光纤电流互感器用锁相闭环控制方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及光纤传感，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、根据所述调制深度误差，生成正弦波；

6、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；

7、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；

8、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。

9、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：

10、将所述干涉光路信号通过光电探测器转化为传感电信号；

11、将所述传感电信号经过前置放大电路进入模数转换器。

12、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：

13、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h1i、h2i和h4i；

14、基于二、四阶bessel函数比值与调制深度对应关系，结合二、四次谐波比值计算调制深度

15、根据公式计算反馈相位误差计算公式如下：

16、

17、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：

18、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；

19、根据调制深度计算得到所述调制深度误差其中为目标调制深度；

20、根据所述调制深度误差计算正弦波幅值误差其中k为正弦波幅值增益系数。

21、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：

22、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；

23、根据所述反馈相位误差计算反馈相位偏移

24、根据所述反馈相位偏移计算锯齿波幅值误差其中h为锯齿波幅值增益系数。

25、进一步地，所述计算反馈相位偏移包括如下步骤：

26、以m个调制周期t内的解调值反馈相位误差为基本单元，对n个调制周期t的采样值进行分析，计算得到n个反馈相位误差

27、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个反馈相位误差其中j＝[τ/mt]，[]表示对向上取整，从n个反馈相位误差中剔除锯齿波电压跳变后渡越时间τ内的j个；

28、再次对剩余(n-j)个反馈相位误差进行滤波，剔除其中的最大值和最小值则反馈相位偏移为：

29、

30、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：

31、

32、其中，sawtooth()表示幅值为1，以mnt为周期，为初始相位的锯齿波电压信号，vsm、vtm分别为前一时段的正弦波幅值和锯齿波幅值，分别为正弦波和锯齿波初始相位，δvism为imt～(i+1)mt时段的正弦波幅值误差，δvimnt为imnt～(i+1)mnt时段的锯齿波幅值误差。

33、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；

34、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。

35、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。

36、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：

37、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；

38、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；

39、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；

40、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；

41、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；

42、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。

43、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。

44、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。

45、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。