光纤电流互感器用锁相闭环控制方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤电流互感器用锁相闭环控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

光纤电流互感器是一种采用全光纤光路结构，光纤既作为传光介质，也用于敏感元件的光学传感器，具有绝缘、结构简单、测量精度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，已在电力、冶金、核物理领域得到广泛应用。

光纤电流互感器原理为：光源发出的光由偏振器起偏变为线偏光，经45°光纤熔点进入保偏光纤的快、慢轴，两束正交的线偏光经相位调制器调制后沿保偏延迟光纤传输，并由1/4波片变为两束旋向正交的圆偏光，在被测电流的作用下，两束圆偏光之间产生法拉第相移，经敏感光纤末端反射镜后沿原路返回，电流相位差加倍，再次经原光路返回后，正交线偏光最终经偏振器检偏并发生干涉。

根据信号检测方法的不同，光纤电流互感器可以采用开环方案和闭环方案。其中闭环光纤电流互感器一般采用方波和阶梯波叠加作为调制信号，方波进行偏置调制，阶梯波用作反馈调制，有效提高了互感器系统的测量精度和动态范围，但此种方案对互感器的器件选型、调制与解调带宽有着更高要求，成本较高。

开环光纤电流互感器一般采用正弦波作为调制信号，工作原理简单，易于实现，正弦波调制信号对工作带宽要求不高，设备成本较低，但目前只有开环解调方案，需要计算反正切函数，灵敏度较低，动态范围小，只能用于对测量精度和测量范围要求低的场合。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种光纤电流互感器用锁相闭环控制方法、装置、设备及介质，从而有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种光纤电流互感器用锁相闭环控制方法，包括如下步骤：

光纤电流互感器中进入调制器的输入光信号经过电信号调制作用后形成干涉光路信号，将所述干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样；

对m个调制周期T的传感电信号进行数字采样，并对mT时间内的采样值进行解调，得到调制深度误差和反馈相位误差；

根据所述调制深度误差，生成正弦波；

对N个调制周期T的所述反馈相位误差处理，生成锯齿波，其中N＝nm，n为正整数；

将产生的所述正弦波与锯齿波叠加，提供给数模转换器，形成调制信号；

通过数模转换器将所述调制信号转化为电信号，利用电信号实现光纤电流互感器的闭环控制。

进一步地，所述将所述干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样中，包括：

将所述干涉光路信号通过光电探测器转化为传感电信号；

将所述传感电信号经过前置放大电路进入模数转换器。

进一步地，所述对mT时间内的采样值进行解调，包括如下步骤：

基于数字相敏检测方法，对m个调制周期T的所述干涉光路信号采样值进行数字解调处理，分别取一、二、四次谐波的幅值H

基于二、四阶Bessel函数比值

根据公式计算反馈相位误差

进一步地，所述根据所述调制深度误差，生成正弦波，包括如下步骤：

设定正弦波周期即为调制周期T，设置正弦波幅值每间隔mT进行调整；

根据调制深度

根据所述调制深度误差

进一步地，所述对N个调制周期T的所述反馈相位误差处理，生成锯齿波，包括如下步骤：

设定锯齿波周期为N个调制周期T，设置锯齿波幅值每间隔NT进行调整；

根据所述反馈相位误差

根据所述反馈相位偏移

进一步地，所述计算反馈相位偏移

以m个调制周期T内的解调值反馈相位误差

由于锯齿波切换时存在锯齿波电压跳变，假设跳变后渡越时间τ内产生j个反馈相位误差

再次对剩余(n-j)个反馈相位误差

进一步地，将所述正弦波和锯齿波叠加后的所述调制信号包括：

其中，sawtooth()表示幅值为1，以mnT为周期，

进一步地，在测量电流时，由周期为T的正弦波调制信号和周期为mT的正弦波幅值误差信号形成第一锁相闭环，对待测电流快速响应；

由周期为mnT的锯齿波调制信号和相同周期锯齿波幅值误差信号形成第二锁相闭环，使光纤电流互感器工作在最高灵敏度附近。

进一步地，所述数模转换器将所述调制信号转化为电信号中，数模转换器转换的电信号经过增益放大电路后，施加到光纤电流互感器中的光学相位调制器上，形成干涉光路中的调制相位。

本发明还包括一种光纤电流互感器用锁相闭环控制装置，使用如上述的方法，包括：

采样单元，所述采样单元用于经过电信号调制作用后形成干涉光路信号，将所述干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样；

解调单元，所述解调单元用于对m个调制周期T的传感电信号进行处理，并对mT时间内的采样值进行解调，得到调制深度误差和反馈相位误差；

正弦波生成单元，所述正弦波生成单元用于根据所述调制深度误差，生成正弦波；

锯齿波生成单元，所述锯齿波生成单元用于对N个调制周期T的所述反馈相位误差处理，生成锯齿波，其中N＝nm，n为正整数；

调制单元，所述调制单元用于将产生的所述正弦波与锯齿波叠加，提供给数模转换器，形成调制信号；

转换单元，所述转换单元用于通过数模转换器将所述调制信号转化为电信号，实现光纤电流互感器的闭环控制。

本发明还包括一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的方法。

本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法。

本发明的有益效果为：本发明采用高频正弦波信号进行调制，将携带有待测电流信息的干涉光路信号调制成为高频载波信号，通过数字解调干涉光路信号中的各谐波分量，一方面计算得到反馈相位误差，用作互感器的测量输出，实现对待测电流的快速响应，另一方面计算得到正弦波调制深度误差和正弦波幅值误差，作为正弦波幅值反馈调整输入，形成第一锁相闭环系统；采用低频锯齿波信号进行调制，产生与待测电流引起的法拉第相移大小相同，方向相反的反馈相位，使得互感器工作在最高灵敏度附近，并结合解调得到的反馈相位误差和锯齿波幅值误差，作为锯齿波幅值反馈调整输入，形成第二锁相闭环系统。本发明实现了光纤电流互感器对调制解调电路的低带宽适应性要求，提高了互感器测量精度和动态范围，有效降低了互感器的设计制作难度和产品成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例中方法的流程图；

图2为本实施例中装置的结构示意图；

图3为本实施例中光纤电流互感器数字锁相闭环控制流程；

图4为本实施例中正弦波调制信号和干涉光路信号波形图；

图5为本实施例中一阶、二阶和四阶Bessel函数曲线图；

图6为本实施例中锯齿波调制信号和干涉光路信号波形图；

图7为本实施例中正弦波和锯齿波调制信号叠加示意图。

图8为本实施例中计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示：一种光纤电流互感器用锁相闭环控制方法，包括如下步骤：

光纤电流传感器中进入调制器的输入光信号经过电信号调制作用后形成干涉光路信号，将干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样；

对m个调制周期T的传感电信号进行数字采样，并对mT时间内的采样值进行解调，得到调制深度误差和反馈相位误差；

根据调制深度误差，生成正弦波；

对N个调制周期T的反馈相位误差处理，生成锯齿波，其中N＝nm，n为正整数；

将产生的正弦波与锯齿波叠加，提供给数模转换器，形成调制信号；

通过数模转换器将调制信号转化为电信号，利用电信号实现光纤电流互感器的闭环控制。

在本实施例中，将干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样中，包括：

将干涉光路信号通过光电探测器转化为传感电信号；

将传感电信号经过前置放大电路进入模数转换器。

对mT时间内的采样值进行解调，包括如下步骤：

基于数字相敏检测方法，对m个调制周期T的干涉光路信号采样值进行数字解调处理，分别取一、二、四次谐波的幅值H

基于二、四阶Bessel函数比值

根据公式计算反馈相位误差

根据调制深度误差，生成正弦波，包括如下步骤：

设定正弦波周期即为调制周期T，设置正弦波幅值每间隔mT进行调整；

根据调制深度

根据调制深度误差

对N个调制周期T的反馈相位误差处理，生成锯齿波，包括如下步骤：

设定锯齿波周期为N个调制周期T，设置锯齿波幅值每间隔NT进行调整；

根据反馈相位误差

根据反馈相位偏移

计算反馈相位偏移

以m个调制周期T内的解调值反馈相位误差

由于锯齿波切换时存在锯齿波电压跳变，假设跳变后渡越时间τ内产生j个反馈相位误差

再次对剩余(n-j)个反馈相位误差

将正弦波和锯齿波叠加后的调制信号包括：

其中，sawtooth()表示幅值为1，以mnT为周期，

在测量电流时，由周期为T的正弦波调制信号和周期为mT的正弦波幅值调整信号形成第一锁相闭环，对待测电流快速响应；

由周期为mnT的锯齿波调制信号和相同周期锯齿波幅值调整信号形成第二锁相闭环，使光纤电流互感器工作在最高灵敏度附近。

数模转换器将调制信号转化为电信号中，数模转换器转换的电信号经过增益放大电路后，施加到光纤电流互感器中的光学相位调制器上，形成干涉光路中的调制相位。

本实施例中，采用高频正弦波信号进行调制，将携带有待测电流信息的干涉光路信号调制成为高频载波信号，通过数字解调干涉光路信号中的各谐波分量，一方面计算得到反馈相位误差，用作互感器的测量输出，实现对待测电流的快速响应，另一方面计算得到正弦波调制深度误差，作为正弦波幅值反馈调整输入，形成第一锁相闭环系统；采用低频锯齿波信号进行调制，产生与待测电流引起的法拉第相移大小相同，方向相反的反馈相位，使得互感器工作在最高灵敏度附近，并结合解调得到的反馈相位误差作为锯齿波幅值反馈调整输入，形成第二锁相闭环系统。本发明实现了光纤电流互感器对调制解调电路的低带宽适应性要求，提高了互感器测量精度和动态范围，有效降低了互感器的设计制作难度和产品成本。

如图2所示，本实施例中还包括一种光纤电流互感器用锁相闭环控制装置，使用如上述的方法，包括：

采样单元，采样单元用于经过电信号调制作用后形成干涉光路信号，将干涉光路信号转化为传感电信号送入模数转换器进行数字采样；

解调单元，解调单元用于对m个调制周期T的传感电信号进行处理，并对mT时间内的采样值进行解调，得到调制深度误差和反馈相位误差；

正弦波生成单元，正弦波生成单元用于根据调制深度误差，生成正弦波；

锯齿波生成单元，锯齿波生成单元用于对N个调制周期T的反馈相位误差处理，生成锯齿波，其中N＝nm，n为正整数；

调制单元，调制单元用于将产生的正弦波与锯齿波叠加，提供给数模转换器，形成调制信号；

转换单元，转换单元用于通过数模转换器将调制信号转化为电信号，实现光纤电流互感器的闭环控制。

如图3所示，本实施例中提出的正弦波调制信号生成/调整方法如下：

生成的正弦波周期为调制周期T；

基于二、四阶Bessel函数比值

根据调制深度

由正弦波调制信号产生的调制相位正比与正弦波调制电压，有

本发明提出的锯齿波调制信号生成/调整方法如下：

基于一、二阶Bessel函数

对N个调制周期T(或mnT)的采样值进行分析，计算可得到n个反馈相位误差

由于锯齿波切换时存在锯齿波电压跳变，假设跳变后渡越时间τ内产生j个反馈相位误差

再次对剩余(n-j)个反馈相位误差

锯齿波幅值误差

由锯齿波调制信号产生的调制相位正比与锯齿波调制电压，有

本发明提出的正弦波和锯齿波信号叠加后的调制信号为：

其中，sawtooth()表示幅值为1，以mnT为周期，

基于上述数字锁相闭环控制方法，光纤电流互感器采用正弦波和锯齿波调制信号时，光电探测器输出的干涉光路信号为

式(8)中

对于第一数字锁相闭环控制，采用正弦波信号调制时，在干涉光路信号中形成的调制相位差为

式(9)中

将(9)式代入式(8)可得，干涉光路信号可改写为

上式中

应用到第一类Bessel函数展开式(10)，干涉光路信号可进一步表示为

上式中J

基于数字相敏检测方法，解调干涉光路信号的一、二和四次谐波分量的幅值有

上式中，K

第一类一、二和四阶Bessel函数曲线和二、四阶比值如附图5所示。基于二、四阶Bessel函数比值

假设目标调制深度为

由正弦波信号产生的调制相位正比与正弦波调制电压，有

对于第二数字锁相闭环控制，采用锯齿波信号调制时，如附图6所示。假设锯齿波幅值为V

由式(12)可知，对第i个mT时段内的采样值进行解调，基于一、二次谐波幅值H

通过对锯齿波一个调制周期mnT时间内的采样值进行分析，计算可得到n个反馈相位误差

根据式(16)锯齿波调制相位

由锯齿波调制信号产生的调制相位正比与锯齿波调制电压，有

如附图7所示，正弦波和锯齿波信号叠加为的调制信号为：

综上所述，一方面采用反馈相位误差

请参见图8示出的本申请实施例提供的计算机设备的结构示意图。本申请实施例提供的一种计算机设备400，包括：处理器410和存储器420，存储器420存储有处理器410可执行的计算机程序，计算机程序被处理器410执行时执行如上的方法。

本申请实施例还提供了一种存储介质430，该存储介质430上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器410运行时执行如上的方法。

其中，存储介质430可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。