專利名稱：一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了利用干涉光相位檢測磁場的一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，屬于光傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的發(fā)展，弱磁測量技術(shù)在國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在軍事領(lǐng)域，隨著各國潛艇降噪技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的聲吶探潛已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代反潛戰(zhàn)爭的需要，各種非聲探潛技術(shù)成為各國研究的熱點(diǎn)。磁異探測被認(rèn)為是目標(biāo)分類和提高對(duì)潛攻擊分辨率的最可靠手段，目前幾乎所有先進(jìn)反潛巡邏機(jī)上都裝有靈敏的磁探儀?？臻g磁場是空間環(huán)境重要的物理參數(shù)之一，空間磁場的變化反映出空間環(huán)境變化的顯著特征。國際上已將高精度磁通門磁強(qiáng)計(jì)作為荷載在空間衛(wèi)星上搭載，進(jìn)行一系列空間與地磁場監(jiān)測、載體姿態(tài)測量與控制的計(jì)劃。在地球物理學(xué)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(dǎo)航、地磁法探礦及地震預(yù)測預(yù)報(bào)的重要手段。另外弱磁測量在生物磁場及醫(yī)療器械、石油管道無損探傷、石油鉆井中的隨鉆測斜儀和連續(xù)測斜儀、海底電纜的探測和識(shí)別及港口艦船的自主導(dǎo)航等方面也有重要應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的微弱磁場傳感器主要包括磁通門式磁強(qiáng)計(jì)、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)和超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)(SQUID)等。與傳統(tǒng)的弱磁測量儀器相比，基于磁致伸縮原理的干涉型光纖磁場傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、交直流磁場都可測、體積小、重量輕、 成本低、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以在強(qiáng)電磁干擾、高溫高壓、原子輻射、易爆、化學(xué)腐蝕等傳統(tǒng)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(yīng)關(guān)系及光纖干涉儀的復(fù)用技術(shù)，可制作三軸向的光纖磁場傳感器，同時(shí)測量矢量磁場的三個(gè)正交分量，構(gòu)建傳感陣列，實(shí)現(xiàn)磁場的分布式測量。光纖微弱磁場傳感器的研究開始于1979年，目前采用的主要方案為基于 Michelson干涉儀，基于Mach-Zehnder干涉儀及基于F-P干涉儀的光纖磁場傳感器。由于這三個(gè)方案采用的光路結(jié)構(gòu)是為非互易的，因此對(duì)外界環(huán)境干擾(如溫度、振動(dòng)等)敏感， 環(huán)境適應(yīng)能力較差。。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的光纖微弱磁場傳感器存在的對(duì)外界環(huán)境干擾(如溫度、振動(dòng)等)敏感，環(huán)境適應(yīng)能力較差的問題。為此，本發(fā)明提供了一種采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(diào)制器、延遲光纖、法拉第旋光器、換能器、補(bǔ)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(diào)制器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調(diào)制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(bǔ)償光纖的輸入端以90°熔接，補(bǔ)償光纖的輸出端端面采用反射鏡，光電探測器的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的第一輸出端給相位調(diào)制器提供電信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，信號(hào)處理電路的第二輸出端給換能器提供電信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)制。本發(fā)明還提供了一種采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(diào)制器、偏振分束/合束器、延遲光纖、法拉第旋光器、換能器、補(bǔ)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(diào)制器熔接，集成相位調(diào)制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(diào)制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(bǔ)償光纖的輸入端以90°熔接，補(bǔ)償光纖的輸出端端面采用反射鏡，光電探測器的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的第一輸出端給相位調(diào)制器提供電信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，信號(hào)處理電路的第二輸出端給換能器提供電信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)制。由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明首先由寬譜光源發(fā)出的光通過耦合器后，由起偏器起偏成線偏光，然后通過45°熔點(diǎn)形成正交的兩束光，在相位調(diào)制器進(jìn)行分別調(diào)制，通過延遲光纖后在法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)45°，進(jìn)入換能器，由于換能器采用保偏光纖，因此換能器感應(yīng)待測磁場，保偏光纖受到調(diào)制，傳輸光的兩個(gè)模式之間產(chǎn)生相位變化，然后以90°進(jìn)入互易補(bǔ)償光纖，補(bǔ)償由于換能器保偏光纖雙折射產(chǎn)生的光程差，并通過反射，二次經(jīng)過換能器，敏感信號(hào)加倍，然后通過延遲光纖，最后在起偏器處與兩個(gè)模式的光發(fā)生干涉，攜帶干涉相位信息的光返回探測器(PIN)后，由信號(hào)處理電路檢測，光路結(jié)構(gòu)是互易結(jié)構(gòu)，因此對(duì)外界環(huán)境干擾(如溫度、振動(dòng)等)不敏感，提高了光路的環(huán)境適應(yīng)性。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的第一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的第二種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供了一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，并且有兩種實(shí)現(xiàn)方案，具體為第一種實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，由光源1、分路器2、起偏器3、相位調(diào)制器4、延遲光纖5、法拉第旋光器6、換能器7、補(bǔ)償光纖8、反射鏡9，光電探測器10組成。光信號(hào)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(diào)制器4的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調(diào)制器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(bǔ)償光纖8以90° 熔接，補(bǔ)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(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的一個(gè)輸出端給相位調(diào)制器提供電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，而信號(hào)處理電路的另一個(gè)輸出端給換能器提供電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)偏置調(diào)制，從而判斷磁場方向。第二種實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示，由光源1、分路器2、集成相位調(diào)制器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(bǔ)償光纖8、反射鏡9，光電探測器10組成。光信號(hào)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(diào)制器11熔接，集成相位調(diào)制器11的一個(gè)輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器12的一個(gè)輸入端保偏光纖熔接，集成相位調(diào)制器11的另一個(gè)輸出端保偏光纖與偏振分束/合束器12的另一個(gè)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(bǔ)償光纖8以90°熔接，補(bǔ)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(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的一個(gè)輸出端給相位調(diào)制器提供電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，而信號(hào)處理電路的另一個(gè)輸出端給換能器提供電信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)偏置調(diào)制，從而判斷磁場方向。本具體實(shí)施方式
的光路的基本原理為首先由寬譜光源發(fā)出的光通過耦合器后， 由起偏器起偏成線偏光，然后通過45°熔點(diǎn)形成正交的兩束光，在相位調(diào)制器進(jìn)行分別調(diào)制，通過延遲光纖后在法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)45°，進(jìn)入換能器，由于換能器采用保偏光纖，因此換能器感應(yīng)待測磁場，保偏光纖受到調(diào)制，傳輸光的兩個(gè)模式之間產(chǎn)生相位變化，然后以 90°進(jìn)入互易補(bǔ)償光纖，補(bǔ)償由于換能器保偏光纖雙折射產(chǎn)生的光程差，并通過反射，二次經(jīng)過換能器，敏感信號(hào)加倍，再次經(jīng)過法拉第旋光器再次旋轉(zhuǎn)45°，然后通過延遲光纖，最后在起偏器處與兩個(gè)模式的光發(fā)生干涉。攜帶干涉相位信息的光返回探測器(PIN)后，由信號(hào)處理電路檢測。同樣采用Y型集成光學(xué)調(diào)制器(Y波導(dǎo))的光路可以達(dá)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(dǎo)處起偏分光并調(diào)制，在偏振分束/合束器(保偏耦合器)處形成正交模式的光，其后的傳感機(jī)理相同，最后在Y波導(dǎo)處形成干涉。干涉儀輸出表達(dá)式為Id (0 = ^{1 + COS [九(t-τ)-φη (t) + ^]}其中Itl為到達(dá)探測器的光強(qiáng)，Φωα)為相位調(diào)制器的調(diào)制相位，為由于敏感磁場造成的干涉儀相位差。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，包括光源(1)、分路器 (2)、起偏器(3)、相位調(diào)制器(4)、延遲光纖(5)、法拉第旋光器(6)、換能器(7)、補(bǔ)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(diào)制器⑷的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調(diào)制器(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(bǔ)償光纖(8)的輸入端以90°熔接，補(bǔ)償光纖(8)的輸出端端面采用反射鏡(9)，光電探測器(10) 的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的第一輸出端給相位調(diào)制器(4)提供電信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，信號(hào)處理電路的第二輸出端給換能器(7)提供電信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于所述的光源(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(huán)形器、保偏耦合器、單模光纖環(huán)形器或單模耦合器中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的換能器(7)的傳感光纖是保偏光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的延遲光纖( 與相位調(diào)制器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(jù)權(quán)利要求1所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度為45°。
6.一種采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，包括光源(1)、分路器 O)、集成相位調(diào)制器(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(bǔ)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(diào)制器(11)熔接，集成相位調(diào)制器(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(diào)制器(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(bǔ)償光纖(8)的輸入端以90°熔接，補(bǔ)償光纖⑶的輸出端端面采用反射鏡(9)，光電探測器(10)的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，信號(hào)處理電路的第一輸出端給相位調(diào)制器(4)提供電信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，信號(hào)處理電路的第二輸出端給換能器(7)提供電信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于所述的光源(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(huán)形器、保偏耦合器、單模光纖環(huán)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(diào)制器(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(jù)權(quán)利要求6所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的換能器(7)的傳感光纖是保偏光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的法拉第旋光器(6)的旋光角度為45°。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采用反射式互易光路的光纖磁場傳感器，其特征在于，所述的偏振分束/合束器(1 采用保偏耦合器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采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(fā)出的光通過耦合器后，由起偏器起偏成線偏光，然后通過45°熔點(diǎn)形成正交的兩束光，在相位調(diào)制器進(jìn)行分別調(diào)制，通過延遲光纖后在法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)45°，進(jìn)入換能器，由于換能器采用保偏光纖，因此換能器感應(yīng)待測磁場，保偏光纖受到調(diào)制，傳輸光的兩個(gè)模式之間產(chǎn)生相位變化，然后以90°進(jìn)入互易補(bǔ)償光纖，補(bǔ)償由于保偏光纖雙折射產(chǎn)生的光程差，并通過反射，二次經(jīng)過換能器，敏感信號(hào)加倍，再次經(jīng)過法拉第旋光器再次旋轉(zhuǎn)45°，最后在起偏器處兩個(gè)模式的光發(fā)生干涉。攜帶干涉相位信息的光返回探測器后，由信號(hào)處理電路檢測。同樣采用Y型集成光學(xué)調(diào)制器的光路可以達(dá)到相同的目的。
文檔編號(hào)G01R33/032GK102508177SQ20111038807
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者于佳, 馮秀娟, 張晞, 李傳生, 李彥, 李立京, 王夏霄, 鄔戰(zhàn)軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)