成的信号传输通路可能成为发射源，从而对被测区域的电磁场产生干扰，同时空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象，将导致测量结果严重偏离真实值，此外采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带宽的路径，测量的频率范围受到很大限制。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于集成光波导的双探针电场测量装置，该装置将集成光波导电光调制技术应用于空间电场测量中。集成光波导电光传感器具有输入阻抗高，响应速度快、灵敏度高，高带宽等优点，同时传感器部分无需电源注入就可以实现测量，即无源测量，这样不会对被测区域的电磁场产生干扰。本发明采用Mach-Zehnder(M-Z)型集成光波导电光传感器，具有调制效率高、温度稳定性好、体积小等优点。因此将双探针的探针与M-Z型集成光波导的信号电极相连，将双探针与集成光波导技术相结合有望实现高灵敏度、高带宽的空间电场测量能力。
本发明采用了如下的技术方案：
基于集成光波导的双探针电场测量装置，包括激光器、M-Z型集成光波导传感器，光电转换装置，前置放大器，双电子探针，数据处理及传输***和位于集成光波导内部的一对信号电极，其中，用于产生激光的激光器通过光纤传输给M-Z型集成光波导传感器，经其调制后由光纤传输给光电转换装置转换为电信号，再经过前置放大器放大输出给数据处理及传输***，双电子探针之一通过绝缘杆与M-Z型集成光波导传感器中的一对信号电极之一连接，另一个电子探针通过绝缘杆与信号电极中的另一个连接，一对信号电极相对并列设置于M-Z型集成光波导传感器内光波导的两侧，在对空间电场进行测量时，随着双电子探针周围电场的变化，电子探针间的电动势也随之变化，电动势的变化对M-Z型集成光波导传感器进行调制，使经过集成光波导传感器激光的光强发生变化，调制后的光信号再通过光电转换装置转换为电信号，这一电位信号经过低噪音前置放大器放大后输入至舱内的数据处理及传输***。
其中，两电子探针各置于绝缘杆的一端，使得两探针相距一定距离，通过两探针的电位差除以两探针间的距离即可求出该方向上的电场强度实测值。
其中，双电子探针向空间伸出两杆，在各自的端头安装与其有电性绝缘的金属球或金属圆柱体作为探针即电场传感器。
其中，在两电子探针上的电位与其各自周围等离子体的电位一致时，测量出两探针之间的电位差除以两探针之间的距离就得到了沿伸杆方向的电场分量。
与现有技术相比，本发明的基于集成光波导的双探针电场测量装置，将集成光波导电光调制技术应用于空间电场测量中，具有以下优点：1)M-Z型集成光波导响应速度快、灵敏度高，具有极大的输入阻抗(>10GΩ)，大大提高了测量频率范围和响应速度；2)集成光波导传感器响应速度快、灵敏度高，大大提高了测量频率范围和响应速度，具有更高的带宽，理论上可实现从直流到GHz的测量；3)采用光纤作为信号传输媒质，光电电磁测量设备不会对被测电磁场产生辐射干扰，空间电磁场也不会干扰光纤中传输的光信号；4)可进行多种物理量的测量，如频率、相位等信息，而不局限在电场的强度，且对电磁场信号的测量几乎无失真；5)传感器部分无需电源注入就可以实现测量，即无源测量。M-Z型干涉式集成光波导电光传感器具有调制效率高、温度稳定性好、体积小等优点，因此基于M-Z型集成光波导的双探针电场测量装置可以实现高灵敏度、高带宽的空间电场测量能力。
附图说明
图1为现有技术中双探针电场测量法中测量装置的结构示意图。
图2为基于M-Z型集成光波导的探针式电场测量装置的结构示意图。
图中：1-激光器，2-光纤，3-M-Z型集成光波导传感器，4-光电转换装置，5-前置放大器，6-电场探针，7-集成光波导信号电极，8-数据处理及传输***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于M-Z型集成光波导的探针式电场测量装置作进一步的说明。
参见图2，图2显示了基于M-Z型集成光波导的探针式电场测量装置的结构示意图。本发明的基于M-Z型集成光波导的双探针式电场测量装置，包括激光器1、M-Z型集成光波导传感器3，光电转换装置4，前置放大器5，双电子探针6，数据处理及传输***8和位于集成光波导内部的一对信号电极7，其中，用于产生激光的激光器1通过光纤2传输给M-Z型集成光波导传感器3，经其调制后由光纤2传输给光电转换装置4转换为电信号，再经过低噪音前置放大器5放大输出至数据处理及传输***8，双电子探针6之一通过绝缘杆与M-Z型集成光波导传感器3中的一对信号电极7之一连接，另一个电子探针6通过绝缘杆与信号电极7中的另一个连接，一对信号电极7相对并列设置于M-Z型集成光波导传感器3内光波导的两侧，在对空间电场进行测量时，随着双电子探针6周围电场的变化，电子探针6间的电动势也随之变化，电动势的变化对M-Z型集成光波导传感器3进行调制，使经过集成光波导传感器激3光的光强发生变化，调制后的光信号再通过光电转换装置4转换为电信号，这一电位信号经过低噪音前置放大器放大后输入至舱内的数据处理及传输***8。
由于两探针各置于伸杆的一端，使得两探针相距一定距离，因此通过两探针的电位差除以两探针间的距离即可求出该方向上的电场强度实测值。
基于M-Z型集成光波导的电场探测器中，探头的结构对电场的探测性能影响很大，因此探针的设计至关重要。为了能达到理想电压测量，需要前置放大电路的输入阻抗要尽量高，输入电容应尽量小，使得所设计的探头具有宽频带、大动态范围、低频漂和低噪音等特点，同时有高的温度适应能力和可靠性。
在数据处理及传输***内，信号经差分放大以及滤波检波等一系列处理后，经A/D转换成数字信号输出到遥测传输数据总线上，同时，对重要波段做波形采集和频谱分析，并将数据输出到总线。***控制模块负责完成对传感器探针探测的控制以及程控放大器的控制。
尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于集成光波导的空间电场测量用双探针电场测量装置，包括激光器、M-Z型集成光波导传感器，光电转换装置，前置放大器，双电子探针，数据处理及传输***和位于集成光波导传感器内的一对信号电极，其中，用于产生激光的激光器通过光纤传输给M-Z型集成光波导传感器，经其调制后由光纤传输给光电转换装置转换为电信号，再经过前置放大器放大输出给数据处理及传输***，双电子探针之一通过绝缘杆与M-Z型集成光波导传感器中的一对信号电极之一连接，另一个电子探针通过绝缘杆与信号电极中的另一个连接，一对信号电极相对并列设置于M-Z型集成光波导传感器内光波导的两侧，在对空间电场进行测量时，随着双电子探针周围电场的变化，电子探针间的电动势也随之变化，电动势的变化对M-Z型集成光波导传感器进行调制，使经过集成光波导传感器激光的光强发生变化，调制后的光信号再通过光电转换装置转换为电信号，这一电位信号经过低噪音前置放大器放大后输入至舱内的数据处理及传输***。
2.如权利要求1所述的双探针电场测量装置，其中，两电子探针各置于绝缘杆的一端，使得两探针相距一定距离，通过两探针的电位差除以两探针间的距离即可求出电场强度实测值。
3.如权利要求1所述的双探针电场测量装置，其中，双电子探针向空间伸出两杆，在各自的端头安装与其有电性绝缘的金属球或金属圆柱体作为探针即电场传感器。
4.如权利要求1所述的双探针电场测量装置，其中，在两电子探针上的电位与其各自周围等离子体的电位一致时，测量出两探针之间的电位差除以两探针之间的距离就得到了沿伸杆方向的电场分量。
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