实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计

摘要

本发明公开了一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括光源驱动电路、传感光路单元、光电转换单元、A/D转换单元、数字信号处理单元、D/A转换单元等。其中传感光路单元包括DFB激光器、三端口光环行器、集成光学相位调制器等，结构简单。数字信号处理单元产生各种控制时序、低频调制方波及高频正弦调制信号的同步时钟，完成低频相位漂移的相关解调及产生补偿相移数字量，并对低频相位漂移相关解调之后的信号进行二次相关解调，产生磁场信号反馈量，形成双数字闭环检测，实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和“磁归零”反馈，改善了系统的抗干扰能力和稳定性，扩大了测量的动态范围，提高了测磁灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种弱磁测量技术，尤其涉及一种实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计。

背景技术

随着科学技术和社会的发展，弱磁测量技术在国防建设、国民经济及生物医学等领域的应用越来越广泛。

在军事领域，随着各国潜艇降噪技术的发展，传统的声呐探潜已经不能满足现代反潜战争的需要，各种非声探潜技术成为各国研究的热点。磁异探测被认为是目标分类和提高对潜攻击分辨率的最可靠手段，目前几乎所有先进反潜巡逻机上都装有灵敏的磁探仪。

空间磁场是空间环境重要的物理参数之一，空间磁场的变化反映出空间环境变化的显著特征，国际上已将高精度磁通门磁强计作为荷载在空间卫星上搭载，进行一系列空间与地磁场监测、载体姿态测量与控制的计划。在地球物理学方面，地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的参考系。地磁场测量是导航、地磁法探矿及地震预测预报的重要手段。另外弱磁测量在生物磁场及医疗器械、石油管道无损探伤、石油钻井中的随钻测斜仪和连续测斜仪、海底电缆的探测和识别及港口舰船的自主导航等方面也有重要应用。

目前，传统的微弱磁场传感器有磁通门式磁强计、质子旋进磁强计、光泵磁强计和超导量子干涉磁强计(SQUID)等。与传统的弱磁测量仪器相比，基于磁致伸缩原理的干涉型光纤磁强计具有灵敏度高、响应速度快、交直流磁场都可测、体积小、重量轻、成本低、抗电磁干扰等优点，可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易燃易爆、化学腐蚀等传统测磁仪器无法工作的恶劣条件下使用。

现有技术中的光纤微弱磁场传感器有多种方案：如基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器、基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器、基于Michelson干涉仪的光纤磁场传感器等。

如图1所示，基于Michelson干涉仪的光纤微弱磁场传感器，包括激光器LD、光隔离器ISO、光探测器PD、法拉第旋转镜FRM、相位调制器PZT等。采用法拉第旋转镜FRM代替传统Michelson光纤干涉仪中的反射镜，可以保证干涉仪两臂的返回光保持相同的偏振态，基本上解决普通单模光纤干涉仪中存在的偏振衰落问题。

上述现有技术至少存在以下缺点：

光路中引入法拉第旋转镜FRM消除了偏振衰落现象，但同时光路中也引入了较大的反射噪声，光波输入输出端需要加两光隔离器ISO来消除，结构复杂、灵敏度低；另外，采用PZT相位调制器和法拉第旋转镜不利于光路结构的小型化；传统的光纤磁强计采用模拟闭环检测方案，系统抗干扰能力较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、灵敏度高的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，包括传感光路单元，其特征在于，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪之间连接有光环行器，所述光环行器设有第一端口、第二端口、第三端口；

所述激光器发出的光波依次经过所述第一端口、第二端口进入所述干涉仪；

所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口，从所述第三端口输出。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计，由于激光器与干涉仪之间连接有光环行器，有效降低了干涉仪中存在的反射噪声，结构简单、灵敏度高。

附图说明

图1为现有技术中基于Michelson干涉仪的光纤微弱磁场传感器的原理图；

图2为本发明实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计的原理框图；

图3为本发明中信号解调部分示意图；

图4为本发明中数字信号处理单元不同步骤中的信号波形示意图；

图5为本发明仿真产生的控制时序图；

图6为本发明中控制时序的产生流程图。

具体实施方式

本发明的实现工作点控制和磁归零反馈的双数字闭环光纤磁强计其较佳的具体实施方式是，包括传感光路单元，所述传感光路单元包括激光器、干涉仪，所述激光器与干涉仪之间连接有光环行器，所述光环行器设有第一端口、第二端口、第三端口；

所述激光器发出的光波依次经过所述第一端口、第二端口进入所述干涉仪；

所述干涉仪输出的干涉信号经过所述第二端口，从所述第三端口输出。

所述干涉仪的输入输出端口连接有集成光学相位调制器；

所述第二端口输出的光波输入到所述集成光学相位调制器后，被分成两路输出，并分别进入所述干涉仪的两臂；

所述干涉仪的两臂返回的光波在所述集成光学相位调制器处发生干涉，并将干涉信号输入给所述第二端口。

所述干涉仪的两臂分别采用细径保偏光纤制作，所述两臂的末端通过镀膜形成反射镜。

所述干涉仪的两臂分别为信号臂、参考臂，所述信号臂设有磁致伸缩换能器。

所述激光器为分布反馈半导体激光器。

本发明还包括光电转换单元、前置放大滤波单元、A/D转换单元、数字信号处理单元、D/A转换单元；

从所述第三端口输出的干涉信号依次经过所述光电转换单元、前置放大滤波单元、A/D转换单元，输入给所述数字信号处理单元，并由所述数字信号处理单元处理后输出；

所述数字信号处理单元通过所述D/A转换单元与所述集成光学相位调制器和所述磁致伸缩换能器的螺线管驱动单元交互信息。

所述数字信号处理单元包括控制时序产生部分、数字相关检测部分、反馈信号产生部分；

所述数字信号处理单元产生低频调制方波，并将该低频调制方波施加于所述集成光学相位调制器，在所述控制时序产生部分的控制下，通过所述数字相关检测部分解调低频相位漂移，产生补偿相移数字量，与上述低频调制方波叠加后经过D/A转换器及模拟缓冲放大器后施加于集成光学相位调制器，实现干涉仪正交工作点的稳定控制。

所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪或Michelson干涉仪；

当所述干涉仪为Mach-Zehnder干涉仪时，所述低频调制方波的幅度为对应集成光学相位调制器在干涉仪两臂之间引入相移时的调制电压；

当所述干涉仪为Michelson干涉仪时，所述低频调制方波的幅度为对应集成光学相位调制器在干涉仪两臂之间引入相移时的调制电压。

数字信号处理单元中的控制时序产生部分发出高频调制信号的同步时钟，通过高频正弦调制磁场发生装置产生同步的高频调制磁场；

所述数字相关检测部分对所述低频相位漂移解调之后的信号进行二次相关解调，获得与待测磁场成比例的相位信息，并产生反馈信号，反馈信号与偏置磁场数字量叠加后经D/A及放大器之后，与高频正弦调制信号通过加法器叠加输出到螺线管驱动单元反馈回所述磁致伸缩换能器。

偏置磁场的作用是保证磁致伸缩材料工作在最灵敏的区域；

所述数字相关检测部分对所述待测磁场的信号进行解调，在所述控制时序的控制下，通过所述反馈信号，实现换能器中的净直流磁场为零，即磁归零反馈。

本发明在光路结构上采用光环行器代替了原来的光隔离器，有效抑制了干涉仪中存在的反射噪声；采用集成光学相位调制器代替原来的耦合器和PZT相位调制器，提高了光路输出的信噪比，实现了光路结构的全光纤化和小型化；传感光纤采用保偏光纤，光纤末端镀膜取代法拉第旋转镜，避免了普通单模光纤传感系统中存在的偏振诱导信号衰落问题；采用双数字闭环检测技术同时实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和“磁归零”反馈，改善了系统的抗干扰能力和稳定性，扩大了测量的动态范围，提高了测磁灵敏度。

同时，进一步简化了光路结构，在保证光路性能的同时，更有利于系统小型化的设计需求。在检测方案上，本发明采用数字相关检测技术，实现了双数字闭环检测方案，解决了干涉仪工作点的随机漂移和材料的磁滞效应，提高了系统的检测灵敏度和稳定性，扩大了动态测量范围。

本发明中干涉仪正交工作点的稳定控制和“磁归零”反馈的具体的方法为：

干涉仪正交工作点的控制：通过在相位调制器(Y波导)上加低频方波调制信号，在光路中引入的偏置相位，由于低频相位漂移的存在，干涉仪输出信号由余弦响应变为方波信号，方波信号的幅值反映了低频相位漂移的大小，方波信号作为工作点反馈控制的误差信号，在相应时序的控制下，对方波误差信号进行一次相关解调，得到低频相位漂移的大小，产生补偿相移，通过相位调制器反馈回光路，抵消低频相位漂移，使干涉仪始终工作在最灵敏的区域，实现干涉仪工作点的稳定控制。

磁归零反馈：由于光纤微弱磁场传感器的测量对象为直流及低频弱磁场信号，为了避开低频噪声，提高信噪比，一般在磁致伸缩换能器上加高频调制，将低频及直流磁场信号上变到高频调制频率及其边带，利用磁致伸缩材料对外加磁场的平方响应，只要检测干涉仪输出信号中高频调制频率的基频分量幅值，即可得到待测磁场。基于这一原理，待测磁场的解调仍然采用数字相关检测技术，在相应时序的控制下，对经过低频方波调制的干涉信号连续进行两次相关检测，可以解调出待测信号；通过一定的算法产生反馈信号，保证换能器中的净直流磁场为零，实现磁归零反馈。

具体实施例，如图2所示：

包括光源驱动电路、传感光路单元、前置放大滤波单元、光电转换单元、A/D转换单元、数字信号处理单元、调制信号发生单元、D/A转换单元、螺线管的驱动单元等。其中：

传感光路单元主要包括DFB(分布反馈)激光器、三端口光环行器、集成光学相位调制器(Y波导)、磁致伸缩换能器。

具体的传感机理为：在光源驱动电路的控制下，DFB激光器发出的光波，进入光环行器的第一端口1，从光环行器的第二端口2出来的光经过集成光学相位调制器(Y波导)，由Y波导的起偏功能变为线偏振光，然后一分为二，进入干涉仪的两臂，信号臂传输光经过磁致伸缩换能器引起附加相位差，经传感光纤末端的反射镜反射后，再次经过换能器，信号相位加倍，与参考臂返回的光经Y波导合光后发生干涉，携带待测磁场信息的干涉光信号经环行器的第二端口2到达第三端口3，由光电探测器组件PIN-FET接收，转化为电压信号。

DFB激光器为窄线宽半导体激光器；三端口光环行器为偏振无关单模光纤器件，光波从环行器的第一端口1进入，只能到达第二端口2，从第二端口2进入的光波，只能到达第三端口3，起到了光隔离器的作用，降低了干涉仪中由于FP腔效应及瑞利散射产生的反射噪声；集成光学相位调制器(Y波导)同时具有起偏器、耦合器和相位调制器的功能，由于本方案中的光纤磁强计是基于偏振光干涉的原理，因此Y波导的起偏检偏功能能够提高干涉仪输出的信噪比，另外，Y波导同时取代耦合器、起偏器和相位调制器三个器件，简化了光路结构，有利于系统小型化设计；Y波导为保偏光纤器件，干涉仪两臂也采用保偏光纤，两臂光纤末端镀膜代替法拉第旋转镜，避免了普通单模光纤传感系统中偏振诱导信号衰落的问题；光电探测器组件PIN-FET为单模光纤器件，将干涉光信号先转化成电流信号，电流信号转化成电压信号并放大后输出。

光电转换单元输出的电压信号经前置放大电路进行放大滤波，提高进入A/D转换器输入信号的信噪比。经前置放大电路调理的干涉仪输出信号通过A/D转换器转化为数字信号，进入数字信号处理单元。

数字信号处理单元是整个检测系统的核心，包括控制时序的产生部分、数字相关检测部分、反馈信号产生部分、数字输出部分等。

如图3所示，数字信号处理单元的功能主要是产生低频调制方波，调制方波的频率选择在信号带宽之外的某一频率；采用数字相关检测方法解调低频相位漂移，产生补偿相移，实现干涉仪正交工作点的稳定控制；同时对低频相位漂移相关解调之后的信号进行二次相关解调，获得与待测磁场成比例的相位信息，产生反馈信号，通过螺线管反馈回换能器，解决磁致伸缩材料的磁滞效应，同时将解调结果输出。

如图4所示，是数字信号处理单元不同步骤中的信号波形示意图，图中：(a)为低频调制方波(Y波导)；(b)为高频调制正弦波(螺线管)；(c)为干涉仪输出信号；(d)为低频相位漂移解调采样脉冲；(e)为低频解调方波h(t)；(f)为低频相位漂移解调结果；(g)为高频信号解调方波r(t)；(h)为高频信号解调采样脉冲SYRCC；(i)为高频信号解调结果。

根据Livingston的相干旋转模型，当探测磁场较小时，外界磁场引起传感光纤中光波相位的变化为：

$\mathrm{\Delta \phi }=C_{\mathrm{eff}}{H}_T^2---\left(1\right)$

式中：C_eff为有效磁致伸缩系数；H_T为换能器上所加的总磁场。

设待测直流磁场为H₀，通过螺线管在换能器上施加的高频调制磁场为H_ωcos ωt，则换能器上的总磁场为：

H_T＝H₀+H_ω cos ωt          (2)

探测器接收到的干涉仪的输出信号为：

I＝A+Bcos[2(Δφ_S+φ_M)]

 ＝A+Bcos(2φ_FB+φ₀+φ₁cos ωt+φ₂cos2 ωt)

式中：A为与光功率有关的常数；B＝vA，v为干涉信号的可见度，0≤v≤1；

φ_FB为Y波导上加的信号带宽之外的低频方波调制信号，引入的相位信号幅值在此为$\pm \frac{\pi }{4};$

为环境扰动产生的低频相位漂移；

φ₁＝4C_effH₀H_ω；

${\phi }_2=C_{\mathrm{eff}}{H}_{\omega }^2.$

由此可知，在换能器上加高频调制之后，待测磁场包含在φ1中，并与其成正比关系，φ₁＝4C_effH₀H_ω，只需求得φ₁就可以获得待测磁场。

因为干涉仪输出信号为余弦函数，探测小相位信号时为非线性响应，且灵敏度不高，为使干涉仪工作在最灵敏的区域，需要加一相位偏置，将余弦信号转变为正弦信号。

因此，本发明中通过集成光学相位调制器加一如图4中所示的方波调制信号(a)，方波调制信号在干涉仪两臂之间引入的相移，由于光路采用Michelson干涉仪结构，干涉仪两臂传输光波两次经过相位调制器，这样，最终参与干涉的两束光波之间引入的相位差为干涉信号由余弦响应转变为正弦响应，干涉仪在探测小相位信号时工作在最灵敏的区域，其输出近似为线性关系，且可以区分信号的符号。方波调制之后的干涉仪输出为：

$I({\phi }_0,+\frac{\pi }{4})=A-B\sin ({\phi }_0+{\phi }_1\cos \mathrm{\omega t}+{\phi }_2\cos 2\mathrm{\omega t})---\left(3\right)$

$I({\phi }_0,-\frac{\pi }{4})=A+B\sin ({\phi }_0+{\phi }_1\cos \mathrm{\omega t}+{\phi }_2\cos 2\mathrm{\omega t})---\left(4\right)$

干涉型光纤传感器的灵敏度极高，但同时易受到环境扰动的影响，引入随机相位漂移由于的存在，干涉仪偏离正交工作点，且干涉仪输出信号随着低频相位漂移的变化而变化，甚至会完全消失，即出现相位衰落现象。当存在低频相位漂移时，经方波调制后，干涉仪输出信号变为方波信号，方波上叠加了高频余弦纹波信号，如图4中所示的干涉仪输出信号(c)。

木发明中，采用数字相关检测技术从调制后的方波误差信号中解调出低频相位漂移，并通过一定的算法产生补偿相移，通过相位调制器反馈回光路中，抵消低频相位漂移的影响，使干涉仪重新回到正交工作点。具体如下：

如图4中所示的由控制时序产生的解调方波(e)作为相关解调中的参考方波信号，在采样脉冲YRCC的作用下，如图4中低频相位漂移解调采样脉冲(d)所示，将A/D转化之后的数字信号有选择的进入全加器，完成方波误差信号半周期的数据累加；

然后，如图5所示，在解调脉冲YYCC的控制下，将方波误差信号的正负半周期的数据之和相减，完成低频相位漂移的数字相关解调，同时产生反馈相移台阶的数字量D_nfb，如图4中低频相位漂移解调结果(f)所示；脉冲YYRAC的作用是，当全加器完成前解调半周期(方波半周期)的数据累加，并送入下一解调模块之后，将全加器清零，进行下一个半周期数据的累加。

将反馈相移台阶的数字量与调制方波信号进行数字累加，在D/A时序YDA的控制下，转化为模拟电压信号，经过模拟缓冲放大器后加到相位调制器的两电极上，形成闭环。此数字闭环的作用是抵消环境扰动在干涉仪两臂传输光波之间引入的附加噪声相移，稳定干涉仪的正交工作点，使其始终工作在最灵敏的区域，消除信号衰落现象，提高系统的稳定性。

下面介绍连续采用两次数字相关解调获得高频信号的过程：

控制时序的产生示意图如图6所示，控制时序的产生单元是数字信号处理单元的主要部分，控制时序决定了信号解调的流程。

实现工作点稳定控制的干涉仪输出信号为：

$I(+\frac{\pi }{4})=A-B\sin ({\phi }_1\cos \mathrm{\omega t}+{\phi }_2\cos 2\mathrm{\omega t})---\left(5\right)$

$I(-\frac{\pi }{4})=A+B\sin ({\phi }_1\cos \mathrm{\omega t}+{\phi }_2\cos 2\mathrm{\omega t})---\left(6\right)$

本发明采用连续两次相关检测完成高频信号的提取，这两次相关检测中采用的采样脉冲为SYRCC，如图4中高频信号解调采样脉冲SYRCC(h)所示。在采样脉冲SYRCC的控制下，选择性地将A/D转换之后的数字信号与低频解调方波信号相乘，然后将相乘之后的数据再与高频解调方波相乘，然后送入全加器，在解调脉冲SYYCC的控制下，完成高频信号的相关解调，产生磁归零反馈信号，如图4中高频信号解调结果(i)所示。反馈信号在时钟SYDA的控制下，转化为模拟信号，通过螺线管抵消换能器上的待测直流磁场，完成另一个闭环反馈。此闭环的作用是保持换能器中的净直流磁场为零，消除材料的磁滞效应以及由于磁滞效应产生的磁场噪声，提高系统的检测精度和稳定性，扩大测量的动态范围。

数字信号处理单元中控制时序产生一高频调制信号的同步时钟，同步时钟控制高频调制信号发生装置，产生同步的高频正弦调制磁场信号；

为保证磁致伸缩材料处于最灵敏的区域，数字信号处理单元在产生反馈磁场数字量的同时，叠加一偏置磁场数字量，经过D/A转换器及模拟缓冲放大器后与高频正弦调制信号进行模拟叠加，通过螺线管驱动单元，反馈回磁致伸缩换能器；

本发明光路中采用光环行器代替光输入输出端的两隔离器，降低了光路的反射噪声；集成光学相位调制器同时具有起偏、分光和相位调制功能，采用集成光学相位调制器代替光耦合器和PZT相位调制器，提高了干涉仪输出信号的信噪比，实现了光路结构的全光纤化，有利于系统的小型化设计。

本发明采用数字相关检测技术，完成了双数字闭环设计，同时实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和材料磁滞效应的有效抑制，有效的改善系统输出信号的信噪比，扩大了系统的动态测量范围，提高了系统的测磁灵敏度和长期稳定性，有利于推动光纤微弱磁场传感器的实用化。

本发明针对已有的Michelson干涉型偏振无关光纤微弱磁场传感器，在光路上进行了优化设计，采用光环行器加集成光学相位调制器的组合取代了原方案中两光隔离器、耦合器加PZT相位调制器的组合方式，并且增加起偏器的功能，提高了光路输出的信噪比，有利于系统小型化的设计需求；

本发明中集成光学相位调制器和干涉仪两臂采用保偏光纤，DFB半导体激光器、光环行器及PIN-FET光电探测器组件采用单模光纤器件，在兼顾成本和性能的同时，避免了单模光纤传感系统中的偏振衰落问题；

本发明采用数字相关检测技术，发明了双数字闭环检测装置，实现了干涉仪正交工作点的稳定控制和磁致伸缩材料磁滞效应的有效抑制，提高了系统的测磁灵敏度和稳定性，扩大了系统的动态测量范围；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。