CN106706001A - 一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法 - Google Patents

一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，其使用飞秒激光刻制光纤光栅的技术，在保偏光纤环大约中心点附近位置刻制光纤光栅，然后将该保偏光纤绕制成保偏光纤环，再依靠光纤通信领域中的光频域反射技术，通过精确检测保偏光纤环中光纤光栅位置，精确定位保偏光纤环光程中心点，进而切割保偏光纤环两端尾纤并保证两个反向传播光路距离光纤环光程中心点的长度测量控制在mm精度，从而保证截取后的保偏光纤环两端尾纤距离保偏光纤环本身光程中心点的长度差控制在mm精度。本发明解决了现有光纤陀螺技术领域中存在的不能实现保偏光纤环两端与环体本身光程中心点等长的难题，同时在不增加保偏光纤使用长度的前提下(即在不增加保偏光纤环成本的前提下)，提高了光纤陀螺的测量精度。

Description

一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体是一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法。
背景技术
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克效应(Sagnac Effect)。萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。目前应用最广泛得的光纤陀螺类型为干涉型光纤陀螺仪(I-FOG)，它采用多匝保偏光纤圈来增强萨格纳克效应，一个由多匝单模保偏光纤环成的双光束环形干涉仪可提供较高的精度。
光纤陀螺自1976年问世以来，得到了极大的发展。但是，光纤陀螺在技术上还存在一系列问题，这些问题影响了光纤陀螺的精度和稳定性，进而限制了其应用的广泛性。理论上，制作的保偏光纤环保证两端尾纤距离中心点的距离完全相等，则可以根据上述理论描述“当若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比”来计算出旋转的角速度。但是，在保偏光纤环绕制过程中，由于绕环设备、所使用的胶体固化、保偏光纤环老化过程中产生的环体内部保偏光纤的长度变化，会破坏保偏光纤环两端尾纤针对环体本身光程中心点的对称性，进而影响保偏光纤环制备成为光纤陀螺后的角速度测量精度。但是这在目前的光纤陀螺制备过程中，还无法实现对保偏光纤环两端尾纤针对环体本身光程中点的对称性的检测。换句话说，还没有办法测量光纤环两端尾纤距离光程中心点的实际长度。目前的方法，只能够认为利用分纤机将保偏光纤从两端尾纤分成左右两盘后的大约中心点位置为光程中心点，在将保偏光纤绕制成光纤环后，保偏光纤环两端尾纤的截取也由于无法基于准确的光程方面的测试数据，而只能盲目截取。
现有的一种提高光纤陀螺测量角速度精度的方法是通过使用更长保偏光纤绕制光纤环，配合以特殊的保偏光纤环绕制方法，来提高光纤陀螺角速度测量精度。但是保偏光纤环的成本主要集中在保偏光纤及其绕制过程上面，通过增加绕制的保偏光纤长度的方法，提高光纤陀螺角速度测量精度有限并且会显著增加光纤陀螺的整体成本，对于未来需求量巨大的光纤陀螺市场而言，成本也是必须考虑的重要方面。
发明内容
针对现有光纤陀螺制备技术存在的上述不足，本发明提供一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，在不增加保偏光纤使用长度的前提下，能够精确测量两个反向传播光路的长度，即得到保偏光纤环光程中心点的精确位置，进而切割保偏光纤环两端尾纤，并保证两个反向传播光路的长度测量和截取控制在mm精度，从而保证截取后的保偏光纤环两端尾纤距离保偏光纤环本身光程中心点的长度差控制在mm精度。
一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，包括如下步骤：
步骤一、保偏光纤中心点位置预定位：截取一定长度的保偏光纤，利用分纤机将保偏光纤从两端尾纤分成左右两盘，并在大约中心点位置进行标记；
步骤二、使用飞秒激光刻制光纤光栅：在不干扰光纤陀螺使用光波段的情况下，根据步骤一所标记的中心点位置刻制光纤光栅；
步骤三、保偏光纤环绕制：将已刻制光纤光栅的保偏光纤使用光纤环绕环机根据不同绕制方式绕制成保偏光纤环，保偏光纤环的两端有尾纤留出；
步骤四、保偏光纤环两端尾纤距离光程中心等距截取：在保偏光纤绕制成环后，通过将保偏光纤环一端尾纤接至光频域反射计，测量结果显示接入端、光纤光栅、光纤环另一端尾纤终点的精确位置，然后根据测试结果，计算保偏光纤环两端需要截取的距离，以保证所截取长度精度控制在mm级。
进一步的，步骤二中刻制光纤光栅的指标如下：
FBG反射波长远离光纤陀螺光源的波段；
FBG反射率：1‰至1％；
FBG除反射波长外，其他通过波长损耗要求：≤0.5dB
FBG物理尺寸：≤1mm
FBG正常工作温度：-45～80℃。
进一步的，步骤二具体过程为：将进行标记过中心点的保偏光纤取出，通过夹具固定标记点左右两端，然后将夹具放置在旋转平台上，通过旋转平台以及显微镜，将激光聚焦点避开保偏光纤硼区而直接聚焦在光纤纤芯上，然后开始刻制光纤光栅。
本发明的有益效果是：
1、使用飞秒激光刻制光纤光栅，其光纤光栅波长、反射率等属性参数均可定制，刻制位置为光纤纤芯，保证了不干扰光纤本身对光纤陀螺使用光的光学属性；刻制过程免去光纤涂覆层“剥除—再涂覆”，保证了不破坏光纤的机械属性；光纤光栅自身物理长度可低至1mm以下并提供特定波长光的一定比率的光反射，保证了后期OFDR对其的检测和精确定位。
2、在2km范围内，使用光频域反射技术能够检测和精确定位光纤光栅，定位精度能够达到±1mm；
3、保偏光纤绕制成保偏光纤环之后，通过光频域反射技术检测保偏光纤两端尾纤至保偏光纤中心点距离后，计算出需要对保偏光纤两端尾纤的截取距离后，进行截取，检测和截取操作简便，保证精度在mm级。
4、在不增加保偏光纤使用长度的前提下，即不改变保偏光纤及光纤陀螺制备成本的前提下，提供了一种可提高光纤陀螺角速度测量精度的方法。
附图说明
图1是本发明中对保偏光纤中心点位置预定位的示意图；
图2是保偏光纤横截面示意图；
图3是本发明中使用飞秒激光刻制光纤光栅的示意图；
图4是本发明中保偏光纤环绕制后的结构示意图；
图5是基于瑞利散射的相干探测原理图；
图6是光频域反射技术(OFDR)的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，包括如下步骤：
步骤一、保偏光纤中心点位置预定位
光纤陀螺使用的保偏光纤绕环，长度从200m到5km不等，目前的情况是保偏光纤使用的越长，后期制备的光纤陀螺精度就越高。本实施例以1.1km保偏光纤陀螺的制备为例进行说明。首先，截取长度为1.1km的保偏光纤。利用分纤机(长度精度理论上可以达到总长度的千分之三3‰)将保偏光纤从两端尾纤分成左右两盘(如图1所示)，并在大约中心点位置(550m左右位置)进行标记(例如用水笔进行标记)。此时，该中心点位置无需精确定位，根据分纤机的长度计算理论上也能控制在10m以内。然后，将分成左右两盘的保偏光纤进行保护装盒，中间用水笔标记的位置留出并特别保护好。
步骤二、使用飞秒激光刻制光纤光栅
本实施例中，鉴于光纤陀螺将使用1530nm+/-20nm波段光，在不干扰光纤陀螺使用光波段的情况下，根据步骤一所标记的中心点位置刻制反射波长为1600nm、弱反射率的光纤光栅。使用飞秒激光器刻制光纤光栅技术与使用传统紫外激光器通过掩膜板刻制光纤光栅技术的不同之处在于，前者不需要在刻制光纤光栅前剥离光纤的外涂覆层。这一巨大技术优势，将保证在刻制光纤光栅的过程中对光纤本身的物理机械特性产生任何影响。换句话说，如果因为需要刻制光纤光栅而剥离光纤的外涂覆层，刻制之后再涂覆其他树脂材料进行保护，则会严重影响光纤在刻栅的局部位置上的机械强度(拉伸强度和抗弯性能)，这样也将直接影响光纤绕制光纤环后光纤环内部的光学和机械稳定性。
本例中，采用飞秒激光器在普通单模光纤上刻制光纤光栅的技术成熟，同时可以保证刻制的光纤光栅满足波长及尺寸指标要求。光纤光栅的指标确定规则如下：
FBG反射波长：远离光纤陀螺光源的波段，例如1600nm；
FBG反射率：尽可能小，例如1‰至1％；
FBG除反射波长外，其他通过波长损耗要求：≤0.5dB；
FBG物理尺寸：尽可能小，例如≤1mm，目前技术可以做到800um；
FBG正常工作温度：与光纤陀螺要求的工作环境一致，例如-45～80℃。
所使用的保偏光纤横截面如图2所示所示。飞秒激光器刻栅过程中，激光聚焦刻栅点需要躲避熊猫型保偏光纤的硼区。
保偏光纤纤芯上刻制光纤光栅的具体过程为：将之前进行标记过中心点的保偏光纤取出，通过夹具固定标记点左右两端，然后将该夹具放置在旋转平台上；通过旋转平台以及显微镜，将激光聚焦点避开保偏光纤硼区而直接聚焦在光纤纤芯上，然后开始刻制光纤光栅，如图3所述。
步骤三、保偏光纤环绕制
将已刻制光纤光栅的保偏光纤使用光纤环绕环机根据不同绕制方式绕制成保偏光纤环，保偏光纤环的两端有尾纤留出，如图4所示。
步骤四、光纤环两端尾纤距离光程中心等距截取
在保偏光纤绕制成环后，通过将光纤环一端尾纤接至光频域反射计，测量结果可显示接入端、光纤光栅、光纤环另一端尾纤终点的精确位置。然后，根据测试结果，计算光纤环两端需要截取的距离，截取过程可以通过桌面标尺进行操作，可以保证所截取长度精度控制在mm级。
光频域反射技术(Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR)，本质上是一种基于瑞利散射的相干探测技术，如图5所示，在相干探测系统中，除了用于探测的信号光，还增加了用于与信号光进行相干探测的参考光。信号光与参考光经耦合器耦合到光电探测器中，光电探测器将信号光与参考光混合时产生的混频信号转化为电信号后，经过滤波器滤波、放大器放大，即可得到信号光与参考光的差频信号。故相干探测又称为光外差探测。
设信号光和参考光的光场分别为
fs(t)＝Esexp(iωst) (2-1)
fL(t)＝ELexp(iωLt) (2-2)
则入射到探测器上的总光场为
f(t)＝fs(t)+fL(t)＝Esexp(iωst)+ELexp(iωLt) (2-3)
由于光电探测器输出的光电流与光场场强的平方成正比，则得到光电探测器的输出光电流为
其中，是探测器的响应度。由上式可知，探测器产生的电信号包含直流分量和交流分量2kEsELcos(ωs-ωL)t，通过使用滤波器或交流耦合输出的探测器，可以得到交流输出为
i(t)＝2EsELcos(ωs-ωL)t (2-5)
实际上，经光电探测器输出的信号是由式(2-5)所表示的外差信号电流，它的频率为两束光的差频，幅值则与两束光的振幅成正比。
OFDR的原理如图6所示，光源发出的扫频光波经线性扫描的连续光被耦合器分成两路，其中一路光波被注入到传感光纤，它在光纤中传播时会不断产生瑞利散射信号，这些瑞利散射信号成为信号光并通过耦合器被耦合到光电探测器中。另一路光，经过反射后作为参考光经过耦合器同样被耦合到光电探测器中。
若瑞利散射信号光与参考光满足相干条件，它们就会在光电探测器上发生混频。对于光纤中的探测光，其电场可以表示为
A(x)exp[iβ(t)x] (3-1)
振幅为
A(x)＝α1/2A0 (3-2)
其中，
表示从光纤入射端到光纤沿线所有衰减系数的累积。对于一小段光纤dx，设其瑞利散射系数为σ(x)，则此段光纤产生的瑞利散射的振幅为A(x)σ(x)dx。因此在光纤入射端的总瑞利散射强度为
其中，L为光纤的总长度。对于参考光，其表达式为
Er(0,t)＝Arexp[-2iβ(t)xr] (3-5)
因此，光电探测器上得到的两路光的混频信号为
其中，为直流项，并且由于Er>>E0，主要由Er(0,t)决定，与β(t)无关；为交流项，令g(β)＝E0(β)/Er为归一化的瑞利散射信号，则可利用直接得到其实部。根据式(3-4)和(3-5)，可得
其中，
G(x)＝[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)] (3-8)
从式(3-7)可以看出，对于光纤中某个位置x，其在最终归一化信号g(γt)中的比重为G(x)dx，且此比重以2γ|x-xr|的频率随时间波动。如果取xr＝0，则可将此波动频率与光纤中的位置x一一对应，即光纤中的x处对应的频率为
f(x)＝2γx＝2xκ/vg (3-9)
其中，vg为光波在光纤中的传输速度。
从上面的分析可以看出，通过求解g(γt)的频谱，便可以从频谱上各频率点反推出光纤中的各个位置。并且由于G(x)dx与光纤沿线的衰减成正比，可从各个频率点的功率得到光纤沿线各位置处的衰减情况。
OFDR的空间分辨率可表示为
Δx＝LΔf/f (3-10)
其中，Δf为频谱的频率分辨率，f为散射信号与参考光对应的最大频率差
f＝2κL/vg (3-11)
由于从时域到频率变换时，频率分辨率Δf由信号的持续时间T决定，即
Δf＝1/T (3-12)
因此，从式(3-10)和(3-12)可得空间分辨率为
Δx＝vg/2Δv (3-13)
其中，Δv为光源的频率扫描范围。由上式可见，OFDR的空间分辨率由光源所能实现的最大频率扫描范围所决定。OFDR对光源频率扫描的线性度有非常高的要求。
本发明所使用的光频域反射计专用于通讯光纤及特种光纤的光链路回波损耗的幅度测试及位置定位。针对本发明，其重要功能是确定光纤光栅的位置，定位精度能够达到+/-1mm。
本发明使用飞秒激光刻制光纤光栅的技术，在保偏光纤环大约中心点附近位置刻制光纤光栅，然后将该保偏光纤绕制成保偏光纤环，再依靠光纤通信领域中的光频域反射技术，通过精确检测保偏光纤环中光纤光栅位置，精确定位保偏光纤环中心点，用以后期截取保偏光纤环两端尾纤保证保偏光纤尾端至保偏光纤环中心点的光程长度相同，其可在不增加保偏光纤使用长度的前提下，解决现有技术中存在的不能实现保偏光纤环两端与环体本身光程中心点等长的问题，而且进度精度可以达到mm级别，从而在不增加成本的情况下，较之使用等长度保偏光纤而没有采用本方法进行制备的光纤陀螺，提高了光纤陀螺的精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、保偏光纤中心点位置预定位：截取一定长度的保偏光纤，利用分纤机将保偏光纤从两端尾纤分成左右两盘，并在大约中心点位置进行标记；
步骤二、使用飞秒激光刻制光纤光栅：在不干扰光纤陀螺使用光波段的情况下，根据步骤一所标记的中心点位置刻制光纤光栅；
步骤三、保偏光纤环绕制：将已刻制光纤光栅的保偏光纤使用光纤环绕环机根据不同绕制方式绕制成保偏光纤环，保偏光纤环的两端有尾纤留出；
步骤四、保偏光纤环两端尾纤距离光程中心等距截取：在保偏光纤绕制成环后，通过将保偏光纤环一端尾纤接至光频域反射计，测量结果显示接入端、光纤光栅、保偏光纤环另一端尾纤终点的精确位置，然后根据测试结果，计算保偏光纤环两端需要截取的距离，以保证所截取长度精度控制在mm级。
2.如权利要求1所述的保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，其特征在于：步骤二中刻制光纤光栅的指标如下：
FBG反射波长远离光纤陀螺光源的波段；
FBG反射率：1‰至1％；
FBG除反射波长外，其他通过波长损耗要求：≤0.5dB；
FBG物理尺寸：≤1mm；
FBG正常工作温度：-45～80℃。
3.如权利要求1所述的保偏光纤环光程中心点的定位及检测方法，其特征在于：步骤二具体过程为：将进行标记过大约中心点位置的保偏光纤取出，通过夹具固定标记点左右两端，然后将夹具放置在旋转平台上，通过旋转平台以及显微镜，将激光聚焦点避开保偏光纤硼区而直接聚焦在光纤纤芯上，然后开始刻制光纤光栅。
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