瞬态强电场作用下Pockels效应电场测量系统误差累积过程和精度补偿方法研究

Intense transient e-field has some peculiar characteristics such as high gradients and fast changing of amplitude. Moreover, it often comes with corona discharges, spark discharges, or even arc discharges, which would cause electromagnetic interference to the measurement devices. After decades of research, electro-optic e-field measurement using Pockels device has gained enormous development. However, existing designs of electro-optic sensors have major accuracy problems, and yet no related studies have been published. In this proposal, error sources and noise characteristics of major components of the sensor (including light source, polarizer, quarter wave plate, Pockels device, analyzer, and photoelectric conversion part) will be investigated and the accumulation and propagation of the measurement error will be analyzed; then the practical models of the measuring system will be constructed; finally error elimination and compensation methods, measurement reliability evaluation methods will be provided. The research results in this proposal will provide theoretical basis for improving the measurement accuracy of the electro-optic sensors.

瞬态强电场具有极高的矢量场分布梯度和大范围内量值瞬变特征，并往往伴有电晕放电、杂散火花甚至电弧击穿过程，对测量设备表现出了模式复杂的混同噪声干扰。Pockels电光效应电场测量技术发展迅速，但至今尚无紧扣瞬态强电场自身特性，进行多因素影响下测量误差成因、累积、散播方面的系统研究报道，误差抑制方法、精度保证策略和结果可信度评判等也有待突破。本项目在深入分析强瞬态电场环境下各类噪声特征和误差来源的基础上，针对构成实际测量系统的关键部件(光源、起偏检偏部件、电光晶体和光电转换部件)，讨论高频放电噪声，强对地放电冲击，带宽限制和环境温度等多种因素影响下各功能模块内误差引入；并在此基础上，研究整体测量系统内误差的综合、累积和散播规律；尝试建立包含误差因素的测量系统近实际模型，揭示误差机理；并建立有效的误差补偿方法和测量结果可信度评价方法，为提高测量精度提供参考依据。

电场测量是很多科研和工程技术领域的基础研究需求，传统电场传感器普遍存在对被测电场干扰大、易受外界电磁干扰等问题。近年来，随着铌酸锂晶体材料制备和光电集成技术的不断突破，基于Pockels效应的电光型电场测量在理论和方法上均获得了快速发展，有望替代传统的电场测量技术。. 本项目首先设计了基于Mach-Zehnder干涉仪的非对称结构光波导，采用了平行双电极加偶极子天线，建立了传感器等效电路模型。确定了传感器结构和参数，并对由参数引起的误差进行讨论。其次依据线性电光效应，设计了一种新的具有单臂直列光路结构的，含有光波偏振状态的电场测量模型。搭建了电场测量实验平台，通过不同频率、不同交直流含量条件下外电场的实测，对测量系统在交直流混合场下的工作特性进行了较为系统的分析。最后依据该模型设计制作了加装偶极子天线的电场传感器，并测试了其性能。. 结果表明：M-Z型传感器的光波导结构具有π/2固有相位差，其输出功率与待测电场成线性关系，影响其测量误差的因素有光源波长、电极尺寸以及天线尺寸等；所设计单臂直列光路结构在10-5000Hz的频率范围内，均可正常工作。交直流混合场中的直流分量对测量结果有一定影响，导致测量系统的增益下降，且直流分量越大，增益下降趋势越明显；设计的传感器插入损耗小、性能稳定等优点。控制晶体通光长度可以使其具有π/2固有相位差，替代了1/4波片的作用。