一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的製作方法
2023-06-04 21:15:36
專利名稱：一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及了利用幹涉光相位檢測磁場的一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，屬於光傳感技術領域。
背景技術：
隨著科學技術和社會的發展，弱磁測量技術在國防建設、國民經濟及生物醫學等領域的應用越來越廣泛。在軍事領域，隨著各國潛艇降噪技術的發展，傳統的聲吶探潛已經不能滿足現代反潛戰爭的需要，各種非聲探潛技術成為各國研究的熱點。磁異探測被認為是目標分類和提高對潛攻擊解析度的最可靠手段，目前幾乎所有先進反潛巡邏機上都裝有靈敏的磁探儀。空間磁場是空間環境重要的物理參數之一，空間磁場的變化反映出空間環境變化的顯著特徵。國際上已將高精度磁通門磁強計作為荷載在空間衛星上搭載，進行一系列空間與地磁場監測、載體姿態測量與控制的計劃。在地球物理學方面，地磁場是地球的固有資源，為航空、航天、航海提供了天然的參考系。地磁場測量是導航、地磁法探礦及地震預測預報的重要手段。另外弱磁測量在生物磁場及醫療器械、石油管道無損探傷、石油鑽井中的隨鑽測斜儀和連續測斜儀、海底電纜的探測和識別及港口艦船的自主導航等方面也有重要應用。目前，傳統的微弱磁場傳感器主要包括磁通門式磁強計、質子旋進磁強計、光泵磁強計和超導量子幹涉磁強計(SQUID)等。與傳統的弱磁測量儀器相比，基於磁致伸縮原理的幹涉型光纖磁場傳感器具有靈敏度高、響應速度快、交直流磁場都可測、體積小、重量輕、 成本低、抗電磁幹擾等優點，可以在強電磁幹擾、高溫高壓、原子輻射、易爆、化學腐蝕等傳統測磁儀器無法工作的惡劣條件下使用。另外，利用磁致伸縮材料與外磁場的非線性響應關係及光纖幹涉儀的復用技術，可製作三軸向的光纖磁場傳感器，同時測量矢量磁場的三個正交分量，構建傳感陣列，實現磁場的分布式測量。光纖微弱磁場傳感器的研究開始於1979年，目前採用的主要方案為基於 Michelson幹涉儀，基於Mach-Zehnder幹涉儀及基於F-P幹涉儀的光纖磁場傳感器。由於這三個方案採用的光路結構是為非互易的，因此對外界環境幹擾(如溫度、振動等)敏感， 環境適應能力較差。。
發明內容
本發明為解決現有的光纖微弱磁場傳感器存在的對外界環境幹擾(如溫度、振動等)敏感，環境適應能力較差的問題。為此，本發明提供了一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、換能器、補償光纖、反射鏡和光電探測器，光源的尾纖與分路器的第一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的第二輸入端光纖熔接在一起，分路器的輸出端光纖與起偏器熔接， 起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與換能器的傳感光纖的輸入端熔接，換能器的傳感光纖的輸出端與補償光纖的輸入端以90°熔接，補償光纖的輸出端端面採用反射鏡，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的第一輸出端給相位調製器提供電信號進行相位調製，信號處理電路的第二輸出端給換能器提供電信號進行偏置調製。本發明還提供了一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，包括光源、分路器、 集成相位調製器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、換能器、補償光纖、反射鏡和光電探測器，光源的尾纖與分路器的第一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的第二輸入端光纖熔接在一起，分路器的輸出端與集成相位調製器熔接，集成相位調製器的第一輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的第一輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器的第二輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器的第二輸入端保偏光纖熔接，偏振分束 /合束器的輸出端光纖與延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖與法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與換能器的傳感光纖的輸入端熔接，換能器的傳感光纖的輸出端與補償光纖的輸入端以90°熔接，補償光纖的輸出端端面採用反射鏡，光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的第一輸出端給相位調製器提供電信號進行相位調製，信號處理電路的第二輸出端給換能器提供電信號進行偏置調製。由上述技術方案可以看出，本發明首先由寬譜光源發出的光通過耦合器後，由起偏器起偏成線偏光，然後通過45°熔點形成正交的兩束光，在相位調製器進行分別調製，通過延遲光纖後在法拉第旋光器旋轉45°，進入換能器，由於換能器採用保偏光纖，因此換能器感應待測磁場，保偏光纖受到調製，傳輸光的兩個模式之間產生相位變化，然後以90°進入互易補償光纖，補償由於換能器保偏光纖雙折射產生的光程差，並通過反射，二次經過換能器，敏感信號加倍，然後通過延遲光纖，最後在起偏器處與兩個模式的光發生幹涉，攜帶幹涉相位信息的光返回探測器(PIN)後，由信號處理電路檢測，光路結構是互易結構，因此對外界環境幹擾(如溫度、振動等)不敏感，提高了光路的環境適應性。
圖1是本發明具體實施方式
提供的第一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的結構示意圖；圖2是本發明具體實施方式
提供的第二種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的結構示意圖。
具體實施例方式本發明具體實施方式
提供了一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，並且有兩種實現方案，具體為第一種實現方案如圖1所示，由光源1、分路器2、起偏器3、相位調製器4、延遲光纖5、法拉第旋光器6、換能器7、補償光纖8、反射鏡9，光電探測器10組成。光信號在分路器的輸入端分成兩路一路是光源1的尾纖同分路器2的一輸入端光纖熔接在一起，另一路是光電探測器10的尾纖與分路器2的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器2的輸出端光纖同起偏器3熔接，起偏器3的輸出端保偏光纖與相位調製器4的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器4的輸出端光纖同延遲光纖5的輸入端光纖熔接， 延遲光纖5的輸出端光纖同法拉第旋光器6輸入端熔接，法拉第旋光器6輸出端光纖與換能器7傳感光纖的輸入端光纖熔接，換能器7傳感光纖的另一端光纖與補償光纖8以90° 熔接，補償光纖8另一端為反射鏡9，光電探測器10的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的一個輸出端給相位調製器提供電信號從而實現相位調製，而信號處理電路的另一個輸出端給換能器提供電信號從而實現偏置調製，從而判斷磁場方向。第二種實現方案如圖2所示，由光源1、分路器2、集成相位調製器11、偏振分束/ 合束器12、延遲光纖5、法拉第旋光器6、換能器7、補償光纖8、反射鏡9，光電探測器10組成。光信號在分路器2的輸入端分成兩路一路是光源1的尾纖同分路器2的一輸入端光纖熔接在一起，另一路是光電探測器10的尾纖與分路器2的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器2的輸出端集成相位調製器11熔接，集成相位調製器11的一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器12的一個輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器11的另一個輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器12的另一個輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器12的輸出端光纖同延遲光纖5的輸入端光纖熔接，延遲光纖5的輸出端光纖同法拉第旋光器6輸入端熔接，法拉第旋光器6輸出端光纖與換能器7傳感光纖的輸入端光纖熔接，換能器7傳感光纖的另一端光纖與補償光纖8以90°熔接，補償光纖8另一端為反射鏡9，光電探測器 10的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的一個輸出端給相位調製器提供電信號從而實現相位調製，而信號處理電路的另一個輸出端給換能器提供電信號從而實現偏置調製，從而判斷磁場方向。本具體實施方式
的光路的基本原理為首先由寬譜光源發出的光通過耦合器後， 由起偏器起偏成線偏光，然後通過45°熔點形成正交的兩束光，在相位調製器進行分別調製，通過延遲光纖後在法拉第旋光器旋轉45°，進入換能器，由於換能器採用保偏光纖，因此換能器感應待測磁場，保偏光纖受到調製，傳輸光的兩個模式之間產生相位變化，然後以 90°進入互易補償光纖，補償由於換能器保偏光纖雙折射產生的光程差，並通過反射，二次經過換能器，敏感信號加倍，再次經過法拉第旋光器再次旋轉45°，然後通過延遲光纖，最後在起偏器處與兩個模式的光發生幹涉。攜帶幹涉相位信息的光返回探測器(PIN)後，由信號處理電路檢測。同樣採用Y型集成光學調製器(Y波導)的光路可以達到相同的目的， 其光路基本原理相同，只是寬譜光源在Y波導處起偏分光並調製，在偏振分束/合束器(保偏耦合器)處形成正交模式的光，其後的傳感機理相同，最後在Y波導處形成幹涉。幹涉儀輸出表達式為Id (0 = ^{1 + COS [九(t-τ)-φη (t) + ^]}其中Itl為到達探測器的光強，Φωα)為相位調製器的調製相位，為由於敏感磁場造成的幹涉儀相位差。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，包括光源(1)、分路器 (2)、起偏器(3)、相位調製器(4)、延遲光纖(5)、法拉第旋光器(6)、換能器(7)、補償光纖 (8)、反射鏡(9)和光電探測器(10)，光源(1)的尾纖與分路器O)的第一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器(10)的尾纖與分路器O)的第二輸入端光纖熔接在一起，分路器(2) 的輸出端光纖與起偏器⑶熔接，起偏器(3)的輸出端保偏光纖與相位調製器⑷的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器(4)的輸出端光纖與延遲光纖( 的輸入端光纖熔接， 延遲光纖(5)的輸出端光纖與法拉第旋光器(6)輸入端光纖熔接，法拉第旋光器(6)輸出端光纖與換能器(7)的傳感光纖的輸入端熔接，換能器(7)的傳感光纖的輸出端與補償光纖(8)的輸入端以90°熔接，補償光纖(8)的輸出端端面採用反射鏡(9)，光電探測器(10) 的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的第一輸出端給相位調製器(4)提供電信號進行相位調製，信號處理電路的第二輸出端給換能器(7)提供電信號進行偏置調製。
2.根據權利要求1所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於所述的光源(1)可以是SLD光源、摻鉺光纖光源、LED光源等寬譜光源；所述的分束器( 是保偏光纖環形器、保偏耦合器、單模光纖環形器或單模耦合器中的任意一種。
3.根據權利要求1所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的換能器(7)的傳感光纖是保偏光纖。
4.根據權利要求1所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的延遲光纖( 與相位調製器G)、法拉第旋光器(6)的連接是跳線連接或熔接方式連接。
5.根據權利要求1所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度為45°。
6.一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，包括光源(1)、分路器 O)、集成相位調製器(11)、偏振分束/合束器(12)、延遲光纖(5)、法拉第旋光器(6)、換能器(7)、補償光纖(8)、反射鏡(9)和光電探測器(10)，光源(1)的尾纖與分路器( 的第一輸入端光纖熔接在一起，光電探測器(10)的尾纖與分路器( 的第二輸入端光纖熔接在一起，分路器( 的輸出端與集成相位調製器(11)熔接，集成相位調製器(11)的第一輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器(1 的第一輸入端保偏光纖熔接，集成相位調製器(11)的第二輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器(1 的第二輸入端保偏光纖熔接，偏振分束/合束器(1 的輸出端光纖與延遲光纖( 的輸入端光纖熔接，延遲光纖( 的輸出端光纖與法拉第旋光器(6)輸入端光纖熔接，法拉第旋光器(6)輸出端光纖與換能器(7)的傳感光纖的輸入端熔接，換能器(7)的傳感光纖的輸出端與補償光纖(8)的輸入端以90°熔接，補償光纖⑶的輸出端端面採用反射鏡(9)，光電探測器(10)的輸出端與信號處理電路相連接，信號處理電路的第一輸出端給相位調製器(4)提供電信號進行相位調製，信號處理電路的第二輸出端給換能器(7)提供電信號進行偏置調製。
7.根據權利要求6所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於所述的光源(1)可以是SLD光源、摻鉺光纖光源、LED光源等寬譜光源；所述的分束器( 是保偏光纖環形器、保偏耦合器、單模光纖環形器或單模耦合器中的任意一種；所述的延遲光纖 (5)與集成相位調製器(11)、法拉第旋光器(6)的連接是跳線連接或熔接方式連接。
8.根據權利要求6所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的換能器(7)的傳感光纖是保偏光纖。
9.根據權利要求6所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度為45°。
10.根據權利要求6所述的採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特徵在於，所述的偏振分束/合束器(1 採用保偏耦合器。
全文摘要
本發明公開了一種採用反射式互易光路的光纖磁場傳感器方案，首先由寬譜光源發出的光通過耦合器後，由起偏器起偏成線偏光，然後通過45°熔點形成正交的兩束光，在相位調製器進行分別調製，通過延遲光纖後在法拉第旋光器旋轉45°，進入換能器，由於換能器採用保偏光纖，因此換能器感應待測磁場，保偏光纖受到調製，傳輸光的兩個模式之間產生相位變化，然後以90°進入互易補償光纖，補償由於保偏光纖雙折射產生的光程差，並通過反射，二次經過換能器，敏感信號加倍，再次經過法拉第旋光器再次旋轉45°，最後在起偏器處兩個模式的光發生幹涉。攜帶幹涉相位信息的光返回探測器後，由信號處理電路檢測。同樣採用Y型集成光學調製器的光路可以達到相同的目的。
文檔編號G01R33/032GK102508177SQ20111038807
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者於佳, 馮秀娟, 張晞, 李傳生, 李彥, 李立京, 王夏霄, 鄔戰軍 申請人:北京航空航天大學