[發明專利]用于測量磁場的光電振蕩器及其測量方法

在審

• 申請號: 201910104101.6
• 申請日: 2019-02-01
• 公開（公告）號: CN109814048A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 王目光;張乃晗;武蓓蕾;牟宏謙;韓夢瑤;魏淮
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 孫洪波

1.一種用于測量磁場的光電振蕩器，其特征在于，包括：光源、第一光耦合器、可調節光時延模塊、帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭、第二光耦合器、電光調制器、色散元件、光放大器、光電探測器、微波放大器和功分器；

所述的第一光耦合器和第二光耦合器及其之間的帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭和可調節光時延模塊組成一個馬赫曾德爾干涉儀MZI；

所述的帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭位于MZI的一個臂中，用于感應磁場進行相應的伸縮形變。

2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光源、第一光耦合器、可調節光時延模塊、帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭、第二光耦合器、電光調制器、色散元件、光放大器、光電探測器順序光纖連接，所述的光電探測器、微波放大器、功分器和電光調制器順序電路連接。

3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述的功分器后電路連接有電譜分析儀或數字信號處理器模塊，用于接收功分器的微波信號輸出并通過監測其頻率變化進行磁場的計算。

4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光源為寬譜光源或在摻鉺光纖放大器的自發輻射光后加一個起偏器，用于發出光信號；所述的第一光耦合器和第二光耦合器用于光的分路和合路，包括但不限于1×2光耦合器或2×2光耦合器。

5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的電光調制器為電光效應器件，包括但不限于鈮酸鋰調制器或電吸收調制器，用于將所述功分器分出的微波信號調制到光信號上，形成光電振蕩環路。

6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭為粘有磁致伸縮材料或均勻涂敷磁致伸縮金屬的光纖，所述的磁致伸縮材料為當磁場變化時，長度可發生相應伸縮的材料，包括但不限于鐵鎵合金或鋱鏑鐵合金。

7.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的色散元件用于使不同波長的光信號之間產生一個時延差，包括但不限于普通單模光纖、線性啁啾光纖光柵或色散補償光纖。

8.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的光源、MZI、電光調制器、色散原件共同組成一個微波光子濾波器，用于對光電振蕩器振蕩信號進行選頻。

9.一種應用權利要求1-8任一所述光電振蕩器進行磁場測量的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)通過光源發出光信號經由第一光耦合器分路后，沿著MZI的兩個臂傳輸，通過可調節光時延模塊匹配兩個臂的臂長，并產生一個未施加外界磁場時的初始臂長差，以形成一個初始的振蕩頻率，第二光耦合器將MZI兩個臂上的光信號合路，使其發生干涉；

2)干涉后的光信號經過電光調制器調制后得到調制信號，所述調制信號通過色散元件產生時延并經過光放大器放大后由光電探測器轉變為電信號，再經過微波放大器放大后，由功分器分成兩部分，其中一部分重新反饋回電光調制器的射頻端，形成光電振蕩環路，另一部分作為微波信號的輸出進行頻率監測；

3)通過帶有磁致伸縮材料的光纖傳感頭感應磁場，通過監測輸出頻率的變化解調出磁場的大小。

10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述的通過監測輸出頻率的變化解調出磁場的大小，包括：

根據所述的輸出頻率的變化通過下式(1)計算出磁場的大小：

其中，H為所施加的磁場大小，D為色散元件的群速度色散，λ為光信號的波長，Δf為中心頻率變化量，n為光纖纖芯的有效折射率，P_1j(j＝1,2)為光纖的彈光系數，k為與磁致伸縮材料的磁致伸縮系數成比例的系數，L_MA為磁致伸縮材料的長度。