一种畸变电场的无线测量的方法及系统与流程

本发明涉及电场测量技术领域，更具体地，涉及一种畸变电场的无线测量的方法及系统。

背景技术：

随着国民经济的发展，城市规模的扩大，较低电压等级的输电系统已经不能满足日益增加的用电需求；其次，虽然我国地大物博，但是资源分布并不平衡，不同地区能源结构差异很大。因此我国能源资源和负荷分布特点以及实际的用电需要决定了我国建设远距离、大容量的超特高压输变电系统。而随着特高压架空输电线路的大规模建设，输电线路途经人口密集区域的情况时有发生，而且输电线路电压等级高、输送容量大，特别是特高压输电线路，其在周围空间中引起的电磁场环境问题越来越受到关注。其中交流畸变电场强度就是评价特高压交流输电线路下电磁环境干扰的重要指标之一。

特高压输电线路附近存在建筑物时，由于建筑物近似为理想导体，其电位为零，导致建筑物周围离绝大部分位置的工频电场强度降低。而在建筑物上方电场强度会明显变大，尤其是在朝向导线的两边棱角处，为两相互垂直墙面，相当于-90°的突起，其曲率半径很小，此处的工频电场会发生严重畸变，比建筑物不存在时的数值要大几倍以上，我们把存在建筑物时的电场分布称为交流畸变电场。

传统的电场传感器(球型电场传感器，场磨旋转式电场传感器)无法测量交流畸变电场，因为这种电场传感器一般基于电荷感应原理，并且采用金属材料制成，会显著影响待测点电场，使测量结果无法反映实际情况；另外传统电场传感器的体积比较大，不适合测量空间范围狭窄的畸变电场。公开号为CN103616570A的中国专利公开了一种自校正光电集成电场传感器系统，它包括激光源，起偏器，偏振分束器，Y波导调制器，探测器，处理器，可调直流电源模块。该系统采用集成光波导电场传感器，几乎不含金属材料，对源场干扰小，频带宽，体积小，可以实现交流畸变电场的测量。在测量前要进行传递函数各参数的现场标定，从而实现电场信号的精确测量；再通过Y波导调制器，将光电集成电场传感器系统的静态工作点校正至π/2，使得传感器在最佳状态下工作，该测量系统的结构可简化为如图1所示。然而现有技术存在的问题是当电磁环境复杂，需要将信号感知端与信号显示端隔离开以保证安全时，需要较长的光纤进行传输，一方面，过长的光纤会使得其受振动、温度、湿度等环境因素影响程度变大，导致测量结果不稳定、误差变大；另一方面，过长的光纤的布局布线受现场试验条件限制，给测量带来不必要的麻烦。

因此，需要一种技术，以实现畸变电场的无线测量。

技术实现要素：

本发明技术方案提供一种畸变电场的无线测量的方法及系统，以解决如何对畸变电场进行无线测量的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种畸变电场的无线测量的方法，所述方法包括：

通过保偏光纤连接调理系统与集成光波导电场传感器；所述调整系统发出线偏振光经过所述保偏光纤以45°与所述集成光波导电场传感器对轴耦合；

通过所述集成光波导电场传感器两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在所述集成光波导电场传感器的光波导中传播；

所述集成光波导电场传感器的天线感应待测电场信号，产生电位差；所述电位差通过所述集成光波导电场传感器上的调制电极对所述集成光波导电场传感器中传播的光信号进行调制，使所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在所述集成光波导电场传感器的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；通过所述集成光波导电场传感器将所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的光信号发送至调整系统；

通过所述调整系统接收所述光信号，并将所述光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号发送至无线发射端；

所述无线发射端接收所述模拟信号，将所述模拟信号进行滤波放大，进行有效值转换将所述模拟信号转换为数字量，并通过所述无线发射端将所述数字量发送至无线接收端；

所述无线接收端接收所述数字量，并将所述数字量发送至上位机。

优选地，所述上位机用于发出用户指令，所述指令经过无线接收端发送至无线发射端，所述指令包括无线传输路径的通讯连接、测量系统校准值的存取、采样周期的设置、测量结果的显示以及数据库的保存。

优选地，包括：所述上位机软件中存储所述集成光波导电场传感器的校准参数，利用无线接收端收到的数字量和电场传感器的校准参数计算得到电场强度值。

优选地，包括：所述校准参数根据传感器的性能进行更新，防止因为器件老化等原因导致传感器的输出与输入之间的关系发生变化，使得测量结果反映当时传感器的性能。

优选地，还包括：设定所述校准参数根据传感器的采样周期，所述采样周期包括1s，2s，5s等级。

优选地，还包括：对所述上位机软件中数据的后处理，包括去除异常值、平均滤波、排序取分位值。

基于本发明的另一方面，提供一种畸变电场的无线测量的系统，所述系统包括：

集成光波导电场传感器，通过保偏光纤连接调理系统与集成光波导电场传感器；所述调整系统发出线偏振光经过所述保偏光纤以45°与所述集成光波导电场传感器对轴耦合；线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光；所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在所述集成光波导电场传感器的光波导中传播；所述集成光波导电场传感器的天线感应待测电场信号，产生电位差；所述电位差通过所述集成光波导电场传感器上的调制电极对所述集成光波导电场传感器中传播的光信号进行调制，使所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在所述集成光波导电场传感器的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；通过所述集成光波导电场传感器将所述两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的光信号发送至调整系统；

通过所述调整系统接收并补偿所述光信号，并将所述光信号转换为模拟电信号，并将所述模拟电信号发送至无线发射端；

所述无线发射端，包括带通滤波电路、放大电路、有效值转换电路，模拟/数字转换电路以及无线传输模块，所述无线发射端接收所述模拟信号，将所述模拟信号转换为数字量，并通过所述无线发射端将所述数字量发送至无线接收端；

所述无线接收端接收所述数字量，并将所述数字量发送至上位机，所述无线接收端包括ZigBee模块，所述无线接收端与所述上位机通过USB相连。

优选地，所述集成光波导电场传感器基于共路干涉仪，采用y切z传铌酸锂晶体作为基底，为保证能测量狭小空间的畸变电场，传感器尺寸不超过100cm³。

优选地，所述上位机用于发出用户指令，所述指令经过无线接收端发送至无线发射端，所述指令包括无线传输路径的通讯连接、测量系统校准值的存取、采样周期的设置、测量结果的显示以及数据库的保存。

优选地，包括：所述上位机软件中存储所述集成光波导电场传感器的校准参数，利用无线接收端收到的数字量和电场传感器的校准参数计算得到电场强度值。

优选地，包括：所述校准参数根据传感器的性能进行更新。

优选地，还包括：设定所述校准参数根据传感器的采样周期，所述采样周期包括1s，2s，5s等级。

本发明技术方案提供一种畸变电场的无线测量的方法及系统，其中方法包括：通过保偏光纤连接调理系统与集成光波导电场传感器；调整系统发出线偏振光经过保偏光纤以45°与集成光波导电场传感器对轴耦合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光；两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的光波导中传播；集成光波导电场传感器的天线感应待测电场信号，产生电位差；电位差通过集成光波导电场传感器上的调制电极对集成光波导电场传感器中传播的光信号进行调制，使两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；通过集成光波导电场传感器将两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的光信号发送至调整系统；通过调整系统接收光信号，并将光信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号发送至无线发射端；无线发射端接收模拟信号，将模拟信号转换为数字量，并通过无线发射端将数字量发送至无线接收端；无线接收端接收数字量，并将数字量发送至上位机。本发明技术方案提出的一种交流畸变电场的无线测量的方法及系统，将集成光波导电场传感器与无线传输技术结合，使测量更加便捷，减小测量系统受环境的影响，测量结果更加稳定、准确。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的畸变电场的无线测量方法流程图；

图2为根据本发明优选实施方式的上位机软件流程图；以及

图3为根据本发明优选实施方式的畸变电场的无线测量系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种畸变电场的无线测量方法流程图。如图1所示，一种畸变电场的无线测量的方法，方法包括：

优选地，在步骤101：通过保偏光纤连接调理系统与集成光波导电场传感器；调整系统发出线偏振光经过保偏光纤以45°与集成光波导电场传感器对轴耦合。

优选地，在步骤102：线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光；两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的光波导中传播。

优选地，在步骤103：集成光波导电场传感器的天线感应待测电场信号，产生电位差；电位差通过集成光波导电场传感器上的调制电极对集成光波导电场传感器中传播的光信号进行调制，使两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；通过集成光波导电场传感器将两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的光信号发送至调整系统。本申请集成光波导电场传感器用于感应电场，调理系统发出的线偏振光经过保偏光纤以45°与集成光波导电场传感器对轴耦合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光，在集成光波导电场传感器的光波导中传播；集成光波导电场传感器中的天线感应待测电场信号，产生一个电位差，该电位差通过集成光波导电场传感器上的调制电极对光波导中传播的光信号产生调制作用，使两束不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束不同偏振模式的线偏振光在光波导的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差。

优选地，在步骤104：通过调整系统接收并补偿光信号，并将光信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号发送至无线发射端。本申请调理系统用于发出线偏振光，光路相位的补偿，将从集成光波导电场传感器返回的光信号转换成模拟电信号，以及通过控制单元将模拟电信号输出到无线发射端，调理系统与集成光波导电场传感器通过保偏光纤相连。

优选地，在步骤105：无线发射端接收模拟信号，将模拟信号转换为数字量，并通过无线发射端将数字量发送至无线接收端。本申请无线发射端用于模拟电信号的调制，包括带通滤波电路、放大电路、有效值转换电路，并且采用ZigBee模块实现模拟/数字转换以及将转换后的数字量发送给无线接收端，该模块根据上位机的指令实现数据的采集周期的设置和采集通断的切换。

优选地，在步骤106：无线接收端接收数字量，并将数字量发送至上位机。本申请无线接收端用于将上位机发出的指令发送给无线发射端，等无线发射端做出应答并且传回数据时，将数据发送给上位机，无线接收端也采用ZigBee模块，直接与电脑通过USB相连。

优选地，上位机用于发出用户指令，指令经过无线接收端发送至无线发射端，指令包括无线传输路径的通讯连接、测量系统校准值的存取、采样周期的设置、测量结果的显示以及数据库的保存。

优选地，上位机软件中存储集成光波导电场传感器的校准参数，利用无线接收端收到的数字量和电场传感器的校准参数计算得到电场强度值。

优选地，校准参数根据传感器的性能进行更新。

优选地，设定校准参数根据传感器的采样周期，采样周期包括1s，2s，5s等级。

优选地，对上位机软件中数据的后处理，包括去除异常值、平均滤波、排序取分位值。本申请上位机用于发出用户指令，指令经过无线接收端到达无线发射端，指令的功能包括无线传输路径的通讯连接、测量系统校准值的存取、采样周期的设置、测量结果的显示以及数据库的保存。

本申请提出的交流畸变电场的无线测量的方法，是将集成光学测量手段与无线传输技术的结合，使得整个测量系统的搭建更加便捷，避免了过长的光纤布局布线带来的繁琐。本申请在信号传输时，用无线传输代替了光纤传输，减小了振动、温度、湿度等环境因素对测量结果带来的影响，使得测量结果更加稳定、准确。本申请尤其适合于高压环境下的交流畸变电场测量，集成光波导传感器可以实现无扰测量，无线传输可以保证人员与测量端的安全距离和数据的稳定性。本申请与传统交流畸变电场测量方法相比，实现了将测量结果数字化、可视化，并且直接将测量结果存储在上位机中，方便了后续的数据处理工作，提高了测量效率。

图2为根据本发明优选实施方式的上位机软件流程图。如图2所示，本申请上位机由测控计算机和上位机软件构成，完成数据的收发、解析、显示和保存。上位机软件中存储集成光波导电场传感器的校准参数，利用无线接收端收到的数字量和集成光波导电场传感器的校准参数解算可以得到相应的电场强度值。上位机主要功能包括通讯连接、节点扫描、校准参数保存与更新、采样周期的设置、测量电场强度的显示以及测量结果的保存。通讯连接与节点扫描功能是保证无线传输链路的稳定连接，上位机软件发出这两个命令后，无线接收端开始扫描具有相同信道的无线发射端，当无线发射端做出应答并且这个应答返回到无线接收端时，无线传输路径得以建立；校准参数的保存与更新功能是当集成光波导电场传感器因为器件老化等原因导致传感器的输出与输入之间的关系发生变化时，可以更新校准参数文件，使得测量结果反映当时集成光波导电场传感器的性能，需要在采集数据前获得集成光波导电场传感器的标定系数，并且在程序中进行更新；采样周期的设置是用来设定系统采样的频率，这里采样周期可设置为1s，2s，5s三个等级；测量电场强度的显示，包括通过表格形式进行分布式数据显示，以及通过柱状图进行分布式图形显示，可以让用户掌握每一个位置对应的电场强度精确值；测量结果的保存要求程序必须有后台数据库进行支撑，在数据采集结束之后，用户可以对离线的数据库文件进行分析。

图3为根据本发明优选实施方式的一种畸变电场的无线测量系统结构图。如图3所示，一种畸变电场的无线测量的系统，系统包括：

集成光波导电场传感器，通过保偏光纤连接调理系统与集成光波导电场传感器；调整系统发出线偏振光经过保偏光纤以45°与集成光波导电场传感器对轴耦合，线偏振光正交分解为两束等光功率不同偏振模式的线偏振光；两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的光波导中传播；集成光波导电场传感器的天线感应待测电场信号，产生电位差；电位差通过集成光波导电场传感器上的调制电极对集成光波导电场传感器中传播的光信号进行调制，使两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的传播常数发生互补变化，两束等光功率不同偏振模式的线偏振光在集成光波导电场传感器的出射端产生与待测电场信号强度相对应的相位差；通过集成光波导电场传感器将两束等光功率不同偏振模式的线偏振光的光信号发送至调整系统。

通过调整系统接收并补偿光信号，并将光信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号发送至无线发射端。

无线发射端接收模拟信号，将模拟信号转换为数字量，并通过无线发射端将数字量发送至无线接收端。

无线接收端接收数字量，并将数字量发送至上位机。无线接收端包括ZigBee模块，无线接收端与上位机通过USB相连。

优选地，集成光波导电场传感器基于共路干涉仪，采用y切z传铌酸锂晶体作为基底，为保证能测量狭小空间的畸变电场，传感器尺寸不超过100cm³。

优选地，上位机用于发出用户指令，指令经过无线接收端发送至无线发射端，指令包括无线传输路径的通讯连接、测量系统校准值的存取、采样周期的设置、测量结果的显示以及数据库的保存。

优选地，上位机软件中存储集成光波导电场传感器的校准参数，利用无线接收端收到的数字量和电场传感器的校准参数计算得到电场强度值。

优选地，校准参数根据传感器的性能进行更新。

优选地，设定校准参数根据传感器的采样周期，采样周期包括1s，2s，5s等级。

本申请实施方式在使用校准参数根据传感器进行电场测量之前，首先进行测量系统本身的校准，以应对因器件老化等因素造成的测量系统传递函数的变化。校准是根据IEEE标准，采用间距0.5m、边长为1m的两个正方形钢板，交流电压源产生交流电压由变压器升压227倍，经过分压器后连接到两平行极板上，其中间电场可视为均匀电场，将集成光波导电场传感器放置于两极板中间，运行上位机软件进行测量系统输出值D的记录，同时记录施加的电场值E，测量多个点后进行最小二乘估计得到D＝A*E+b，将(A,b)的值更新到上位机软件的校准参数文件，就可以进行电场的测量。

本申请的集成光波导电场传感器基于共路干涉仪，采用y切z传铌酸锂晶体作为基底，该传感器的测量范围为0～25kV/m，分辨率可以为100V/m，3dB带宽为20Hz～10MHz，工作温度范围为-10℃～40℃，尺寸为180mm×40mm×11.3mm。

本申请的调理系统发出的激光的波长中以为1310nm，该部分采用相位调节器将光路的静态工作点调整至90°，使得光功率与待测电场之间是线性关系，经过光电转换后，调理系统输出模拟交流电压信号，其幅值范围为0～0.5V，通过电缆连接至无线发射端。

本申请的无线发射端采用的带通滤波放大电路中心频率为50Hz，带宽为10Hz，经过此部分电路后模拟交流电压信号的幅值范围为0～2V；有效值转换电路采用基于AD536AK芯片搭建的电路，该电路将模拟交流电压信号转换为模拟直流电压信号；模拟/数字转换和数字量的发送则采用ZigBee模块，该模块的模拟/数字转换的位数为10位，参考电压为3V，无线传输的频率为2.4GHz，该模块将模拟电压直流信号经过采样变为0～1024之间的数字量并且发送给无线接收端，无线接收端则通过USB接口直接与上位机连接。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。