[发明专利]旋转式光学电场传感器及其测定电场方法

权利要求书

1.一种旋转式光学电场传感器测量电场及电压的方法，其特征在于，旋转式光学电场传感器包括沿光路传输方向依次连接的激光二极管驱动器(1)、激光二极管(2)、光学电场传感头(10)、光电探测器(11)；其中，光学电场传感头(10)包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器(3)、起偏器(4)、四分之一波片(5)、电光传感晶体(6)、检偏器(7)、第二准直器(8)；光电转速传感器(9)放置于光学电场传感头(10)的一端，与所述旋转式光学电场传感器分别连接至信号处理系统(15)，所述信号处理系统(15)包括依次连接的模拟信号数据采集系统(12)、滤波单元(13)、电压信号处理单元(14)；

所述光学电场传感头(10)放置在与待测电场方向垂直的平面内，光学电场传感头(10)在电动机(28)的带动下，以光路传输方向为旋转轴旋转；

旋转式光学电场传感器测量电场及电压的方法包括以下步骤：

1)旋转式光学电场传感器通过金属感应极板感应待测电场强度，并将其施加到电光传感晶体(6)两侧蒸发的金属层上；

2)激光二极管驱动器(1)以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动激光二极管(2)输出高稳定的直流光强，光信号经过旋转的光学电场传感头(10)后到达光电探测器(11)；

3)光电探测器(11)将输入的光信号转换为电信号后送到信号处理系统(15)；光电转速传感器(9)通过反射原理测量旋转式传感头(10)的转速，并将测量的信号输入信号处理系统(15)，

4)模拟信号数据采集系统(12)接收从光电探测器(11)和光电转速传感器(9)传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给滤波单元(13)；

5)滤波单元(13)滤除信号中的随机噪声，并将信号传递到电压信号处理单元(14)，分离出交流分量和直流分量，得到调制量及电场强度；

滤波单元(13)依据扩展卡尔曼滤波算法滤除信号中的随机噪声，具体方法如下：

式中，Z_k为模拟信号数据采集系统输出的数据；h_k(X)为观测函数，H_k为参数矩阵；A为状态转移矩阵；为每次循环计算之前的状态量，为每次循环计算之后的状态量；w和v分别为零均值、互不相干的白噪声，Q和R分别为w和v的协方差，Q和R的取值范围为0～1；I为一个单位矩阵；

当测量直流电场时：

X_k＝[X₁,X₂,X₃,X₄]^T

A为4阶单位阵

当测量交流电场时：

X_k＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆]^T

H＝[H_1k,H_2k,H_3k,H_4k,H_5k,H_6k]

A为6阶单位阵

其中，H_1k＝cos(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_2k＝sin(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_3k＝1，H_4k＝2πkT_s(-X_1kH_1k+X_2kH_2k-X_5kH_5k+X_6kH_6k)；H_5k＝cos(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_6k＝sin(2πkT_s(f₀+X_4k))；

式中，k为模拟信号数据采集系统的采样时间，T_s为采样间隔；f₀为待测交流电场频率。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式光学电场传感器测量电场及电压的方法，其特征在于，电压信号处理单元(14)计算电场强度的方法为：

I_DC＝X₃

E＝K_E(I_AC/I_DC)

式中，E为待测电场的电场强度，K_E为电压设定比例系数；X₄为旋转式光学电场传感器传感头的转动频率。