[發明專利]一種集成光波導磁場測量系統及方法

在審

• 申請號: 201710560729.8
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107390146A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 張家洪;萬小容;李川;李英娜;趙振剛;劉愛蓮;楊秀梅
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種集成光波導磁場測量系統及方法，屬于電磁場測量技術領域。

背景技術

電磁場是自然界普遍存在的一種基本物理量，對空間電磁場進行測量是眾多科學和工程技術研究的重要手段之一。一般情況下，由于待測電磁場所在區域(場區)到輻射源(源點)的距離遠大于被測電磁場的波長，即認為被測點處在電磁遠場區域內，這種情況下通常只需要對區域中的空間電場進行測量，再經過理論計算便可得出被測區域中的電磁場分布規律。但是，若被測點離源點很近，距離接近被測電磁場的波長，即當被測點處在近場區域中時，由于電場和磁場不再具有確定的理論關系，因此必須對待測點處的電場和磁場進行分別單獨測量，才能得出待測區域中的電磁場分布規律。傳統的磁場測量大多采用金屬環形電小天線，并且使用電纜作為信號傳輸媒質，由于測量系統包含不可避免的金屬結構，因此必然對被測電磁場產生不可忽略的干擾，同時系統本身的抗電磁干擾能力較弱，容易受外界電磁干擾。此外，由于近場區域內的電磁場對空間位置敏感，而傳統的金屬結構磁場傳感器體積較大、空間分辨率較低，必然造成測量誤差增大。

近年來，以光學技術為基礎的磁場傳感器因為具有體積小、頻帶寬、對被測電磁場干擾小等優點，得到了深入研究，并且開始被應用于空間磁場的測量。現有的一種光學磁場傳感器原理結構示意圖如圖1所示。圖1中，1是具有電光效應的塊狀晶體，2是金屬電極，3是金屬環形天線。該光學磁場傳感器的基本工作原理是：當有磁場H穿過環形天線3時，將在環形天線3上產生感應電流，從而在電極2上形成感應電壓V_H，同時，和磁場H相伴的電場E也將在電極2之間產生感應電壓V_E，由于晶體1具有電光效應，感應電壓V_E和V_H將使晶體1的折射率發生變化，從而使晶體1中傳輸的激光束的相位發生變化(產生光調制作用)。對于圖1所示的磁場傳感器，由于加在兩金屬條形電極2之間的兩塊晶體1的光軸c方向相反，故由感應電壓V_H和V_E共同引起的光相位變化可表示為：式中k為由晶體1自身特性決定的常數。從式中可以看到，最終使激光束相位發生變化(產生調制作用)的僅為磁場H引起的感應電壓V_H。可見，圖1所示的光學磁場傳感器通過采用兩塊光軸方向相反的晶體(雙負載)和環形天線結構，消除了和被測磁場相伴的電場的影響。

可見，現有的光學磁場傳感器及其測量系統，除環形天線3和條形電極2外其它都為非金屬結構，克服了傳統金屬結構磁場傳感器對被測電磁場干擾大的缺點，同時采用光波作為信號的載體，抗干擾能力得到增強，并且采用雙負載結構消除了和被測量磁場相伴的電場的影響。但是，需要注意到，現有的光學磁場傳感器為塊狀晶體結構，因而須使用棱鏡耦合進行光輸入和光輸出，同時需要使用波片、檢偏器等光學元件完成光信號的檢測，由此致使測量系統變得復雜，給實際測量帶來不便，并且由于使用多個分離的光學元件，使得光波偏振不易控制，測量系統的整體性能不穩定，容易受外界環境因素的影響。

發明內容

本發明提供了一種集成光波導磁場測量系統及方法，以用于通過采用外部微控制器對可調諧保偏激光源進行波長控制，將磁場傳感器的靜態工作點鎖定在π/2，從而消除外界環境因素對傳感器工作點的影響，提高測量系統的穩定性。

本發明的技術方案是：一種集成光波導磁場測量系統，包括

波長可調諧的保偏激光源4，用于產生波長可受微控制器10控制切換的線偏振光束；

三端口保偏光環形器5，用于將波長可調諧的保偏激光源4的輸出光輸出至集成光波導磁場傳感器6，用于將集成光波導磁場傳感器6的反射輸出光輸出至光分路器7；

光波導磁場傳感器6，用于探測空間磁場信號；

光分路器7，用于將光波導磁場傳感器6反射輸出的光信號分成兩部分，并通過單模光纖12輸入兩個光電探測器8；

兩個光電探測器8，用于將光分路器7輸出的兩部分光信號轉換為電信號，其中一個光電探測器8轉換輸出的電信號由傳輸電纜13輸入微控制器10作為反饋控制信號，另一個光電探測器8轉換輸出的電信號由傳輸電纜13輸入電信號處理單元9；

電信號處理單元9，用于對光電探測器8輸出的電信號進行處理，從而獲取被測磁場的信息；

微控制器10，用于對波長可調諧的保偏激光源4的輸出波長進行控制，并向波長可調諧的保偏激光源4發出控制信號，設定波長可調諧的保偏激光源4輸出一定波長的激光，從而使集成光波導磁場傳感器6的靜態工作點鎖定在π/2；