一種光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置的製作方法

2023-12-09 19:46:31 2

本發明屬於光纖測量技術領域，具體涉及到一種可用於在線監測光纖陀螺環的纏繞質量的光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置。

背景技術：

作為導航、制導領域的重要傳感單元和互易效應的典型應用，陀螺儀以其獨有的優點被廣泛應用。相對於傳統機械陀螺，光纖陀螺具有質量輕、體積小、抗電磁幹擾等優勢。其中的關鍵敏感元件——光纖陀螺環的製作工藝的穩定性和可靠性將直接影響了光纖陀螺整機質量和導航精度。根據薩格納克(Sagnac)效應，我們知道光纖陀螺環中正向傳輸光和反向傳輸光，需要經過完全相同的光程信息才能進行精確的導航。1980年，Shupe等人發現在環境中溫度的變化能夠引起光纖陀螺的非互易性，從而導致較大的陀螺漂移。光纖陀螺環中正向傳輸光和反向傳輸光的光程不一致性，稱為影響光纖陀螺性能的重要因素。

關於如何降低光纖陀螺環由熱導致的非互易效應，已經提出了較多的解決方法。2012年，北京航空航天大學的宋凝芳等人公開了一種用於光纖陀螺的上下對稱交叉繞制光纖陀螺環結構(中國專利申請號：201210043894.3)。光纖線圈分為上下兩部分，且均有一側無結構約束，在振動與溫度變化的條件下不會受到擠壓；通過交叉，兩側線圈均含有相同長度的正反向光纖，從而使得軸向與徑向的溫度梯度對光纖產生的溫度調製相等。光纖陀螺環的對稱繞制方法在一定程度上改善了其正向反向的瞬態特性。然而，光纖陀螺環關於繞制光纖中心點的輕微不對稱性就會在很大程度上削弱對稱繞法的優勢。2012年，北京航空航天大學的楊德偉等人公開了一種光纖陀螺環偏振串音估計與對稱性評價方法(中國專利申請號：CN201210359805.6)。在測量光纖陀螺環偏振耦合強度分布的同時，利用波長掃描法得到待測光纖的雙折射色散係數，建立偏振串音估計模型，判斷光纖陀螺環中點，得到中點左右側偏振串音數據，將偏振串音值作為評價光纖陀螺環繞制對稱性的參考指標。該發明應用於測量多種保偏光纖的繞制，便於優化選擇陀螺用料光纖，對評估和指導優化光纖陀螺的溫度性能有重要意義。

光相干域偏振技術(OCDP)是一種極其優越的分布式測量技術。他通過掃描式光學幹涉儀進行光程補償，實現不同耦合模式間的幹涉，可定位繞制光纖內部缺陷的位置，利用幹涉強度分析缺陷點的偏振耦合強度。2011年，哈爾濱工程大學的楊軍等人公開了一種提高保偏光纖偏振耦合測量精度和對稱性的裝置和方法(中國專利申請號：201110118450.7)。通過光信號可控換向機構，可實現待測光纖陀螺環分別正向和反向測量。本發明提供了一種能減小雙折射色散對測量精度的影響，對於光纖陀螺環的參數測量與性能評價具有非常重要的實用價值。同年，哈爾濱工程大學的楊軍等人又提供了是一種減小雙折射色散對保偏光纖偏振耦合測量影響的裝置(中國專利申請號：CN201110118127.X)。本發明利用一隻半反半透偏振旋光器，將寬譜光平均分成兩束，實現了同時從正向和逆向通過待測光纖，利用同一偏振耦合檢測裝置，能夠同時獲得掃描位置對稱的兩幅偏振耦合測量數據。

然而，上述提到的測量方法雖然能夠實現正向、反向的測量或者評價光纖陀螺的對稱性：宋凝芳等人的波長掃描法只是測得了光纖陀螺環的左側和右側區間偏振耦合的一個平均值，沒有辦法實現分布式測量；楊軍等人可控換向機構沒有實現同時性，並不能排除時間不一致時的溫度等環境參數不一致帶來的影響；半反半透偏振旋光器雖然實現了同時性，但是正向、反向測量並非是完全的相同路徑。這些基於OCDP技術的方案，缺乏一定的可行性，在線的實時監測效果大大降低，在分析光纖陀螺環全溫特性時也缺乏有效的評價標準。因此，需要一種新的方法來評價光纖陀螺環的對稱性和繞環質量，對用料光纖的選擇和繞環工藝的改進提供實時有效的監測和必要的指導。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種實現對光纖陀螺環的偏振耦合與對稱性的定量評估，對光纖陀螺環的正向和反向進行同時測量的光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置。

本發明的目的是這樣實現的：

一種光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置，包括光源裝置10、測試裝置11、第一光程相關器12A、第二光程相關器12B、差分探測裝置13、光電信號轉換與信號記錄裝置14。

測試裝置11中包括待測器件110、與待測器件110兩端相連接的第1環行器113A和第2環行器113B、第1起偏器111A和第1檢偏器111B、第2起偏器112A和第2檢偏器112B；

第1環行器113A和第2環行器113B具有相同的物理參數，待測器件110的兩端分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第2埠連接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度，二者分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第1埠連接；第1檢偏器111B和第2檢偏器112B具有相同的檢偏角度，二者分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第3埠連接；

寬譜光源101經由第1耦合器103平均分光到測試裝置11；兩束光分別經由待測器件110的兩端輸入，同時產生正向、反向的兩組信號；由第一光程相關器12A、第二光程相關器12B 進行掃描；最後輸出兩幅掃描位置對稱的偏振耦合信號，實現對待測器件110的正向、反向同時測試。

光源裝置10中的寬譜光源101，經由第1耦合器103平均分光到測試裝置11中進行偏振耦合測試；光源裝置10中的校正光源102經由第2耦合器104平均分光到第一光程相關器12A、第二光程相關器12B中進行掃描位置校正；

第1光程相關器12A由第3耦合器121A、第4耦合器122A、第3環行器123A、第1準直透鏡124A和掃描臺125組成；寬譜光源101經由待測器件110及測試裝置11中的器件通過第2檢偏器112B和第3耦合器121A輸入端連接；校正光源102通過第2耦合器104和第3耦合器121A另一個輸入端連接；第4耦合器122A的兩個輸出端分別與第一差分探測器130A、第二差分探測器130B連接；經過數據採集卡141進行數據採集，傳輸到上位機142輸出偏振耦合信號；

第2光程相關器12A與第1光程相關器12A除了共用掃描臺125，其他器件的物理參數對應一致。

所述的第1環行器113A和第2環行器113B，是三埠器件，光只沿一個方向傳播；信號若從第1埠71A輸入，則只能從第2埠71B輸出；而信號從第2埠71B輸入，則只能第3埠71C輸出；反之，均不可傳輸。

測試裝置21中包括待測器件110、與待測器件110兩端相連接的正向耦合器214A和反向耦合器214B、第1起偏器111A和第1檢偏器111B、第2起偏器112A和第2檢偏器112B、第1隔離器213A和第2隔離器213B；

待測器件110的兩端分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的一端連接；第1隔離器213A和第2隔離器213B的輸出埠72B分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端連接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度，二者分別與第1隔離器213A和第2隔離器213B的輸入埠72A連接；第1檢偏器111B和第2檢偏器112B具有相同的檢偏角度，二者分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端連接。

所述的第1隔離器213A或第2隔離器213B從第1埠輸入，從第2埠輸出，光只能沿一個方向傳播，反之不可傳輸。

本發明的有益效果在於：

1.能夠同時實現光纖陀螺環的缺陷點的偏振耦合信息的正向和反向測量，抑制了光纖陀螺環對稱點色散影響不一致性帶來的測量誤差，該結構簡單有效；

2.降低了光纖陀螺環偏振耦合測量裝置的測試時間，測量效率高，消除溫度等環境因素的影響；

3.能夠準確地獲得光纖陀螺環的偏振耦合對稱性。由於能夠同時進行正向和反向測量，可以同時得到保偏光纖的兩幅關於中點對稱的分布式偏振耦合測量結果。

附圖說明

圖1是一種環行器型的光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置示意圖；

圖2是一種耦合器型的光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置示意圖；

圖3是環行器和耦合器的結構示意圖；

圖4是典型的光纖陀螺環偏振耦合的評估裝置示意圖；

圖5是光纖陀螺環正向測量和反向測量的簡化光路方案；

圖6是光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置輸出的偏振耦合信號。

圖7是測量裝置示意圖。

具體實施方式

以下結合實施例和附圖對本發明作進一步描述。

本發明提出了一種光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置。其特徵是將裝置使用的白光光源平均分成兩束；利用具有方向性的光學器件分別注入到待測光纖陀螺環的正向和反向；然後共用同一掃描臺的兩套相對獨立的幹涉儀進行掃描；最後利用光學相干域偏振測量技術，同時獲得掃描位置對稱的兩幅偏振耦合測量數據。本裝置結構簡單，測量精度高，能夠減小雙折射色散對保偏光纖偏振耦合測量的影響。本發明對於光纖陀螺環的偏振耦合測量與對稱性能評估具有重要的實用價值，可用於改進光纖陀螺環繞制工藝和優化光纖陀螺製作流程。

裝置包括光源裝置10、測試裝置11、光程相關器12A和12B、差分探測裝置13、光電信號轉換與信號記錄裝置14，其特徵是：

(1)測試裝置11中包括待測器件110、與待測器件110兩端相連接的第1環行器113A和第2環行器113B、第1起偏器111A和第1檢偏器111B、第2起偏器112A和第2檢偏器112B。

(2)第1環行器113A和第2環行器113B具有相同的物理參數，待測器件110的兩端分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第2埠71B連接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度等其他物理參數，二者分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第1埠71A連接；第1檢偏器111B和第2檢偏器112B具有相同的檢偏角度等其他物理參數，二者分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第3埠71C連接。

(3)寬譜光源101經由第1耦合器103平均分光到測試裝置11；兩束光分別經由待測器件110的兩端輸入，同時產生正向、反向的兩組信號；由兩套相對獨立的、共用掃描臺125的光程相關器12A和12B進行掃描；最後輸出兩幅掃描位置對稱的偏振耦合信號143A和143B，實現對待測器件110的正向、反向同時測試。

所述的一種光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置，其特徵是：

(1)光源裝置10中的寬譜光源101，經由第1耦合器103平均分光到測試裝置11中進行偏振耦合測試；光源裝置10中的校正光源102經由第2耦合器104平均分光到兩個光程相關器12A和12B中進行掃描位置校正。

(2)第1光程相關器12A由第3耦合器121A、第4耦合器122A、第3環行器123A、第1準直透鏡124A和掃描臺125組成；寬譜光源101經由待測器件110、及測試裝置11中的相關器件通過第2檢偏器112B和第3耦合器121A輸入端連接；校正光源102通過第2耦合器104和第3耦合器121A另一個輸入端連接；第4耦合器122A的兩個輸出端分別與差分探測器130A和130B連接；經過數據採集卡141進行數據採集，傳輸到上位機142輸出偏振耦合信號143A和143B。

(3)相對獨立的第2光程相關器12A與第1光程相關器12A除了共用掃描臺125，其他器件的物理參數對應一致。

所述的環行器113A或113B，是三埠器件，光只能沿一個方向傳播。信號若從第1埠71A輸入，則只能從第2埠71B輸出；而信號從第2埠71B輸入，則將從第3埠71C輸出；反之，均不可傳輸。

所述的一種光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置，其特徵是：

(1)測試裝置21中包括待測器件110、與待測器件110兩端相連接的正向耦合器214A和反向耦合器214B、第1起偏器111A和第1檢偏器111B、第2起偏器112A和第2檢偏器112B、第1隔離器213A和第2隔離器213B。

(2)待測器件110的兩端分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的一端連接；第1隔離器213A和第2隔離器213B的輸出埠72B分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端連接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度等其他物理參數，二者分別與第1隔離器213A和第2隔離器213B的輸入埠72A連接；第1檢偏器111B和第2檢偏器112B具有相同的檢偏角度等其他物理參數，二者分別與正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端連接。

所述的一種光纖陀螺環偏振耦合的隔離器213A或213B，從第1埠72A輸入，從第2埠72B輸出，光只能沿一個方向傳播，反之不可傳輸。

一般地，傳統的光纖陀螺環偏振耦合測量裝置如附圖4所示。對保偏光纖中不連續點偏振耦合評估，採用的是光學相干域偏振測量裝置。寬譜光源(SLD)101發出的光依次通過起偏器411A、待測器件110、檢偏器411B，與馬赫澤德幹涉儀(MZI)42連接，進而連接差分探測裝置43，最後與幹涉信號檢測與處理裝置14連接；另外，校正光源102用於馬赫澤德幹涉儀42中位移臺425的位移校正；經過數據採集卡441進行數據採集，傳輸到上位機442輸出偏振耦合信號442，其只包含待測器件110的正向信息。

本發明中提到的光纖陀螺環偏振耦合的對稱性評估裝置是從正向、反向同時對保偏光纖的偏振耦合同時地各測量一次。如附圖5是其雙向同時測量的簡化光路方案。假設待測器件110為熊貓型保偏光纖，長度為L，其中慢軸的折射率為nslow，快軸的折射率為nfast，則保偏光纖的快慢軸的折射率差為Δn＝nslow-nfast。假設傳輸光均從慢軸輸入，距離待測器件110頭端x距離位置有一個缺陷點。在距離頭端x處偏振光會發生耦合，少量的傳輸光從慢軸耦合到快軸中。

在正向測量和反向測量路徑中，未發生耦合的傳輸光走過的光程均可表示為

S傳輸＝nslow L， (1)

正向測量路徑中，耦合光走過的光程51可以表示為

S耦合_正向＝nslow x+nfast(L-x)， (2)

反向測量路徑中，耦合光走過的光程52可以表示為

S耦合_正向＝nslow(L-x)+nfast x。 (3)

對於正向測量，由公式(1)和(2)可知，傳輸光和耦合光的光程差為

ΔS正向＝Δn·(L-x)， (4)

對於反向測量，由公式(1)和(3)可知，傳輸光和耦合光的光程差為

ΔS反向＝Δn·x。 (5)

在附圖5中，有關於光纖陀螺環中點53(長度為L/2)對稱的兩個缺陷點——近頭端缺陷點54(長度為x1)和近尾端缺陷點55(長度為x2)，即有如下關係

L/2-x1＝x2-L/2。 (6)

一般地，除了環境因素影響外，光纖中的色散影響跟長度相關。正向測量時，經過待測光纖的近頭端缺陷點54的耦合光與傳輸光的光程差，比經歷近尾端缺陷點55的長，因此色散對近頭端缺陷點54的影響較大。

此時，對於近頭端缺陷點54採用正向測量時，根據公式(4)和公式(6)，傳輸光和耦合光的光程差為

ΔS正向＝Δn·(L-x1)， (7)

對於近尾端缺陷點55採用反向測量時，根據公式(5)和公式(6)，傳輸光和耦合光的光程差為

ΔS反向＝Δn·x2＝Δn·(L-x1)。 (8)

由公式(7)和公式(8)可知，在上述光路方案中，正向和反向同時測量得到的關於偏振耦合點的位置信息，是關於光纖中點對稱的。光纖中的色散對於光纖陀螺環中心對稱缺陷點的影響是一樣的，即採用本發明提出的偏振耦合測量裝置不僅能達到同時測量的目的，還消除了測量時色散帶來的影響。

應用實施例1

測量裝置如附圖1所示，器件參數選擇如下：

(1)寬帶光源101的中心波長1550nm，半譜寬度45nm、出纖功率大於5mW，消光比大於6dB；

(2)待測光纖器件110為500m熊貓型保偏光纖；

(3)第1起偏器111A、第1檢偏器111B、第2起偏器112A和第2檢偏器112B的工作波長為1550nm，消光比大於20dB，插入損耗小於3dB；

(4)第1環行器113A和第2環行器113B為三埠保偏環行器，其他環行器123A和123B為三埠單模光纖環行器，其回波損耗大於55dB，插入損耗小於1dB；

(5)光纖耦合器103、104、121A、121B、122A、121B的工作波長為1310/1550nm，分光比50：50，插入損耗小於0.5dB；

(6)準直透鏡124A和124B的工作波長為1550nm；

(7)位移臺125中所用反射鏡的直徑為20mm，平均反射率大於95％。

綜合以上條件，測得偏振耦合信號如附圖6所示，其中附圖6(a)和6(b)分別為500m的光纖陀螺環正向測量結果和反向測量結果。簡單起見，我們各以頭端和尾端的3個典型缺陷點引起的偏振耦合峰為例進行分析。附圖6(a)中特徵峰61、62、63分別對應附圖6(b)中的特徵峰61』、62』、63』，附圖6(a)中特徵峰64、65、66分別對應附圖6(b)中的特徵峰64』、65』、66』。由於光纖陀螺環頭端引起的特徵峰(例如64、65、66)由於受到色散影響較大，峰值展寬幅值降低，與尾端引起的特徵峰比較會引起較大誤差。相應地，若與附圖6(b)中的相應掃描光程差位置的特徵峰相比較，可得到光纖陀螺環的對稱性信息。

應用實施例2

測量裝置如附圖7所示，除了測試裝置71與附圖1中測試裝置11不同之外，其餘部分兩個裝置基本相同。

(1)測試裝置71中包括待測器件110、與待測器件(110)兩端相連接的第1環行器113A和第2環行器113B、起偏器710、耦合器711、第1檢偏器111B、第2檢偏器112B。

(2)第1環行器113A和第2環行器113B具有相同的物理參數，待測器件110的兩端分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第2埠連接；耦合器711的兩個輸出端分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第1埠連接，耦合器711的輸入端與起偏器710連接；第1檢偏器111B和第2檢偏器112B具有相同的檢偏角度等其他物理參數，二者分別與第1環行器113A和第2環行器113B的第3埠連接。

(3)寬譜光源101與測試裝置71中的起偏器710輸入端連接；經由待測器件110的兩端同時產生正向、反向的兩組信號，由兩套相對獨立的、共用掃描臺125的光程相關器12A和12B進行掃描；最後輸出兩幅掃描位置相反的偏振耦合信號143A和143B，實現對待測器件110的正向、反向同時測試。

器件參數選擇與應用實施例1類似，通過測量，可以得到附圖6相同的偏振耦合信號。