一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及电磁脉冲探测装置及探测方法，具体涉及一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置及测量方法。


背景技术：

2.电磁安全作为国家安全战略的重要组成部分，受到国家和社会各界的重视。其中，高空电磁脉冲(hemp)、高功率微波(hpm)、超宽带电磁脉冲(uwb)、雷电电磁脉冲(lemp)等强电磁环境是电磁安全中重点关注对象。电磁脉冲(emp)环境频谱宽、场强高、覆盖范围广、对多种电子设备具有威胁，因而越来越受到重视。脉冲电场测量作为获取电磁脉冲数据的重要手段，在emp领域十分重要。瞬态电场测量已经有超过半个世纪的研究历史，并形成了大量的测量系统。但由于测量中持续存在的一些问题，以及对测量要求的不断提高，脉冲电场测量技术的研究一直是电磁脉冲研究领域的一个重要方向。
3.光学电场传感器主要分为共路光波导干涉(cpi)和马赫曾德尔干涉(mach-zehnder interferometer，mzi)两种光学结构。两种类型的传感器在过去几十年被广泛研究报道。为保证集成光学电场探测器的最佳工作性能，需尽量使偏置点处于最佳偏置点(π/2)以使其处于线性区间，保证尽量小的测量畸变和尽量大的灵敏度和动态范围。然而此类探测器在向实用化推进的过程中，由于探测器的静态偏置点设置和漂移抑制困难，严重制约了其在脉冲电场测量中的应用。这是此类探测器面临的最典型的问题。
4.针对集成光学探测器的偏置设置，学者们开展了大量的研究工作。典型方法包括基片应力加载方式、改进mzi传感器的结构、设计不同波导宽度的cpi传感器等。上述偏置控制方法在制备过程中具有较大的随机性，虽已满足应用的需求，但依然无法较为精准的控制其静态偏置点。
5.除了静态偏置点的设置，由于材料本身的特性，包括上述提及的传感器设计在内的大量报道均提及偏置点的漂移问题。偏置点受温度、湿度、应力等多方面因素影响导致其稳定性差的问题，已经成为制约了其工程应用的关键问题。研究表明，集成光学探测器的静态偏置点受热电效应、弹光性效应等多重作用，导致从材料本身入手完全抑制偏置点的漂移存在困难。
6.为有效抑制静态偏置点漂移，学者们提出了多种方法。一种前端制作偏置电极并外加电压进行调节控制的方法已在光通信等领域的电光调制器上得以成熟应用，并有商用自动偏压控制器出售。然而测量中前端探头完全暴露于场环境，且探头需要实现无源化并尽可能少的引入附加结构以减少体积，因而此种方法不适用于电磁脉冲测量。通过通光表面镀膜和金属导线短接的方式，可有效抑制偏置漂移，但其偏置点不能任意设定，虽然很好的抑制了热电效应，但仍然不能将其完全消除。
7.通过外部干预的方式实现静态偏置点的调节是一种同时解决偏置设置和漂移的途径。此种方法虽然是一种较好的解决思路，并已取得较好的进展，但除上述提到的问题外，基于反馈控制思路设计的传感器，其反馈信号速率需远远大于偏置漂移的速率，这导致
其低频特性大大受到影响。
8.上述的研究均围绕测量系统的静态偏置点这一核心问题展开。因此，基于集成光学技术，亟需提出一种新的测量方法，能从基本原理上消除偏置点，形成与偏置无关的光学测量结构，可避开电光材料稳定性的本征问题解决偏置稳定性问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的是解决现有集成光学电场探测器偏置设置困难和受外界影响易产生偏置漂移的不足之处，而提供一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置及测量方法。
10.本发明的设计思路是：
11.基于现有的非对称调制光路结构的集成光学电磁脉冲探测器，将两路单色光信号通过波分复用器合成为双色光后经光纤输入至同一探测器，两种不同波长的光在探测器内形成具有固定差值的偏置。双色光经被测信号调制后，经波分复用器恢复为单色光，光信号通过光电转换后形成电信号，滤除直流成分后，两路电信号经运算可得到与偏置无关的传递函数。
12.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
13.一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置，其特殊之处在于：包括第一光源11，第二光源12，第一波分复用器2，前端探头3，第二波分复用器4，光电转换器5，滤波器6，示波器7和数据处理系统8；
14.所述第一光源11、第二光源12分别与第一波分复用器2的两个输入端通过保偏光纤连接，所述第一光源11、第二光源12发出波长可调的单色光信号，在第一波分复用器2中进行合波，获得合波光信号；
15.所述第一波分复用器2的输出端通过前端探头3与第二波分复用器4的输入端连接，所述前端探头3用于将被测信号转换为调制信息加载到合波光信号中，所述第二波分复用器4用于将合波光信号分波输出；第二波分复用器4的输出端分别与两个光电转换器5的输入端通过保偏光纤连接；
16.两个所述光电转换器5的输出端分别与滤波器6的输入端电连接，滤波器6的输出端通过示波器7和数据处理系统8进行电连接，两个光电转换器5分别将检测到的单色光信号转换成电信号，由滤波器6进行直流滤波后，经示波器7采集并传输至数据处理系统8进行运算得到被测信号的电磁脉冲信息；
17.所述前端探头3包括绝缘管壳，设置在绝缘管壳内的晶体31以及位于晶体31上的感应装置和波导32，所述波导32的两端分别与第一波分复用器2的输出端和第二波分复用器4的输入端连接，波导32的光路为非对称调制光路；所述感应装置用于探测被测信号。
18.进一步地，所述前端探头3为光路非对称的m-z干涉仪或体电光调制结构。
19.进一步地，所述前端探头3为非对称体电光调制单光路耦合型探头。
20.进一步地，所述第一光源11和第二光源12为用光纤输出的窄谱偏振光源，其中心波长在感应装置的接收信号波长范围内。
21.进一步地，所述第一光源11和第二光源12的中心波长1550nm
±
20nm。
22.进一步地，所述感应装置为接收天线或电压传感器或电场传感器或电流传感器。
23.进一步地，所述波导32长度为≤10cm。
24.同时，本发明还提供了一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量方法，采用上述的无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
25.步骤1、调整第一光源11和第二光源12发出的单色光信号波长差，使得两路单色光信号的自然偏置点差值为π/2 nπ，其中，n为整数；
26.步骤2、两路单色光信号通过保偏光纤传输至第一波分复用器2，第一波分复用器2将两路单色光信号合成为双色光信号；
27.步骤3、将被测信号输入前端探头3，被测信号被感应装置转为电场信号加载在非对称调制光路上，双色光信号进入前端探头3，经电场信号和非对称调制光路调制后成为带有调制信息的双色光信号；
28.步骤4、带有调制信息的双色光信号通过保偏光纤传输至第二波分复用器4，第二波分复用器4将带有调制信息的双色光信号恢复为带有调制信息的两路单色光信号；
29.步骤5、两路带有调制信息的两路单色光信号由光电转换器5转换为电信号后输出至滤波器6；
30.步骤6、滤波器6滤除直流信号后得到两路电信号；
31.步骤7、两路电信号经示波器7采集并传输至数据处理系统8，根据下式进行运算得到被测信号的电磁脉冲信息：
[0032][0033]
式中，e为被测信号的电磁脉冲信息；
[0034]
k为光电转换系数；
[0035]v1
和v2分别为两路光信号对应的输出电压信号，为时域波形；
[0036]eπ
为半波电场，表示干涉相位差改变一个π所需的外界电场。
[0037]
进一步地，步骤1中，第一光源11和第二光源12发出的单色光信号的波长差为0.8nm。
[0038]
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
[0039]
1、本发明提供的测量装置采用两个可调谐的窄谱偏振单色光源和非对称调制光路，可以通过调节输出光信号的波长，使得自然偏置点与输入的光波长相关，固定自然偏置点差值；
[0040]
2、本发明提供的测量装置基于已有的集成光学探测器，继承了光学探测器的带宽宽、体积小、抗干扰能力强等优势；
[0041]
3、本发明提供的测量方法通过调整两路单色光波长差，使得两路单色光信号的自然偏置点差值为π/2 nπ，可在运算中消除传递函数中的偏置项，使得测量装置在测量中不受偏置漂移问题的影响，可避免传统光学测量方法中偏置设置和偏置点漂移控制的困难。
附图说明
[0042]
图1为本发明提供的无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置原理图；
[0043]
图2为本发明实施例中前端探头光路结构示意图；
[0044]
附图标记说明如下：
[0045]
11-第一光源，12-第二光源，2-第一波分复用器，3-前端探头，4-第二波分复用器，5-光电转换器，6-滤波器，7-示波器，8-数据处理系统；
[0046]
31-晶体，32-波导。
具体实施方式
[0047]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置及测量方法作进一步详细说明。
[0048]
一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量装置，如图1所示，包括第一光源11，第二光源12，第一波分复用器2，前端探头3，第二波分复用器4，光电转换器5，滤波器6，示波器7和数据处理系统8。
[0049]
第一光源11、第二光源12与第一波分复用器2的两个输入端通过保偏光纤连接，第一光源11、第二光源12发出波长可调的单色光信号在第一波分复用器2中进行合波，获得合波光信号。第一光源11和第二光源12为窄谱偏振单色光源，通过光纤输出光信号，其中心波长在感应装置的接收信号波长范围内，且中心波长在1550nm
±
20nm内可调。
[0050]
第一波分复用器2的输出端通过前端探头3与第二波分复用器4的输入端连接，前端探头3用于将被测信号转换为调制信息加载到合波光信号中，第二波分复用器4用于将合波光信号分波输出，第二波分复用器4的输出端分别与两个光电转换器5的输入端通过保偏光纤连接。
[0051]
两个光电转换器5的输出端分别与滤波器6的输入端电连接，滤波器6的输出端通过示波器7和数据处理系统8进行电连接；两个光电转换器5分别将检测到的单色光信号转换成电信号，由滤波器6进行直流滤波后，经示波器7采集并传输至数据处理系统8进行运算得到被测信号的电磁脉冲信息。
[0052]
前端探头3包括绝缘管壳，设置在绝缘管壳内的晶体31以及位于晶体31上的感应装置和波导32，波导32两端分别与第一波分复用器2的输出端和第二波分复用器4的输入端连接，波导32采用非对称调制光路，波导32的长度≤10cm。感应装置为接收天线或电压、电场、电流传感器，将被测信号感应为电场信号加载在波导32的非对称调制光路。非对称调制光路设计为光路非对称的马赫-曾德尔干涉仪或体电光调制结构，将电场信号调制为光信号。对于非对称干涉在不同波长下可产生不同偏置点，使得自然偏置点与输入的光波长相关。
[0053]
两路单色光信号通过第一波分复用器2合成为双色光信号，每一个单色光信号均在前端探头3的光路中形成自然偏置点，前端探头3将被测信号感应为电场信号加载在调制光路，调制光路将电场信号调制为光信号。带有调制信息的双色光信号通过第二波分复用器4后恢复为两路带有调制信息的单色光信号，两路带有调制信息的单色光信号由光电转换器5转换为电信号输出至滤波器6，滤波器6滤除直流信号后得到两路电信号，被测信号依据获取的两路电信号进行计算。
[0054]
固定第一光源11和第二光源12发出的两路单色光信号的波长差，使两路单色光信号在干涉下产生的2个自然偏置点形成固定的偏置差π/2 nπ(n为整数)，基于本实施例提供的测量装置，可形成与偏置无关的传递函数，被测信号的电磁脉冲信息通过对两路电信号
的计算获得。
[0055]
本实施例以测量电场为例，前端探头3的感应装置为电场传感器，设计为非对称体电光调制单光路耦合型探头。前端探头3由管壳和晶体构成。管壳外形为长方体，主要起固定封装作用，采用绝缘陶瓷材料，尺寸控制在5cm
×
2cm
×
1cm内。晶体31采用铌酸锂作为材料，通过钛扩散方式在材料上制备波导32，波导32的长度为1cm，传播的光波长为1550nm。为配合波导传输的光波长，第一光源11和第二光源12的中心波长也选择为1550nm。晶体结构如图2，光在前端探头3中沿图2中的y方向传播，输入光场极化方向与x、z轴呈45度夹角，检偏器后通过光纤引出，检偏器的偏振方向平行于xz平面，且与输入光偏振方向垂直。
[0056]
本实施例还提供一种无关偏置的双色光波导电磁脉冲测量方法，包括以下步骤：
[0057]
步骤1、调整第一光源11和第二光源12发出单色光信号的波长差为0.8nm，使得两路单色光信号的自然偏置点差值为π/2 nπ，其中，n为整数；
[0058]
步骤2、两路单色光信号通过保偏光纤传输至第一波分复用器2，第一波分复用器2将两路单色光信号合成为双色光信号；
[0059]
步骤3、将被测信号输入前端探头3，被测信号被感应装置转为电场加载在非对称调制光路上，双色光信号进入前端探头3，经电场信号和非对称调制光路调制后成为带有调制信息的双色光信号；
[0060]
步骤4、带有调制信息的双色光信号通过保偏光纤传输至第二波分复用器4，第二波分复用器4将双色光信号恢复为两路带有调制信息的单色光信号；
[0061]
步骤5、两路带有调制信息的单色光信号由光电转换器5转换为电信号后输出至滤波器6；
[0062]
步骤6、滤波器6滤除直流信号后得到两路电信号；
[0063]
步骤7、两路电信号经示波器7采集至数据处理系统8，根据下式进行运算得到被测信号的电磁脉冲信息：
[0064][0065]
式中，e为被测信号的电磁脉冲信息；
[0066]
k为光电转换系数；
[0067]v1
和v2分别为两路光信号对应的输出电压信号，为时域波形；
[0068]eπ
为半波电场，表示干涉相位差改变一个π所需的外界电场。
[0069]
以上公式具体推导过程如下：
[0070]
(1)确定测量装置去除直流分量后的输入输出模型，即传递函数，为：
[0071][0072]
式中，k为光电转换系数；
[0073]
和为双色光在探头中形成的两个自然偏置点，即两折射率主轴光分量通
过波导后形成的相位差；
[0074]v1
和v2分别为两路单色光信号对应的输出电压信号，为时域波形；
[0075]
e为被测信号的电磁脉冲信息；
[0076]eπ
为半波电场，表示干涉相位差改变一个π所需的外界电场。
[0077]
(2)对传递函数求解，改写为以下形式：
[0078][0079]
(3)忽略两路单色光自然偏置点差值的漂移项，得：
[0080][0081]
其中：和为双色光在探头中形成的两个自然偏置点，δ(nl)为两路单色光的光程差，λ1和λ2分别为两路单色光的波长，δλ为λ1和λ2的差值；
[0082]
在光学探头中，每路单色光的偏置均受外界因素影响而产生漂移，但两路单色光经过相同的路径，当波长接近时，偏置漂移可视为相等，因此，可忽略两路单色光自然偏置点差值的漂移项。
[0083]
(4)将代入(2)得到的公式中，有：
[0084][0085]
由此可知，本实施例中，测量系统传递函数各参数均可确定，只需要固定双色光的波长形成固定偏置差，而不需要考虑偏置点的设置和受外界干扰的漂移问题；
[0086]
(5)将步骤1中两路单色光信号的自然偏置点差值，代入(3)得到的公式中，得：
[0087][0088]
对其求解，得：
[0089][0090]
(6)将δλ代入步骤7.4得到的公式中，当被测信号不大于半波电场的四分之一时，可得：
[0091][0092]
通过本实施例提供的方法，可形成无关偏置的传递函数，实现无偏置测量，从而回避了偏置设置的困难，且测量结果不受偏置漂移的影响。
[0093]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。