CN102175432A - 一种利用补偿技术改善光纤环质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高光纤环质量的方法，属于光学测量、光纤传感技术领域。该方法包括：将待测光纤环进行动态特性检测，获得待测光纤环等效不对称度，根据获得的等效不对称度，确定补偿光纤长度对光纤环的一端进行补偿，从而获得光纤环质量的提高。本发明可以在光纤环绕好后，通过补偿进一步提高光纤环的质量。

Description

一种利用补偿技术改善光纤环质量的方法

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感技术领域；特别涉及利用动态检测和光纤补偿技术，检测和补偿角度变化光纤传感器(又称光纤陀螺)所使用的光纤环，从而实现提高光纤环质量方法。

背景技术

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的核心部件，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，例如凭借消光比或光时域反射技术(OTDR)来评判保偏光纤环的优劣，不能完全和精确地反映出光纤环的缠绕质量，从而也就无法对提高光纤环质量提出准确的工艺改造数据，具有局限性。

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)的原理是基于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向传播，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来确定，这种光路中的相位变化可通过光电探测器将干涉光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(如传统的机械陀螺乃至比较先进的激光陀螺)相比，具有无机械部件、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。光纤陀螺是众多陀螺中唯一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的缠绕方式、精密的绕制技术，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)。

在光纤陀螺中，两束相向传输的光波到达光纤中同一点时存在一个微小时间延迟。当存在温度梯度时，同一温度场中不同时刻温度对光波传输影响不同，从而导致了两束光波之间产生非互易性相位差Δφ_e，其数学模型为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_e\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\β}}_0}{c_0}\frac{\∂n}{\∂T}{\∫}_0^L\frac{\∂\mathrm{\ΔT}(x,t)}{\∂t}(L-2x)\mathrm{dx}---\left(1\right)$

式中：Δφ_e(t)为热致非互易相移；β₀为光在真空中的传播常数，β₀＝2π/λ₀；c₀为光在真空中的速度；

为石英材料的折射率温度系数；为沿光纤温度分布的变化率；L为光纤总长度；x为距光纤起始端长度。

通常光纤陀螺用于测量旋转，光纤环中相向传输的两束光波的相位差ΔΦe与光纤环长度L光纤环直径D和待测量转速Ω有关，具体关系式如下：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_e=\frac{2\mathrm{\πLD}}{{\mathrm{\λ}}_0{c}_0}\mathrm{\Ω}---\left(2\right)$

将式(2)分别代入式(1)，可得光纤环热致误差速率表达式为：

${\mathrm{\Ω}}_e\left(t\right)=\frac{n}{\mathrm{DL}}\frac{\∂n}{\∂T}{\∫}_{-L/2}^{L/2}\frac{\∂T(x,t)}{\∂t}\mathrm{xdx}---\left(3\right)$

对热致误差速率在时间上进行积分就可获得热致误差角度表达式：

${\mathrm{\θ}}_e\left(t\right)=\frac{n}{{\mathrm{DL}}_0}\frac{\∂n}{\∂T}{\∫}_{-L/2}^{L/2}\mathrm{\ΔT}(x,t)\mathrm{xdx}---\left(4\right)$

目前光纤环通常采用对称绕法来抑制光纤陀螺的温度漂移，即光纤环中的光纤一半是逆时针(CCW)缠绕，另一半是顺时针(CW)缠绕的，考虑将光纤环数学模型的坐标原点选取在光纤环光纤中点处x＝0，逆时针方向x为正，顺时针方向x为负。根据光纤环中相向传输的两束光到达温度扰动点的时间关系，可建立坐标原点在光纤环在中点的光纤环温度变化产生的热致非互易相位延迟，则式(1)可变为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_e\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\τ}}{L}{\mathrm{\β}}_0\frac{\∂n}{\∂T}{\∫}_{-L/2}^{L/2}\frac{\∂\mathrm{\ΔT}(x,t)}{\∂t}\mathrm{xdx}---\left(5\right)$

其中τ为光纤环的渡越时间。从式中可见若温度变化率

是x的偶函数(积分的整体是奇函数)则积分为零，这就是目前公认的对称绕法的依据，也就是当距离光纤环中点相同两端光纤经历同样的温度变化，则Shupe效应将被抵消。

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。

为提高光纤陀螺的精度，必须减小和消除光纤环缺陷对重组光信号的影响，在光纤环绕制过程中或者完成后，及时发现光纤中的缺陷，并及时进行改善，可提高光纤环的缠绕质量。

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)会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。

在光纤环绕制中，目前普遍所采用多极对称绕法，这种绕制方法在一定程度上改善了光纤环瞬态特性。但这种绕制方法，操作复杂。在绕制中需要对一些光纤爬升、塌陷、交叉等缺陷及时发现纠正，否则会严重影响光纤环的性能。另外，由于绕制工艺的限制，绕制出来的光纤环，两个干涉臂的长度无法保证其绝对的对称性。同时，由于上述绕制缺陷，也会造成两个干涉臂的等效不对称度。现在，在绕制过程中进行在线检测的方法不是很多，主要是视频监控、张力监控等手段。这些都是间接反映绕制质量，无法直接监控绕制过程对光纤性能的影响。因而，当光纤环绕制完成后，其对称性就无法改变，从而决定了光纤陀螺的质量无法在绕制完成后提高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种通过对光纤环瞬态特性的检测，计算出其等效不对称度，并根据计算对光纤环进行长度的补偿，从而实现绕制好的光纤环质量的提高。

本发明提出一种控制和提高保偏光纤环质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)测量光纤环的等效不对称度；

2)根据获得的等效不对称度计算出光纤环两臂的等效不对称长度差；

3)将光纤环的等效不对称长度短的臂增加长度，或者将另外一个臂减少长度，使得两臂的等效不对称长度差为零。

本发明还提出一种实现上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，该光学装置的第一端口用来接收所述光源发出的测量光，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；

一个Y波导，从该Y波导一侧的单独第一端口接收所述具有三端口的光学装置第二端口处的光束输入，在Y波导中被分成两束光从另外一侧的第二端口和第三端口输出，并输送到被测光纤环的两个光纤端头中；

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，与该光探测器的电信号输出端连接，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，分别与信号发生器、电信号放大电路及可控加热装置相连，用来控制信号发生器、电信号放大电路、可控加热装置的工作和处理来自该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：

本发明提出的方法是通过测量光纤环在内部存在温度梯度或其他瞬态环境变化时，光纤陀螺角度传感输出误差显现出来的不对称性。从原理上说，由于光纤环采用了对称绕法，当它内部存在温度梯度分布或其他瞬态环境变化的情况下，由于对称绕法的Shupe效应相互抵消，其输出不会产生误差。亦即在光纤环没有发生旋转的时候，不会产生旋转的信息输出。但是由于光纤环绕制过程中，两臂的长度会有差别，即便是没有差别或者差别很小，由于绕制过程中工艺问题产生的应力不均匀(如光纤的叠加、扭转、拉伸等)，使得其等效对称度发生偏离，这时候在光纤环存在温度梯度或其他瞬态环境变化的情况下，Shupe效应得不到抵消，其输出就会产生偏差。而且这种等效不对称度越大，输出的偏差也会越大。

本发明就是通过将上述等效不对称度测量出来，并通过计算，计算出光纤环两臂的不对称度对应的两臂等效不对称长度，再根据计算在其中一个臂上接上一段光纤，将这个不对称长度补偿上，使得等效不对称长度差减少到最佳值，从而改善光纤环的质量。

本发明除了主要针对光纤陀螺用的光纤环，还可用于对其他传感领域(如电场传感)的光纤环质量进行检测。

附图说明

图1一个通过测量热致非互易性来测量光纤环不对称度的装置示意图。

图2为本发明的测量光纤环实例中测量不同尾纤补偿误差速率曲线。

图3为根据图2测量的误差速率计算出的误差角度曲线。

图4为本发明实施例中不同补偿尾纤长度与最终误差角度拟合曲线图。

具体实施方式

本发明提出的方法结合附图及实施例说明如下：

本发明提出一种控制和提高保偏光纤环质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待测光纤环进行瞬态特性测量，测量出等效不对称度；

2)根据等效不对称度计算出光纤环两臂的等效不对称长度；

3)将光纤环的等效不对称长度短的臂增加长度，或者将另外一个臂减少长度，使得两臂的等效不对称长度相一致。

本发明提出实现上述测量方法的测量装置的一个实施例结构如图1所示，其结构为：

该装置包括光源、环形器、Y波导、PIN-FET光电探测器和待测光纤环五部分组成。光源发出的光从环形器的1端口入，2端口输出到Y波导中；光在Y波导中起偏并分为两路，待测光纤环的两个光纤端口分别和Y波导的两个起偏端口相连接，来自Y波导的这两路光将分别传入待测光纤环的两臂中；在光纤环内传输的两路光，分别从一个端口到达另一个端口，再回到Y波导处相干叠加并输出，再次进入环形器，并由2端口传输到3端口，最终达到PIN-FET光电探测器中。该装置还包括一个信号发生器，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，与该光探测器的电信号输出端连接，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；一套包括PC机在内的控制电路，分别与信号发生器、电信号放大电路及可控加热装置相连，用来控制信号发生器、电信号放大电路、可控加热装置和处理来自该电信号放大电路的光电信号。

实施例中光源采用常规SLD光源，环形器、Y波导、PIN-FET光电探测器、信号发生器、信号放大器均为市场上常规产品，可控加热装置为普通电阻丝和温度传感器组合而成。

一套包括PC机在内的控制电路主要包括PC机及与其相连的GPIB电路板卡，它通过编制好的程序(该程序是由本领域的程序编制人员按本发明所述方法的相关内容通过常规的手段编制交预先存储在PC机中)、按照GPIB通讯协议，通过GPIB电路板卡与信号放大器和锁相放大器进行通讯，对锁相放大器进行监控，并向信号放大器发出指令，对Y波导进行调制；PC机还通过温度激励源控制给光纤环的加热，使得其加热过程按照预先设计的程序进行，以保持光纤环中的内部温度梯度。

图1所示的装置主要用于保偏光纤环的参数检测。

利用上述装置进行光纤环测试是通过在光纤环中制造温度梯度来测量光纤环的等效不对称度，其基本过程为：

1、对光纤环进行局部加热(加热方式可以采用径向，也可以采用轴向)，从而在光纤环内部产生温度梯度。

2、在光纤环具有内部温度梯度情况下，测量并获得光纤环的热致误差速率；

3、根据热致误差速率，利用前面“背景技术”中提到的计算方法，获得热致误差角度。

利用上述测试装置和测试方法计算最终补偿光纤长度的具体过程为：

1、接入一段光纤对光纤环的一端进行补偿，这个长度通常不大于光纤环光纤总长度的10％(补充对长度取值的说明)，测量补偿后的光纤环的热致误差角度；再在同一端重新接入一段不同于上述长度的补偿光纤，再测量重新补偿后的光纤环的热致误差角度。例如，对于一个500米光纤长度的光纤环，可以分别采用接入3米、5米的补偿光纤。

2、以补偿光纤长度为坐标横轴，以热致误差角度为坐标纵轴，以上述两组测量数据为基础，建立一条线性数学曲线。

3、依据上述线性曲线，计算出热致误差角度为零的补偿光纤长度，即为该光纤环的等效不对称长度。

4、在光纤环对应的一端上接入所计算出来的等效不对称长度等长的光纤，从而消除该光纤环的等效不对称性，进而提高了该光纤环的质量和精度。

为了避免测量误差，保证计算曲线的准确性，在上述第2步可以多次取得不同补偿长度测量点，利用多点拟合获得第3步所述的线性数学曲线。

补偿的方法可以是将光纤环的一个臂接长，也可以是将一个臂截段，在通过测量获得不同补偿长度的热致误差角度。

对于最终根据计算出来的应当补偿光纤长度，也可以采用截短另外一端光纤，使得两臂的等效不对称长度达到一致。

上述获得热值误差速率的测量装置采用的是通过使光纤环产生热梯度的方式，本发明同样也可适用于其他方式(比如变频震动)获取光纤环的非互易度，从而通过获得的误差角度计算出等效不对称长度，再通过计算出来的等效不对称长度进行光纤长度补偿，提高光纤环的质量。

图2、图3和图4为采用本发明对某一光纤环施加温度激励产生的热致误差速率，光纤环采用四极对称绕法，其中曲线分别为径向温度梯度作用下光纤环未加补偿光纤、B端补偿3.2m光纤、B端补偿6m光纤和B端补偿6m再截去1.5m光纤时产生的热致误差速率，图3为利用图2中所得的热致误差速率计算所得的热致误差角度的积累情况(计算方法在背景技术中有说明)。其中的曲线分别为径向温度梯度作用下光纤环未加补偿光纤、B端尾纤补偿3.2m光纤、B端尾纤补偿6m光纤和B端尾纤补偿6m再截去1.5m时产生的热致误差角度的积累。

将测量的数据列表，由表1可见，光纤环未加补偿光纤时，根据其自身光纤层缠绕次序和两个瞬态特性特征参数表现可知，光纤A端(顺时针缠绕的光纤层)受径向温度梯度造成的影响没有被光纤B端(逆时针绕制光纤层)完全补偿，因此会产生一定热致相关误差。当光纤环B端补偿6m光纤后，两个瞬态特征参数的数值与未补偿光纤时相比补偿，都有所减小，说明6m补偿光纤对光纤环抗径向温度梯度的性能有所改善，提高了光纤环原有的径向热对称性。但其方向与前者相反，说明光纤B过补偿了光纤A受径向温度梯度的影响。在原有6m的补偿光纤上减去1.5m，平均速率和最终误差角度分别为0.018、0.011，均趋近于0，表明了光纤环的抗径向温度梯度特性得到明显的改善，光纤环径向热对称性进一步提高。

表1 改变光纤环对称性实验的径向温度瞬态特性参数对比

通过以上光纤环的尾纤补偿实验可以发现，光纤陀螺光纤环在不同尾纤补偿时即不同等效不对称度时，其热致误差最终角度呈现规律性的变化。

表2是另外一个光纤环的温度激励实验数据列表，从表2可以看出，补偿尾纤长度与热致误差角度之间的关系和表1是一致的。

表2 不同补偿尾纤下光纤陀螺热致误差最终角度参数

通过对表2的数据结果进行线性拟合，数据处理结果如图4所示。从图4可以看出，光纤陀螺热致误差最终角度随光纤环不同尾纤补偿即不同等效不对称度呈线性变化，证明光纤环在缠绕过程中由于绕制缺陷而所引进对称性误差可以通过对光纤环施加相应的尾纤补偿来改善。

Claims (8)

1.一种利用补偿技术改善光纤环质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)通过测量光纤环热致非互易度获得光纤环的等效不对称度；

2)根据获得的等效不对称度计算出光纤环两臂间的等效不对称长度差；

3)将光纤环的等效不对称长度短的臂增加长度，或者将另外一个臂减少长度，使得两臂的等效不对称长度差为零。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光纤环为光纤陀螺用光纤环。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述热致非互易度是通过在光纤环中制造温度梯度产生的非互易度。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述热致非互易度是通过测量光纤环的热致误差角度获得的。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述热致误差角度是通过测量光纤环的热致误差速率得到的。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤2)根据获得的等效不对称度计算出光纤环两臂的等效不对称长度的方法是；

1)将不同长度的补偿光纤接到所述光纤环的任意一端，通过测量光纤环的热致误差速率获得不同补偿光纤长度的光纤环的热致误差角度；

2)根据使用不同补偿光纤长度对应的热致误差角度关系，拟合出直线函数；

3)根据拟合出的直线函数，求出当热致误差角度为0的情况下补偿光纤的长度，即为该光纤环的等效不对称长度。

7.一种实现如权利要求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，该光学装置的第一端口用来接收所述光源发出的测量光，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；

一个Y波导，从该Y波导一侧的单独第一端口接收所述具有三端口的光学装置第二端口处的光束输入，在Y波导中被分成两束光从另外一侧的第二端口和第三端口输出，并输送到被测光纤环的两个光纤端头中；

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，与该光探测器的电信号输出端连接，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，分别与信号发生器、电信号放大电路及可控加热装置相连，用来控制信号发生器、电信号放大电路、可控加热装置的工作和处理来自该电信号放大电路的光电信号。

8.如权利要求7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。 

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