CN102914418B - 一种光纤Shupe常数测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤Shupe常数的测试装置及其方法。该装置包括激光光源，密闭恒温减振系统，温度控制系统，光探测器，数字信号处理系统，包括光纤耦合器、参考臂、测量臂、被测光纤和法拉第转镜的迈克尔逊干涉光路。激光光源发出的光经光纤耦合器均分为两束分别进入参考臂和测量臂，并被远端法拉第转镜反射后返回，经光纤耦合器进入光探测器，得到干涉信号。该方法采用上述装置，通过升温-恒温监测-被动冷却降温的方式对光纤变温进行控制，得到实验数据，从而得到Shupe常数。本发明结构简单、测量精度高、可靠性好；设计采用全光纤结构，抗干扰能力强；可在光纤陀螺绕环前单独测量光纤的Shupe常数，评价光纤环全温稳定性。

Description

一种光纤Shupe常数测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及提高保偏光纤陀螺精度的技术领域，具体涉及一种光纤Shupe常数测试装置及其方法。

背景技术

光纤陀螺是利用萨格奈克(Sagnac)效应测量物体转动角速度的一种高精度传感器，是一种结构简单、成本低、潜在精度较高的新型全固态惯性器件，将成为惯性导航和战略应用领域的主要仪表。

温度漂移是光纤陀螺中最棘手的问题。光纤陀螺线圈中，一段光纤存在着温度变化扰动时，将导致光纤折射率、光纤长度、横截面几何结构以及内部应力分布发生变化。除非这段光纤位于线圈中部，否则两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，将因温度扰动而经历不同的相移。这种温度引起的非互易相移称为Shupe误差，它与旋转引起的萨格奈克相移无法区分，导致在光纤陀螺中产生偏置误差，限制了光纤陀螺精度的提高。

工程中广泛采用四级对称绕环方法加工光纤陀螺线圈，以减小Shupe误差。理论证明：采用四级对称绕环方法可以抑制温度效应的影响，将Shupe误差减小3个数量级。但是实际应用中，由于光纤环绕制的非理想性，将产生绕环偏离中点、布纤不均匀、局部突变等绕环误差，使得温度漂移不能被完全消除。

因此，在提高四级对称绕法精度的基础上，降低绕环用光纤的Shupe常数可以进一步有效降低温度漂移效应。

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），是一种包层由空气孔-石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。PCF的有效折射率和几何尺寸的温度稳定性都远远优于常规单模光纤和保偏光纤。应用于光纤陀螺线圈将使Shupe误差减小5~7倍。同时，PCF灵活多样的堆积拉丝工艺以及石英—空气间较大的折射率差异，为高性能单偏振单模光纤的设计提供了宽广的空间。通过改变包层空气孔的形状、大小、排布方式等可以控制其结构参数，从而设计出同时满足陀螺多种指标要求，并与其他器件匹配的光纤。

评估光纤温度稳定性的传统方法为仿真计算：根据绕环用光纤弹性模量E、泊松比v和热膨胀系数α等材料特性建立等比例物理模型，仿真并估算Shupe常数。传统方法的局限性在于：一方面绕环用光纤实际模型与理想模型存在差别，理想模型的计算不能代替实际模型的Shupe常数；另一方面，材料自身折射率和弹性模量E、泊松比v和热膨胀系数α等材料特性不是一个常数，在较大温度范围内（-40℃~60℃）有很明显的改变，仿真计算难以兼顾；另外理论计算仅适用于传统简单结构光纤（包括阶跃折射率光纤和应力结构的保偏光纤等）。对于复杂结构的新型光子晶体光纤，传统建模方法失效。所以，实现精确评估实际绕环用光纤的温度稳定性得到Shupe常数，对于准确评价光纤陀螺用绕环光纤的温度特性具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有光纤陀螺等光纤传感器的敏感元件受温度影响，采用仿真计算评估光纤温度稳定性的传统方法的局限性，设计了一种光纤Shupe常数测试装置及其方法。与传统测试光纤陀螺Shupe效应方法相比，本测试装置大幅提高了测量精度，减少了测量工序，降低测量成本。同时，由于可以对多种光纤进行测量，便于优化选择陀螺用光纤，对改善光纤陀螺的温度性能有重要意义。

本发明提供的一种光纤Shupe常数测试装置，包括：激光光源、迈克尔逊干涉光路、密闭恒温减振系统、温度控制系统、光探测器和数字信号处理系统。迈克尔逊干涉光路包括光纤耦合器、参考臂、测量臂、被测光纤和法拉第转镜。

被测光纤放置在温度控制系统中，光纤耦合器、参考臂、测量臂和法拉第转镜放置在密闭恒温减振系统中。激光光源和光探测器分别通过光纤连接光纤耦合器，被测光纤采用尾纤熔接方式或者光纤适配器即插即用方式接入测量臂，参考臂的一端和测量臂的一端都与光纤耦合器连接，参考臂的另一端的端末和测量臂的另一端的端末都设置有法拉第转镜。位于密闭恒温减振系统中的参考臂和测量臂是相互平行设置的，经过的空间位置一致。

激光光源发出的光由光纤耦合器分成相同两束：一束光进入参考臂稳定传输，另一束光进入测量臂在待测光纤中传输。两束光分别被法拉第转镜反射，在光纤耦合器处发生干涉。干涉光强经过光纤耦合器进入光探测器，光探测器将得到的干涉信号输出给数字信号处理系统，该干涉信号可以表征待测光纤的温度敏感性。

各器件之间的连接光纤可以是普通单模光纤或光子晶体光纤，光子晶体光纤为全内反射光子晶体光纤、全内反射保偏光子晶体光纤、带隙光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。

本发明的光纤Shupe常数测试方法，包括如下步骤：

步骤1：控制温度控制系统(9)升温至60°C，保持恒温不变，在此过程中通过光探测器(10)探测干涉光强度变化波形并输出至数字信号处理系统(11)，若波形波动显著，表示参考臂(4)的光纤处于变温阶段，测试装置尚未稳定；

步骤2：监测光探测器(10)输出的波形，当波形变化在每40分钟有1个峰值波动变化时，测试装置处于稳定状态，此时控制温度控制系统(9)停止恒温，开始降温阶段，每3min降温0.1°C，由光探测器(10)记录并输出干涉光强度变化波形数据；

步骤3：将光探测器(10)采集的干涉光强度变化波形数据用数字信号处理算法滤除局部扰动误差后，由数字信号处理系统(11)自动统计波形峰值数目N_f，并按照下面公式得出光纤Shupe常数S：

$S\≈\frac{N_f}{\left(2L\right)n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔT}}\·\mathrm{\λ}$

其中，L为被测光纤(6)的长度，n_eff为被测光纤(6)的有效传输模式折射率，ΔT为温度变化值，λ为实验用激光器波长。

本发明的优点和积极效果在于：本发明采用迈克尔逊干涉装置，两束光产生的稳定干涉场对传感臂中相位变化敏感精度优于具有很高的测量精度；同时采用旁路光纤监测原理设计的全封闭酚醛树脂恒温减振系统，最大限度减少环境干扰；器件之间的连接光纤（包括被测光纤）是普通单模光纤或光子晶体光纤（包括全内反射型光子晶体光纤、全内反射保偏光子晶体光纤、带隙光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤），测量范围广；测量端口开放，可采用尾纤熔接或光纤适配器即插即用方法接入待测光纤；本发明的测试装置及其方法采用全光纤化测量，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的光纤Shupe常数测试装置的结构示意图；

图2是参考臂与测量臂采用的普通单模光纤的示意图；

图3是参考臂与测量臂采用的普通单模光纤的模场分布示意图；

图4是参考臂与测量臂采用的光子晶体光纤的示意图；

图5是参考臂与测量臂采用的光子晶体光纤的模场分布示意图；

图6是光探测器输出至数字信号处理系统的实验数据波形的示意图；

图7是本发明的光纤Shupe常数测试方法的示意图。

图中：

1-激光光源；2-迈克尔逊干涉光路；3-光纤耦合器；4-参考臂；5-测量臂；6-被测光纤；

7-法拉第转镜；8-密闭恒温减振系统；9-温度控制系统；10-光探测器；11-数字信号处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的技术方案中采用迈克尔逊干涉敏感机制和旁路光纤监测原理实现。迈克尔逊干涉敏感机制为：用一个光纤定向耦合器，把其中两根光纤相应的端面处理为高反射率端面，其中一根作为参考臂，另一根作为传感臂，即测量臂。两束光反射回分光处将产生稳定干涉场，传感臂中扰动量对传输光相位产生影响，将导致干涉场发生可探测的变化。干涉场对传感臂中相位变化敏感精度优于

旁路光纤监测原理：参考光纤和信号传输光纤的长度相同，经过的空间位置也一致，以确保受到相同的环境影响。仅在测量臂的被测光纤接入处，参考光纤从旁路通过，不受被测量调制。在本发明技术方案中，参考臂4和测量臂5处于密闭恒温减振系统8中的部分，是相互平行设置的，经过的空间位置一致，长度基本相同。

本发明的光纤Shupe常数测试装置，如图1所示，包括：激光光源1、迈克尔逊干涉光路2、密闭恒温减振系统8、温度控制系统9、光探测器10和数字信号处理系统11。迈克尔逊干涉光路2包括：光纤耦合器3、参考臂4、测量臂5、被测光纤6和法拉第转镜7。

本发明的光纤Shupe常数测试装置的连接如图1所示，光纤耦合器3有3A、3B、3C和3D四个端口。激光光源1的尾纤与3A端口耦合，使光进入光纤耦合器3。3D端口熔接参考臂4，参考臂4另一端熔接法拉第转镜7，以反射光信号增大光程，提高测量精度。测量臂5有两段5-1和5-2，测量臂的5-1段的一端熔接3C端口，另一端采用尾纤熔接，或以光纤适配器即插即用方式将待测光纤6接入测量臂5。5-2段其中一端以与测量臂的5-1段相同的方式连接被测光纤6，另一端熔接法拉第转镜7。参考臂4和测量臂5的反射信号经原路返回光纤耦合器3处发生干涉，干涉信号由光纤耦合器3的3B端口处连接的光探测器10接收并记录。光探测器10将记录的干涉信号的实验数据传至连接的数字信号处理系统11。被测光纤6放置在温度控制系统9中，光纤耦合器3、参考臂4、测量臂5和法拉第转镜7放置在密闭恒温减振系统8中。

位于密闭恒温减振系统8中的两段测量臂5和参考臂4以旁路监测原理进行布线，参考臂4的布线长度为2m。密闭恒温减振系统8采用全封闭设计的酚醛树脂泡沫恒温减振系统。温度控制系统9采用无扰动温度控制系统，以自动控制的升温-恒温监测-被动冷却降温的方式对光纤变温进行控制。

各器件之间的连接光纤、参考臂4、测量臂5以及待测光纤6可以是普通单模光纤或光子晶体光纤，光子晶体光纤是全内反射光子晶体光纤、全内反射保偏光子晶体光纤、带隙光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。

激光光源1发出的光经过光纤耦合器3分成两束，分别进入参考臂4和测量臂5，并被远端法拉第转镜7反射后返回，经光纤耦合器3进入光探测器10，得到的干涉信号可以表征测量臂中待测光纤的温度常数。

本装置结构简单、测量精度高、可靠性好；设计采用全光纤结构，抗干扰能力强；可在光纤陀螺绕环前单独测量光纤的Shupe常数，评价光纤环全温稳定性。可测量广泛使用的多种光纤和新型光子晶体光纤，便于优化选择陀螺用光纤，对评估和指导优化光纤陀螺的温度性能有重要意义。

本发明还提供了一个采用本发明提供的测试装置进行测试的方法，如图7所示，具体为：

步骤1：控制温度控制系统9升温至60°C，保持恒温不变，该过程中光探测器10将探测到光强度变化，光探测器10输出干涉光强度变化波形至数字信号处理系统11，用以指示光纤Shupe常数测试装置的稳定程度。若波形波动显著，则表示参考臂4的光纤处于变温阶段，且有可能受其他扰动如温度控制系统加热装置的振动的影响，整个测试装置尚未稳定。

步骤2：监测光探测器10输出波形，强度变化为约每40分钟有1个峰值波动变化时，测试装置处于稳定状态。温度控制系统9停止恒温，开始降温阶段。由温度控制系统9的温度传感器记录温度变化（约每3min降温0.1°C）。同时由光探测器10记录并输出干涉光强度变化数据。

步骤3：将光探测器10采集的干涉光强度变化波形的实验数据用数字信号处理算法滤除局部扰动误差后，由数字信号处理系统11自动统计波形峰值数目N_f，并按照下面公式得出光纤Shupe常数S：

$S\≈\frac{N_f}{\left(2L\right)n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔT}}\·\mathrm{\λ}$

其中，L为被测光纤6的长度，n_eff为被测光纤6的有效传输模式折射率，ΔT为温度变化值，λ为实验用激光器波长。

图2为参考臂4与测量臂5可采用的一种普通单模光纤横截面几何结构图。其中，内层深色部分是由高折射率SiO₂构成的纤芯，用于导光；外层浅色部分为由低折射率SiO₂构成光纤包层，用于将光约束在纤芯中传导。

图3为图2所示普通单模光纤导光时，在光纤横截面上特定的模场分布示意图。中央亮斑所示为单一模场被约束在光纤纤芯中稳定传播，满足测试要求。

图4为参考臂4与测量臂5可采用的一种偏振保持光子晶体光纤横截面几何结构示意图。浅色孔洞所示为构成该光子晶体光纤微结构的空气孔，用以形成势阱，将光波约束在光纤中心传播，并维持偏振保持特性。深色结构为均匀分布的SiO2材料。

图5所示为参考臂4与测量臂5采用的光子晶体光纤模场分布示意图。中心亮斑为椭圆形光场，稳定分布且保持偏振特性，满足测试要求。

光探测器10输出至数字信号处理系统11的良好的实验数据波形，如图6所示，输出稳定平滑的光强变化曲线。输出约200~400个稳定的峰值时，采集的实验数据即可支持足够的计算精度。此时记录温度变化ΔT和光强度变化数据。采用本发明的测试装置及其方法，可以对多种光纤进行测量，在光纤陀螺绕环前单独测量光纤的Shupe常数，评价光纤环全温稳定性，从而可方便选择合适的陀螺用光纤，同时对改善光纤陀螺的温度性能有重要意义。

Claims (6)

1.一种光纤Shupe常数测试装置，包括如下器件：激光光源(1)、迈克尔逊干涉光路(2)、温度控制系统(9)、光探测器(10)和数字信号处理系统(11)；迈克尔逊干涉光路(2)包括光纤耦合器(3)、参考臂(4)、测量臂(5)和被测光纤(6)；被测光纤(6)放置在温度控制系统(9)中，其特征在于，所述的光纤Shupe常数测试装置还包括密闭恒温减振系统(8)，迈克尔逊干涉光路(2)还包括法拉第转镜(7)；光纤耦合器(3)、参考臂(4)、测量臂(5)和法拉第转镜(7)放置在密闭恒温减振系统(8)中；激光光源(1)和光探测器(10)分别通过光纤连接光纤耦合器(3)，被测光纤(6)采用尾纤熔接方式或者光纤适配器即插即用方式接入测量臂(5)，位于密闭恒温减振系统(8)中的参考臂(4)和测量臂(5)是相互平行设置的，经过的空间位置一致，参考臂(4)的一端和测量臂(5)的一端都与光纤耦合器(3)连接，参考臂(4)的另一端的端末和测量臂(5)的另一端的端末都设置有法拉第转镜(7)；

激光光源(1)发出的光由光纤耦合器(3)等分成两束，一束光进入参考臂(4)稳定传输，另一束光进入测量臂(5)在待测光纤(6)中传输，两束光分别被法拉第转镜(7)反射，在光纤耦合器(3)处发生干涉，干涉光强经过光纤耦合器(3)进入光探测器(10)，光探测器(10)将得到的干涉信号输出给数字信号处理系统(11)；

所述的数字信号处理系统(11)，自动统计干涉信号波形峰值数目N_f，并按照下面公式得出光纤Shupe常数S：

$S\≈\frac{N_f}{\left(2L\right)n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔT}}\·\mathrm{\λ}$

其中，L为被测光纤(6)的长度，n_eff为被测光纤(6)的有效传输模式折射率，ΔT为温度变化值，λ为实验用激光器波长。

2.根据权利要求1所述的光纤Shupe常数测试装置，其特征在于，所述的参考臂(4)、测量臂(5)、被测光纤(6)以及各器件之间的连接光纤为普通单模光纤或光子晶体光纤，光子晶体光纤为全内反射光子晶体光纤、全内反射保偏光子晶体光纤、带隙光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤Shupe常数测试装置，其特征在于，所述的测量臂(5)，分为两段，第一段测量臂(5-1)的一端连接光纤耦合器(3)的3C端口，另一端采用尾纤熔接方式或者光纤适配器即插即用方式连接被测光纤(6)，第二段测量臂(5-2)的一端采用尾纤熔接方式或者光纤适配器即插即用方式熔接被测光纤(6)，另一端的端末上设置有法拉第转镜(7)；位于密闭恒温减振系统(8)中的两段测量臂(5)和参考臂(4)以旁路监测原理进行布线，参考臂(4)的布线长度为2m。

4.根据权利要求1所述的光纤Shupe常数测试装置，其特征在于，所述的密闭恒温减振系统(8)为全封闭设计的酚醛树脂泡沫恒温减振系统。

5.根据权利要求1所述的光纤Shupe常数测试装置，其特征在于，所述的温度控制系统(9)为无扰动温度控制系统，以自动控制的升温-恒温监测-被动冷却降温的方式对光纤变温进行控制。

6.应用权利要求1所述的光纤Shupe常数测试装置的光纤Shupe常数测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制温度控制系统(9)升温至60℃，保持恒温不变，在此过程中通过光探测器(10)探测干涉光强度变化波形并输出至数字信号处理系统(11)，若波形波动显著，表示参考臂(4)的光纤处于变温阶段，测试装置尚未稳定；

步骤2：监测光探测器(10)输出的波形，当波形变化在每40分钟有1个峰值波动变化时，测试装置处于稳定状态，此时控制温度控制系统(9)停止恒温，开始降温阶段，每3min降温0.1℃，由光探测器(10)记录并输出干涉光强度变化波形数据；

步骤3：将光探测器(10)采集的干涉光强度变化波形数据用数字信号处理算法滤除局部扰动误差后，由数字信号处理系统(11)自动统计波形峰值数目N_f，并按照下面公式得出光纤Shupe常数S：

$S\≈\frac{N_f}{\left(2L\right)n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔT}}\·\mathrm{\λ}$

其中，L为被测光纤(6)的长度，n_eff为被测光纤(6)的有效传输模式折射率，ΔT为温度变化值，λ为实验用激光器波长。