（光学工程专业论文）反射相移的波长积累效应对bgocs系统影响研究.pdf

摘要 光学电流传感器( o d t i c a lc u r r e n ts e n s o r ：o c s ) 是利用光学技术直接 或间接地测量电流的装置。光学玻璃电流传感器( b u l kg 1 a s so p t i c a c u r r e n ts e n s o r ：b g o c s ) 是o c s 中的一种。近年来b g o c s 的研究取得了可喜 的进展； 反射相移是影响b g o c s 系统性能的因素之一。由于它具有色散特性，因 此在采用宽带光源的光学电流传感系统中会产生波长积累效应。迄今为止， 该效应对系统输出影响程度如何尚罕见论证。因其涉及到用单色光模型描述 采用宽带光源的b g o c s 系统是否具有合理性与可行性的问题，因此有必要对 其进行研究。文中先给出了适用于z f 一7 光学玻璃基底的保偏反射膜反射相移 的色散特性公式，再对其波长积累效应进行理论分析和计算祝仿真。研究结 果表明，反射相移的波长积累效应对b g o c s 系统影响甚微，因此在理论研究 中若不考虑其他光学参量的波长积累效应，用单色光模型处理宽带系统的做 法是合理的与可行的。此结果可供从事b g o c s 研究的同行参考。 由于研究课题的工作需要，在论文工作期间，还对四分之一波片光学参 量实际值的测量方法进行了研究。其具体内容包括：测量四分之一波片实际 相移量( 不包含整数倍2 石) 的方法，判定波片的快慢轴，以及测量其快慢轴 的折射率的方法。这些工作提高了对光学玻璃电流传感头内线性双折射的测 量精度，此外对波片测量理论与技术及其在工程实际中的其它应用具有一定 的参考意义。 关键词：光学电流传感器；反射相移；色散特性：波长积累效应；波片 a b s 仃a c t o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r , o c sf o rs h o r t ，i st h ek i n do fe q u i p m e n tm e a s u r i n g c u r r e n td i r e c t l yo ri n d i r e c t l yb yu t i l i z i n go p t i c a lt e c h n o l o g y b u l kg l a s so p t i c a l c u r r e n ts e n s o r ，b g o c sf o rs h o r t ，i so n ek i n do fo c s ，a n dt h er e s e a r c ho ni th a s g o o da c h i e v e m e n ti nr e c e n ty e a r s r e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c e ，o n eo ft h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h eb g o c s p e r f o r m a n c e ，h a sd i s p e r s i o nf e a t u r e s t h e r e f o r e ，t h e r ew i l lb eaw a v e l e n g t h a c c u m u l a t i o ne f f e c ti nt h es y s t e m se m p l o y i n gb r o a d - b a n do p t i c a ls o u r c e s i th a s n o tb e e np r o v e dh o wm u c ht h i se f f e c tc a na f f e c tt h eb r o a d b a n ds y s t e mu pt i l ln o w h o w e v e r , t h ep r o b l e mw h e t h e ri t i sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l et ou s ea m o n o c h r o m a t i cl i g h tm o d e lt od e s c r i b eb r o a d - b a n ds y s t e m si sc o n c e r n e d n o w a d a y s s oi ti sn e c e s s a r yt od or e s e a r c ho ni t t h ed i s p e r s i o nf o r m u l ao ft h e r e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c ei sg i v e nf i r s t ，a n dt h e n , i t sw a v e l e n g t ha c c u m u l a t i o n e f f e c tu p o nab u l kg l a s so p t i c a lc u r r e n ts e n s o ra r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n d d i g i t a l l ys i m u l a t e d t h er e s u r ss h o wt h a tt h ew a v e l e n g t ha c c u m u l a t i o ne f f e c to f t h er e f l e c t i o n - i n d u c e dr e t a r d a n c ei sl e s se n o u g ha n dt h et r e a t m e n to fu s i n g m o n o c h r o m a t i cm o d e lt od e s c r i b eb r o a d - b a n ds y s t e m si sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e ， i ft h ew a v e l e n g t ha c c u m u l a t i o ne f f e c t so fo t h e ro p t i c a lp a r a m e t e r so ft h es e n s i n g h e a da r en o tc o n s i d e r e d t h er e s u l t sm i g h tb ear e f e r e n c et ot h ec o l l e a g u e s w o r k i n g i nt h ea r e ao f b u l kg l a s so p t i c a lc u r r e n ts e n s i n gt e c h n i q u e s m e a n w h i l e ，b e c a u s eo f t h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so nt h er e s e a r c h i n gp r o c e s so f t h i st h e s i s ，t h em e t h o d so fm e a s u r i n gt h ep r a c t i c a lo p t i c a lp a r a m e t e r so fq u a r t e r w a v e p l a t e sa r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n g ：m e a s u r i n gt h ep r a c t i c a l 哈尔滨工程人学硕士学位论文 r e t a r d a n c ev a l u eo fq u a r t e rw a v e p l a t e s ( n o t i n c l u d i n gi n t e g r a l t i m e s2 窟) ， d e t e r m i n i n gi t sf a s ta n ds l o wa x e s ，a n dm e a s u r i n gt h er e f r a c t i v ei n d i c e so fi t sf a s t m a ds l o wa x e s ，w h i c hh a v ei m p r o v e dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h el i n e a r b i r e f r i n g e n c ei nt h es e n s i n gh e a do ft h eb g o c s ，a n dh a v ec e r t a i ns i g n i f i c a t i o ni n t h ea r e a so ft h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c ef o rt h ew a v e p l a t em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r s ；r e f l e c t i o n i n d u c e dr e t a r d a n c e ；d i s p e r s i o n p r o p e r t y ；w a v e l e n g t ha c c u m u l a t i o ne f f e c t ；w a v e p l a t e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盎 日期：獗年6 月日 第1 章绪论 1 1 光学电流传感器相对于传统电流传感器的优点及其分类 光学电流互感器( o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ：o c s ) 是由连接到传输系统 和二次转换器的一个或多个电流传感器组成，其二次转换器的输出实质上f 比于一次电流，且相位偏差在联结方向正确时为已知相位角的装置“3 。由于 其中某些类型耍利用光学器件对电流传感、几乎全部利用光纤传输信号。目 前普遍用于电力工业中的是油浸式电流传感器，随着输送电压增至甚高压 ( 阴v ) 、超高压( u h v ) ，已暴露出下述内在的致命弱点： ( 1 ) 由爆炸引起的灾难性事故的潜在危险； ( 2 ) 大故障电流导致铁芯磁饱和； ( 3 ) 铁芯共振效应； ( 4 ) 滞后效应； ( 5 ) 输出端开路导致高压； ( 6 ) 体积大、重量大、价格昂贵： ( 7 ) 精度限于3 ； ( 8 ) 易受电磁干扰影响。 o c s 与传统电流传感器相比具有如下优点：“3 ( i ) 不含油，没有爆炸危险； ( 2 ) 不含铁芯，没有铁磁共振、磁饱和及大电感引起的滞后现象； ( 3 ) 绝缘性能好，用来做传感材料的光学玻璃、传输信号的光纤都是良 好的绝缘材料； ( 4 ) 无开路导致高压的危险； ( 5 ) 动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性； ( 6 ) 测量频带宽，由于光通过传感器部分只需要微秒级时间，因而频带 宽度完全由信号处理部分电子线路响应速度决定； ( 7 ) 受电磁干扰影响小； ( 8 ) 体积小、重量轻、结构简单。 哈匀 滨工程大学硕士学位论文 由于光学电流传感器与传统的电磁电流传感器相比具有非常显著的优点 而受到越来越广泛的关注。近年来，此领域的研究获得许多进展，有些研究 单位已进行了挂网实验，有些研究成果正进入产品转化阶段。 尽管目前的研究目标主要用于超高压大电流测量，但从高压大电流到微 弱小电流的测量，从直流到高频电流的测量，光学电流传感技术都可获得广 泛的应用。 按照高压区工作单元是否需要供电，o c s 通常可分为有源型和无源型两 大类；按照传感机理和传感头的具体结构，o c s 又可分为以光纤为敏感元件 的全光纤型、用光学玻璃作敏感元件的光学玻璃型、使用光电混合装置的混 合型( 利用传统c t = 次输出线圈采样或用r o g o w s k i 线圈取样) 、磁场传感器 型和其它传感机理型。有源型o c s 仍以电磁感应为其工作原理，以各种采 样线圈为其一次传感元件。大多数无源型o c s 则是以法拉第效应为工作原理， 以光纤或光学玻璃电流传感头为其次传感元件。 1 2 有源型o c s 有源型o c s ( a c t i v eo c s ：a o c s ) 通常的构成包括高压侧部分，光纤传输 部分和低压侧部分。高压侧的采样线圈对一次电流采样形成采样信号，经放 大、调制( 直接a d 转换。1 、相位调制、频率调制“1 与脉宽脉位调制“1 等) 后，经电光转换形成光信号，再经由光纤传递到低压侧，进行逆交换，转成 电信号经适当处理后输出。其中，光纤是联系高、低压侧的介质，并未参与 到对电流的传感过程中去。因而，a o c s 实际上是一种光纤传导技术和c t 技 术的组合体，属于非功能型光纤传感器的范畴。 在a o c s 中，有多种元件可用于电流采样，包括特别设计的小信号电流传 感器、r o g o w s k i 线圈等。其中r o g o w s k i 线圈子1 9 1 2 年首次被用于磁场的测 量。当时由于其输出电压和功率过小，以至于不能驱动测量设备而不能用于 电流测量”5 。1 9 9 2 年p o w e re l e c t r o n i cm e a s u r e m e n tl t d 首次研制出了商 用的宽带r o g o w s k i 线圈”1 。r o g o w s k i 线圈因其频率响应好、准确度高、结 构简单且成本低廉而被公认为是较理想的母线电流采样元件。 r o g o w s k i 线圈是将导线均匀绕制在非磁性材料骨架上的空心线圈，如图 2 哈尔滨工程火学硕士学位论义 1 1 所示a 若线圈匝数为w ，其截面为长a 宽h 的长方形，载有待测电流，( n 的母线尺寸( 截面大小) 可忽略不计，则在空心线圈输出端的开路输出电压 v ( t ) 为： y ( r ) ：型一 u 。h w l n 芒1 盟= - m d l ( t ) ( 1 - 1 ) 。d t2 r t 、r4 斑出 图1 1 空心线圈结构图 式中：吖互感系数，h r 、r 一线圈的外圈和内圈半径，n l 由( 卜1 ) 式可知，r o g o w s k i 线圈的作用是将被测的电流量，( f ) 转换为 与之成微分关系的电压量y ( f ) ，且输出电压的大小范围可由调节m 的大小进 行控制。 欲使a o c s 能够实用，必先保证其具有足够的稳定性与可靠性。其实用化 的主要技术障碍包括罗氏( r o g o w s k i ) 线圈结构、抗电磁于扰能力、电磁兼 容特性、采样线性与精度等性能的保证及稳定问题；高、低压侧电子线路( 含 电光一光电转换) 及光纤传输系统的温度稳定性问题；为高压侧电子线路供 电问题。 为保证罗氏线圈的温度稳定性，应选用热膨胀系数小的非磁性材料制作 骨架；为保证其测量糙度，应使线圈有足够的圆度“，并尽可能减小载流母 线偏离线圈圆心的程度“1 ：在罗氏线圈的圈内绕上一返回匝会很好的解决外 磁场对测量信号的干扰问题”1 ；罗氏线圈支撑结构的设计则要考虑防振效果， 尽量使载流母线在振动状态下也能保持处于罗氏线圈中心位置。罗氏线圈结 构与制作工艺曾有新的创意可供借鉴“”，其与母线的连接方式也有讨论”“。 啐 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对电流采样信号可有多种调制方式，其特性各有千秋：直接a d 转换效 果较好，但技术相对复杂，成本相对较高；调相、调频与脉宽脉位调制技术 相对简单，成本相对较低，但由于需用的元件如压电晶体( 调相) 、振荡电容 器( 调频) 等对温度的敏感性导致系统温度稳定性不很理想。欲扩大调相a o c s 的动态范围。可采用相位压缩技术”“，对调频a o c s 可采用两个锁相环v - f 转换电路实现对称温度补偿“1 。电网频率波动引起采样同步误差的补偿技术 则解决了a o c s 采样过程中采用数字技术的一个障碍“”1 。 电光转换电路中光源输出功率对温度十分敏感且处于户外使用环境，加 之光纤传输损耗会随温度改变，导致传输致低压侧的光功率会随季节不同在 很宽的范围内波动。故光电转换器件灵敏度要留有余量，且数字解调应选择 适当的判决电平。 常见的为a o c s 高压侧电路供电技术有悬浮电源技术“7 1 、激光供电技术 ”与太阳能电池供电技术“”1 。其中悬浮电源技术比较接近实用，但需采用特 制小c t 自一次电流取能，电源电路需采取必要的措施使其在很宽的一次电流 范围内能够正常工作，且需采取适当的措施防止电压电流浪涌损毁电路，并 应考虑电磁屏蔽等问题以满足电磁兼容要求；激光供电优点明显但成本昂贵 导致难以采用；太阳能电池供电不很方便且供电功率偏小。 1 ，3 无源型0 0 5 1 3 1 光学玻璃0 0 5 光学玻璃电流传感器( b u l kg l a s so p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ：b g o c s ) 与 全光纤型o c s 相比，光学材料的选择范围宽，稳定性较好，精度较高，受线 性双折射影响较小，但存在加工难度大，传感头易碎，成本高等缺点，且在 光反射过程中引入的反射相移及光学玻璃中的线性双折射均会使线偏光变成 随环境因素变化而改变的椭圆偏振光而影响系统稳定1 陛。 13 1 1 传感单元设计 b g o c s 传感单元由玻璃传感头与偏振器件构成。设计中应考虑的基本问 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 题是灵敏度、抗干扰能力与稳定性。灵敏度大小取决于光学玻璃v e r d e t 常数 大小与光路环绕母线的次数，故选用大v e r d e t 常数的材料或采用多环光路可 提高灵敏度”。抗干扰能力取决于光路闭合程度及反射相移及线性双折射 减小程度”“。稳定性则要靠减小反射相移及线性双折射或补偿其不良影响柬 实现。 1 3 1 2 反射相移对b g o g s 性能影响及对策 反射相移对系统灵敏度、稳定性及抗外电磁场干扰能力影响的研究结果 表明，若将总反射相移控制在0 2 4 r a d ( 约为1 4 。) 以内则传感头的灵敏度将 不低于理想模型灵敏度理论预期值的9 0 。”。反射相移还会影响传感头的抗 外场干扰能力，因此有必要采取措施抑制或设法减小反射相移，或是采取必 要的补偿措施3 。利用估算传感头反射相移大小的方法可对反射相移进行实 验研究3 。 b g o c s 光源的驱动电流与环境温度改变，都会造成光源峰值波长移动。 由于反射相移具有色散特性，会使灵敏度随光源波长的变化而改变。对反射 相移色散特性及反射相移与v e r d e t 常数联合色散特性对灵敏度影响的研究 结果表明，反射相移色散特性及v e r d e t 常数色散特性均会对输出曲线的尺度 因子产生明显的影响。因此，有必要对光源采取恒温与恒驱动电流控制，或 是采取其它必要的补偿措旌删。 解决反射相移问题的基本方法是使光束在传感头内实现双正交反射”、 临界角反射。或是保偏反射( 可分别用多层保偏反射膜”与单层介质保偏反 射膜”】实现) 。 1 3 1 3 线性双折射对b g o c s 性能影响及对策 线性双折射以抽样函数的形式影响传感头的尺度因子，同时还会调制入 射起偏角对输出曲线截矩的作用因子；输出曲线的截距随起偏角改变则呈j 下 弦样变化，当入射起偏角为o 。、4 5 。或9 0 。时曲线截距为零m 1 。尽管使用交流 计量设备时该截距对输出无实质性影响，但其对尺度因子的影响却会破坏系 统输出的温度与振动稳定性。此外，线性双折射色散对b g o c s 传感头性能也 哈尔滨工程大学硕士学位论文 会产生影响，因此有必要采取措施减小传感头中的线性双折射，或是采取必 要的补偿措旌。“。减小传感头内线性双折射的措施包括对传感头退火，注意 传感头包装支撑结构对传感头施力的均匀性等。 为便于对线性双折射的实验研究，王政平等人报告了用叫4 波片测量 b g o c s 传感头线性双折射的方法”，并提出了测量吖4 波片实际相位延迟角的 方法o ”1 ，以提高对线性双折射的测量精度。 传感头环境温度变化在传感头内形成的折射率梯度会产生双折射梯度进 而改变输出信号的尺度因子。由于该双折射梯度与传热过程有关，使其对尺 度因子的影响不具有可重复性而严重地破坏传感头的可靠性。解决该问题的 可能的方向之一为设计适当的热缓冲结构延缓传热过程，使传感头内温度变 化接近准静态过程以避免形成温度梯度；还应采用均热结构使传感头内温度 场均匀分布n ”。 1 3 1 4 偏振器件对b g o c s 性能影响 起偏器消光比和预偏角误差均可在b g o c s 的输出中引入直流分量，并使 尺度因子发生一定的改变。当最终输出信号用交流电表度量时，输出信号中 引入的直流分量可被交流电表中的自带的隔直电容滤除，尺度因子的改变可 用后续信号处理电路中的放大单元矫正啪1 。用于输出光束检偏的偏振分束器 消光比随温度变化产生较大测量误差的问题可用改进的差除和信号处理方案 补偿。 1 3 ，1 5 工作环境对b g o c 8 系统的影响及补偿措施 b g o c s 系统的工作环境的温度、压力、振动等因素通过构成系统的各个 器件及单元的性能改变对系统产生不利影响。提高系统对环境改变的耐受性 能的思路一是改善各器件性能，二是通过信号处理予以适当补偿。 环境温度改变导致的光源发光中心波长发生漂移可通过传感头各光学参 量的色散特性对系统灵敏度产生影响，最终破坏系统的温度稳定性。传感头 各光学参量色散对系统综合影响并不是各自影响的简单相加，其中存在联合 效应。7 删o “。因此需考虑采取整体补偿措施。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 环境温度变化可改变传感头内线性双折射、反射相移及v e r d e t 常数大小 的改变。采用两种磁光材料v e r d e t 常数温度曲线之商对v e r d e t 常数温度特 性对系统的影响有明显的补偿效果1 ；根据事先测得y e r d e t 常数或系统输出 的温度特性对系统输出予以补偿也是一种可行的办法，但其前提是已对传感 头采取必要的传热缓冲与均匀化结构，否则很难获得可重复的输出温度曲 线或数据表。 周期性振动引起的传感头内因弹光效应导致线性双折射的周期性改变、 母线在原来固定位置附近振动及对上行传导光纤( 自光源至起偏器的一段) 的作用使进入起偏器的光强发生波动均会破坏系统输出的稳定性。因此，需 要对传感头采取适当的防振措施，并设法将传感头与母线固定在一起可减小 或消除前两种不利影响；利用长多模光纤的消偏和消相于性能并选用低相干 光源可有效地抑制光纤中的振动嗓声；仅使斜向光束耦合进多模光纤的技术 也可有效抑制振动噪声“”。反射相移对8 g o c s 振动稳定性也有影响，故应 设法减小反射相移“。 b g o c s 信号处理单元的基本功能是检测出法拉第旋转角的大小，补偿光 源光强涨落对输出信号的影响，带通滤波以提高系统输出信噪比，相位调整 以减小输出信号的角差及将输出信号放大到规定的幅值。此外，温度补偿、 振动补偿等也都是信号处理单元应具备的重要功能。对经典的单探头方案、 差除和方案及及改进的差除和三种基本检测方案的分析结果表明，改进的差 除和方案噪声最小n 。 小电流测量信号会被噪声严重干扰甚至淹没。由于b g o c s 内部的噪声基 本上与被测电流信号所在的频段相重叠，因此无法用传统的滤波器方法将其 滤除。实践证明，采用自适应信嗓分离技术可实现电流信号与固有噪声的分 离而提高b g o c s 测量小电流的准确度“。 1 3 2 全光纤o c s 全光纤o c s 又称为光纤电流传感器( f i b e r o p t i cc u r r e n ts e n s o r ： f o c s ) 。其工作原理主要为f a r a d a y 效应和磁致伸缩效应。f a r a d a y 效应f o c s 常采用偏振检测方法，或利用f a r a d a y 效应的非互易性采用s a g n a c 干涉仪实 哈尔滨工程大学硕j 学位论文 现检测。s a g n a c 干涉仪型f o c s 又可分为环形( 1 0 0 p ) 和串连式( i n 一1i n e ) 两 种。光纤内存在的线性双折射对于温度与振动等坏境因素变化十分敏感，是 阻碍f o c s 实用化要的关键问题。尽管针对偏振检测方案先后提出了“高圆双 折射光纤”、“旋制光纤”、“扭转光纤”、“退火光纤”、“几何结构分离线性双 折射”、“相向传输”、“扭转加退火”等多种解决方案”“4 “，但多难以实用。 随着基于s a g n a c 干涉仪的光纤陀螺技术的实用化，许多研究者已将兴趣转向 s a g n a cf o c s 。 1 3 2 1f o c s 传感头的改进 对f o c s 的性能改进工作主要是围绕解决线性双折射影响进行。其中重要 的方法是在传感光纤环路中设法引入或增大圆双折射“”。用神经网络方法 对线性双折射影响进行补偿的方法则是一种新的恩路”“3 。对于2 ，4 波片不完 备性引起的尺度因子误差可将两个波片的光轴预置成4 5 0 角予以解决”3 1 。采 用外s a g n a cf o c s 方案则可提高系统灵敏度“”。种独特的传感头精细设计 对解决线性双折射问题证明是有效的。该设计将传感光纤退火并置于线圈形 熔硅制成的毛细管中，再将该毛细管埋藏于充有硅酮的环形室中，以此来实 现种对温度与振动均不敏感的、对f a r a d a y 效应具有内在温度补偿功能的 s a g n a cf o c s 。其研究结果表明：光纤双折射的温度依赖性可用来平衡f a r a d a y 效应的温度依赖性；在一3 5 8 5 的范围内，其温度不敏感度在0 2 以内： 在l o g 加速度5 0 0 h z 频率振动条件下输出信号中仍未见振动干扰“。对f o c s 中由耦合器所引起的附加偏振问题可通过提高光源波长的稳定性或者提高耦 合器的带宽并采用特殊的数据处理方法消除其影响“。 1 3 2 2v e r d e t 常数波动的补偿方案 v e r d e t 常数的大小会随温度变化而改变，并且是波长的函数。因此对 v e r d e t 常数温度特性进行补偿并采取措施稳定工作波长是解决v e r d e t 常数 随环境因素波动问题的基本思路。r o s e 等人对6 3 6 1 3 2 0 h m 范围内退火光纤 的v e r d e t 值进行了测量，为了解v e r d e t 常数的波长依赖性提供了实验依据 ”。采用闭环反馈技术的设计”1 或平衡测试技术的设计岫1 对v e r d e t 常数变化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 引起的f o c s 性能漂移的补偿是有效的。 1 3 2 3 信号处理技术 信号处理单元的重要功能是补偿诸如光强涨落、相位飘移、信噪比降低 等影响f o c s 性能的各种有害效应，提高系统稳定性与信噪比。 采用正弦波调制l d 的外差检测方法是消除由光源及光路损耗引起的光 强涨落对f o c s 影响的方法之一”。采用双渥拉斯顿棱镜的信号检测与处理方 法可解决采用扭转光纤的f o c s 因温度变化等因素引起的偏振相位漂移问题 ”。采用基于小波变换的带通滤波器“”、基于频域窄带加窗理论的信号处理 技术”带有双t 型选频网络的光检测放大电路1 提高f o c s 的信噪比。 1 3 ，2 4 标定技术 标定技术对于0 c s 的研究、开发与生产都十分重要，但以往对此报告不 多。最近b l a k e 在实验室条件下对f o c s 在1 3 6 0 0 a 范围内的精确标定技术 进行了研究，使标定误差在i 1 0 0 a 的范围内降到0 0 0 1 “ 13 2 5 采用其它原理的f o o $ 就一般性而言，凡是可以检测由电流引起的物理效应的装置都可用于对 电流的间接检测。因此客观上存在相当多的检测电流的方法。近期见诸报道 的有用直接测量在铁氧铁片上磁畴壁位置的方法测量电流的传感器”、利用 法布里一珀罗干涉仪检测磁致伸缩产生的位移的f o c s ”、利用光纤微弯产生 光强损耗效应的f o c s ”1 、利用磁致伸缩材料和光纤光栅构成的f o c s 1 ”等。 由于其中多数距离实用尚远而未形成f o c s 研究的主流。 1 4 新型光学电流传感器 h e r e d e r o 等人提出了一种微机械光纤电流传感器“”，如图1 2 所示。传 感元件包括个正方形的硅膜，有一个圆柱形的永久磁铁固定在硅膜的中间。 这种结构使得在由交流电产生的磁场梯度存在的情况下永久磁铁发生振动。 电流大小和磁铁振动位移之间的线性关系可用带有光纤低细度f a b r y p e r o t 微 小腔的白光干涉计量法来测量。试验结论是测量范围为0 7 0 a 。当硅膜与载 流导线的距离为5 m m 时，最小可探测电流为2 0 m a 。 图1 2 微机械( m i c r o m a c h i n e d ) 光纤电流传感器 1 5o o s 技术前景展望 尽管无源型o c s 比有源型有更长的研究历史，但由于有源型o c s 采用的 主要是相对成熟的电子技术，故其有可能先于无源型实现实用化。依据 1 e c 6 0 0 4 4 8 标准制定出的适应本国情况的国家技术标准是o c s 研发的技术依 据与法规性保障。我国制定o c s 技术标准的工作目前正紧张进行。此外，尽 管国际电工委员会已颁布的o c s 技术标准中包含了o c s 输出接口的规定，但 与其连结设备的接口问题尚未解决，这是阻碍o c s 投入实用的障碍之一。这 方面虽然已有研究报告”，但仍需重点研究并尽快建立与o c s 接口适配的 后续设备接口标准。虽然国外有源型与无源型o c s 均已见产品宣传，但尚未 见大规模投入使用的报道。为了实用，现有o c s 的温度与振动稳定性仍有待 于进一步提高。 对于o c s 优越性的宣传、提高电力行业有关人员对o c s 技术的了解与认 同程度也是实现o c s 实用化必须解决的问题之一。由于o c s 技术具有传统c t 无法比拟的内在优点，加之o c s 技术的日趋成熟、技术法规环境的建立、业 内人士认同程度的提高，因此o c s 必然具有十分美好的实用化前景。 1 、6 论文选题的意义 光学电流传感器( o p t i c a lc u r r e n ts e n s o r ：o c s ) 是指利用光学技术直 1 0 哈力 滨工程大学硕士学位论文 接或间接地测量电流的装置。光学玻璃电流传感器( b u l kg l a s so p t ic a l c u r r e n ts e n s o r ：b g o c s ) 是o c s 中的一种。综上所述，近年来光学电流传感 器研究取得了可喜的进展。 但在以往的研究与设计中，大多假定光源输出单色光，因此很少讨论宽 带光源对系统的影响。但实际的b g o c s 多采用宽带光源，因此，有必要研究 由于光源存在谱线宽度对系统产生的波长积累效应，以证实利用单色光模型 研究宽带光源b g o c s 系统的方法的合理性与可行性。又因为反射相移 ( r e f le c t j o n i n d u c e dr e t a r d a n c e ：r i r ) 是影响b g o c s 系统性能的因素之 一，故本文将报告光源中心波长为1 3 1 0 n m 附近、线宽在6 n m 至6 0 n m 之间变 化条件下z p 7 光学玻璃上保偏反射膜反射相移的波长积累效应对b g o c s 系统 的影响的理论研究结果。因为此论题的研究罕见报道，故希望本文报告的研 究结果对从事光学电流传感器研究的同仁有一定参考意义。 由于研究课题的工作需要，在论文工作期间，也对四分之一波片光学参 量的测量方法进行了相关研究。主要包括：测量四分之一波片实际相位延迟 量( 不包含整数倍2 7 r ) ，判定其快慢轴，以及测量其快慢轴的折射率。这些 工作提高了对光学玻璃电流传感头内线性双折射的测量精度，此外，对波片 测量理论与技术及其在工程实际中的其它应用具有一定的参考意义。 哈尔演_ t 程大学硕士学位论文 第2 章光学玻璃电流传感器的基本原理 2 1 偏振光的矩阵表示 在偏振光情况下，根据光偏振的特殊形式，电矢量是完全可以确定的。 因此，偏振光也可以用矢量运算的概念来描述。 虽然包括光束通过一系列光学元件的各种问题，都可以用偏振光的矢量 描述来解决，但是，计算往往是十分繁琐的，使得问题求解十分困难。因此 研究者们提出了一些更为简便的偏振光描述方法。诸如庞加莱球法，j 圆法， 斯托克斯法和琼斯矢量法。在此，我们主要讨论琼斯矢量法。 为描述光学系统中发生的物理过程，琼斯于1 9 4 1 年提出了用一个二元复 数矢量来描述一束光的偏振状态，以及用2 2 矩阵描述光学器件的方法，即 琼斯矢量法n 叮。此法也可简单地处理光路中的光学元件数量很多的情形。 琼斯矢量是一个二元复数列矢量，它的两个元素分别与光矢量口的两个 分量a ，和d 。相等。椭圆偏振情况下的琼斯矢量可表示为 = 刚菇， ， 式中v ：耐+ 孥 当省去公共相位因子时，上述矢量还可写为 矿嘭纠 z ， 当对振幅信息不感兴趣时，可将其归一化，可得出规范化琼斯矢量表达式为 f c o sb e 帆( 2 3 ) 1s i nb e ”，l 其中 肚l a r c t a n 刊 a ， 当不考虑光矢传播的绝对相位时，可用上述式子确定与一给定偏振形式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相对应的琢斯矢量兀素。 一般情况下与o x 轴夹角为e 的线偏振光对应的琼斯矢量为 ! 捌 亿s ， 水平线偏振光对应的琼斯矢量是 因 防。， 垂直线偏振光对应的琼斯矢量是 圈 浯， 当令万，= 0 ，万，= 罢时，右旋圆偏振光对应的琼斯矢量是 湘 s ， 当令占，；一要，j ，= o 时，左旋圆偏振光对应的琼斯矢量是 洲 。， 由式( 2 - 3 ) 给出的琼斯矢量所表示的偏振光束，其光强度为 ，= 口+ 口= a ，2 + 彳，2 ( 2 1 0 ) 其中上角标“+ ”表示厄米运算。 因为任意椭圆偏振光可以用一个二元复数列矢量来表示，而联系这样两 个矢量的矩阵运算是一个二乘二复数矩阵，所以任何一个光学装置必然由这 样一个二乘二复数矩阵表示，此矩阵称为该装置的琼斯矩阵；一个由多个光 学元件组成的系统则可用相应的矩阵的依次连乘表示；相应运算则称为琼斯 运算” 。 2 2 常用光学元器件的琼斯矩阵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 光学元器件的定义 在进行预测一个光学元器件对一给定光束的作用之前，我们首先束定义 本论文中所讨论的最为普通的一些光学元器件。我们只涉及这些元件对特定 光束的作用方式，而不涉及这类光学元件本身的结构。我们将应用琼斯运算 这种方法来建立一束偏振光通过一个光学元器件后所发生的光学变换。 在此之前，先介绍一下光的正交形式。 如果与两个椭圆偏振形式相对应的光椭圆具有相同的椭率，方位角相差 9 0 度，并且旋向相反，则此二椭圆偏振形式称为正交形式。由此定义可以得 到，两个相互垂直的线偏振是正交的，左旋圆偏振和右旋圆偏振也是一对正 交形式。 2 2 1 1 偏振器 偏振器是最常用的光学器件之一，它是将入射光束分解为两个正交形式 的光束，并使这两束光以不同强度透过的一种光学元器件。偏振器的作用可 以用它的两个本征矢量和两个透射系数来表示。本征矢量乃是入射到偏振器 再出射后不改变其形式的一种偏振形式。偏振器的本征矢量可以用琼斯矢量 来描述。偏振器沿一个本征矢量的透过系数被定义为透过光强度对入射光强 度之比。这两柬光都用偏振器的本征矢量表述。透过系数分别用k l 和k 。来表 示。对于本论文所考虑的偏振器而言，我们令k ，= l ，k 2 = 0 。当k ，= 1 ，k f o 时， 此偏振器便被规定为产生某一偏振形式的光学元件。假设所产生的偏振形式 分别是线偏振、圆偏振或者是椭圆偏振，则此偏振器可以分别称为线偏振器、 圆偏振器或者是椭圆偏振器。 其中常用的是线偏振器。理想的线偏振器只允许沿某一方向振动的线偏 振光完全透过，这个方向被称为的透射轴；而振动方向与此方向相垂直的另 一线偏振光则被全部截住，称这个与透光轴正交的方向为消光轴1 。 2 2 12 延迟器 另一种较常用的光学器件是延迟器或双折射片，它使一束入射的单色偏 振光分解为两束正交偏振形式，并使其中一束光的相位相对于另一束光产生 1 4 晗尔摈工程大学硕士学位论文 一定的光学滞后。 通过延迟器之后仍保持原来偏振形式的两种偏振光称为该延迟器的本征 矢量。再根据这两种偏振形式是线偏振、圆偏振或是椭圆偏振，而分别将此 延迟器称为线延迟器、圆延迟器或椭圆延迟器。与低折射率相对应的延迟器 的本征矢量称为快本征矢量，另一个刚称为慢本征矢量。一个延迟器可以用 它的两个本征矢量和它的光学延迟量来表征。一个圆偏振延迟器常常叫做旋 光元件或旋转器：而延迟量为9 0 度或1 8 0 度的线延迟器分别叫做四分之一波 片或半波片。 2 2 2 俪振光束通过一个偏振器或延迟器 现在，我们来建立一束偏振光束通过一个光学元器件时的变换“”。 假设一束入射光的偏振态用e = 盖 表示，透射光的偏振态用 e = 乏 表示。偏振器件g 起着e ，和置之间的变换作用。假定这种变换是 线性的( 在线性光学范围内均可满足) ，也就是说透射光的两个分量a ：、b ：是 入射光的两个分量a ，和置的线性组合： a 22 9 n e l j + 9 1 2 8 1 ( 2 一1 1 ) b 2 = 9 2 i 一1 + 9 2 2 b i 式中，g l i g 9 2 。，g ：2 是复常数。( 2 1 1 ) 式写成矩阵形式表达如下 或者可以写成 式中 爱 = 。g g ：l , ，g g z l 2 ：j 1 l 爿b 1 , e = g e i g ：fg l - 岛z 1 l ，2 j 1 5 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 因此一个偏振器件的特性可以用矩阵g 来描述。矩阵g 称为该器件的琼 斯矩阵。 下面列出常用光学元器件的琼斯矩阵： 产生式( 2 - 1 5 ) 所表示的方位角为1 l r ，椭率为m 的椭圆偏振光的理想 椭圆偏振器的琼斯矩阵为： c o s 0 2c o s 8 s i n 护f ( 2 - 1 4 ) e 1 8c o s 6s i n 0c o s 0 2 其中：t a n ( 2 l u ) = t a n ( 2 0 ) c o s 占，s i n ( 2 o ) = s i n ( 2 0 ) s i n 艿 ( 2 1 5 ) 理想的右旋圆偏振器的琼斯矩阵是： i l l 一 1 6 ) 理想的左旋圆偏振器的琼斯矩阵是： 牝f ( 2 - 1 7 ) 透光轴与x 轴成0 角的理想线偏振器的琼斯矩阵为： 巴矧 令上式中0 ：0 ，得透光轴为x 轴的理想线偏振器的琼斯矩阵为： l0 1 1 00 j 给出式( 2 2 1 ) 所表示的方位角为 形式的椭圆延迟器的琼斯矩阵为： ( 2 1 9 ) 1 l r ，椭率为( ) 的两个正交椭圆偏振 8 。c o s 俨+ s i n o a( 一1 ) e “c o s o s i n o i k 5 1 ) e “c o s 目s i n 8 p ”c o s 曰2 + s i n 0 2 j 其中：t a l l ( 2 缈) = t a n ( 2 0 ) c o s ( a ) ，s i n ( 2 c o ) = s i n ( 2 0 ) s i n ( a ) 1 6 ( 22 0 ) ( 2 2 1 ) 卜q 2 i n 立2 ( 2 2 2 )( 一) f 一。i n 互。o s 鱼f l 2 2 j i ”3 i 。3 ”引 ( 2 2 3 ) i l s i n 生2c o s 妻2jj e 1 ；f z a ， f c 。乎目+ s i n 2 口( i - 1 ) s i n 目c o s o ( 2 2 5 ) l ( i - 1 ) s i n s c o s b s i n 2e + e o s 20 j 一c o s 2 0 一s i n 2 0 1( 2 2 6 ) l(e。a。cos2 0 + s i n 2 0(矿ea。in21)sinocoso1(2-27)1)sinocoso o + c o s 20 i ( e ”一 矿s i n 2 2 3 光学系统的矩阵表示 知道一个光学系统装置的琼斯矩阵后，从该光学系统出射的光束的琼斯 矢量，就可以简单地通过入射光束的琼斯矢量乘以该系统的琼斯矩阵而求得； 或用入射光矢依次与构成光学系统元件的琼斯矩阵相乘而求得。 因此，如果我们用口。，盯和，来表示入射和出射光束的琼斯矢量以及该装 置的琼斯矩阵，则有： 口= j c t o 1 7 ( 2 2 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 关系式( 2 2 8 ) 是琼斯运算的关键公式。因此，如果有琼斯矩阵为以和： 的两个光学系统装置相串联，并且，口，口：分别为初始入射光束，两装置之 间的光束以及从第二装置出射光束的琼