注：国家自然科学基金资助项目（60472007）
摘要：光纤传感器具有许多优点，它已应用到很多领域。本文介绍了基于光纤传感的脉冲磁场传感器的基本原理，提出了脉冲磁场测量系统的设计方案。分析了光纤脉冲磁场测量系统的带宽。结果表明此系统设计可行、方案选择合理。
关键词：光纤传感；电磁脉冲；磁场传感器
中图分类号：TN915.851 文献标识码：A
一、引言
国内电磁脉冲、电磁干扰和电磁兼容的研究已取得了丰硕的成果，但在对电磁脉冲的性能进行实验研究的过程中，都遇到了一个突出的问题，即测量设备的频带不够宽。核电磁脉冲及静电放电产生的脉冲，其上升沿在纳秒量级，这就要求测量系统的工作频带须从DC～nGHz。但是现有的测量设备很难满足这样的要求，其主要困难在于难以同时兼顾低频段和高频段的性能。所以，研究电磁脉冲新的测量方法、解决电磁脉冲测量中的关键技术、研制具有自主知识产权的，可防电磁脉冲损毁的超宽频带测量系统实乃当务之急。光纤传感测量方法是一种利用光纤作为光信号的传输和传感媒质，根据被测物理量的变化对光信号的某一性质进行调制，并检测出来被测物理量变化的测量方法。
与普通机械类和电子类传感器相比，光纤传感器具有以下优点[1]。
（1）抗电磁干扰。一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。
（2）电绝缘性能好，安全可靠。光纤本身是绝缘材料，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工领域生产中使用。
（3）耐腐蚀，化学性能稳定。由于制作光纤的材料－石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在恶劣环境中使用。
（4）体积小、重量轻，几何形状可塑。
（5）传输损耗小。可实现远距离遥控监测。
（6）传输容量大。可实现多点分布式测量。
（7）测量范围广。可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。
光纤传感技术优于其它传感技术的另一个重要原因在于它是在光纤通信技术的基础上发展起来的[2]。光纤传感技术将与光纤通信技术一起深入到军用与民用的各个领域。
二、脉冲磁场测量系统设计与分析
一种基于光纤的脉冲磁场测量系统原理如图1所示[3]。对电磁脉冲的测量，可以采用电场感知或磁场感知的方法，本文介绍基于磁场感知的测量方法。
光纤磁场传感器的测量原理简单地说就是利用磁光晶体的法拉第磁致旋光效应。当平面偏振光通过受磁场作用的磁光晶体时，若磁场方向和光传播矢量方向平行，则光的偏振面将要发生旋转，且存在以下关系：
θ= V H L （1）
式中 ，V —费尔德常数, 是材料的特性常数； θ—旋转角度；H—磁场强度 ；L—磁光晶体厚度。
然后，通过检偏振器检偏，检偏振器的偏振化方向和起偏振器一样，它检测输出的光强，即可达到测量磁场强度的目的。
这个系统主要包括光路系统和信号处理系统两个部分。
1、光路系统
光路系统包括光源、起偏器、传感头、探测器、检偏器、自聚焦透镜以及光纤等部分。根据光纤电磁脉冲传感器的系统结构和功能要求，将这些光学元件按照一定方位要求安装或采用光学环氧树脂粘接在一起。
由于磁光效应只和磁场方向有关，而与光线（平行于磁场方向）通过介质的方向无关，由此可利用光线在介质中多次来回反射，增加光纤通过介质的有效长度，以增加磁光效应的旋光角，制成灵敏度较高的电磁脉冲传感器[4] 。一种提高灵敏度的传感头的结构如图2所示[5]。
电磁脉冲测量的光纤传感器使用的光源可采用半导体激光器(LD)，其输出光束具有较好的单色性和方向性，而且输出功率较大。
光纤可选取数值孔径较大、粗芯径的保偏光纤；由于光缆是用于复杂的电磁脉冲环境中传输光信号，因此，选用非金属骨架的光缆。
对偏振器的要求是消光比好，透光率大。本系统可采用方解石构成的偏振器，一个格兰棱镜作为起偏器和一个渥特斯顿棱镜作为偏振分束器。这种类型的棱镜消光比小，约为10-5量级，能获得非常理想的线偏振光，透过率达90%，光损耗小。此外，它的热膨胀系数小，温度性能良好。
准直透镜的作用是将光纤输入的光束变成准直平行光束，便于在传感器内传输。选择准直透镜的基本原则是应使其输出光束准直性好、发散角小、光斑小。耦合透镜也是采用梯度折射率透镜。选择耦合透镜的原则是应使透镜的直径大于检偏器输出光斑的直径，以免光束射到透镜边缘损失掉。
2、信号处理系统
基于光纤传感的脉冲磁场系统还包括信号接收、处理与记录设备。光信号在传感头内受被测磁场的调制后通过光纤传输至光电探测器以后，经过光电转换变为电信号，然后经过信号处理将测量结果显示出来。电磁脉冲测量对测量系统的宽带传输、高速采集、抗干扰性能以及动态范围都提出了较高的要求，信号接收与处理系统由光探测器、I/V转换器、功率放大器以及高速数字存储示波器、计算机等组成。
本系统可选用PIN光电二极管作为探测器， PIN光电二极管在PN结中间夹了一层本征半导体，减小了结电容，加大了耗尽区，使得探测器具有较快的时间常数，灵敏度也很高，目前高性能的PIN管暗电流可达到0.1 nA，高频截止频率高达10 GHz，甚至更高。
前置放大器的输入端是探测器的输出，可视为光强调制的电流源，经高阻抗运算放大器的I/V转换后，给出与光强成正比的电压输出。功放的主要作用是把微弱的电压信号放大到足以驱动高速数字存储示波器工作。
对瞬态电磁脉冲信号的采集和记录可通过数字存储示波器来完成。由于数字存储示波器采集速率日益提高、成本降低和功能不断完善，使得高速数字存储示波器成为电磁脉冲信号采集的最佳途径[6]。
三、系统带宽的分析
该系统的带宽范围是实现准确测量和实时测量的基础，它是本系统的一个很重要的参数。脉冲磁场的频率范围从直流到几千兆赫兹。由于光纤本身所提供的带宽远远超过系统所提供的带宽，光纤本身对测量几乎无影响，因此光纤本身对系统带宽的影响可以忽略不计。
首先，讨论半导体激光器提供的带宽。
半导体激光器输出连续光信号，它的方向性和单色性好，所以它不会占用系统的带宽，它可为系统提供足够的带宽，设其带宽为df1。
其次，对于脉冲磁场测量系统来说，由材料色散和波导色散构成的总色散，可以由下式来计算[8]：
(2)
式中， —光纤中的色散系数；t—所测得的单位长度光纤中的群时延。
假定光源的半高谱宽Dl为2 nm，L = 1km，假定保偏光纤的最大色散系数为D(l)=18.34 ps/(nm. km)，则 ps，因此色散对1km长光纤的带宽的限制为df2=
[9]=50.98 GHz。
至于探测器和信号处理系统确定的带宽，目前InGaAs-PIN的带宽可达df3=20 GHz以上[7]，能够满足系统对带宽的需要。由于存储示波器的带宽要考虑采样时间tc和A/D转换ta对系统带宽的影响，因此，存储示波器的带宽df4=3 GHz，基本上能够满足光纤脉冲磁场传感系统信号处理带宽的要求。传感头中磁光晶体的频率响应特性对传感器的带宽有着重要的影响。在磁光材料中，cd1-xMnxTe晶体的频率响应范围从0GHz～2GHz，图3为在两种不同掺杂锰的浓度x下，cd1-xMnxTe晶体的频率特性。因此磁光晶体频率响应所确定的带宽为df5满足设计要求。
如图4所示的信号处理方法放大电路所确定的带宽为df6。由于磁光晶体存在双折射现象，从电磁理论分析，这种现象会使各向异性晶体内不同偏振方向的光具有不同的传播速度。它使磁光晶体中传输的光信号的偏振状态发生变化，从而影响传感器的输出信号强度。晶体的折射还要受到温度、振动等外界因素的干扰，是影响磁场传感的不利因素。为了提高测量精度，在实际应用中经常采用双光路传感测试结构，原理如图4。在低频端采用直接耦合放大的方式，保证低频信号的放大和数字处理；在射频段，采用射频放大，保证高频分量的足够放大；然后分别进行A/D转换后，再进行数字相加。采用这种方法，放大器的带宽可望满足脉冲磁场传感器对放大器带宽的苛刻要求。但是分频段合成的方法存在着频率重叠的部分，因此在求和部分的电路设计中要精心进行合成。
由以上的分析可知传感系统的带宽指传感器能处理脉冲磁场信号的频率范围，从前面分析可以看出，磁光晶体的频率特性、探测器的响应时间、采样、A/D转换时间、放大器的带宽，以及色散引起的信号总展宽分别确定了不同的带宽，整个传感系统的带宽df应由df1-df6的最小值来确定，即：
(3)
光纤脉冲磁场传感系统的带宽可以达到0GHz～2 GHz，基本上能够满足脉冲磁场的测量要求。
五、结论
对基于光纤传感的脉冲磁场传感器工作原理和就关注的带宽瓶颈作了理论上的分析，并对设计图的各元件进行了合理的综合选择，分析表明此系统满足设计的带宽要求，这个系统的设计是可行的。
参考文献：
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