CN101441129B - 基于温度实验的光纤环性能测评系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于温度实验的光纤环性能测评系统。由高精度光纤陀螺用宽谱光源(1)、保偏光纤耦合器(2)、Y波导(3、4)、待测光纤环(5)、快速温度控制试验箱(6)、高灵敏度光功率计(7、8、9)、用于计算机串口或GPIB口数据接收的计算机及程序(10、11、12)组成。本发明提出了一种基于温度激励实验的、无需电路配合的光纤环性能检测方法。根据经Y波导起偏后输出功率的变化来反映温度变化对光纤环中光信号偏振态的影响，由对称光路检测光纤环两端的输出信号的对称性，并检测热非互易相移对干涉效果的影响。在应用同一套测量装置及测试方法时，能给出光纤环质量可靠的对比性指标值，为高性能光纤环的选出提供标准。

Description

基于温度实验的光纤环性能测评系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测试系统，特别是一种光纤陀螺用光纤环的测评及筛选系统。

(二)背景技术

光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope)作为一种新型的角速率传感器，具有体积小、重量轻、耐冲击、精度高、寿命长等特点，自问世以来便受到广泛的重视，在航空、航天、舰船控制及导航等领域中具有广泛的应用前景。近些年，光纤陀螺研究在一些大学、国家实验室和公司中迅速的开展起来。随着研究的不断深入，对光纤陀螺的精度及稳定性的要求也随之提高。而光纤陀螺的稳定性问题一直以来都是影响高精度光纤陀螺进一步发展的重要因素，特别是陀螺系统的输出随环境温度变化的长期漂移问题，已经严重影响了光纤陀螺在高精度惯性导航领域(如舰船领域)中的应用。当环境温度变化或有热传导时，光纤线圈中产生的附加温度相位漂移，严重制约了光纤陀螺检测精度的提高和应用。

为消除这些干扰，除了在具体设计上尽量使陀螺系统与噪声环境隔离或者对信号进行适时补偿外，更根本的，就是在光路本身上进行改进。其中，起决定性作用的正是其传感部件——光纤敏感环(Fiber Coil)。目前，无论半自动绕环还是全自动绕环，均存在众多的光纤环质量影响因素，因此，如何检测光纤环的质量并进行光纤环的筛选是一个非常重要的课题。

目前还没有一种明确的测试光纤环性能的简单方法。为测试光纤环性能，测试者主要是将光纤环装入陀螺系统，利用转台测试陀螺输出的零点偏移情况，或者将陀螺系统放入温箱中观察陀螺输出随温度的变化情况。这些方法都直接反应了某些条件下陀螺的整体性能，包括光路和电路等方面的综合效果，但未能表现出对光纤陀螺影响严重的温度变化梯度对陀螺光纤环的影响，尤其是未能针对光纤环本身进行测试。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能直接反应光纤环性能对陀螺的影响，全面表征光纤环缠绕质量，简单实用的基于温度实验的光纤环性能测评系统。

本发明的目的是这样实现的：

包括高精度光纤陀螺用宽谱光源1、保偏光纤耦合器2、Y波导3、Y波导4、待测光纤环5、快速温度控制试验箱6、高灵敏度光功率计7-9、用于计算机串口或GPIB口数据接收的计算机及程序10-12，宽谱光源1的输出接保偏光纤耦合器2的一输入端13，保偏光纤耦合器的两输出端14、15分别接两Y波导3、4的一个Y分支端，而Y波导的单端(起偏端)16、17与待测光纤环5相连接，待测光纤环与其支架(捷联系统中装载光纤环的结构部件)整体一起放入快速温控箱6中，两个Y波导剩余的两个分支18、19连接高灵敏度光功率计7、8，并与接收数据的计算机相连，保偏光纤耦合器的剩余端20连接高灵敏度光功率计9，并与接收数据的计算机相连。

本发明还可以包括：

1、所述的宽谱光源1是功率在9.5mW以上、谱宽在35nm以上、有很好的功率及偏振态稳定性的宽谱光源。

2、所述的保偏光纤耦合器2是消光比在24dB以上、分束比优于49∶51的保偏光纤耦合器。

3、所述的Y波导是消光比在20dB以上、分束比优于49∶51的Y波导。

本发明测试方案工作的基本原理：宽谱光源发出的光信号经保偏光纤耦合器后分成两束相同的光，由耦合器输出后分别经过Y波导中的偏振器起偏后通过待测光纤环，后经过另一个Y波导后分两路输出，输出的信号经过两次起偏滤波和中间一次温度搅扰，这样，18、19输出的光信号即是光经过光纤环偏振态受温度搅扰发生变化后又经过滤波后的输出，滤波后所得到光功率即反映了光信号偏振态受温度影响的变化。而Y波导的另外两路输出14、15光信号在保偏光纤耦合器中实现干涉并通过输出端20输出，输出信号功率反映了温度变化产生的非互易相移引起的干涉效果的变化(由于其中包含了偏振态变化引起的功率变化，所以首先要经过计算滤掉这个影响)。当沿敏感光纤环相对惯性空间有转动或存在随时间变化的温梯度时，就会在输出中产生一个非互易的相位差，此时，两束光信号干涉后，输出光强信号可表示为：

I(t)＝A(1+cosΦ)                (2)

其中的Φ即为非互易相位差，A为信号振幅。方案中将光纤环静止放置，使其只能感受到部分地球转速，而这种转速是固定不变的，于是，温度的变化就成了非互易相移变化的最主要来源。国内外研究者对光纤环中热致非互易噪声机理进行了大量研究，逐步建立了更接近于实际情况的光纤环温度分布模型：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_E=\frac{{\mathrm{\β}}_0}{c_0}\frac{\∂n}{\∂\mathrm{\θ}}{\∫}_0^L\mathrm{\θ}(l,t)(L-2l)\mathrm{dl}---\left(3\right)$

式中ΔΦ_E为热致非互易相移，β₀＝2π/λ0为光在真空中的传播常量，c₀为真空中光速，为石英材料的折射率温度系数，θ(l，t)为沿光纤温度分布的变化率，L为光纤总长度，l为距光纤起始端长度。模型可进一步写为：

${\mathrm{\Δ\Φ}}_E=\frac{{\mathrm{n\β}}_0}{c_0}\frac{\∂n}{\∂t}{\∫}_0^{L/2}[(\mathrm{\ΔT}\left(l\right)-\mathrm{\ΔT}(L-l)](L-2l)\mathrm{dl}----\left(4\right)$

综合上式和温度影响的效果，非互易相移误差影响的大小与温度变化速度即变化大小有近似的成正比的关系。根据以上理论和现象，我们设计采用温度激励方法，并设计对称的光路结构检测光纤环两端输出光信号的偏振态变化、光纤环传输光信号的对称性和热非互易相移的变化。

本发明的方案与现有技术相比的优点和自身的优势：

(1)与传统方案相比，本方案设计的测试光纤环性能系统结构简单，仅利用若干光学器件搭建对称光路；系统功能强大，一次接入便可直观的得到光纤环中光信号的偏振态、光纤环传输对称性、光纤环热非互易相移等性能指标受温度变化的影响情况；

(2)测试更有针对性，排除了以往温度测试中系统中的电路部分及光路中其它部分受温度影响的干扰，所以，测试结果更能反映光纤环的真实性能；

(3)针对不同光纤环的测试曲线，能给出简单明了的测试指标，而后仅需对比几个测试的数值即可分辨出光纤环性能的优劣。

本发明提出了一种基于温度激励实验的、无需电路配合的光纤环性能检测方法。方案本身很接近于干涉式光纤陀螺实际工作状况，仅将待测光纤环一次接入便可完成实时测试光纤环的各项性能指标。根据经Y波导起偏后输出功率的变化来反映温度变化对光纤环中光信号偏振态的影响，由对称光路检测光纤环两端的输出信号的对称性，并检测热非互易相移对干涉效果的影响。在应用同一套测量装置及测试方法时，能给出光纤环质量可靠的对比性指标值，为高性能光纤环的选出提供标准。

(四)附图说明

附图1是本发明的结构示意图，附图2是本发明测试指标示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

其组成包括高精度光纤陀螺用宽谱光源1、保偏光纤耦合器2、Y波导3和4、待测光纤环5、快速温度控制试验箱6、高灵敏度光功率计7-9、用于计算机串口或GPIB口数据接收的计算机及程序10-12、若干光纤连接、计算机数据线等。其中，宽谱光源1的输出接保偏光纤耦合器2的一输入端13，保偏光纤耦合器的两输出端14、15分别接两Y波导3、4的一个Y分支端，而Y波导的单端(起偏端)16、17与待测的光纤陀螺用光纤环5相连接，光纤环与其支架(捷联系统中装载光纤环的结构部件)整体一起放入快速温控箱6中。两个Y波导剩余的两个分支18、19连接高灵敏度光功率计7、8，并与接收数据的计算机相连，用以测试光纤环输出的对称性。保偏光纤耦合器的剩余端20连接高灵敏度光功率计9，并与接收数据的计算机相连，用以测试光纤环两端输出光干涉后的效果，即温度变化产生的非互易相移引起的输出功率的变化。

其中，宽谱光源1要求功率在9.5mW以上，谱宽在35nm以上，有很好的功率及偏振态稳定性；保偏光纤耦合器2的消光比在24dB以上，分束比优于49∶51；Y波导3、4的消光比在20dB以上，分束比也要优于49∶51，可采用北京世维通科技发展有限公司的产品；快速温度控箱的温度控制范围要宽于-40℃-70℃，最低温度变化速率高于12℃/min，可采用ESPEC快速温度控制试验箱；除宽谱光源输出端外，其它所有器件的连接点均由保偏光纤熔接机熔接。高灵敏度光功率计7、8可采用AV6334型双通道光功率计，调零后同一功率计的双通道数据接收更有对比效果；高灵敏度光功率计4可选用FPM-8210型单通道光功率计，为更精确读取功率值，以上两种光功率计的档位一般放在dBm档上，绘制曲线时先运用公式：

1dBm＝30+10lgP(P的单位：瓦)

计算出功率值。

应用本发明的光纤环性能测评系统包括下列步骤：

(1)未接入待测光纤环之前，校正所用高灵敏度光功率计的数值，选择好数据接收档；

(2)开启电源，检查实验光路是否完好，连接好测试仪器，并连接好光功率计与接收数据的计算机之间的数据线；

(3)将待测光纤环装入陀螺支架，留出光纤引线，将支架整体放入温箱，并通过引线将其接到温箱外的实验光路中，将温箱中输出引线的通道密封好，使测试光路和被测光纤环隔离开来，保证是针对光纤环的温度测试，不受测试光路其它部分温度特性的影响；

(4)测试系统预热约40分钟，使光源输出光功率稳定，也使整个系统处在一个相对稳定的室温环境中；

(5)开始实验，通过高精度双通道光功率计在光路两侧Y波导的分支端18、19端处检测输出功率的变化，并利用计算机接收数据并绘制曲线，同样在Y波导的检测端20处利用高灵敏度单通道光功率计检测输出功率的变化，利用计算机接收数据并绘制曲线。开启电脑数据接收绘图程序，并记录数据。30秒后开启温箱温度控制程序，将温箱温度从常温下迅速降温至-40℃(一般这一过程应在40-50分钟内完成)，温度继续稳定在-40℃点90分钟，然后温箱温度迅速升温至60℃(一般这一过程只需要半小时左右)，在60℃温度点继续保持90分钟，温箱关机。计算机接收程序运行完毕，保存数据，进行数据分析。

测评方法：

首先，光纤环静止放置时不受外来角速度变化相移的影响。

考虑到Y波导的分光比k₁、k₂不够理想，对18、19端输出的功率值要先进行修正，使其为Y波导输出光功率的一半，以k₁为例，其一端的输出应为：

x_i′＝x_i/2k₁(或x_j′＝x_j/2(1-k₁))        (5)

而同样对20端输出的数据，考虑到消除耦合器插入损耗的影响，其计算输出值为：

其中，L_in为光纤耦合器插入损耗。

根据基于温度实验的光纤环性能测评系统中18、19端输出功率随温度变化的数据和所绘制的曲线，参考控制理论中单位阶跃响应性能指标，选取曲线在降温和升温过程中的调节时间和超调量σ％作为光纤环的偏振态变化的主要性能指标。参考附图2。

其中，根据光纤环输出的噪声特点，依照平稳情况，调节时间t_s一般定义为到达终值±5％内所需的最短时间。而超调量σ％定义为：

$\mathrm{\σ}\%=\frac{x\left(t_p\right)-x(\∞)}{x(\∞)}\×100\%---\left(7\right)$

x(∞)的值即取到终值±5％的计算均值。测试各光纤环采用这同一指标，使各测试指标值具有对比性。

在突然剧烈变温的过程中，输出曲线的调节时间越少，超调量越小，说明光纤环受温度影响的程度越小，自我调节能力越强。而根据需要还可以计算附图2中给出的其他调节性能指标。

另外，为考察光纤环输出的对称性，将光纤环两端输出的功率数据做差，计算所得差值数列的标准差，以此值作为光纤环传输信号的对称性性能指标。计算公式如下：

$s=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n-1}}---\left(8\right)$

而通过20端输出的干涉后光信号的功率变化，其中包含了非互易相移引起的干涉效果变化和偏振态变化两种情况引起的功率变化。根据公式(6)去除耦合器插入损耗的影响后，将此值与其两Y波导输入值之和做差，得到对比结果数列。绘制曲线。参考前面的指标，选取输出曲线在降温和升温过程中的调节时间t_s和超调量σ％作为光纤环的热非互易相移变化的主要性能指标。同样，在突然剧烈变温的过程中，输出曲线的调节时间越少，超调量越小，说明光纤环受温度影响的程度越小，光纤环对称性越好。

通过这些指标的对比，选择动态性能好对称性好光纤环，从而将优质的光纤环挑选出来。与传统的将光纤环放入陀螺系统中进行测试的方法更加简单直接且更有针对性。

Claims (5)

1.一种基于温度实验的光纤环性能测评系统，包括高精度光纤陀螺用宽谱光源(1)、保偏光纤耦合器(2)、Y波导(3、4)、待测光纤环(5)、快速温度控制试验箱(6)、高灵敏度光功率计(7、8、9)、用于计算机串口或GPIB口数据接收的计算机(10、11、12)，其特征是：宽谱光源(1)的输出接保偏光纤耦合器(2)的一输入端(13)，保偏光纤耦合器的两输出端(14、15)分别接两Y波导(3、4)的一个Y分支端，而两个Y波导的单端(16、17)分别与待测光纤环(5)两端相连接，待测光纤环与其支架整体一起放入快速温度控制试验箱(6)中，两个Y波导剩余的两个分支(18、19)分别连接第二高灵敏度光功率计(7)、第三高灵敏度光功率计(8)，并与接收数据的计算机相连，保偏光纤耦合器的剩余端(20)连接第一高灵敏度光功率计(9)，并与接收数据的计算机相连。

2.根据权利要求1所述的基于温度实验的光纤环性能测评系统，其特征是：所述的宽谱光源(1)是功率在9.5mW以上、谱宽在35nm以上、有很好的功率及偏振态稳定性的宽谱光源。

3.根据权利要求1或2所述的基于温度实验的光纤环性能测评系统，其特征是：所述的保偏光纤耦合器(2)是消光比在24dB以上、分束比优于49：51的保偏光纤耦合器。

4.根据权利要求1或2所述的基于温度实验的光纤环性能测评系统，其特征是：所述的Y波导是消光比在20dB以上、分束比优于49：51的Y波导。

5.根据权利要求3所述的基于温度实验的光纤环性能测评系统，其特征是：所述的Y波导是消光比在20dB以上、分束比优于49∶51的Y波导。

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