基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置

1.本发明属于一种磁场传感装置，涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于可调谐光电振荡器的磁场测量装置。


背景技术：

2.磁场传感在电力系统检测、医疗检测、国防军事、地磁场研究、地震灾害预报等多个领域有广泛的应用。传统的电磁传感装置主要由金属或者电子器件构成，例如应用最广泛的霍尔元件，在测量磁场的过程中，其探测器件本身即为一个干扰源，对被测磁场环境产生电磁干扰，引起信号磁场的畸变，从而产生测量误差，特别在特高压智能电网中存在较大的安全隐患。相比于传统的电磁场装置，光纤型磁场传感器具有低损耗、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、环境适应性强等优点。同时，光纤型传感器可以兼容匹配以光网络为主要承载的互联网技术并具有频带宽、传输损耗低、信息容量大、可实现长距离和分布式多点测量等优势。通常情况下，光纤不会对磁场参量直接作出响应，需要利用磁敏感材料，例如磁流体、磁致伸缩材料、磁致旋光材料等。其中，磁流体的成分是磁性粒子、载流子液体和表面活性剂，具有可调折射率、可调透射率、双折射和热透镜效应等光学特性。当外部磁场或热效应施加于磁流体时，磁流体的折射率随磁场或热效应的变化而变化。同时，相比于其他磁敏感材料，磁流体材料的封装对加工工艺的要求低，同时体积非常小，显示出了良好的发展及应用前景。
3.光电振荡器是一种基于微波光子学技术的光生微波方案，能够产生高q值、低相位噪声、测量可靠性高和精度高的微波信号。利用光电振荡器技术的光纤传感器受到了广泛的关注，在温度、湿度、应力、磁场、电流和角速度等方面都有所应用。光电振荡器由激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波放大器、滤波器和功分器等组成，能够将传感信息映射到微波域。利用高分辨率和高速的数字信号处理器模块对其进行测量，可以有效地提高传感速度和分辨率。


技术实现要素：

4.根据上述，本发明提供了一种基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置，该装置创新性地将微波光子技术应用于光纤磁场传感研究上，将慢速、低分辨率的光波长测量转化为快速、高分辨率的微波频率测量，以解决现有的光纤磁场传感装置一直缺乏的高分辨率和快速的解调响应时间难以兼得的难题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
6.本发明提供了一种基于腐蚀型保偏光纤光栅的光纤磁场传感装置，包括：第一激光源、第二激光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器、耦合器、电光调制器、环形器、第三偏振控制器、磁场传感单元、光电探测器、电放大器、功分器；其中：
7.所述第一激光源、第二激光源用于产生两个波长不同的光信号，光信号频率分别为f1和f2；
8.所述第一偏振控制器的输入端与所述第一激光源连接，输出端与所述耦合器连接，所述第二偏振控制器的输入端与所述第二激光源连接，输出端与所述耦合器连接，由所述耦合器将其耦合为一路，将两束光传递至所述电光调制器。
9.所述电光调制器与所述环形器的a端口连接，用于将光电振荡器产生的微波信号调制在所述第一激光器、第二激光器输出的载波上，分别产生一对双边带调制信号。当电光调制器产生的调整信号直接进入光电探测器时，不会检测到电信号；当进入腐蚀型保偏光纤光栅等效的相移光纤光栅后，调制信号一侧边带被过滤，对称性被打破，实现相位调制至强度调制的转换，因此可以检测到频率为f
osc1
＝|f
1-f
n1
|、f
osc2
＝|f
2-f
n2
|的电信号。其中f
osc1
和f
osc2
为光电振荡器环路的两个振荡频率，f
n1
和f
n2
为等效相移光纤光栅的两个反射峰的频率。
10.所述第三偏振控制器的输入端与所述光环形器的b端连接，输出端与所述的磁场传感单元相连，用于调节光的偏振态，其偏振角度设置在45度；
11.所述磁场传感单元与所述第三偏振控制器的输出端口相连接，由磁流体为包层的腐蚀型保偏光纤光栅构成，其分别在x轴和y轴等效成两个相移光纤光栅，其反射峰受磁场强度和温度影响；
12.所述光电探测器与所述环形器的c端口连接，将所述环形器输出的光信号转变为双频电信号，所述电信号经过电放大器后，由功分器分成两部分，其中一部分加载到电光调制器的射频端，形成光电振荡器环路，另一部分作为微波输出信号，用于磁场测量。
13.进一步地，所述第一激光源和第二激光源的波长与所述腐蚀型保偏光纤光栅匹配，满足微波光子滤波器的中心频率工作在不同频段上，所述两个激光源可以通过两个单纵膜激光器、双波长光源或多波长光源实现；
14.进一步地，所述电光调制器用于将输入的微波信号相位调制到两束波长不同的激光信号上，产生两对双边带调制信号；
15.进一步地，所述第三偏振控制器设置在45度，用于将输入的光信号的偏振态可以分解到x轴和y轴。反射峰对应的中心频率与两个光信号的频率f1和f2相匹配，从所述环形器的c端口输出；
16.进一步地，所述腐蚀型保偏布拉格光纤光栅的包层为磁流体，利用外界磁场能改变磁流体的折射率的特性，引起所述腐蚀型保偏布拉格光纤光栅谐振峰波长的漂移；
17.进一步地，所述腐蚀型保偏布拉格光纤光栅当光纤掺杂区域被逐渐腐蚀去除，光纤应力双折射消除，此时的双折射主要由光纤的非对称结构产生。当光纤中的两块掺杂区域被完全腐蚀之后，一部分原本被限制在纤芯内部传播的模式以倏逝波的形式耦合出来，并与纤芯周围的溶液相互作用，从而提高了对外部折射率的响应敏感度，可以作为传感探头感知外界溶液折射率变化。外包层介质的折射率发生改变时，其反射峰波长会产生移动，因为x轴直径更小，倏逝场更大，因此对磁场引起的折射率变化有着更高的灵敏度。同时，外界温度变化会改变腐蚀型保偏布拉格光纤光栅折射率，引起谐振峰波长漂移。因此腐蚀型保偏布拉格光纤光栅的x轴和y轴谐振峰可以等效为两个反射峰为f
n1
和f
n2
的相移光纤光栅，其对温度和磁场有不同响应系数，可以实现高精度磁场和温度的同时传感；
18.进一步地，所述电光调制器产生的调制信号进入腐蚀型保偏光纤光栅后，与等效的相移光纤光栅反射峰对应的一阶边带被过滤掉，对称性都打破，可以进入所述光电探测
器产生电信号。
19.进一步地，所述光电探测器用于将来自所述环形器的光信号拍频转换为微波信号，该微波信号的频率分别为f
osc1
＝|f
1-f
n1
|、f
osc2
＝|f
2-f
n2
|，因此所述光电探测器的带宽应大于f
osc1
和f
osc2
，该微波信号的频率随外界磁场和温度变化，因此通过数字信号处理单元可解调出待测磁场信号；
20.进一步地，所述第一激光源、第二激光源、第一偏振控制器、第二偏振控制器耦合器、电光调制器、环形器、第三偏振控制器、磁场传感单元和光电探测器形成一双通道微波光子滤波器；
21.进一步地，当无外部磁场施加时，所述光电振荡器产生的微波频率分别为f
osc1
、f
osc2
，当外界产生一磁场时使所述磁场传感单元中的磁流体折射率发生变化δn
out
时，对应的腐蚀型保偏光纤光栅中心波长δλ1、δλ2变化与外界折射率的关系可表示为：
[0022][0023]
此处λ
b1
和λ
b1
是x轴和y轴的光栅周期，k1和k2是一个与光栅波长λg、外界折射率n
out
、刻写光栅距离、腐蚀直径等参数相关的系数，其理论分析需基于耦合模理论和倏逝场理论进行数值仿真，无法给出解析形式。
[0024]
因腐蚀型保偏光纤光栅反射峰漂移而引起的光电振荡器频率改变为δf
osc1
、δf
osc2
：
[0025][0026]
其中c表示光速，λ1、λ2表示两激光器发出的光信号波长。
[0027]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实例将通过将自制的磁流体包层的腐蚀型保偏布拉格光纤光栅传感器嵌入到微波光子滤波器中，利用腐蚀型保偏光纤光栅等效成相移光栅能够过滤掉反射峰对应一阶边带，实现相位调制至强度调制的转换，在光电探测器获得对应电信号，使磁场导致的腐蚀型保偏光纤光栅的反射峰波长变化转化为双通道微波光子滤波器的中心频率的变化，从而使光电振荡器输出的微波信号频率发生变化。由于包层为磁流体的腐蚀型保偏光纤光栅的x轴和y轴谐振峰对磁场强度和温度有不同响应系数，对系数矩阵求逆，可以实现温度和磁场的同时传感。基于光电振荡器的磁场传感方案具有高精度、高速响应带宽、高信噪比等优势，可以提高磁场传感的测量灵敏度和动态范围。同时，提出的基于腐蚀型保偏光纤光栅磁场传感，使用一个传感单元同时实现快速、高精度的温度和磁场探测，有利于光纤磁场传感小型化、集成化的发展趋势。
[0028]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些，将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的
附图。
[0030]
图1为本发明实施提供的一种基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置的结构图。
[0031]
图2为本发明实施提供的一种利用腐蚀型保偏光纤光栅等效相移光纤光栅以及磁流体制成磁场传感器的结构图。
[0032]
图3为本发明中保偏光纤腐蚀前与腐蚀后横截面示意图。
[0033]
图4为本发明中腐蚀型保偏光纤光栅的反射谱示意图。实线为施加温度或磁场前，虚线为施加温度或磁场后。
具体实施方式
[0034]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0035]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和或或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和或或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和或或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0036]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0037]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0038]
光电振荡器是一种基于微波光子学技术的微波信号生成方案，其具有高精度、响应速度快、高信噪比、易于集成化等优点，近年来受到越来越多的研究人员重视。光电振荡器通常包括激光源、强度调制器、长光纤、光滤波器或微波滤波器、微波放大器或光放大器、光电探测器等光电器件，利用这些元件组成一个正反馈谐振腔结构，该振荡信号的频率与滤波器的中心频率和整个光电振荡器的时延决定。近年来，基于光电振荡器的传感研究也层出不穷，如长度、折射率、温度、声音、应力、角速度、湿度等。利用光电振荡器进行对应参量的测量时，测量值可直接影响光电振荡器环路长度或其中滤波器的中心频率。同时，光电振荡器的输出频率变化可以利用数字信号处理技术进行频率漂移检测，其本质优势在于能够将慢速、低分辨率的光信号测量转化为快速、高精度的微波频率测量。对于磁场传感来说，光电振荡器是理想的传感装置。
[0039]
本发明提供了一种基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置。本发明将自制的腐蚀型保偏光纤光栅应用到光电振荡器中，通过外界磁场改变腐蚀型保偏光纤光栅包层的折射率，进一步改变腐蚀型光纤光栅x轴、y轴分别等效的相移光纤光栅反射峰，实
现光纤对磁场的增敏与磁致光信号的改变。等效相移光纤光栅的反射峰能够过滤掉调制信号的一阶边带，对应的频率在环路中振荡。当磁场强度改变时，等效相移光纤光栅的反射峰漂移，过滤的调制信号的一阶边带频率发生改变，进而改变环路的振荡频率。由于温度和磁场对两个偏振态独立的相移光纤光栅的相移影响不同，可以实现温度补偿。该方案通过光电振荡器环路将光信号的变化转变成微波信号频率变化，利用数字信号处理技术在提高测量灵敏度的同时，也提高了测量的动态范围。
[0040]
本发明提供了一种基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置，其结构图如图1所示，包括：第一激光源1、第二激光源2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4耦合器5、电光调制器6、环形器7、第三偏振控制器8、磁场传感单元9、光电探测器10、电放大器11、功分器12。
[0041]
第一激光源1的输出端与第一偏振控制器3相连，第二激光源2的输出端与第二偏振控制器4相连，耦合器5的输入端与第一偏振控制器3和第二偏振控制器4连接，耦合器5的输出端与电光调制器6相连，电光调制器输出端与环形器7的a端口相连，其b端口连接第三偏振控制器8输入端，第三偏振器输出端连接磁场传感单元9中的腐蚀型保偏光纤光栅，光电探测器10的输入端连接环形器7的c端口，电放大器11的输入端连接光电探测器10、输出端连接功分器12。功分器12输出的电信号一部分加载到电光调制器6的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出，进行磁场传感。
[0042]
(1)第一激光源和第二激光源
[0043]
光源采用窄带激光源，两光源发出的光信号的频率为f1和f2，分别与保偏布拉格光纤光栅的两个反射峰相匹配。
[0044]
(2)第一偏振控制器和第二偏振控制器
[0045]
第一偏振控制器与所述第一激光源连接，第二偏振控制器于第二激光源连接，用于控制第一激光源和第二激光源发出的光载波的偏振态。
[0046]
(3)耦合器
[0047]
耦合器为1
×
2光耦合器，将来自第一偏振控制器和第二偏振控制器的光耦合为一束。
[0048]
(4)电光调制器
[0049]
电光调制器为商用相位调制器，用于将输入调制器的微波信号调制在第一激光源和第二激光源产生的光载波上，输出一对双边带调制信号，进入传感器后分别对应腐蚀型保偏光纤光形成的两个相移光纤光栅，经过等效的相移光纤光栅反射后，过滤掉的其反射峰波长的一阶边带，打破其对称性，实现相位调制至强度调制的转换，在进入光电探测器后可以产生电信号。
[0050]
(5)环形器
[0051]
环形器的a端口连接所述的电光调制器，b端口连接所述的第三偏振控制器，c端口连接光电探测器，其作用为将腐蚀型光纤光栅反射回的光信号引导到光电振荡器环路中进行传输。
[0052]
(6)第三偏振控制器
[0053]
第三偏振控制器的偏振角度设置在45度，其作用是将输入的光信号的偏振态调整至与x轴呈45度，使其在x轴和y轴具有相同的分量，第一激光源的x偏振态光束匹配腐蚀型
保偏光纤光栅x轴的反射峰，第二激光源的y偏振态光束匹配腐蚀型保偏光纤光栅y轴的反射峰。
[0054]
(7)磁场传感单元
[0055]
磁场传感单元由磁流体为包层的腐蚀型保偏光纤光栅构成。其中腐蚀型保偏光纤光栅是一种窄带的光纤光栅滤波器，在同一根保偏光纤上写入两段光栅，通过两段光栅相隔距离引入相移，等效为两个偏振态独立的相移光纤光栅。腐蚀型保偏光纤光栅的设计分为两步：腐蚀型保偏光纤光栅的设计和腐蚀。设计腐蚀型保偏光纤光栅可以利用耦合模理论和传输矩阵法对腐蚀型保偏光纤光栅的结构参数和频谱时延特性进行建模分析，研究光栅参数(包括光栅长度、折射率调制深度、两个光栅距离参数等)以及保偏光纤双折射系数对光栅时延、中心频率、窄带滤波带宽的影响。之后结合理论仿真模型给出的优化参数结果，采用相位掩模、紫外曝光、移动扫描以及在线监测完成所需腐蚀型保偏光纤光栅的实验制作。接着，采用氢氟酸溶液腐蚀其包层，因为材料不同，熊猫保偏光纤的包层与两个应力掺杂区在腐蚀液中的腐蚀速率不同，应力掺杂区的腐蚀速率更快，所以最终能够得到横截面为两侧凹陷的类h型光纤结构。当光纤掺杂区域被逐渐腐蚀去除，光纤应力双折射消除，此时的双折射主要由光纤的非对称结构产生。
[0056]
其中磁流体折射率会根据磁场强度改变而发生改变。磁流体为具有超顺磁性的物质，可以采用langevin经典理论计算磁流体折射率同外磁场强度及周围温度的变化规律。由于外包层介质的折射率发生改变，腐蚀型保偏光纤光栅的反射峰波长会产生移动，因为x轴直径更小，倏逝场更大，因此对磁场引起的折射率变化有着更高的灵敏度。同时，因为该结构两个偏振态的模式能量还都驻留在光纤内部，可以只考虑热光系数对光栅温度系数的影响，x和y轴对应的谐振峰对温度的响应基本相同,但外界温度变化会改变磁流体折射率，引起谐振峰波长漂移。因此x轴和y轴谐振峰对温度和磁场有不同响应系数，得到系数矩阵求逆，可以实现磁场和温度的同时传感。
[0057]
(8)光电探测器
[0058]
光电探测器用于将光信号转变为电信号，产生两个频率的电信号分为：f
osc1,osc2
＝|f
n1,n2-f
1,2
|。
[0059]
(9)电放大器
[0060]
用于将所述光电探测器输入的电信号放大。
[0061]
(10)功分器
[0062]
所述功分器用于将所述微波放大器放大的电信号分为两部分；其中，一部分加载到所述电光调制器的射频端，形成光电振荡器的环路；另一部分作为微波信号的输出，通过监测该微波信号的频率变化，可以测量磁场强度。
[0063]
因此，所述第一激光源1、第二激光源2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、耦合器5、电光调制器6、环形器7、第三偏振控制器8、传感器9、光电探测器10形成一双通道微波光子滤波器，该双通道微波光子滤波器的两个中心频率与腐蚀型保偏光纤光栅的两个反射峰的漂移有关，其中
[0064]
在外界无施加磁场时，腐蚀性保偏光纤光栅的两个反射峰频率分别为f
n1
、f
n2
，光电振荡器的振荡频率可以表示为f
osc1
、f
osc2
：
[0065][0066]
其中c表示光速，λ1、λ2和λ
n1
、λ
n2
分别表示两个激光源发出的光信号波长和两个反射峰的波长。向外界存在磁场时，两个反射峰的漂移量可以表示为δλ
n1
、δλ
n2
：
[0067][0068]
此处λ
b1
和λ
b1
分别是x轴和y轴的光栅周期，n
out
是外界折射率，δn
out
是外界折射率变化量，k1、k2是一个与光栅波长λg、外界折射率n
out
、刻写光栅距离、腐蚀直径等参数相关的系数，其理论分析需基于耦合模理论和倏逝场理论进行数值仿真，无法给出解析形式。因反射峰波长变化而产生的光电振荡器频率变化为：
[0069][0070]
由上述公式看出，磁场强度和温度会对光信号的x轴和y轴偏振态产生不同的影响，因此可以通过光信号在x轴和y轴的偏振态产生两个频率的微波信号，进而可以通过频率测量磁场和温度。
[0071]
综上所述，本发明实施通过将磁流体材料作为自制的腐蚀型保偏光纤光栅的包层，嵌入到微波光子滤波器中，使磁场强度和温度引起的腐蚀型保偏光纤光栅x轴和y轴波长变化转化为双通道微波光子滤波器的频率变化：由于微波光子滤波器具有精度高、可调范围大、速率高、灵敏度高和成本低等优点，可以将产生的微波信号利用高分辨率和高速的数字信号处理器模块进行测量，有效地提高了传感速度和分辨率。由于磁场和温度对腐蚀型保偏光纤光栅中光信号x轴和y轴偏振态的波长影响不同，得到系数矩阵求逆，可以实现不同参量的同时传感。因此可以利用光信号x轴和y轴的偏振态产生双通道微波光子滤波器，实现磁场传感的温度补偿。
[0072]
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
[0073]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0074]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0075]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。