[发明专利]一种集成光波导磁场测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成光波导磁场测量系统及方法，属于电磁场测量技术领域。

背景技术

电磁场是自然界普遍存在的一种基本物理量，对空间电磁场进行测量是众多科学和工程技术研究的重要手段之一。一般情况下，由于待测电磁场所在区域(场区)到辐射源(源点)的距离远大于被测电磁场的波长，即认为被测点处在电磁远场区域内，这种情况下通常只需要对区域中的空间电场进行测量，再经过理论计算便可得出被测区域中的电磁场分布规律。但是，若被测点离源点很近，距离接近被测电磁场的波长，即当被测点处在近场区域中时，由于电场和磁场不再具有确定的理论关系，因此必须对待测点处的电场和磁场进行分别单独测量，才能得出待测区域中的电磁场分布规律。传统的磁场测量大多采用金属环形电小天线，并且使用电缆作为信号传输媒质，由于测量系统包含不可避免的金属结构，因此必然对被测电磁场产生不可忽略的干扰，同时系统本身的抗电磁干扰能力较弱，容易受外界电磁干扰。此外，由于近场区域内的电磁场对空间位置敏感，而传统的金属结构磁场传感器体积较大、空间分辨率较低，必然造成测量误差增大。

近年来，以光学技术为基础的磁场传感器因为具有体积小、频带宽、对被测电磁场干扰小等优点，得到了深入研究，并且开始被应用于空间磁场的测量。现有的一种光学磁场传感器原理结构示意图如图1所示。图1中，1是具有电光效应的块状晶体，2是金属电极，3是金属环形天线。该光学磁场传感器的基本工作原理是：当有磁场H穿过环形天线3时，将在环形天线3上产生感应电流，从而在电极2上形成感应电压V_H，同时，和磁场H相伴的电场E也将在电极2之间产生感应电压V_E，由于晶体1具有电光效应，感应电压V_E和V_H将使晶体1的折射率发生变化，从而使晶体1中传输的激光束的相位发生变化(产生光调制作用)。对于图1所示的磁场传感器，由于加在两金属条形电极2之间的两块晶体1的光轴c方向相反，故由感应电压V_H和V_E共同引起的光相位变化可表示为：式中k为由晶体1自身特性决定的常数。从式中可以看到，最终使激光束相位发生变化(产生调制作用)的仅为磁场H引起的感应电压V_H。可见，图1所示的光学磁场传感器通过采用两块光轴方向相反的晶体(双负载)和环形天线结构，消除了和被测磁场相伴的电场的影响。

可见，现有的光学磁场传感器及其测量系统，除环形天线3和条形电极2外其它都为非金属结构，克服了传统金属结构磁场传感器对被测电磁场干扰大的缺点，同时采用光波作为信号的载体，抗干扰能力得到增强，并且采用双负载结构消除了和被测量磁场相伴的电场的影响。但是，需要注意到，现有的光学磁场传感器为块状晶体结构，因而须使用棱镜耦合进行光输入和光输出，同时需要使用波片、检偏器等光学元件完成光信号的检测，由此致使测量系统变得复杂，给实际测量带来不便，并且由于使用多个分离的光学元件，使得光波偏振不易控制，测量系统的整体性能不稳定，容易受外界环境因素的影响。

发明内容

本发明提供了一种集成光波导磁场测量系统及方法，以用于通过采用外部微控制器对可调谐保偏激光源进行波长控制，将磁场传感器的静态工作点锁定在π/2，从而消除外界环境因素对传感器工作点的影响，提高测量系统的稳定性。

本发明的技术方案是：一种集成光波导磁场测量系统，包括

波长可调谐的保偏激光源4，用于产生波长可受微控制器10控制切换的线偏振光束；

三端口保偏光环形器5，用于将波长可调谐的保偏激光源4的输出光输出至集成光波导磁场传感器6，用于将集成光波导磁场传感器6的反射输出光输出至光分路器7；

光波导磁场传感器6，用于探测空间磁场信号；

光分路器7，用于将光波导磁场传感器6反射输出的光信号分成两部分，并通过单模光纤12输入两个光电探测器8；

两个光电探测器8，用于将光分路器7输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器8转换输出的电信号由传输电缆13输入微控制器10作为反馈控制信号，另一个光电探测器8转换输出的电信号由传输电缆13输入电信号处理单元9；

电信号处理单元9，用于对光电探测器8输出的电信号进行处理，从而获取被测磁场的信息；

微控制器10，用于对波长可调谐的保偏激光源4的输出波长进行控制，并向波长可调谐的保偏激光源4发出控制信号，设定波长可调谐的保偏激光源4输出一定波长的激光，从而使集成光波导磁场传感器6的静态工作点锁定在π/2；