CN101339093A - 光纤陀螺用光纤环质量的测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤陀螺用光纤环质量的测量方法及其装置，属于光学测量、光纤传感技术领域。该方法包括：对光纤环分别施加径向和轴向温度激励(恒功率加温、周期功率加温或非周期功率加温)并测量光纤环瞬态温度特性；获取光纤环瞬态温度特性的检测信号，结合光纤环三维数学模型的数值仿真结果，对采集的数据进行分析和处理，获取量化的光纤环缠绕径向和轴向等效不对称度的信息；该装置包括：测量光源，具有三端口的光学装置，Y波导，光探测器，信号发生器，电信号放大电路，可控加热装置、控制电路和一套控制与计算软件；本发明既可以高精度、方便、快捷地对光纤环的温度对称性进行质量测定，还可不用通过安装好光纤陀螺成品，确定光纤环的动态特性，有利于实现光纤环的批量生产与检测。

Description

光纤陀螺用光纤环质量的测量方法及其装置

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感技术领域；特别涉及利用温度瞬态变化，检测角度变化光纤传感器(又称光纤陀螺)所使用的光纤环质量的检测装置和方法。

背景技术

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的传感核心，它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环检测方法(例如凭借消光比来评判保偏光纤环的优劣)不能完全反映出光纤环的缠绕质量，具有局限性。

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)基于Sagnac效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。一束光进入光纤环的闭合光路中，被分成两束在同一光路中沿闭合光路相对传播，当光路不发生旋转的时候，两束光会同时回到光的初始注入点，这种情况下，光路的特性称之为是具有互易性(光从两个方向入射的效果是相同的)。在光路发生转动的时候，与旋转同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(这个时候的光路被称之为具有非互易性)。从而产生了与转动角速度成正比的光程差。这个光程差可以通过干涉法测量，这种光路中的相位变化可通过光电探测器将干涉信号转变成电压信号输出来检测。由于输出信号与转动引起的相位差呈余弦函数关系，为了获得高灵敏度，需要调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。

光纤陀螺与以往陀螺仪(如传统的机械陀螺)相比，具有无机械转动部件，灵敏度高等特点；与微机电陀螺仪相比，在技术指标和环境适应性上具备优势；与激光陀螺相比，它无需超高精度光学加工，不需要机械偏置和高压，不必采用高性能气体密封，容易制造，易于集成，寿命更长。光纤陀螺是众多种陀螺中唯一的没有活动部件的陀螺，它以固定状态工作，并能在恶劣的环境中长寿命正常工作(上百万小时)，这是机械式陀螺和激光陀螺无法企及的。

光纤环是光纤陀螺的传感核心部件，它对光纤陀螺来说，既是提高精度的重要途径，同时也是主要影响精度的因素。光纤环在绕制过程中需采用特殊缠绕方式、精密绕制技术、完善的封装工艺，来保证光纤环具有高质量的静态特性(低的偏振串音、低的插入损耗等)和高质量的瞬态特性(抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响)。

光纤环在具体的应用中会受到由机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，当环境干扰对相向传播的两束光信号影响不同时，会产生附加相位漂移误差。这种瞬态效应会妨碍Sagnac相位差的精确检测，实际应用中温度梯度造成的瞬态效应尤为突出。

当沿着光纤环存在着一个随时间变化的温度分布梯度时，光纤陀螺就会产生热导致的非互易性相位误差，这种因为热导致的非互易性称之为热致非互易性，表达这种非互易性相位误差程度的参数可称之为热致非互易性参数。这种由温度梯度造成的瞬态效应被称之为Shupe效应。Shupe效应主要的扰动来自温度梯度造成的折射率变化。

为提高光纤陀螺的精度，必须减小温度梯度干扰对重组光信号的影响。通常温度梯度干扰不能被消除，但可通过改善光纤环性能和结构来最大限度的抑制干扰的影响。

光纤环的绕制工艺直接决定了光纤环的缠绕质量。例如，光纤环绕制不对称易产生热致非互易性相移；光纤环绕制技术不完善会导致光纤环插入损耗增大和保偏光纤环出现消偏性；光纤环绕制过程中的应力(缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等)造成光纤环性能下降和应力产生的非互易性相移，等等。这些均作为光纤环路中的光路缺陷，对传输于光纤环中光波相位产生影响，从而降低光纤陀螺的整体精度。

由于光纤非常细，且无色透明，只从外观查看是很难检查出光纤环缠绕质量。目前光纤陀螺研究单位和光纤陀螺生产厂商主要凭借保偏光纤环在静态下的消光比或是偏振度(常温和全温)来判定光纤环优劣，这种方法具有一定的识别性，但由于它实际上只是测量光纤环在所受各种应力作用下产生的寄生偏振耦合的总体影响，并不能完全表征保偏光纤环的缠绕质量(例如光纤环的对称性)，因而具有局限性。目前利用白光干涉仪法可以测量出保偏光纤环中的偏振耦合的分布，利用基于布里渊散射技术的光纤应力分析仪可以获得保偏光纤环的应力分布，这些技术进一步反映了保偏光纤环缠绕质量，但是本质上仍然属于静态特性测量，且均属于间接测量。目前相对保偏光纤环的检测而言，针对消偏光纤环缠绕质量的检测手段更是缺乏。事实上，无论保偏还是消偏光纤环的瞬态特性比其静态特性更为重要，例如保偏光纤环的消光比高，但光纤环缠绕的对称度不好(如绕制层数不对)，就会导致其瞬态特性差，这就不是一个高质量的光纤环，选用这样的光纤环作为光纤陀螺的部件，会严重影响光纤陀螺的精度，这将不利于高精度陀螺的研发和陀螺的批量生产。

也有单位尝试过采用恒温箱加热光纤陀螺的方法，测量光纤陀螺的温度特性。但是，由于采用的是将整个已经成型的光纤陀螺放进恒温箱的加热方法，存在着两个重要缺陷：1、恒温箱会很快使光纤陀螺达到热平衡，因而测量不到具有实际意义的温度瞬态特性；2、由于光纤陀螺的其它部件(包括光源、电路、Y波导、光无源器件等)同时放进了恒温箱，这些部件在受热后，工作特性都会受到干扰，所以无法从众多因素中，通过所获得的数据判定光纤环质量。

目前还没有对光纤环的瞬态温度特性的检测方法及装置的报导。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种光纤陀螺用光纤环质量的测量方法及其装置，并通过对瞬态特性的测试得出量化的光纤环径向、轴向缠绕等效不对称度的信息。本发明既可以高精度、方便、快捷地对光纤环的温度对称性进行质量测定，同时还可以利用本发明装置，不用通过安装好光纤陀螺成品，既可以确定光纤环的动态特性，有利于实现光纤环的批量生产与检测。

本发明首先提出一种光纤陀螺用光纤环瞬态温度特性测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待测光纤环接入光纤环测量系统；

2)对光纤环施加热激励；

3)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

4)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

本发明提出第二种光纤陀螺用光纤环质量的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

131)测量待测光纤环的本征频率；

132)将待测光纤环接入光纤环测量系统，并使光纤环测量系统的调制频率为所述本征频率；

133)对光纤环施加热激励；

134)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

135)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

本发明提出的实现上述测量方法的测量装置，其特征在于，该检测装置包括：

一个测量光源，用来提供测量光束；

一个具有三端口的光学装置，当光从第一端口输入，则从第二端口输出，当光从第二端口输入则从第三端口输出；该光学装置的第一端口用来接收所述光源发出的测量光；

一个Y波导，从该Y波导一侧的单独端口1接收所述具有三端口的光学装置第二端口处的光束输入，并在Y波导中被分成两束光从另外一侧的两个端口(端口2、端口3)输出，并输送到与被测光纤环的两个光纤头中；

一个光探测器，该光输入端和三端口的光学装置的第三端口连接，接受来自三端口的光学装置第三端口的输出光，并转换成电信号后从电输出端输出；

一个信号发生器，连接在Y波导的电调制输入端，用来给Y波导提供一个调制信号；

一个电信号放大电路，与光探测器进行连接，用来将光探测器产生的电信号进行放大；

一个可控加热装置，用来给被测光纤环提供一个可控的热激励源；

一套控制电路，用来处理来自电信号放大电路的光电信号。

本发明的主要特点及有益的效果：

(1)提出了基于恒功率加温激励检测光纤环瞬态特性的方法。利用基于恒功率加温激励能够方便准确地得到光纤环对称性的信息。

(2)在恒功率加温激励的基础上提出了检测速度更快的周期功率温度波动激励检测光纤环瞬态特性参数的方法，该方法比恒温激励法更加快速、准确。

(3)提出了一种基于光纤环温度瞬态特性参数得出量化的光纤陀螺光纤环径向、轴向缠绕等效不对称度的方法。

(4)提出了一种新的高精度快速测量光纤环本征频率的方法，并实现了自动测试有利实现工程化。通过该方法可以快速、自动、准确的测量光纤环的本征频率，可在10s之内完成自动测试，且测量精度可保证0.01KHz。

(5)提出了光纤环三维数学模型，能够精确的模拟光纤环的温度响应，用于实现光纤环对称度量化指标的获取，使得判定光纤环质量直观而精确。

本发明的方法引入了检测光纤环温度瞬态特性的概念，从而可以实现光纤环温度特性的非使用场合的质量检测，克服了以前必须将光纤环安装到光纤陀螺当中进行实际应用才能检验光纤环质量的现状。该方法比恒温激励法更加快速、准确。

本发明装置的实现中，可以通过与计算机配套的用软件程序实现的模块，全面控制整个光纤环检测系统的工作，并快捷直接地计算出所需要的各种数据及光纤环质量最终结果，并可生成三维图像，使得整个测量过程直观、迅速、简单易操作。

附图说明

图1为本发明的光纤环温度瞬态特性检测装置实施例构成示意图；

图2本发明测控程序流程图；

图3为本发明中的光纤环本征频率快速精确的工作流程示意图；

图4(a)为采用本发明方法的数值模拟的径向温度激励作用下的温度场分布示意图；

图4(b)为采用本发明方法的径向温度激励产生的热致误差速率的计算和实测结果对比曲线图；

图4(c)径向温度激励产生的热致误差角度的计算和实测结果对比曲线图；

图5(a)数值模拟的轴向温度激励作用下的温度场分布示意图；

图5(b)轴向温度激励产生的热致误差速率的计算和实测结果对比曲线图；

图5(c)轴向温度激励产生的热致误差角度的计算和实测结果对比曲线图；

图6为采用本发明方法的光纤环长度不对称度与径向温度梯度产生的最终热致误差角度关系曲线图；

图7为采用本发明方法的光纤环长度不对称度与轴向温度梯度产生的最终热致误差角度关系曲线图；

图8为采用本发明方法的光纤环长度不对称度与径向周期温度瞬态特性解调信号振幅的关系曲线图；

图9为采用本发明方法的光纤环长度不对称度与轴向周期温度瞬态特性解调信号振幅的关系曲线图；

图10为采用本发明方法的是径向恒温温度激励方式下光纤环温度瞬态特性参数曲线图；

图11为采用本发明方法的轴向恒温温度激励方式下光纤环温度瞬态特性参数曲线图；

图12(a)为采用本发明方法的在径向周期波动温度激励下光纤环陀螺的输出信号；

图12(b)为采用本发明方法的由输出得到的光纤环温度瞬态特性参数曲线图；

图12(c)为采用本发明方法的对陀螺输出信号进行解调的信号；

图12(d)为采用本发明方法的解调信号的频谱构成；

图13(a)为采用本发明方法的在轴向周期波动温度激励下光纤环陀螺的输出信号；

图13(b)为采用本发明方法的由输出得到的光纤环温度瞬态特性参数；

图13(c)为采用本发明方法的对陀螺输出信号进行解调的信号；

图13(d)为采用本发明方法的解调信号的频谱构成。

具体实施方式

本发明的基本原理是，将一个待测光纤环接入到光纤陀螺系统着，通过测量不同转动角速度下的信号输出，得到一个针对该陀螺的转动和输出的关系，这个关系可以通过一个数学关系式进行表达(本发明为此建立了一个三维的数学模型；利用这个数学关系式，可以更直观准确地通过测量该光纤环的输出得知光纤环的转动情况)。再将光纤环处于静止状态，对其进行温度激励，如果光纤环的缠绕对称度不好，就会有对应转动的信号输出，这时候将这样的信号输出数值代入前面得到的关系式中，可以反求出光纤环的“转动”参数(该参数其实并非光纤环真正发生了转动，而是由于光纤环的不对程度在温度激励的情况下引起的误差)，该参数就是反映该光纤环不对程度乃至表现该光纤环质量的重要标志。整个测量如果工作在本征频率调制情况下，测量效果会最好。

依据上述基本原理，本发明提出的方法及装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的装置实施例详细说明如下：

本实施例的结构如图1所示，该装置包括：

一个发出一束测量光束的光源201，本实施例所采用的是General Photonics公司SLD-101型号激光光源。光源201发出的光束经过光纤传输到一个光环行器202，并从端口1输入(本实施例所采用的光环行器是普通光通信商用光环行器；光环行器的工作特征为：当光从第一端口输入，会从第二端口输出，光从第二端口输入会从第三端口输出，从第三端口输入会从第一端口输出)，从端口2输出，并通过光纤传导输入到一个Y波导203的端口1(本实施例所采用的Y波导是普通光通信商用Y波导；Y波导的工作特征为：当光从第一端口输入，会分成两路分别从第二端口、第三端口输出，光从第二端口或第三端口输入，均会从第一端口输出。同时，通过电信号输入端口，可以对在Y波导中传输的光进行调制)；从端口1输入Y波导203的光束通过Y波导203分成两束光，分别从端口2和端口3输出；一个被测光纤环204的两个光纤端口分别和Y波导203的端口2和端口3连接；一个信号发生器206的信号输出端口和Y波导203的电信号输入端口连接(本实施例所采用的信号发生器为电子技术领域一般商用的信号发生器)；一个光探测器205，其光输入端连接在光环行器202的端口3，接受来自光环行器202的端口3的输出光，并将该光信号转换成电信号。一个锁相放大器208连接在光探测器205和一个GPIB总线端口209之间(本实施例所采用的GPIB总线端口为一般电子控制技术中通用的GPIB总线方式)，将从光探测器205接受到的电信号放大后，传输到GPIB总线端口209。一台实现控制电路的微机(电脑)210通过GPIB总线端口209对信号发生器206和锁相放大器208进行控制并接收数据，同时还与一套温度激励源207通过串行接口进行连接(本实施例的温度激励源采用可弯曲硅胶加热片并根据光纤环外形尺寸自制而成，该加热片可在通电后产生加热，且加热速度和加热功率可以通过对电流的控制而实现温度激励的精确控制)，控制该温度激励源207的行为。温度激励源207包围被测光纤环204，并可以通过接受电脑210的指令，实现对光纤环204的径向温度激励、轴向温度激励等多种温度激励方式。

本发明提出的光纤陀螺用光纤环质量的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待测光纤环接入光纤环测量系统；

2)对光纤环施加热激励；

3)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

4)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

本发明方法采用上述装置中的微机配有的数据采集和控制装置模块实现，该模块用软件程序实现的实施例，其流程图如图2所示，该模块可以通过计算机，借助操作界面全面控制整个光纤环检测系统的工作。该模块的运行过程包括：待测光纤环熔接入测量系统后，先用4倍渡越时间进行方波调制，再用微调调制频率使得占空比为1∶1，这时候的频率的2倍即为本征频率，从而获得本征频率；再用本征频率对整个系统进行调制(本发明方法也可省略用本征频率对整个系统进行调制的步骤)，转动旋转台获取各种转速下的非互易性输出数据(这些数据将成为用来建立该光纤环计算不对称度的预知的对应关系的参数的基础数据)，再利用这些数据通过拟合的方法计算出各种转速和输出数据之间的对应关系式中的截距和斜率参数；再对光纤环进行温度激励，从而获得在各种温度激励情况下的热致非互易参数数据输出；(本实施例利用建立光纤环的温度及不对称度分布的三维数学模型的方式，并引入前面获得的截据和斜率参数，仿真出热致非互易性与光纤环不对称性的关系这时候，就得到了一个热激励情况下输出信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系)，再将上一步所获得的热致非互易性参数数据代入到此关系中，从而最终获得数字化表示的光纤环缠绕不对称度。

本发明的另一种利用测量瞬态温度特性来判定光纤陀螺用光纤环质量的测量方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)测量待测光纤环的本征频率；

2)将待测光纤环接入光纤环测量系统，并使光纤环测量系统的调制频率为所述本征频率；

3)对光纤环施加热激励；

4)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

5)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

其中本征频率的测量过程具体包括：

1)以光纤环的总长度推算出大致的理论渡越时间，并以该理论渡越的四倍作为调制方波的初始周期；

2)对所述的方波信号的多个周期进行采集，得到M个采样点，M为正整数；

3)将采集的M个点中的最大值与最小值的和的一半做为阈值，计算M个点中大于阈值点个数作为方波正脉冲点数，小于阈值点的个数作为负脉冲点数；

4)若正负脉冲点数差为正时，则增大调制方波的周期；若正负脉冲点数差为负时，则减小调制方波的周期；

5)对步骤1314)得到的周期，重复步骤1312)～1314)，直到正负脉冲点数差趋于零，此时的调制方波的周期为光纤环渡越时间的四倍，即获得光纤环本征频率。

该方法采用上述装置的实施例详细说明如下：

将一个总长度为1345m，32层，16极绕法的保偏光纤环熔入图1所示的检测系统，该系统系严格按照高精度光纤陀螺系统的要求选择器件，使其构成完整的陀螺系统。并根据该光纤环的特征与进行数值模拟径向、轴向温度激励作用下的温度场分布，参见图4a，5a，其中，图4(a)为采用本发明方法的数值模拟的径向温度激励作用下的温度场分布，由温度场分布得到径向、轴向温度激励时得到的理论热致误差速率及热致误差角度，图5(a)数值模拟的轴向温度激励作用下的温度场分布。

采用上述装置的光纤环瞬态温度特性的检测方法实施例，包括以下步骤：

1)测量并获取待测光纤环本征频率；

在拿到一个待测的光纤环以后，首先要测量它的本征频率，测量本征频率的主要目的，是要让以光纤环和所述的检测装置构成的陀螺系统在检测过程中，工作在这个本征频率下，从而可以实现最佳工作状态。

测试光纤环本征频率快速精确的测量的实现方法实施例为：计算机通过GPIB控制信号发生器使其发出周期为4倍光纤环理论渡越时间的方波，对Y波导进行调制，采集卡采集系统的输出，计算机将采集的数据中的最大值与最小值和的一半作为阈值，大于阈值的记为方波正脉冲点数，小于阈值的记为方波负脉冲点数，将方波正脉冲点数与负脉冲点数差值作为反馈对信号发生器输出的方波调频，以使点数差值为零。此时的系统输出就为占空比为1∶1的方波，此时信号发生器的输出方波频率就为光纤环本征频率的一半。反馈的控制快速地精确地实现了光纤环本征频率的提取。

本征频率的提取实施例具体包括以下步骤：

11)以光纤环的总长度1345m，推算出大致的理论渡越时间，并以此理论渡越的四倍作为信号发生器206输出的调制方波的初始周期；

12)设置数据采集卡211的采样率为303KHz，采集光探测器205输出的一个周期的方波信号，一次采集100000个点送入计算机210。

13)将采集的100000个点中的最大值与最小值的和的一半做为阈值，计算100000个点中大于阈值点个数作为方波正脉冲点数，计算100000个点中小于阈值点的个数作为负脉冲点数，并以正负脉冲点数差作为反馈通过GPIB端口209调节信号发生器的调制方波的周期。

14)当正负脉冲点数差为正时，增大信号发生器输出调制方波的周期；当正负脉冲点数差为负时，减小信号发生器输出调制方波的周期。

15)对步骤14)得到的周期，重复上述步骤12)-14)随着调制周期的调节此正负脉冲点数差会越来越趋于零，此时信号发生器输出的调制方波的周期就是光纤环渡越时间的四倍，实现对光纤环本征频率的快速精确测试。

本实施例中用以上方法对该光纤环的本征频率的测试结果为78.25KHz。

2)对待测光纤环进行标定，并通过测量到的标定因数形成该光纤环的计算不对称性的关系式；

其标定的主要过程为：将待测光纤环接入光纤陀螺系统中(本实施例采用的光纤环测量系统本身就具有光纤陀螺工作特征)，使待测光纤环以各种确定的速度旋转(包括速度为0)，将测量光束入射到待测光纤环的两个端口，对该光纤环两端口输出的干涉光信号用所述本征频率进行调制，获得该光纤环在各种速度、各种角度下的光信号作为光纤环定标的标度因数；

本实施例是在完成本征频率测量后，即将本装置和光纤环构成的陀螺系统放在一个精密的旋转台上进行标定，也就是将陀螺系统转动某一个角度或者某一个角速度，记录其对应的一系列光信号输出，从而获得这个光纤环所对应的陀螺系统的标度因数。整个标定过程陀螺系统都是工作在本征频率状态下。

标定具体实施过程包括以下步骤：

21)设置需要标定的最大的正转、反转动角速度的范围；

22)将最大正转、反转角速度范围内以等间距或不等间距取多个速度值；

23)测量待测光纤环在每个转动角速度时的信号输出；

本实施例所获得的具体标定时的角速度值如下：0.000000°/s，0.014308°/s，0.028616°/s，0.042924°/s，0.057232°/s，0.071540°/s，0.085848°/s，0.100156°/s，0.114465°/s，0.128773°/s，0.143081°/s，0.157389°/s，0.171697°/s，0.186005°/s，0.200313°/s，0.214621°/s，0.228929°/s，0.243237°/s，0.257545°/s，0.271853°/s，0.286161°/s，-0.014308°/s，-0.028616°/s，-0.042924°/s，-0.057232°/s，-0.071540°/s，-0.085848°/s，-0.100156°/s，-0.114465°/s，-0.128773°/s，-0.143081°/s，-0.157389°/s，-0.171697°/s，-0.186005°/s，-0.200313°/s，-0.214621°/s，-0.228929°/s，-0.243237°/s，-0.257545°/s，-0.271853°/s，-0.286161°/s；

利用所获得的标定因数以及各个转动角速度值，可以将得到的各个转动角速度转动时的信号输出进行线性拟合，从而得到的拟合斜率作为标度因数，得到的截距作为线性拟合的截距，最终获得该光纤环在陀螺系统中转动和信号输出的关系式。

3)控制温度激励源对静止状态的所述光纤环施加温度激励；将所述测量光束入射到该光纤环的两个端口，使待测光纤环在测量系统中保持陀螺工作状态；对该光纤环两端口输出的干涉光信号用所述本征频率进行调制，得到该光纤环在瞬态温度激励情况下的光信号作为检测信号。

具体说明如下：完成标定后，在陀螺系统静止不转动的情况下，对光纤环进行热激励(对光纤环施加的温度激励可以是分别向光纤环采用径向和轴向的温度激励；采用恒功率加温和功率周期波动变化加温的激励方法)。如果是一个理想的光纤环，这时候的光信号输出应该对应着刚才标定过程中陀螺系统静止状态下的光信号输出。但是，当光纤环的缠绕质量存在问题的时候(或者说光纤环是一个非理想情况)，尽管此时陀螺系统处于静止状态，在热激励的作用下，则会有对应旋转某一个角度或者按照某一个角速度旋转所对应的光信号输出(该输出既可作为判定光纤环的检测信号)。这就说明，当这个光纤环构成实际光纤陀螺后，在外界温度变化的时候，会产生角度测量误差。这一测量过程也是要工作在本征频率下进行。

4)将所述标度因数与检测信号进行分析和处理，获取量化后的光纤环缠绕等效不对称度的信息，其中包括径向和轴向缠绕等效不对称度，从而判定光纤环的质量；

该步骤中主要是将不同温度激励方式下的各种光信号输出检测数据，采集并进行运算处理，便可计算出这个光纤环的瞬态温度特性的好坏，并可以根据瞬态温度特性的好坏，计算出光纤环的缠绕不对称性，从而判断出这个光纤环的缠绕质量。这其中包括将采集到的数据代入步骤2)中拟合出来的线性关系，利用该线性关系(拟合的斜率和截距参数)计算出由于温度激励产生的转动误差。

步骤4)具体包括以下步骤：

41)将采集得到的检测输出信号进行滤波去噪；

42)将以恒功率加温激励得到的检测信号的滤波后的数据在时间上进行积分，得到反映光纤环径向和轴向对称性的数据，如图10、11，其中，图10为采用本发明方法的是径向恒温温度激励方式下光纤环温度瞬态特性参数曲线，图11为采用本发明方法的轴向恒温温度激励方式下光纤环温度瞬态特性参数曲线；将以功率周期变化温度激励测得的信号在时间上积分，其斜率正负用于判定等效不对称度正负，并将热致误差速率中周期温度响应提取出来进行周期解调得到周期温度响应振幅，用于表征光纤环径向和轴向对称性的信息，如图12、13其中，图12(a)为采用本发明方法的在径向周期波动温度激励下光纤环陀螺的输出信号；图12(b)为采用本发明方法的由输出得到的光纤环温度瞬态特性参数曲线；图12(c)为采用本发明方法的对陀螺输出信号进行解调的信号；图12(d)为采用本发明方法的解调信号的频谱构成；图13(a)为采用本发明方法的在轴向周期波动温度激励下光纤环陀螺的输出信号；图13(b)为采用本发明方法的由输出得到的光纤环温度瞬态特性参数；图13(c)为采用本发明方法的对陀螺输出信号进行解调的信号；图13(d)为采用本发明方法的解调信号的频谱构成。

本实施例创建了根据建立的待测光纤环三维数学模型的计算方法，来计算得到的光纤环长度不对称度与光纤环瞬态响应的关系(本实施例中恒温温度激励选取最终热致误差角度，功率周期变化温度激励方法选取周期振幅响应与长度不对称度建立关系)，本实施例的三维光纤环温度瞬态响应三维数学模型建立在三维柱面坐标系下，通过柱面坐标参数r、θ、z来全面表征光纤环的缠绕方式；三维光纤环数学模型的坐标原点选取在光纤环光纤中点处。三维光纤环数学模型将光纤环中的光纤以每匝长度进行离散，积分每一匝光纤对热致非互易性相移的贡献，并且温度信息在积分项内，每一匝中的光纤和相应温度信息都用三维柱面坐标参数r、θ、z表示，精确地描绘了实际光纤环中的排纤方式和温度信息之间的联系。累积每一匝光纤对热致非互易性相移的贡献，便可得到最终光纤环热致非互易性相移。这种三维建模方式不仅能够分析简单的光纤环均匀径向的温度梯度造成的非互易性相移，并且还能够很好的分析传统二维建模方法无法分析的复杂的光纤环径向、轴向及周向温度梯度造成的影响。利用这种计算方法，可以模拟各种径向和轴向温度激励下光纤环在不同长度不对称度下的温度响应，再根据实测得到的温度瞬态参数，通过三维光纤环数学模型反求光纤环长度不对称度，如此得的光纤环长度不对称度可称为光纤环绕制的径向和轴向等效不对称度。如图4(b)中的径向温度激励产生的热致误差速率的计算和实测结果对比曲线、图4(c)中的径向温度激励产生的热致误差角度的计算和实测结果对比曲线、图5(b)中的轴向温度激励产生的热致误差速率的计算和实测结果对比曲线图；图5(c)中的轴向温度激励产生的热致误差角度的计算和实测结果对比曲线。光纤环的长度不对称度定义为：光纤环实际绕制起点与理论绕制起点(光纤环光纤中点)之间的距离与光纤环光纤总长度一半的百分比。理论绕制起点若落在顺时针缠绕的光纤内，则光纤环的长度不对称度为正；理论绕制起点若落在逆时针缠绕的光纤内，则光纤环的长度不对称度为负。

5)建立三维光纤环数学模型及其计算方法具体包括以下步骤：

51)建立光纤环通用的三维热致误差速率表达式Ω_e(t)和热致误差角度积累表达式

如式(1)和(2)所示；

${\mathrm{\Ω}}_e\left(t\right)=\frac{2n}{\mathrm{LD}}\frac{\∂n}{\∂T}.$

$\{\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{CCW}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{\∂\mathrm{\ΔT}}{\∂t}{|}_{(r_i,\mathrm{\θ},z_i,t)}(r_i\mathrm{\θ}+s_{i0})\mathrm{d\θ}+\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{CW}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j{\∫}_{-2\mathrm{\π}}^0\frac{\∂\mathrm{\ΔT}}{\∂t}{|}_{(r_j,\mathrm{\θ},z_j,t)}(r_j\mathrm{\θ}-s_{j0})\mathrm{d\θ}\}---\left(1\right)$

式中n为光纤的有效折射率，L为光纤环长度，D为光纤环直径，为石英材料的折射率温度系数，i和j分别代表从光纤中点开始绕环逆时针绕制的第i圈和顺时针绕制的第j圈，N_CCW和N_CW分别为逆时针总圈数和顺时针总圈数，r_i和r_j分别为逆时针第i圈缠绕半径和顺时针第j圈缠绕半径，z_i和z_j分别为逆时针第i圈轴向尺寸和顺时针第j圈轴向尺寸，s_i0和s_j0分别为逆时针第i圈绕制起点到光纤中点的距离和顺时针第j圈绕制起点到光纤中点的距离，θ为每圈绕制时与此圈起点之间的张角(逆时针时θ变化范围为0～2π，顺时针时θ变化范围为-2π～0)，

和分别为逆时针第i圈各位置温度分布的变化率和顺时针第j圈各位置温度分布的变化率。

$\{\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{CCW}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\mathrm{\ΔT}(r_i,\mathrm{\θ},z_i,t)\·(r_i\mathrm{\θ}+s_{i0})\mathrm{d\θ}+\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{CW}}}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j{\∫}_{-2\mathrm{\π}}^0\mathrm{\ΔT}(r_j,\mathrm{\θ},z_j,t)\·(r_j\mathrm{\θ}-s_{j0})\mathrm{d\θ}\}---\left(2\right)$

式中ΔT(r_i，θ，z_i，t)和ΔT(r_j，θ，z_j，t)分别为逆时针第i圈各位置温度分布的变化量和顺时针第j圈各位置温度分布的变化量；

52)利用有限元方法数值模拟温度激励作用在光纤环上温度场的分布情况，数值求解式(1)和(2)(图4和5为利用三维数学模型分别数值求解的径向和轴向温度激励作用下光纤环的瞬态响应输出与实验结果的对比情况。验证了三维数学模型的正确性)，利用此模型求出待测光纤环长度不对称度与其径向和轴向瞬态响应输出的关系，包括：光纤环长度不对称度与径向温度梯度产生的最终热致误差角度关系，如图6所示；光纤环长度不对称度与轴向温度梯度产生的最终热致误差角度关系，如图7所示；光纤环长度不对称度与径向周期温度瞬态特性解调信号振幅的关系，如图8所示；光纤环长度不对称度与轴向周期温度瞬态特性解调信号振幅的关系如图9所示(光纤环的长度不对称度定义为：光纤环实际绕制起点与理论绕制起点(光纤环光纤中点)之间的距离与光纤环光纤总长度一半的百分比。理论绕制起点若落在顺时针缠绕的光纤内，则光纤环的长度不对称度为正；理论绕制起点若落在逆时针缠绕的光纤内，则光纤环的长度不对称度为负)。

53)根据该光纤环的特征建立三维数学模型与进行数值模拟径向、轴向温度激励作用下的温度场分布(如图4(a)，图5(a)所示)，由温度场分布得到径向、轴向温度激励时得到的理论热致误差速率及热致误差角度热致非互易参数；数值模拟求出光纤环长度不对称度与径向和轴向温度激励作用下响应输出的关系；

54)将所述热致非互易参数代入该响应输出关系，获取量化的光纤环径向和轴向缠绕等效不对称度的信息(包括获得光纤环径向和轴向热致非互易误差速率和角度积累)，实现了对光纤环缠绕对称性能量化的评定。

在本实施例的恒温温度激励的方法中，根据径向、轴向瞬态特性参数最终误差角度的积累情况可得到光纤环量化径向、轴向缠绕等效不对称度分别为4.4793％和10.7972％。在功率周期变化温度激励的方法中，根据径向、轴向解调信号的频谱情况可得到光纤环量化径向、轴向缠绕等效不对称度分别为2.6993％和8.7078％。

Claims (20)

1、一种光纤陀螺用光纤环质量的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待测光纤环接入光纤环测量系统；

2)对光纤环施加热激励；

3)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

4)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

2、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1)中的光纤环测量系统是一个具有光纤陀螺的工作特征的系统，光纤环在测量过程中，是按照光纤陀螺运行方式进行工作。

3、如权利要求2所述方法，其特征在于，所述光纤环在测量过程中，其调制频率为预先对光纤环测量获得的本征频率。

4、如权利要求3所述方法，所述本征频率的获得方法具体为：

I)以光纤环的总长度推算出大致的理论渡越时间，并以该理论渡越的四倍作为调制方波的初始周期；

II)对所述的方波信号的多个周期进行采集，得到M个采样点，M为正整数；

III)将采集的M个点中的最大值与最小值的和的一半做为阈值，计算M个点中大于阈值点个数作为方波正脉冲点数，小于阈值点的个数作为负脉冲点数；

IV)若正负脉冲点数差为正时，则增大调制方波的周期；若正负脉冲点数差为负时，则减小调制方波的周期；

V)对步骤IV)得到的周期，重复步骤II)～IV)，直到正负脉冲点数差趋于零，此时的调制方波的周期为光纤环渡越时间的四倍，即获得光纤环本征频率。

5、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中对光纤环施加热激励的方式采用径向温度激励、轴向温度激励，或径向和轴向同时温度激励之中任一种。

6、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中对光纤环施加热激励的方式采用恒温激励、周期变化温度激励或非周期温度变化激励之中任一种。

7、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系的参数是通过预先对待测光纤环进行标定获得的。

8、如权利要求7所述方法，其特征在于，所述对待测光纤环进行标定的具体方法包括：

将光纤环接入到一个光纤陀螺系统中，并使整个光纤陀螺系统工作，使待测光纤环以各种设定的速度旋转，获得该光纤环在各种转动角速度下的光信号值作为计算不对称度的预知的对应关系的参数的基础数据；

9、如权利要求8所述方法，其特征在于，所述光纤陀螺系统工作是在待测光纤环的本征频率的调制频率下进行。

10、如权利要求8所述方法，其特征在于，所述对应关系的参数获得的方法具体包括：

a)设置待测光纤环的最大正转、反转动角速度；

b)将最大正转、反转角速度范围内以等间距或不等间距取多个速度值；

c)测量待测光纤环在每个转动角速度时的光信号值作为计算不对称度的预知的对应关系的参数的基础数据；

d)将得到的各个转动角速度转动时的光信号值进行线性拟合得到的拟合斜率和截距作为计算不对称度的预知的对应关系的参数。

11、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)计算得到光纤环缠绕不对称度，具体包括以下步骤：

31)将采集得到的在热激励状态下的光纤环输出信号数据进行滤波；

32)将滤波后的数据在时间上进行积分得到热致误差角度积累数值；

33)从热致误差角度积累数值提取热致非互易参数(例如最终热致误差角度或温度周期响应振幅等)作为反映光纤环对称性的数据；

34)将光纤环对称性数据代入光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系中，计算出光纤环的不对称度。

12、如权利要求11所述方法，其特征在于，所述步骤34)计算光纤环的不对称度的方法包括：建立待测光纤环的三维数学模型，用数值模拟求解该模型，得出光纤环长度不对称度与径向和轴向温度激励作用下响应输出的关系，将测量得到的热致非互易参数代入此关系，获取量化的光纤环径向和轴向缠绕等效不对称度。

13、如权利要求12所述，其特征在于，所述建立待测光纤环的三维数学模型是基于光纤环通用的三维热致误差速率表达式和热致误差角度积累表达式来建立的。

14、一种光纤陀螺用光纤环质量的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

141)测量待测光纤环的本征频率；

142)将待测光纤环接入光纤环测量系统，并使光纤环测量系统的调制频率为所述本征频率；

143)对光纤环施加热激励；

144)采集在热激励状态下的光纤环输出信号数据，并根据该信号数据与光纤环缠绕不对称度的预知的对应关系，计算得到光纤环缠绕不对称度；

145)根据获得的光纤环缠绕不对称度，判定光纤环的质量。

15、如权利要求14所述方法，其特征在于，所述步骤141)测量待测光纤环本征频率的方法是一种全自动闭环控制测量光纤环本征频率的方法，具体方法为：

1411)以光纤环的总长度推算出大致的理论渡越时间，并以该理论渡越的四倍作为调制方波的初始周期；

1412)对所述的方波信号的多个周期进行采集，得到M个采样点，M为正整数；

1413)将采集的M个点中的最大值与最小值的和的一半做为阈值，计算M个点中大于阈值点个数作为方波正脉冲点数，小于阈值点的个数作为负脉冲点数；

1414)若正负脉冲点数差为正时，则增大调制方波的周期；若正负脉冲点数差为负时，则减小调制方波的周期；

1415)对步骤1414)得到的周期，重复步骤1412)～1414)，直到正负脉冲点数差趋于零，此时的调制方波的周期为光纤环渡越时间的四倍，即获得光纤环本征频率。

16、一种实现如权利要求1所述测量方法的测量装置，其特征在于，该测量装置包括：

一个测量光源，用来提供测量光束；

一个具有三端口的光学装置，当光从第一端口输入，则从第二端口输出，当光从第二端口输入则从第三端口输出；该光学装置的第一端口用来接收所述光源发出的测量光；

一个Y波导，从该Y波导一侧的单独端口(1)接收所述具有三端口的光学装置第二端口处的光束输入，并在Y波导中被分成两束光从另外一侧的两个端口(2)、(3)输出，并输送到被测光纤环的两个光纤头中；

一个光探测器，该光探测器的光输入端和该具有三端口的光学装置的第三端口(3)连接，接受来自该具有三端口的光学装置第三端口的输出光，并转换成电信号后从电输出端输出；

一个信号发生器，连接在该Y波导的电调制输入端，用来给Y波导提供一个调制信号；

一个电信号放大电路，与该光探测器进行连接，用来将该光探测器产生的电信号进行放大；

一个可控加热装置，用来给被测光纤环提供一个可控的热激励源；

一套控制电路，用来处理来自该电信号放大电路的光电信号。

17、如权利要求16所述装置，其特征在于，

所述具有三端口的光学装置为一个光环形器或空置一个端口的光耦合器。

18、如权利要求16所述装置，其特征在于，所述控制电路还用来控制和检测可控加热装置和信号发生器。

19、如权利要求16或18所述的装置，其特征在于，所述控制电路采用计算机、与该计算机相连的通信接口、计算机外围电路，以及安装在该计算机中的数据采集和控制装置模块。

20、如权利要求19所述装置，其特征在于，该数据采集和控制装置模块用于：光纤环标定的控制、数据采集和计算，获得光纤环本征频率的测控和运算，温度激励方式的设定和控制，对光纤环在温度激励下的输出信号采集、运算、建立光纤环三维数学模型和质量判定。

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