基于FARADAY旋光镜的光学电流互感器分析与试验研究

为解决全光纤电流互感器因采用相位调制器、性能要求高的电子元器件以及复杂的调制解调算法等导致其成本高的问题,提出了一种基于法拉第旋光镜(faraday rotation mirror,FRM)的光学电流互感器(optical current transformer,OCT)方案;分析了该OCT的电流传感原理以及信号获取方法,试验研究了其电流测量精度和温度性能、谐波准确度以及振动特性,试验结果表明其满足5P20的要求,在-40~+50℃范围内,光纤传感环对该OCT系统误差影响不超过0.75%;OCT光纤传感环在承受10g的加速度冲击过程中,系统无异常信号输出。研制的该OCT主要技术指标满足中高压交流输电系统中保护级电流互感器的精度要求,可用于架空线—电缆混合线缆故障区域判别电流测量、分接开关故障电流监测等。

基于FRM的直升机载光纤惯导用抗振型光源研究

振动性能是评价高精度直升机载光纤陀螺环境可靠性与性能稳定性的一个重要指标,光源作为直升机载光纤惯导的源头部件,需要保证其在振动条件下性能的稳定输出。针对光源平均波长随振动变化的问题,从基本机理出发,通过建立光路琼斯矩阵模型,深入研究了光纤中传输光的偏振态与偏振相关损耗之间的关系,在不增加光源系统复杂性的情况下提出了一种基于法拉第旋转镜的直升机载光纤惯导用抗振型光源,并实验验证了其抗振动性能。实验表明,提出的方案可以大大提高光源和光纤惯导振动条件下的稳定性,特别是高频振动条件下(1000~2000 Hz),光源的平均波长稳定性提高了6.8×10^(-6)。

基于Sagnac原理的单轴分布式光纤传感系统偏振态分析

针对Sagnac干涉型单轴分布式光纤传感器中使用单模光纤作为传感器件时,由于传输光偏振态在双折射影响下所带来的干涉信号“偏振诱导衰落”问题,运用琼斯矩阵分析法,建立了该型传感器系统在传感光纤双折射和外部事件共同作用下,传输光的偏振态对系统功率传输系数影响的数学模型;仿真分析了在传感光纤线性双折射和圆双折射共同作用下,传输光的偏振态对系统功率传输系数的影响;提出了使用法拉第旋转镜提高系统抗偏振能力的改进方法.仿真结果表明,该方法能很好地消除光纤线性双折射和圆双折射.

琼斯矩阵在分布式光纤传感器偏振态分析中的应用

针对基于Sagnac原理的分布式光纤传感器中光波偏振态在双折射影响下所带来的干涉信号“偏振诱导衰落”问题,运用琼斯矩阵分析法,建立了传输光偏振态影响系统功率传输系数的数学模型;根据仿真分析的结果,发现使用反射镜作为反射元件,只能消除光纤圆双折射的影响,而不能消除线性双折射的影响。因此,提出了使用法拉第旋转镜提高系统抗偏振衰落能力的改进方法,仿真结果表明可以很好地消除传感光纤的线性双折射和圆双折射的影响。

波长解调用偏振无关光纤干涉仪的研究

针对光纤激光传感器信号解调过程中,干涉仪输出干涉条纹可见度受输入光偏振态变化以及两臂单模光纤双折射效应的影响,介绍了一种简单的光纤干涉仪消除偏振衰落技术,通过在Michelson光纤干涉仪上加两个法拉第旋转镜来提高输出条纹可见度。使用琼斯矩阵法对干涉仪系统进行理论计算,证明法拉第旋转镜旋转角度在理想的45°附近时能达到很好的消偏振效果,并通过实验进行了有效地论证。

光纤激光水听器消偏振衰落技术研究

针对光纤激光传感器信号解调过程中干涉仪输出干涉条纹可见度受输入光偏振态变化和两臂单模光纤双折射效应的影响,介绍了一种简单的光纤干涉仪消除偏振衰落技术,通过在M ichelson光纤干涉仪上加2个法拉第旋转镜来提高输出条纹可见度。使用琼斯矩阵法对干涉仪系统进行理论计算,证明法拉第旋转镜旋转角度在理想的45°附近时能达到很好的消偏振衰落效果,并通过实验进行了有效的验证。

一种无调制器的全光纤光学电流互感器

目前研究及应用的全光纤光学电流互感器均采用铌酸锂相位调制器或PZT相位调制器进行相位调制,光路系统复杂、成本较高,且采集单元受原理限制不能远距离布置,使应用受到限制。本文研制了一种无调制器的全光纤光学电流互感器,采用Faraday旋光镜实现相位偏置,文章介绍了无调制器全光纤光学电流互感器的构成、原理及信号处理方式,给出了线性度、温度特性、谐波特性等主要性能测试结果。采用Faraday旋光镜的无调制器全光纤光学电流互感器光路系统简单、成本低,采集单元可远距离布置,拓展了全光纤光学电流互感器的应用。

干涉型分布式光纤传感系统抗偏振衰落性能研究

为了解决分布式光纤传感系统中常出现的偏振衰落现象,提高系统的稳定性,在分析了系统检测原理基础之上,基于单模光纤的双折射等效琼斯矩阵,建立了分布式光纤传感系统模型,明确了采用不同反射器件条件下,探测光强I与入射光偏振角度i的关系。通过试验证明系统采用旋转角为π/2的法拉第旋转镜(FRM)具有较好的抗偏振衰落特性。

减小无源OCT中初始双折射影响的方法

针对无源光学电流互感器的线性双折射问题,用琼斯矩阵分析了双折射对系统输出的影响。分析了输出光退化成圆偏振情况下光学电流互感器仍能传感电流的现象,以及输出光保持线偏振条件下系统输出电压仍受线性双折射影响的现象。分析了入射光偏转角、入射光相移与初始线性双折射对光学电流互感器输出的联合影响。结果表明,当初始双折射存在的情况下,随着入射光相移的变化,系统输出相对偏差存在极小值,且极小值对应的入射光相移随着初始双折射值而单调递增。由此提出增加入射光相移来减小初始线性双折射对系统输出影响的方法。用计算机仿真了理论计算结果,实验验证了这种方法的可行性。对改进无源光学电流互感器的性能、开发实用光学电流互感器具有参考意义。

法拉第旋转镜用于补偿单光子偏振漂移的实验研究

研究了法拉第旋转镜用于补偿单模光纤中1550nm单光子传输的偏振漂移特性.比较了不同平均光子数下经由不同长度单模光纤传输后单光子偏振漂移的差异,以及使用法拉第旋转镜的偏振漂移抑制比.实验结果表明,在50km光纤50kcps光子计数(光强)下偏振漂移改善最优,偏振漂移抑制比达25.3.

一种基于保偏光纤干涉结构的稳定光谱测量方法

本文提出一种用于光谱测量的保偏光纤干涉结构.该结构基于保偏光纤、法拉第旋转镜、偏振分束器和保偏光环形器等光纤器件的.结构中采用的压电陶瓷光纤相位调制器,使干涉工作在光程线性调制区域,以减小压电陶瓷非线性光程调制产生的误差.结构中的法拉第旋转镜、保偏光纤及保偏光器件的结合使用保证了传输光的偏振稳定性,消除偏振衰落效应的影响,保证了稳定的光谱测量结果.实验测试了SLD光谱,测得结果和光谱仪测得结果一致,结果表明该系统测量光谱的稳定性.该系统可用于提供光纤传感器和通信应用中常用光源(如二极管激光器、LED和半导体激光器等)的光谱分析.

单模光纤反射式结构光纤电流传感器温度敏感性分析

本文针对采用单模光纤作为传感元件的反射式光纤电流传感器的温度敏感性进行分析。从理论上分析了采用法拉第旋光镜的反射式结构可以有效去除固有双折射的影响,该作用对单模光纤也适用。温度敏感性实验也证明了反射式光纤电流传感器确实具备稳定性。

高精度快速可控光纤真延迟线实验研究

在相控阵雷达中使用光纤实时延迟技术,可实现大角度瞬时宽带扫描。利用半导体光放大器和法拉第旋转镜实现了快速切换的延迟线,此技术具有切换速度快,延迟精度高,输出功率恒定,偏振不相关等优点。实验结果表明,此结构能够实现1 ps的延时精度,误差不超过0.1 ps。

基于Sagnac干涉仪的新型声源定位光纤传感器

利用法拉第旋转镜(FRM)把Sagnac光纤干涉仪的环形光纤臂改成单臂直线结构的新型零程差干涉仪,克服了传统Sagnac光纤干涉仪结构上的缺点。另外,FRM作为偏振补偿器解决了偏振诱导信号衰弱问题。对该装置进行了理论分析,并以管道的泄漏声为例进行了实验研究,实验结果与理论分析相吻合,定位误差小于1%,表明该装置可以实现宽频声信号源的定位。

法拉第旋光镜旋转角和工作波长对单模光纤迈克耳孙干涉仪性能的影响

偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一。针对法拉第旋光镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术进行了具体深入的研究。使用琼斯矩阵法对FRM单模光纤迈克耳孙干涉仪进行了理论分析和数值仿真,得出当FRM旋转角度偏差不大于6°时,可视度保持在0.9以上;分析了工作波长变化对FRM单模光纤迈克耳孙干涉仪干涉性能的影响,当入射光波长处于FRM中心波长±71 nm范围内时,光纤干涉仪可视度达到0.9以上。实验结果表明,当入射光波长处于1495.4～1606.7 nm范围内时,可得到可视度接近于1的稳定信号输出,干涉性能优良。

一种高速率、高精度的全光纤偏振控制方法

提出了一种结构简单、高速率、高精度的全光纤偏振控制方法,并对方案进行了详细的理论分析.理论和实验结果表明:本方案可以自动补偿光纤系统由于环境变化使光纤发生形变产生的额外双折射效应,提高了系统的抗干扰能力.实验获得了31dB消光比,此方案有望在实际中得到广泛应用.

激光型光纤电流传感器频率的零漂

激光型光纤电流传感器输出的读数是频率之差。首先从理论上分析了无外加电流时频差在零频附近的漂动,分析了法拉第旋转镜(FRM)旋转角偏离90°引起的频率零漂,并指出这是零漂随温度变化的主要原因,提出了克服零漂的具体措施。实验证明了上述分析的正确性和这些措施的有效性,使这种光纤电流传感器在实用化道路上前进了关键的一步。

基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声特性研究

偏振诱导信号衰落现象的抑制是干涉型光纤传感系统的关键技术之一.针对法拉第旋镜(FRM)法抑制偏振诱导信号衰落技术的残留偏振相位噪声问题进行了深入的理论和实验研究.运用琼斯矩阵法建立了基于法拉第旋镜的干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的理论模型;分析了影响系统偏振相位噪声的主要原因:法拉第旋镜的旋光角度偏差、入射光偏振态调制度、干涉仪两臂光纤双折射;提出了相应的抑制偏振相位噪声的方法.详细仿真分析了入射光偏振态调制度对干涉型光纤传感系统偏振相位噪声的影响,仿真分析得出若法拉第旋镜旋光角度偏差为最大工艺制造误差1°,当入射光偏振态调制度为1.84 rad时,系统可能出现的最大偏振相位噪声为0.0815 rad.最后,搭建了基于M-Z型偏振态调制器的偏振相位噪声测试系统,测试了在传输光纤受到外界偏振扰动的情况下,干涉传感系统存在的偏振相位噪声,实验测试结果与理论分析结果基本一致,有力地证明了该偏振相位噪声理论分析模型的正确性.

基于法拉第旋转镜的Michelson干涉仪偏振相位噪声研究

在理论上研究了由法拉第旋转镜构成的Michelson干涉仪的偏振特性,推导出Michelson干涉仪的偏振引入相位噪声与法拉第旋转镜旋转角偏差的关系式。理论分析法拉第旋转角有偏差时,引导光纤中的偏振态扰动(偏振噪声)会在干涉仪中引入相位噪声,该相位噪声水平与引导光纤中的偏振噪声水平和干涉仪输入光的偏振态有关。并且当法拉第旋转角偏差±2°时,可估算偏振引入的相位噪声与引导光纤中偏振噪声的幅度比值低于2×10-3;在多波长复用系统中,若法拉第旋转角偏差±5°,该幅度比值仍低于1.5×10-2。实验中观察到该幅度比值低于2.5×10-2,并发现输入光偏振态变化并不引起干涉仪相位噪声的变化,由此可知由法拉第旋转角偏差引入的相位噪声符合理论估算的量级,得到了很好的抑制。

法拉第旋转镜对旋转光纤磁光性能测量的影响

为了解决随机线性双折射对光纤磁光特性测量的影响,采用旋转光纤(SF)结合法拉第旋转镜(FRM)的测量方法,研究了FRM对旋转光纤磁光特性测量的影响。首先,从理论方面研究旋转光纤与FRM的引入如何减小光纤中的随机线性双折射对磁光特性测量的影响,并搭建基于FRM的旋转光纤磁光特性测试系统。当光源波长为1310 nm时,FRM作用前的旋转光纤费尔德常数都比未旋转光纤的大,且旋转光纤的节距越短,费尔德常数越大。特别是旋转光纤的节距为1.0 mm时,其费尔德常数为0.8304 rad/(T·m),比未旋转光纤的费尔德常数[0.8029 rad/(T·m)]增大了约3.43%。当测试系统加入FRM后,不同光纤的费尔德常数测量值相较于未使用FRM的光纤费尔德常数测量值都有一定幅度的增大,尤其相比于节距为1.0 mm时的旋转光纤更进一步提高了7.50%,并且在FRM作用前后不同光纤费尔德常数测量值的均方差分别为0.99%和0.61%,说明FRM的引入提高了掺杂光纤费尔德常数的测量精度与稳定性。