Sagnac干涉型光纤电流传感器研究

论文摘要

本文对近年来光纤电流传感器的研究进展进行了综合评述;对Sagnac型光纤电流传感器进行了深入的理论研究,建立了完整的系统理论模型;对影响传感器测量准确度的各种因素进行了全面的理论分析和仿真研究,得到了这些影响因素对系统响应的作用规律;对传感器系统的功能部件进行了设计,提出了一种新的产生圆偏振光的方法,并对利用3×3光纤耦合器实现干涉系统的无源相位偏置进行了理论探讨,建立了相应的系统模型;设计了传感器的电子电路系统,以此为基础对系统进行了初步的实验研究。首先,利用偏振系统的Jones矩阵分析法,考虑系统中起偏器透光轴方向误差、相位延迟器延迟误差、以及相位延迟器快(慢)轴方向误差等各种可能影响测量准确度的因素,建立了完整的传感器系统理论模型,分析了传感光纤存在线性双折射情况下各种误差源对系统响应的作用规律;对模型中的各种参量对测量准确度的影响进行了仿真研究,从理论上得到了反映影响规律的曲线及典型误差数据。从仿真结果来看,系统响应误差随起偏器透光轴方向误差、两个延迟器快(慢)轴不重合误差、相位延迟器延迟误差等增大而增大;与其它误差源相比,固有圆双折射对系统误差影响较小;各因素对系统误差的影响与传感光纤线性双折射密切相关,线性双折射愈大,各因素的影响愈明显;线性双折射不能超过π,这是传感光纤线性双折射的一个特征值;线性双折射是影响系统测量误差的主要因素,如果系统没有线性双折射,则其它误差源的影响将容易预测和处理。其次,对系统涉及的两种关键功能部件—λ/4相位延迟和相位调制(偏置)器的设计进行了理论探讨。提出一种利用保偏光纤扭转实现λ/4相位延迟的设计方案,从理论上证明了在保偏光纤中传播的线偏振光,通过将出射端1/2拍长的光纤扭转90°,可以转换成圆偏振光;对利用3×3耦合器实现无源相位偏置进行了理论分析,针对本文的传感器结构建立了相应的数学模型,仿真分析了3×3耦合器参数对传感器灵敏度的影响规律。研究表明,偏置相位的大小取决于3×3耦合器的耦合比,在一定的分光比条件下,可以获得最佳偏置,实现小信号的高灵敏度测量。通过计算,得到了一组实现最佳灵敏度时耦合器应该具有的耦合比值。最后,设计了包括激光器驱动电路、前置放大电路及带通滤波器等的系统电子电路部分,以此为基础对理论模型进行了初步的实验研究。分析了实验系统的测量

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤电流传感器概况及意义
• 1.3 光纤电流传感器基本原理及分类
• 1.3.1 全光纤型
• 1.3.2 块状玻璃型
• 1.3.3 混合型
• 1.4 光纤电流传感器发展概况及展望
• 1.4.1 国外研究概况
• 1.4.2 国内研究概况
• 1.4.3 发展展望
• 1.5 本文的意义及主要研究内容
• 第2章 光纤电流传感器基本理论及分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 Faraday 效应
• 2.3 微扰耦合模理论及光纤中的双折射
• 2.3.1 微扰耦合模理论
• 2.3.2 单模光纤中的双折射
• 2.3.3 单模光纤的分类
• 2.4 偏振的Jones 矩阵分析法
• 2.4.1 偏振光的琼斯矢量表示法
• 2.4.2 正交偏振
• 2.4.3 偏振器件的琼斯矩阵表示法
• 2.4.4 偏振光系统的琼斯矩阵分析法
• 2.5 本章小结
• 第3章 Sagnac 干涉型光纤电流传感器的理论模型
• 3.1 引言
• 3.2 Sagnac 干涉型电流传感器的基本结构
• 3.3 Sagnac 干涉型电流传感器的理论模型
• 3.3.1 模型的建立
• 3.3.2 准确度影响因素分析
• 3.4 仿真研究
• 3.4.1 起偏器透光轴方向误差影响
• 3.4.2 两个延迟器快（慢）轴不重合误差影响
• 3.4.3 相位延迟器延迟误差影响
• 3.4.4 固有圆双折射影响
• 3.4.5 线性双折射影响
• 3.4.6 综合分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统功能部件的设计
• 4.1 引言
• 4.2 λ/4 相位延迟器的设计
• 4.2.1 光纤偏振控制器
• 4.2.2 保偏光纤λ/4 相位延迟器的设计
• 4.3 相位调制器设计
• 4.3.1 有源型相位调制器
• 4.3.2 基于3×3 耦合器的相位偏置器设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统电子电路设计
• 5.1 引言
• 5.2 激光器的选型及驱动电路设计
• 5.2.1 激光器
• 5.2.2 激光器驱动电路设计
• 5.3 信号预处理电路的设计
• 5.3.1 前置放大电路设计
• 5.3.2 带通滤波器设计
• 5.4 模数转换器选择
• 5.5 信号处理电路总体方案
• 5.6 本章小结
• 第6章 实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统
• 6.2.1 系统组成
• 6.2.2 性能分析
• 6.2.3 噪声特性分析
• 6.3 实验及结果
• 6.4 实验结果分析
• 6.5 进一步的工作
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介