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CN106796125A - 具有微分调制相位检测的干涉测定传感器 - Google Patents

具有微分调制相位检测的干涉测定传感器 Download PDF

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Abstract

提供一种传感器，其具有：感测元件(8)，由此被测对象引起两个波之间的相对相移；相位调制器(5)，将调制添加到相对相移；至少两个检测器(10‑1，10‑2)，其中第一检测器(10‑1)响应于相对相移没有包含如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号，并且其中第二检测器(10‑2)响应于相对相移包括如由被测对象所引起的相对相移而检测干扰信号；以及还包括信号处理单元(11)，其适合分析两个所检测干扰信号，并且从其中得出被测对象值。

Description

具有微分调制相位检测的干涉测定传感器
技术领域
本发明涉及使用调制相位检测方案的干涉测定传感器。
背景技术
US 3707329描述一种用于分析通过待测量的量所调制的光束的设备。它包含机械斩光器，其在光束进入电光传感器之前调制光束的幅度。
DE 19544778描述一种电流传感器，其中不同长度的感测光纤的两段围绕导体缠绕（would）。
依靠两个波、通常是波的两个正交偏振模式之间的干扰的传感器是已知的，并且用于大范围的技术领域中(参见参考文献[1]-[7])。这些传感器的检测器信号与两个波之间的相对相移的余弦相关。相移能够使用例如偏振测定方案来检测。这种传感器一般要求多个检测器通道(例如两个正交偏振测定通道和测量总光功率的参考通道)。为了满足一些应用、例如DC电光电压感测中的高准确性要求，必须保持多个通道之间的极良好相对稳定性(保护精度的~1-5%相对通道稳定性)，这是严重的实际挑战。
干涉测定传感器也能够使用如例如参考文献[8]中所述的调制相位检测(MPD)技术，均按照开环和闭环配置来构建。MPD技术一般在“非交互相位调制”方案中实现，并且通常用于光纤陀螺仪(FOG)和光纤电流传感器(FOCS)中([9、10])。共同拥有的专利US7911196 [11]描述一种按照结合电压感测元件(或者若干这类元件)、45°法拉第旋转器以及MPD调制和检测电子器件的反射配置的电压传感器。具有横向配置电压单元的类似系统能够见于[12]。
然而偏振测定光学相位测量通常要求从多个检测器所测量的光功率的比较，在MPD中，快速相位调制添加到待测量相移上，并且仅需要一个检测器来测量响应波形并且从其中计算相移。MPD相移计算与测量功率的绝对电平无关，并且因此对产生于低频振动和环境扰动的光功率波动(其可在不同检测器之间改变，但是不能改变检测器测量的波形的形状(只要扰动远小于调制频率))是固有地免疫的（immune）。
迄今，实际MPD传感器的设计采用“非交互相位调制”原理。这类传感器能够主要划分为两类：萨格纳克干涉计配置和反射配置。光学设计是交互的，意味着必须抵消在电路中的传播期间所累积的所有本征相移。但是，感测元件中的被测对象引起相移和由调制器所强加的相位调制是非交互的并且进行合计。为此，干扰波在到达检测器之前必须在相反方向上两次经过相位调制器和任何互连光纤。需要单模(偏振保持(PM))光纤往来于具有所定义相移(和偏振)的光学相位调制器传送波。对于信号处理，闭环和开环方案均被开发，以从测量波形提取被测对象引起相移，参见例如[8]。
交互设计的原理在所有实际MPD传感器中已是必不可少的，因为相位调制器和PM光纤两者中的本征相移对温度或应力扰动极为敏感。因此，在没有交互光学电路系统的情况下，简单MPD设备在现实世界环境中将不会可靠地工作，因为测量相移将会被环境扰动持续扰动。另一方面，采用交互设计，MPD传感器已经证明取得具有显著DC稳定性的优秀相位测量准确性。
实现全光纤装置、例如FOG或FOCS的交互光学设计相对简易，因为在这类装置中，光纤本身是感测媒介，并且各种光纤组件之间的高耦合效率能够通过标准拼接（splicing）可靠地实现。但是，对于其中感测元件不是光纤、而是例如块状元件的传感器，具有光纤耦合光学相位调制器的交互光学设计相当难以实现。那是因为，在经过块状光学感测元件之后，光必须被耦合回到单模光纤(反射配置中在感测元件之前的相同光纤)中，以及对于以高效率和可靠性那样做独自是相当大的技术挑战。
根据上文，将提供一种使用微分调制相位检测方案、而无需把来自感测元件(其具体能够是块状光学感测元件)的光耦合到单模光纤或波导中的干涉测定传感器看作本发明的目的。
发明内容
因此，按照本发明的第一方面，提供一种干涉测定传感器，其具有：感测元件，由此被测对象引起两个波之间的相对相移；相位调制器，将调制添加到相对相移；至少两个检测器，其中第一检测器响应于相对相移没有包含被测对象引起相对相移而检测干扰信号，并且其中第二检测器响应于相对相移包含被测对象引起相对相移而检测干扰信号。能够比较两个信号，以从其中得出被测对象值。
术语“波”在这里按照字面的一般物理意义意味着包含在空间和时间传播的所有类型的振荡。波可以具有窄或宽谱含量，可以是长久的或者在持续时间中受到限制，以及可由一个源生成或者从多个源综合。波的性质大体上可以是机械(声)、电磁(光)的，或者具有任何其他类型。在下面描述中，使用光波作为示例来描述本发明。两个干扰波能够是例如光波的两个正交线性或圆偏振模式。
在本发明的这个方面的优选实施例中，在由相位调制器来调制之后，光波在进入感测元件之前经过分束器，以及两组偏振器和检测器各分别测量感测元件之前和之后的干扰信号。相移与两个测量波形无关地检索，以及它们的差产生感测媒介内部的相移，其然后转换成被测对象值。
因此，应用本发明，传感器能够以对感测元件外部的波路径中的相移变化的减少灵敏度来构建，同时不要求波沿相同路径返回到相位调制器。
为了在检测器处保持干扰波之间的适当的高相干性，组延迟偏置元件优选地能够引入波路径中，以便至少部分补偿感测元件之前和之后的两个波之间的本征相对组延迟。
组延迟补偿能够通过从干扰信号确定干扰对比度值或者任何相关或等效量度进一步增强。干扰对比度另外能够用来提供周期信息(其帮助从测量相移中去除周期歧义性，并且因而扩展明确测量范围)，或者用作包围传感器的双折射元件的至少一些的控制环境的监测信号。
有利地，由相位调制器所引起的调制与被测对象无关。另外，信号处理单元适合从由相位调制器所引起的调制来确定两个波之间的相对相移。具体来说，调制具有不存在于被测对象中的以给定频率的至少一个谱分量，以及信号处理单元适合使用给定频率来确定相对相移。
对于按照本发明的电压或电场测量，感测元件能够包括电光晶体、结晶电光纤、极化光纤或者附连到压电元件的光纤或块状光学材料。对于按照本发明的力或应变测量，感测元件能够包括光纤或块状光学材料。对于按照本发明的光学磁场传感器或电流传感器，感测元件能够包括光纤或波导，其包含专业低双折射光纤、燧石玻璃光纤或自旋高双折射光纤、块状磁光材料(例如钇铁石榴石晶体或熔融硅石玻璃块)或者附连到磁致伸缩元件的光纤、波导或块状光学材料或者其组合。
传感器作为用于DC信号以及更具体来说用于DC电压或电场测量的传感器是特别优选的，特别是对于中压或高压应用。但是，它也能够潜在地应用于光纤电流传感器、旋转传感器或其他MPD传感器。
它特别适合于具有块状感测元件的传感器。
在下面描述和附图中更详细描述本发明的上文及其他方面连同本发明的另外有利实施例和应用。
附图说明
图1图示按照本发明的第一示例；
图2A和图2B示出使用相对组延迟补偿的本发明的示例；以及
图3图示按照反射配置的本发明的示例。
具体实施方式
按照本发明的基本微分MPD传感器示例在图1中示出。光源1生成光波，其经由单模光纤来引导到光纤偏振器2。经过45°光纤接头（splice）4并且在PM光纤3的两个轴中携带的偏振光输出经过光学相位调制器5传递给光纤准直仪6，其中光从PM光纤3来耦合。无双折射分束器7位于准直仪与感测元件8之间。由分束器7所分离的光输出的一个分支经过第一块状线性偏振器9-1，并且由第一光电检测器10-1来检测。光输出的另一分支经过感测元件8、第二块状线性偏振器9-2，并且由第二光电检测器10-2来检测。两个检测器10-1、10-2的输出信号被输入到信号处理单元11。感测媒介8的光轴平行地对齐，并且块状线性偏振器9-1、9-2的轴以45°对齐到PM光纤3(其连接到相位调制器5)的轴。光学相位调制器可以是集成光学LiNbO3双折射相位调制器[8、10]或者如参考文献[9]中所述具有分支之一中的90°PM光纤接头的Y类型调制器。另一个部分是由具有与其附连的光纤的压电换能器来组成的相位调制器[9]。
相位调制器5将相位调制添加到两个干扰波之间的相对相移上，以及信号处理单元使用在两个光电检测器10-1和10-2处所测量的波形来执行独立的MPD信号处理，并且分别计算两个相移。在检测器10-1处所测量的波形产生接头4与偏振器9-1之间的第一相移，以及在检测器10-2处所测量的波形产生接头4与偏振器9-2之间的第二相移。
因此，两个测量相移的差对应于感测媒介8内部的相移。微分相位测量不受偏振器2与分束器7之间的任何相移变化影响，只要MPD调制频率远高于扰动频率，使得扰动通过和测量同时和同等地跟踪，并且因此完全被减去。
对于电压测量，电光晶体能够用作感测媒介8，以便将待测量电压转换成晶体中的正交偏振模式之间的相移。没有自然双折射的电光晶体(例如Bi4Ge3O12、BGO)是优选的。电光波导或光纤也能够用作电压感测媒介。BGO晶体的端面(沿[001]方向所切割)电连接到电极，其提供电压降V。
如所提及，存在两种类型的MPD信号处理配置(又参见参考文献[8])：开环和闭环。一般来说，闭环配置比开环对应物（counterpart）更难实现，但是在传感器输出的稳定性和线性度方面是优良的。
在开环配置中，相位调制器施加自激调制，以及相移由信号处理单元11从测量波形来计算。在专利US 6429939(参考文献[13])中描述一种典型实现，其中使用正弦相位调制β(t)，以及相移从测量波形中的各种谐波功率的相对比率来计算。
在开环传感器中，没有从所计算的相移进行对调制波形的反馈，除了调制幅度也许可能(但不是强制地)使用从测量波形所计算的输出来稳定之外。
相比之下，在闭环配置[8]中，相位调制波形的偏移(或者等效2π幅度锯齿波形的相位)经由反馈环路通过所计算相移的相反不断调整，使得传感器的相移工作点始终保持在固定点(例如零)。检测器和相位调制器经由信号处理单元11链接在反馈环路中，其中所检索的相移被反馈以控制相位调制波形。
在本发明的微分MPD方案中，存在至少两个检测器，但是通常只存在一个相位调制器。因此，不可能对两种检测器输出运行闭环检测。能够实现对两种检测器输出的开环信号处理 ；或者备选地，能够实现对检测器输出其中之一(例如检测器10-1)的闭环信号处理，并且使用开环信号处理从另一检测信号(例如检测器10-2)来提取相移。
如果选择实现对检测器10-1的闭环信号处理，则从接头点4到偏振器9-1的相移将始终保持在固定设置值(例如零)。在这种情况下，感测媒介8的相移只是在检测器10-2处所测量的相移减去设置值，并且大体上不需要所检测信号之间的进一步减去。
本发明的第二方面涉及由光源1所生成的光的相干性。虽然MPD相位测量原理将会与高相干光源、例如窄带激光二极管一起工作，但是实际上，具有短相干时间的宽带源、例如超发光发光二极管(SLED)常常是优选的，以便定位干扰波，并且避免来自各种光纤联结点（junction）处的交叉耦合的寄生干扰。采用这种低相干光源，只能在相对短范围中观测到干扰信号，其中两个偏振之间的相对组延迟完全处于源相干时间之内，在其之外，干扰对比度将会快速下降并且最终下降到零，以及MPD相位检测方案将会停止工作。
因此，如果使用低相干光源，则系统中的各种双折射组件、例如PM光纤和调制器必须设计和调整成平衡其本征相对组延迟，使得接头点4与输出偏振器9-1和9-2之间的总相对组延迟保持为最小并且完全落入光源的相干时间之内。为了这个目的，将附加组延迟补偿元件插入波路径中能够是优选的。
然而，随着环境条件变化，系统中的组件和可能的非同质环境的温度和应力灵敏度仍然能够使总相对组延迟缓慢漂移离开最小设计值。因此，在其中环境扰动过大和/或光源的相干时间过短的传感器系统中，可以证明有益的是，主动稳定总相对组延迟或者等效稳定干扰对比度，以便成功地实现微分MPD方案。这当然要求测量和控制MPD信号的干扰对比度的能力。
虽然MPD方案按常规仅用来测量相移，但是有可能扩展信号处理算法，并且还从测量信号来得出干扰对比度。许多实现存在，这取决于诸如调制波形和反馈控制配置的因素。在下面，采用开环配置的正弦调制波形来描述干扰对比度计算的示例程序，其是专利US6429939(参考文献[13])中所述的算法的扩展。
相位调制器5与感测媒介8串联、从而将附加相移调制β(t)添加到待测量相移。检测器、例如图1的检测器10-2测量线性偏振器、例如偏振器9-2之后的调制光功率。调制检测器信号能够写作
[1]。
其中I0表示光源的输出功率，是在波的中心波长处待测量的相移，以及A是干扰对比度。
采用正弦调制，等式[1]的检测器信号能够按照傅立叶展开写为在调制频率Ω的不同阶数k的一系列谐波，即，
[1']
其中前三个谐波幅度Bk和相位为
使用第一种类Jk(β)的贝塞尔函数。谐波分量的符号能够通过将谐波分量的相位与激励波形的相位进行比较来确定。
向量或复数能够从上述表示来形成，其允许从所检测信号来得出相移主值和干扰对比度A。
[2]
相移主值能够计算为Y的自变量，以及干扰对比度A等于其绝对值除以I0。总光功率I0能够计算为
。
优选调制幅度是β = 1.84拉德，其中J1(β)具有其第一最大数；另一个优选幅度是β = 2.63拉德，其中J1(β)和J2(β)相等。但是，大体上，对于用来工作的MPD方法，相位调制幅度β能够为任意小。此外，例如为了稳定幅度的目的，已知的是调制幅度β也能够从测量谐波幅度来计算。开环MPD信号处理的另外细节能够见于参考文献[8、13]。
在图1的示例中，干扰对比度或者与其相关或等效的任何参数的附加测量表示为IC。
同时，由于MPD信号的干扰对比度能够被环境扰动，所以它也能够通过控制环境条件来控制。如图1中的箭头IC所指示，干扰对比度或者任何相关信号的所确定值能够用来控制传感器的至少一些参数。
一种可能性是要控制加热装置或珀耳贴单元中的相位调制器的温度。随着温度变化，调制器晶体的双折射和相对组延迟也发生变化。类似地，也能够控制PM光纤的段的温度或应变。实现这种干扰对比度控制的其他方法也能够是易于设计的。
采用测量和控制机制，则能够建立反馈环路，以稳定MPD干扰对比度，以便防止它漂移离开相干范围。但是，反馈既不需要是准确的也不需要是快速的，因为光源的相干范围一般是适中的，并且可能的组延迟漂移实际上也是慢的。
接下来，在传感器的设计中提出相对组延迟补偿的几个示例。
在图2A的示例中，两个基本上相同的双折射相位调制器5和5'以90°相对轴对齐拼接在一起，因此其本征双折射取消。45°接头点与90°接头点4'之间的PM光纤3的长度应当与90°接头点4'与准直仪6之间的PM光纤长度相同，使得其双折射也取消。相位调制器5'以及接头点4'与准直仪6之间的PM光纤共同构成组延迟补偿元件20。双折射组件的至少一些能够保持在壳体21中，以保持它们之中的均匀环境并且屏蔽（shield against）应力和温度波动。留在壳体21外部的PM光纤段3优选地保持为尽可能短。同时，MPD相位调制能够分布在两个相位调制器5与5'之间，从而允许每个调制器可能以更好的线性度工作在更小范围中。
图2B的示例与图2A类似，其中差别在于，仅使用一个相位调制器5，以及相位调制器晶体5的本征双折射通过充当组延迟补偿元件20的PM光纤3的段之一(图2B中通过环所指示)中的额外长度来补偿。壳体21同样地能够包含双折射组件的至少一些。因为相位调制器晶体5和PM光纤3的温度特性能够是相异的，所以随着传感器的温度变化，这个设计可遭受比图2A所示设计要多的组延迟漂移。
如果低相干光源用作源1，则IC的测量具有相对歧义性去除和测量范围扩展的另外益处，如能够说明如下：
干扰传感器的相移测量在一般本征地2π周期方面（periodwise）是歧义的。但是，低相干源的自相关函数(本文中确定为干扰对比度)是窄函数，其值在其相干时间之内从一个相位周期到另一个相位周期显著变化。因此，只要同时测量相移主值((-π, +π]之内的相移绝对值（mod）2π)和干扰对比度，则在其中自相关函数具有对相对组延迟的强单调相关性的范围中，干扰对比度能够用来向正确周期分配所测量相移主值，并且由此明确地确定相对相移的完全值。
因此，例如按照等式[2]对相对相移和IC(或者任何相关参数)的同时测量能够在本发明的传感器中用来将相移测量范围扩展到2π之外，有效地扩展到通过光源的自相关函数(或者互相关函数，如果波通过两个不同源生成的话)的斜率和形式所确定的范围。
诸如使用两个不同波长的任何其他周期解疑方法也能够与本发明结合使用，以便将明确相移测量范围扩展到2π之外。在专利申请WO 9805975A1 [6]和EP 1179735A1 [7]中描述这类方法的示例。本发明的第三方面涉及传感器的几何设计。图1示出透射配置传感器的示例，其中光源1(和许多其他组件)和检测器10-2位于感测晶体的两个相对端。对于电压传感器的示例，这导致若干组件、特别是检测器10-1或10-2其中之一位于高压电位处。图3图示反射配置电压传感器的示例。在反射配置中，反射光学器件30放置在感测元件8的一端(优选地为高压电位处的一端)，而所有其他光学器件位于另一端(优选地为地电位处的一端)。反射光学器件30可以是平坦/弯曲反射镜、屋顶式反射镜、角隅棱镜反向反射器或者只沉积在晶体端面上的反射薄膜涂层。反射光学器件30处的反射应当理想地保存光的偏振状态，而没有旋转或偏振相关相移。元件20再次表示如上文参照图2A和图2B时所述的(一个或多个)可选组延迟补偿元件。
晶体的电光轴应当与PM光纤3的轴平行地对齐。优选地，感测媒介8之前的分束器7应当相对于PM光纤轴以45°与其轴对齐，以便使两个干扰波可从分束器经历的任何可能相移相等。例如来自分束器、反向反射器或者来自BGO晶体的残余自然双折射的任何残余系统相移能够通过校准来表征和去掉。BGO的残余双折射也能够通过串联组合两个BGO晶体来降低，其中反平行[001]轴和x/y轴相对彼此旋转90°。在这个布置中，电光相移进行合计，而本征双折射取消，从而引起更好的零点稳定性。检测器10-1或10-2可直接附连到传感器的其余部分，或者备选地，它们可经由单模或多模光纤来连接到传感器。
虽然本文示出和描述本发明的一些优选实施例，但是要理解，本发明并不局限于此，而是可在下面权利要求书的范围之内另外以不同方式来实施和体现。
所引用的参考文献
参考标号列表
光源1
光纤线性偏振器2
偏振保持(PM)光纤3
光纤接头4、4'
光学相位调制器5、5'
准直仪6
分束器7
感测元件8
线性偏振器9-1、9-2
光学检测器10-1、10-2
信号处理单元11
组延迟偏置元件20
控制壳体21
反射光学器件30。

Claims (15)

1.一种干涉测定传感器，包括
感测元件(8)，由此被测对象添加两个波之间的相对相移，
至少第一和第二检测器(10-1，10-2)，
分离器元件(7)，其中所述分离器元件的第一输出分支转到所述第一检测器(10-1)，并且所述分离器元件的第二输出分支经过所述感测元件(8)并且转到所述第二检测器(10-2)上，
其特征在于，所述传感器还包括相位调制器(5)，其引起对所述相对相移的调制，
其中所述分离器元件位于所述相位调制器(5)与所述感测元件(8)之间，
其中所述第一检测器(10-1)响应于相对相移没有包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，并且其中所述第二检测器(10-2)响应于相对相移包含由所述被测对象所引起的所述相对相移而检测干扰信号，
所述传感器还包括信号处理单元(11)，其适合从所检测干扰信号的每个来确定所述两个波之间的相对相移，并且使用表示它们的差的量来确定被测对象值。
2.如权利要求1所述的传感器，还包括组延迟偏置元件(20)，以控制在所述第一检测器(10-1)处和所述第二检测器(10-2)处所检测的波之间的所述相对组延迟。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)包括以双折射轴(4')的90°转变连接到其他段的偏振保持光纤(3)的至少一段。
4.如权利要求2所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)包括与所述相位调制器(5)基本上相同的至少第二相位调制器(5')，其中所述两个调制器以所述双折射轴(4')的90°转变彼此连接。
5.如权利要求2至4中任一项所述的传感器，其中，所述组延迟偏置元件(20)和所述相位调制器(5)处于共用壳体(21)中，或者是温度控制的。
6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述分离器元件(7)是块状光学分束器或者多分支光纤耦合器。
7.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述信号处理单元(11)适合从所述干扰信号的任何来得出表示干扰对比度(IC)的值和所述相对相移。
8.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述相位调制器(5)是电光相位调制器、集成光学相位调制器，具体来说是双折射调制器、Y类型调制器或压电光纤调制器。
9.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述相位调制器在闭合反馈环路中采用两个所检测干扰信号其中之一来控制，并且其中所述被测对象从另一所检测干扰信号来得出，通过所述闭合反馈环路的设置值来修改。
10.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述波是光波，具体来说是正交线性偏振光波或者左和右圆偏振光波。
11.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述被测对象是电压或电场强度，并且所述感测元件内部的所述相对相移响应于施加在其的两个面之间的所述电压。
12.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述感测元件包括电光晶体或电光纤，具体来说是结晶电光纤或极化电光纤或者光纤和压电材料。
13.如权利要求11或12所述的传感器，作为反射配置传感器，其中反射光学器件(30)沿相同路径经过所述感测元件返回所述波。
14.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述感测元件包括磁光材料或光纤。
15.如前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中，由所述相位调制器(5)所引起的所述调制与所述被测对象无关，以及
其中所述信号处理单元(11)适合从由所述相位调制器(5)所引起的所述调制来确定所述两个波之间的所述相对相移。
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