CN112082735B - 一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法，包括低偏宽谱光源模块、信号分离与提取模块、Sagnac环、差分解调干涉仪、偏振串扰记录及处理模块，其特征是：在传统的测试装置中引入Sagnac结构，利用不同偏振方向的光，对光纤敏感环的正向和反向同步测量，采用差分扫描的解调干涉仪，可同时获得光纤敏感环中任意一点的双向测量结果。本发明结构简单、新颖，正向和反向测量差异性非常小，能够有效排除测试中伪干涉峰的影响，提高了测试效率，对光纤敏感环的互易性测量、评估，甚至优化光纤敏感环绕制工艺具有重大意义。

Description

一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法，属于光学器件测量技术领域。

背景技术

光纤陀螺是导航与制导领域的一种惯性仪表，它基于Sagnac效应，可实现旋转角速度的传感和测量。保偏光纤环是光纤陀螺系统中的核心敏感部件，是由几百米到几千米的保偏光纤按照一定的工艺和规律绕制而成，目的是为了提高光纤陀螺的传感性能。从光纤陀螺的传感原理可知，只有当沿着保偏光纤环正向和反向传输的光信号经过完全相同的光程时，光纤陀螺才能实现精确导航。然而，由于保偏光纤环在绕制过程中会受到例如扭转、压力、拉力等因素的影响，在其内部会产生较为严重的偏振能量耦合，即偏振串扰，这会直接引起光纤陀螺系统的传感误差。因此，为了提高保偏光纤环的绕环互易性和对称性，对其正向和反向的偏振串扰进行测量是非常必要的，这对于保偏光纤环绕环工艺的改进和光纤陀螺系统的性能提升都具有重要意义。

关于保偏光纤环绕环对称性的测量与评估方法，已经在多个方面取得了重要研究成果。2008年，北京高光科技有限公司的姚晓天等人公开了光纤陀螺用光纤环质量的测量方法及其装置(中国专利申请号：200810119075.6)，该发明中对光纤环分别施加径向和轴向温度激励并测量瞬态环的温度特性，结合三维模型，对光纤环的不对称度进行评价。2014年，中国航空工业第六一八研究所的杨东锟等人公开了一种光纤环互易对称性评价及补偿方法(中国专利申请号：201410392975.3)，该发明通过增强布里渊背向反射检测技术得到表征互易对称性的光纤环内部应力状态分布数据，由该分布数据建立工作温度范围内的对称性模型并分析评价待测光纤环的互易对称性。2015年，中国电子科技集团公司第四十一研究所的赵耀等人公开了一种补偿光纤陀螺用光纤环不对称长度的方法(中国专利申请号：201510282059.9)，该发明利用布里渊光时域分析技术，对光纤环不同温度下的应力分布进行测量，通过计算其应力积分差来评价光纤环的对称性。上述方法或装置中，主要对光纤环的温度和应力分布进行测试和分析，通过分析温度和应力分布，评价光纤环的偏振互异性和绕制对称性。实际情况中，温度和应力是通过影响偏振串扰，进而使光纤环的偏振互异性劣化；可以说，偏振串扰才是影响光纤环互异性的直接因素，只有对光纤环的分布式偏振串扰进行双向测试和分析，才能够准确、直观的评价光纤环的互异性。

伴随着基于白光干涉原理的光学相干域偏振测量技术(OCDP)的快速发展，已经能够实现保偏光纤分布式偏振串扰测量。该技术能够测量光纤环上各个位置的偏振能量耦合情况，为光纤环的质量评定提供了更加直观且有效的方法。2011年，哈尔滨工程大学的杨军等人公开了一种提高保偏光纤偏振耦合测量精度和对称性的装置与方法(中国专利申请号：201110118450.7)，该发明通过在光源与待测光纤之间加入光信号可控换向机构，使光信号分别从正向和反向进入待测光纤，从而达到双向测量的目的；该方法中只需要控制电控光开关的通断，无需重新熔接光环便可实现双向测量，非常方便快捷。但是该专利中所提到的可控换向机构由四个保偏光开关组成，不仅光路结构复杂，而且光开关的消光比将在测试结果中引入噪声峰，增加信号辨识的难度，并降低了测试的精度。同时，该方法不能进行双向同时测量，温度、振动等环境因素会导致双向测试结果出现较大差异。2012年，北京航空航天大学的杨德伟等人公开了一种光纤环偏振串音估计与对称性评价方法(CN201210359805.6)，利用相干域偏振检测技术获得偏振耦合强度分布数据，再利用波长扫描法获得光纤的双折射色散系数，通过分别确定中点两侧的偏振串音来分析光纤环的对称性。但是该方法只能测得偏振串音的平均值，无法实现分布式测量。2016年，哈尔滨工程大学的杨军等人公开了一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置(CN 201610532372.8)，该装置可同时将光信号双向注入待测光纤陀螺环中，并分别采用两套解调干涉仪实现保偏光纤环的双向、同时测量。但是，该发明中使用了多个起偏器、检偏器和环形器等光学器件搭建被测光路，使得光路结构较为复杂。此外，由于正向和反向测量光信号经过的光学器件不同，正反向测量结果会产生较大的误差。随后在2017年，哈尔滨工程大学的杨军等人公开了一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置(CN 201710050099.X)，该发明中光纤陀螺环被测光路的结构不变，而是采用共光路结构，仅用一套解调干涉仪就能实现正反向信号的测量，极大简化了测量装置的复杂程度。但是，正向和反向测量光信号经过的光学器件依然不同，正反向测量结果仍然会产生较大的误差。

从上述情况来看，目前依旧缺乏一种有效、可靠的方法和装置对光纤环进行双向同时测试。上述用于测量保偏光纤环正反向偏振特性的方案中，正向和反向测试时的光路径、器件都不相同，尤其是像起偏器和检偏器这类具有偏振特性的光学器件，其自身微小的性能参数(如偏振消光比)差异，将会对正反向测量结果带来较为严重的测量误差。无法保证正向和反向测量的一致性。

本发明基于光学相干域偏振测量技术，通过Sagnac的闭合结构，使用不同偏振态的光对光纤敏感环同时进行正向和反向测试；使用差分结构的解调干涉仪，可同时获得光纤敏感环中任意一点的双向测量信息。本发明结构简单、新颖，正向和反向测量的光传播路径完全一致，将二者差异大大缩小；同时能够有效排除测试中伪干涉峰的影响，提高了测试效率，对光纤敏感环的互易性测量、评估，甚至优化光纤敏感环绕制工艺具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法，实现对光纤敏感环线性双折射、消光比、各点偏振串扰的双向同步测量，用于对光纤敏感环的互易性评价。

本发明的目的是这样实现的：包括低偏宽谱光源模块1、信号分离与提取模块2、Sagnac环3、差分解调干涉仪4、偏振串扰记录及处理模块5，Sagnac环3由待测光纤敏感环34的两根尾纤分别与第一光纤偏振分束器31的两个输出端口31b、31c相连接构成；信号分离与提取模块2的三个端口21a、22b、24a分别与低偏宽谱光源模块1、Sagnac环3、差分解调干涉仪4相连接，具体可描述为：低偏宽谱光源模块1将低偏光注入测量装置中，经由信号分离与提取模块2，向Sagnac环3的两个偏振轴均匀的注入光信号，同时将来自Sagnac环3中的耦合光和来自光源的参考光一并注入到差分解调干涉仪4中，完成信号的解调；偏振串扰记录及处理模块5与差分解调干涉仪4相连接，数据采集卡51与第一、第二差分探测器414与415、424与425相连接，处理并记录由第一、第二差分探测器414与415、424与425输出的光纤敏感环双向测量信号；数据采集卡51与差分扫描的延迟线404连接，控制反射镜的移动；控制计算机52对来自数据采集卡的信号进行处理，输出并储存光纤敏感环的偏振串扰测试结果，并对比双向测量结果的差异，评价光纤敏感环的互易性。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.光纤敏感环34尾纤分别与尾纤31b、31c焊接，焊点32、33的对轴角度为0°-0°；信号分离与提取模块2的三个端口21a、22b、24a分别与低偏宽谱光源模块1、Sagnac环3、差分解调干涉仪4连接，焊接的对轴角度均为0°-0°。

2.低偏宽谱光源模块1包括宽谱SLD光源11、光纤隔离器13、45°光纤起偏器15，宽谱SLD光源11输出尾纤与光纤隔离器连接，光纤隔离器13另一端输出尾纤与45°光纤起偏器15输入尾纤连接，光信号由尾纤16输入后续装置中；光纤隔离器13的光传播途径是：从尾纤12至尾纤14传播，反向传播则被截止。

3.信号分离与提取模块2包括第一光纤环形器21、第一1×2光纤耦合器22、延长光纤23、第二1×2光纤耦合器24；第一光纤环形器端口21a、21b、21c分别与低偏宽谱光源模块1、第一1×2光纤耦合器端口22a、第二1×2光纤耦合器端口24b连接；第一1×2光纤耦合器22两端口22b、22c分别与Sagnac环3、延长光纤23连接；第二1×2光纤耦合器24两端口24a、24c分别与差分解调干涉仪4、延长光纤23连接；所有焊点的对轴角度均为0°-0°；第一光纤环形器21为三端口器件，其光传输的途径是：端口21a至端口21b，端口21b至端口21c，其余传播途径均截止；延长光纤23的长度选择依据是：确保参考光与耦合光能够在差分解调干涉仪4中发生干涉，参考光与耦合光在第二1×2光纤耦合器24处光程应匹配。

4.差分解调干涉仪4包括第二光纤偏振分束器401、第一解调干涉仪41、第二解调干涉仪42，第一解调干涉仪41和第二解调干涉仪42分别与第二光纤偏振分束器401的两个输出端口402、403相连；第一解调干涉仪41包括第三1×2光纤耦合器411、第二光纤环形器412、第四2×2光纤耦合器413、第一光纤准直器405、第一差分光电探测器414、415；第二解调干涉仪42包括第五1×2光纤耦合器421、第三光纤环形器422、第六2×2光纤耦合器423、第二光纤准直器406、第二差分光电探测器424、425；第一解调干涉仪41与第二解调干涉仪42共用一个差分扫描的延迟线404，第一解调干涉仪41与第二解调干涉仪42完全对称，光路结构、组成元件及器件参数均相同，包括第一干涉仪41与第二干涉仪42两臂光程差大小和各段光纤的长度均要相同。

5.一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量方法，包括基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，步骤如下：

步骤一：测量所用光纤器件的尾纤长度；具体需要测量的器件尾纤有：光纤起偏器尾纤，第一光纤环形器的尾纤21b、21c，第一1×2光纤耦合器的尾纤22a、22b、22c、第一光纤偏振分束器的尾纤31a、31b、31c、第二1×2光纤耦合器的尾纤24b、24c；分别记为l₁₃、l_21b、l_21c、l_22a、l_22b、l_22c、l_31a、l_31b、l_31c、l_24b、l_24c；

步骤二：延长光纤长度l_E的选择；具体过程为：来自低偏宽谱光源模块1的光被分为两束，一束经由尾纤22b进入Sagnac结构3中，一束作为参考光；延长光纤长度与各器件尾纤长度之间有如下关系：

S_E+S_22c+S_24c＝2×(S_22b+S_31a)+S_22a+S_21b+S_21c+S_24b

此处S＝l×n_x或S＝l×n_y、代表光在长度为l的光纤x轴或y轴传播时的光程，n_x和n_y分别代表光纤快轴和慢轴的折射率；

步骤三：搭建测试光路，光路中涉及保偏光纤的焊接对轴角度均为0°-0°；

步骤四：在第一光纤偏振分束器尾纤31b、31c处焊接一段保偏光纤跳线，焊接对轴角度为0°-0°，要求跳线长度大于1m，长度记为l_D；启动白光干涉仪，获取空扫时整个装置的噪声本底、器件、焊点的偏振串扰数据，并依据光程大小分辨各串扰峰的含义；

步骤五：依据光程大小，判断测试结果图中是否包含尾纤31b、31c与所述保偏光纤跳线的两个焊点的串扰峰；若只能测到一个焊点的串扰峰，根据焊点串扰峰对应的光程大小，调整延长光纤23的长度；若无法测到任何一个焊点的串扰峰，需要重新测量上述各光纤器件的尾纤长度，重新依据步骤二中的公式选择延长光纤23的长度；

步骤六：断开跳线与装置的连接，将待测光纤敏感环34接入装置中，光纤敏感环的尾纤与器件尾纤31b、31c焊接对轴角度为0°-0°；

步骤七：启动白光干涉仪，测量光纤敏感环34的双向偏振串扰数据，并将其作为信号数据储存；

步骤八：对比空扫时所测到的数据，依据所测得的器件尾纤长度及延长光纤23长度，找到焊点32、33所对应串扰峰的位置，由此确定光纤敏感环内部串扰峰的光程范围；

步骤九：根据获得的光纤敏感环(34)双向测量结果，提取环内部偏振串扰信息、环的集总消光比数值；并对比双向测量结果的差异性，评估环的质量和对称性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是在传统的基于白光干涉原理的光学相干域偏振测试系统基础上的一次创新；通过引入Sagnac环结构，简化装置结构，最大限度的消除了正向和反向测量的差异性，能够排除测试中伪干涉峰的影响；采用不同偏振态的光，实现光纤敏感环偏振串扰的双向同步测量，能够同时获得光纤敏感环的双向测试结果，提高测试效率；共用差分结构的扫描延迟线，实现对光纤敏感环内任意一点偏振串扰的双向同步测量，排除了延迟线和外界环境变化对互易性评价结果的影响，所得结果能够较为客观、准确的评价光纤敏感环的对称性。

附图说明

图1是基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量方法流程图；

图2是一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置原理图；

图3是Sagnac结构实现双向测量的光学原理图；

图4是信号分离与提取模块工作原理示意图；

图5是差分扫描的双Mach-Zehnder解调干涉仪的装置原理图及输出信号的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：本发明提出的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，如图2所示，包括低偏宽谱光源模块1、信号分离与提取模块2、Sagnac环3、差分解调干涉仪4、偏振串扰记录及处理模块5，待测光纤敏感环34的两根尾纤分别与第一光纤偏振分束器31的两个输出端口31b、31c相连接，共同构成Sagnac环3；信号分离与提取模块2的三个端口21a、22b、24a分别与低偏宽谱光源模块1、Sagnac环3、差分解调干涉仪4相连接；具体可描述为：低偏宽谱光源模块1将低偏光注入测量装置中，经由信号分离与提取模块2，向Sagnac环3的两个偏振轴均匀的注入光信号，同时将来自Sagnac环3中的耦合光和来自光源的参考光一并注入到差分解调干涉仪4中，完成信号的解调；偏振串扰记录及处理模块5与差分解调干涉仪4相连接，数据采集卡51与第一、第二差分探测器414与415、424与425相连接，处理并记录由第一、第二差分探测器414与415、424与425输出的光纤敏感环双向测量信号；同时，数据采集卡51与差分扫描的延迟线404连接，控制反射镜的移动；控制计算机52对来自数据采集卡的信号进行处理，输出并储存光纤敏感环的偏振串扰测试结果，并对比双向测量结果的差异，评价光纤敏感环的互易性。

所述的光路连接方式是：光纤敏感环34尾纤分别与尾纤31b、31c焊接，焊点32、33的对轴角度为0°-0°；信号分离与提取模块2的三个端口21a、22b、24a分别与低偏宽谱光源模块1、Sagnac环3、差分解调干涉仪4连接，焊接的对轴角度均为0°-0°。

低偏宽谱光源模块1由宽谱SLD光源11、光纤隔离器13、45°光纤起偏器15组成，宽谱SLD光源11输出尾纤与光纤隔离器连接，光纤隔离器13另一端输出尾纤与45°光纤起偏器15输入尾纤连接，光信号由尾纤16输入后续装置中；光纤隔离器13的光传播途径是，从尾纤12至尾纤14传播，反向传播则被截止。

信号分离与提取模块2由第一光纤环形器21、第一1×2光纤耦合器22、延长光纤23、第二1×2光纤耦合器24组成；第一光纤环形器端口21a、21b、21c分别与低偏宽谱光源模块1、第一1×2光纤耦合器端口22a、第二1×2光纤耦合器端口24b连接；第一1×2光纤耦合器22两端口22b、22c分别与Sagnac环3、延长光纤23连接；第二1×2光纤耦合器24两端口24a、24c分别与差分解调干涉仪4、延长光纤23连接；所有焊点的对轴角度均为0°-0°；第一光纤环形器21为三端口器件，其光传输的途径是：端口21a至端口21b，端口21b至端口21c，其余传播途径均截止；延长光纤23，其长度选择依据是：为确保参考光与耦合光能够在差分解调干涉仪4中发生干涉，参考光与耦合光在第二1×2光纤耦合器24处光程应匹配。

差分解调干涉仪4是由第二光纤偏振分束器401、第一解调干涉仪41、第二解调干涉仪42组成，第一解调干涉仪41和第二解调干涉仪42分别与第二光纤偏振分束器401的两个输出端口402、403相连；第一解调干涉仪41分别由第三1×2光纤耦合器411、第二光纤环形器412、第四2×2光纤耦合器413、第一光纤准直器405、第一差分光电探测器414、415组成；第二解调干涉仪42分别由第五1×2光纤耦合器421、第三光纤环形器422、第六2×2光纤耦合器423、第二光纤准直器406、第二差分光电探测器424、425组成；第一解调干涉仪41与第二解调干涉仪42共用一个差分扫描的延迟线404，同时，第一解调干涉仪41与第二解调干涉仪42完全对称，光路结构、组成元件及器件参数均相同，包括第一干涉仪41与第二干涉仪42两臂光程差大小和各段光纤的长度均要相同。

实施例二：一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量方法，引入Sagnac结构，分别向光纤敏感环正向和反向注入不同偏振方向的光，采用一个差分扫描的解调干涉仪对双向测量信号进行解调，实现光纤敏感环双向同步测量；具体过程为：

步骤一：测量所用光纤器件的尾纤长度；具体需要测量的器件尾纤有：光纤起偏器尾纤，第一光纤环形器的尾纤21b、21c，第一1×2光纤耦合器的尾纤22a、22b、22c、第一光纤偏振分束器的尾纤31a、31b、31c、第二1×2光纤耦合器的尾纤24b、24c；分别记为l₁₃、l_21b、l_21c、l_22a、l_22b、l_22c、l_31a、l_31b、l_31c、l_24b、l_24c；

步骤二：延长光纤长度l_E的选择；具体过程为：来自低偏宽谱光源模块1的光被分为两束，一束经由尾纤22b进入Sagnac结构3中，一束作为参考光；因此，延长光纤长度与各器件尾纤长度之间有如下关系：

S_E+S_22c+S_24c＝2×(S_22b+S_31a)+S_22a+S_21b+S_21c+S_24b (1)

此处S＝l×n_x或S＝l×n_y、代表光在长度为l的光纤x轴或y轴传播时的光程，n_x和n_y分别代表光纤快轴和慢轴的折射率；

步骤三：搭建测试光路，光路中涉及保偏光纤的焊接对轴角度均为0°-0°；

步骤四：在第一光纤偏振分束器尾纤31b、31c处焊接一段保偏光纤跳线，焊接对轴角度为0°-0°，要求跳线长度大于1m，长度记为l_D；启动白光干涉仪，获取空扫时整个装置的噪声本底、器件、焊点的偏振串扰数据，并依据光程大小分辨各串扰峰的含义；

步骤五：依据光程大小，判断测试结果图中是否包含尾纤31b、31c与所述保偏光纤跳线的两个焊点的串扰峰；若只能测到一个焊点的串扰峰，根据焊点串扰峰对应的光程大小，调整延长光纤23的长度；若无法测到任何一个焊点的串扰峰，需要重新测量上述各光纤器件的尾纤长度，重新依据(1)式选择延长光纤23的长度；

步骤六：断开跳线与装置的连接，将待测光纤敏感环34接入装置中，光纤敏感环的尾纤与器件尾纤31b、31c焊接对轴角度为0°-0°；

步骤七：启动白光干涉仪，测量光纤敏感环34的双向偏振串扰数据，并将其作为信号数据储存；

步骤八：对比空扫时所测到的数据，依据所测得的器件尾纤长度及延长光纤23长度，找到焊点32、33所对应串扰峰的位置，由此确定光纤敏感环内部串扰峰的光程范围；

步骤九：根据获得的光纤敏感环34双向测量结果，提取环内部偏振串扰信息、环的集总消光比数值；并对比双向测量结果的差异性，评估环的质量和对称性。

所述的各串扰峰所对应光程的计算方法，在测量结果中，串扰峰分别来自于：光纤自身的串扰点、光纤焊点、光纤器件、光纤敏感环34内部串扰点；由于Sagnac结构3的特点，在Sagnac环路外的器件以及焊点产生的偏振串扰均不会对测试结果产生影响；为了准确获取光纤敏感环内部串扰点信息，需要确定两个环内焊点32、33所对应串扰峰的位置。

以正向注入x方向的偏振光为例，待测光纤敏感环的长度记为l_D；根据延长光纤的长度匹配规则可知，两个焊点32、33对应的串扰峰的光程可以表示为：

δ₃₂＝δ₁₃+δ_21b+δ_22a+δ_22b+δ_31a+δ_31b

δ₃₃＝δ₁₃+δ_21b+δ_22a+δ_22b+δ_31a+δ_31b+δ_D (2)

上式中δ＝l×Δn_f，代表光在长度为l的光纤快慢轴之间传播的光程差，Δn_f＝|n_x-n_y|代表线性双折射；

对于反向测量时，两个焊点32、33对应的串扰峰的光程可以表示为：

δ₃₂＝δ₁₃+δ_21b+δ_22a+δ_22b+δ_31a+δ_31c

δ₃₃＝δ₁₃+δ_21b+δ_22a+δ_22b+δ_31a+δ_31c+δ_D (3)

基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置的具体工作过程如下：

宽谱光源11的输出光依次经过光纤隔离器13和45°光纤起偏器15，变成一束低偏光注入到后续的装置中；如图4所示，来自低偏宽谱光源模块1的光经由第一光纤环形器21到达第一1×2光纤耦合器22，被耦合器均匀的分成两束光，一束光通过尾纤22b注入到Sagnac环3中，另一束通过尾纤22c取出，作为差分解调干涉仪4的参考光；

其中，注入到Sagnac环3中的低偏光，被第一光纤偏振分束器31完全分为两束偏振方向不同的光E_x和E_y，分别从光纤敏感环34正向、反向注入(假设正向为顺时针方向)；如图3所示，正向传输的光E_Fx经过光纤敏感环34后，在环的串扰点处发生偏振耦合，即一部分光从x轴向y轴耦合，形成耦合光E_Fy；同样的，反向传输的光E_Ry在光纤敏感环3的串扰点处发生偏振耦合，形成耦合光E_Rx。

当正向和反向传输的光经过光纤敏感环3后，再次回到第一偏振分束器31时，两根尾纤31b、31c中光的成份分别为：E_Fx'和E_Fy、E_Ry'和E_Rx。需要特别注意的是，尾纤31b是第一偏振分束器31的x方向偏振光的输出端口，尾纤31c是第一偏振分束器31的y方向偏振光的输出端口；当正向/反向传输的光再次经过第一偏振分束器31时，E_Fx'和E_Ry'将会被完全消除，能够通过第一偏振分束器31的光只有E_Fy和E_Rx，即正向的耦合光和方向的耦合光。通过上述过程，将正向/反向的耦合光从Sagnac环中取出，经由第一1×2光纤耦合器22和第一光纤环形器21进入到第二1×2光纤耦合器24中，与参考光合束后，注入到差分解调干涉仪4中。

差分解调干涉仪4结构如图5所示，注入到差分解调干涉仪4中光的成分为：正向耦合光E_Fy、反向耦合光E_Rx以及参考光E_x和E_y；经由第二光纤偏振分束器401，x、y方向的光被完全分开，分别从尾纤402与尾纤403输入第一解调干涉仪41和第二解调干涉仪42中，即第一解调干涉仪41对反向测量的光信号进行解调，第二解调干涉仪42对正向测量的光信号进行解调。

第一解调干涉仪41和第二解调干涉仪42完全对称，光路结构、组成元件及器件参数均相同，包括第一干涉仪41与第二干涉仪42两臂光程差大小和各段光纤的长度均要相同。以第一解调干涉仪41为例，描述其工作过程：注入到干涉仪中的参考光和耦合光被第三1×2光纤耦合器411均匀的分为两束，一束在参考臂中传输，另外一束在由第二光纤环形器412、第一光纤准直器405和延迟线404组成的扫描臂中传输。当延迟线404运动实现光程扫描时，第一解调干涉仪41的固定臂和扫描臂之间产生的光程差与参考光E_x、耦合光E_Rx的光程差相匹配时，第一差分探测器414与415将输出白光干涉信号，白光干涉峰值代表光纤敏感环34中各串扰点的偏振耦合大小，其峰值对应的光程扫描位置对应该串扰点在环中的空间位置。上述测量过程获得了光纤敏感环34正向测量的光学性能。

第一解调干涉仪41和第二解调干涉仪42共用一个差分扫描的延迟线404；如图5所示，当扫描开始时，第一、第二解调干涉仪41、42几乎同时输出光纤敏感环34同一空间位置串扰点的信息，可以直接大致对比双向测量结果。

差分扫描延迟线工作过程为：如图2所示的环内光传播过程，对于正向(快轴注入、顺时针)测试，耦合光的光程相对于参考光的光程是超前的；对于反向(慢轴注入、逆时针)测试，耦合光的光程相对于参考光的光程是滞后的。无论是正向还是反向测量，随着测量长度的增加光程差均是增加的，对于差分扫描延迟线的扫描过程来说，正向(反向)从最小光程处逐渐增加，反向(正向)从最大光程处逐渐减少，这样就实现了对环内同一空间位置串扰点的双向同时测试。

实施例三：为清楚地说明本发明基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，结合附图和具体参数对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

器件测量装置如图2所示，白光干涉测量装置的器件选择与性能参数如下：

宽带光源11的中心波长为1550nm、半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW，光源光谱纹波<0.05dB(峰值幅度大约为-60dB)，相干峰的光程范围4～7mm；

光纤隔离器12工作波长为1550nm、插入损耗0.8dB，隔离度>35dB；

光纤起偏器13工作波长为1550nm，偏振方向为45°，消光比小于0.2dB，插入损耗小于4dB(含起偏损耗3dB)；

第一、第二、第三光纤环形器21、412、422为三端口环行器，插入损耗1dB，回波损耗大于55dB；

第一、第二、第三、第五光纤耦合器是1×2光纤耦合器22、24、411、421，四个耦合器的参数相同，工作波长为1550nm，分光比50：50；

第四、第六光纤耦合器是2×2光纤耦合器413、423，两个耦合器的参数相同，工作波长为1550nm，分光比50：50；

第一、第二光纤偏振分束器31、401的工作波长为1550nm，消光比<20dB；

第一、第二光纤准直器405、406的工作波长为1550nm，平均插入损耗为2.0dB，损耗波动±0.2dB以内；延迟线404的反射镜反射率为92％以上，光程扫描范围在0～400mm之间变化(扫描范围依据待测光纤敏感环的长度而定)；

第一、第二差分探测器414与415、424与425的光敏材料均为InGaAs，光探测范围为1100～1700nm，响应度大于0.85；

基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置的具体测试流程如下：

根据步骤501可知，测得所使用的光纤起偏器15，第一光纤环形器21，第一1×2光纤耦合器22、第一光纤偏振分束器的尾纤31、第二1×2光纤耦合器24的尾纤长度分别记为l₁₃、l_21b、l_21c、l_22a、l_22b、l_22c、l_31a、l_31b、l_31c、l_24b、l_24c；

根据步骤502可知，测得所选取的延长光纤长度记为l_E，长度选择的要求依据公式(1)；

根据步骤503，参照图2搭建测试光路；

根据步骤504，在第一光纤偏振分束器尾纤31b、31c处焊接一段保偏光纤跳线，要求焊接对轴角度为0°-0°、跳线长度大于1m，测得跳线的长度为l_T；

根据步骤505，启动差分解调干涉仪4，测试装置空扫时的偏振串扰数据；由测试结果判断每个干涉峰的意义，确定步骤504中所述的第一光纤偏振分束器尾纤31b、31c与保偏光纤跳线的焊点对应的干涉峰位置；在实际操作过程中，如果能够测得两个焊点对应的串扰峰，为了保证待测光纤敏感环全长均在延迟线扫描范围内，需要使两个焊点对应的串扰峰光程尽可能小，依据测得的光程大小微调延长光纤的长度；

根据步骤506，若只能测到一个焊点的串扰峰，则依据焊点串扰峰对应的光程大小，调整延长光纤(23)的长度；若无法测到任何一个焊点的串扰峰，需要重新测量步骤501中所述的各光纤器件的尾纤长度，重新依据(1)式选择延长光纤23的长度；

根据步骤507，将待测光纤敏感环接入测试光路中；待测光纤敏感环的尾纤分别与第一光纤偏振分束器尾纤31b、31c焊接，要求焊接对轴角度为0°-0°；

根据步骤508，启动差分解调干涉仪4，测试光纤敏感环的双向偏振串扰数据，作为信号数据储存；

根据步骤509-511，对步骤508中测得的数据进行处理，评估光纤敏感环的质量及对称性；依据步骤501中测得的器件尾纤长度，确定光纤敏感环内部串扰点对应的偏振串扰峰的光程范围，获得光纤敏感环双向测试的偏振串扰、消光比等信息，对比正向和反向测量的结果，评价环的质量和对称性；

其中，光纤敏感环内部串扰点对应的偏振串扰峰的光程范围是依据焊点32、33对应的串扰峰位置来确定的，以正向测量(快轴注入、顺时针)为例，焊点32、33对应的串扰峰光程如公式(3)表示，那么光纤敏感环内部串扰点对应的偏振串扰峰的光程范围可以表示为：

δ₃₂＜δ_i＜δ₃₃(i＝1,2,3...) (4)

综上，本发明提供的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置及方法，包括低偏宽谱光源模块、信号分离与提取模块、Sagnac环、差分解调干涉仪、偏振串扰记录及处理模块，其特征是：在传统的测试装置中引入Sagnac结构，利用不同偏振方向的光，对光纤敏感环的正向和反向同步测量，采用差分扫描的解调干涉仪，可同时获得光纤敏感环中任意一点的双向测量结果。本发明结构简单、新颖，正向和反向测量差异性非常小，能够有效排除测试中伪干涉峰的影响，提高了测试效率，对光纤敏感环的互易性测量、评估，甚至优化光纤敏感环绕制工艺具有重大意义。

Claims (6)

1.一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，其特征在于：包括低偏宽谱光源模块(1)、信号分离与提取模块(2)、Sagnac环(3)、差分解调干涉仪(4)、偏振串扰记录及处理模块(5)，Sagnac环(3)由待测光纤敏感环(34)的两根尾纤与第一光纤偏振分束器(31)的两个输出端口(31b、31c)相连接构成；信号分离与提取模块(2)的三个端口(21a、22b、24a)分别与低偏宽谱光源模块(1)、Sagnac环(3)、差分解调干涉仪(4)相连接，具体描述为：低偏宽谱光源模块(1)将低偏光注入测量装置中，经由信号分离与提取模块(2)，向Sagnac环(3)的两个偏振轴均匀的注入光信号，同时将来自Sagnac环(3)中的耦合光和来自光源的参考光一并注入到差分解调干涉仪(4)中，完成信号的解调；偏振串扰记录及处理模块(5)与差分解调干涉仪(4)相连接，数据采集卡(51)与第一、第二差分探测器(414与415、424与425)相连接，处理并记录由第一、第二差分探测器(414与415、424与425)输出的光纤敏感环双向测量信号；数据采集卡(51)与差分扫描的延迟线(404)连接，控制反射镜的移动；控制计算机(52)对来自数据采集卡的信号进行处理，输出并储存光纤敏感环的偏振串扰测试结果，并对比双向测量结果的差异，评价光纤敏感环的互易性。

2.根据权利要求1所述的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，其特征在于：光纤敏感环(34)的两根尾纤分别与第一光纤偏振分束器(31)的端口(31b、31c)焊接，焊点(32、33)的对轴角度为0°-0°；信号分离与提取模块(2)的三个端口(21a、22b、24a)分别与低偏宽谱光源模块(1)、Sagnac环(3)、差分解调干涉仪(4)连接，焊接的对轴角度均为0°-0°。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，其特征在于：低偏宽谱光源模块(1)包括宽谱SLD光源(11)、光纤隔离器(13)、45°光纤起偏器(15)，宽谱SLD光源(11)与光纤隔离器(13)的端口a(12)连接，光纤隔离器(13)的端口b(14)与45°光纤起偏器(15)连接，光信号由45°光纤起偏器(15)的端口(16)输入后续装置中；光纤隔离器(13)的光传播途径是：从光纤隔离器(13)的端口a(12)至光纤隔离器(13)的端口b(14)传播，反向传播则被截止。

4.根据权利要求3所述的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，其特征在于：信号分离与提取模块(2)包括第一光纤环形器(21)、第一1×2光纤耦合器(22)、延长光纤(23)、第二1×2光纤耦合器(24)；第一光纤环形器端口(21a、21b、21c)分别与低偏宽谱光源模块(1)、第一1×2光纤耦合器端口(22a)、第二1×2光纤耦合器端口(24b)连接；第一1×2光纤耦合器(22)两端口(22b、22c)分别与Sagnac环(3)、延长光纤(23)连接；第二1×2光纤耦合器(24)两端口(24a、24c)分别与差分解调干涉仪(4)、延长光纤(23)连接；所有焊点的对轴角度均为0°-0°；第一光纤环形器(21)为三端口器件，其光传输的途径是：端口c(21a)至端口d(21b)，端口d(21b)至端口e(21c)，其余传播途径均截止；延长光纤(23)的长度选择依据是：确保参考光与耦合光能够在差分解调干涉仪(4)中发生干涉，参考光与耦合光在第二1×2光纤耦合器(24)处光程应匹配。

5.根据权利要求4所述的一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，其特征在于：差分解调干涉仪(4)包括第二光纤偏振分束器(401)、第一解调干涉仪(41)、第二解调干涉仪(42)，第一解调干涉仪(41)和第二解调干涉仪(42)分别与第二光纤偏振分束器(401)的两个输出端口(402、403)相连；第一解调干涉仪(41)包括第三1×2光纤耦合器(411)、第二光纤环形器(412)、第四2×2光纤耦合器(413)、第一光纤准直器(405)、第一差分光电探测器(414、415)；第二解调干涉仪(42)包括第五1×2光纤耦合器(421)、第三光纤环形器(422)、第六2×2光纤耦合器(423)、第二光纤准直器(406)、第二差分光电探测器(424、425)；第一解调干涉仪(41)与第二解调干涉仪(42)共用一个差分扫描的延迟线(404)，第一解调干涉仪(41)与第二解调干涉仪(42)完全对称，光路结构、组成元件及器件参数均相同，包括第一解调干涉仪(41)与第二解调干涉仪(42)两臂光程差大小和各段光纤的长度均要相同。

6.一种基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量方法，其特征在于：利用权利要求1-5任意一项所述的基于Sagnac结构的光纤敏感环双向同步测量装置，步骤如下：

步骤一：测量所用光纤器件部分端口的光纤长度；具体包括：45°光纤起偏器的端口(16)，第一光纤环形器的端口(21b、21c)，第一1×2光纤耦合器的端口(22a、22b、22c)、第一光纤偏振分束器的端口(31a、31b、31c)、第二1×2光纤耦合器的端口(24b、24c)；分别记为l₁₆、l_21b、l_21c、l_22a、l_22b、l_22c、l_31a、l_31b、l_31c、l_24b、l_24c；

步骤二：延长光纤(23)长度l_E的选择；具体过程为：来自低偏宽谱光源模块(1)的光被分为两束，一束经由第一1×2光纤耦合器的端口(22b)进入Sagnac结构(3)中，一束作为参考光；延长光纤(23)长度与步骤一中所述的光纤长度之间有如下关系：

S_E+S_22c+S_24c＝2×(S_22b+S_31a)+S_22a+S_21b+S_21c+S_24b

此处S＝l×n_x或S＝l×n_y、代表光在长度为l的光纤x轴或y轴传播时的光程，n_x和n_y分别代表光纤快轴和慢轴的折射率；

步骤三：搭建测试光路，光路中涉及保偏光纤的焊接对轴角度均为0°-0°；

步骤四：在第一光纤偏振分束器端口(31b、31c)处焊接一段保偏光纤跳线，焊接对轴角度为0°-0°，要求跳线长度大于1m，长度记为l_D；启动白光干涉仪，获取空扫时整个装置的噪声本底、器件、焊点的偏振串扰数据，并依据光程大小分辨各串扰峰的含义；

步骤五：依据光程大小，判断测试结果图中是否包含第一光纤偏振分束器的端口(31b、31c)与所述保偏光纤跳线的两个焊点的串扰峰；若只能测到一个焊点的串扰峰，根据焊点串扰峰对应的光程大小，调整延长光纤(23)的长度；若无法测到任何一个焊点的串扰峰，需要重新测量步骤一中所述的光纤长度，重新依据步骤二中的公式选择延长光纤(23)的长度；

步骤六：断开跳线与装置的连接，将待测光纤敏感环(34)接入装置中，光纤敏感环与第一光纤偏振分束器的端口(31b、31c)焊接对轴角度为0°-0°；

步骤七：启动白光干涉仪，测量光纤敏感环(34)的双向偏振串扰数据，并将其作为信号数据储存；

步骤八：对比空扫时所测到的数据，依据所测得的光纤长度及延长光纤(23)长度，找到焊点(32、33)所对应串扰峰的位置，由此确定光纤敏感环(34)内部串扰峰的光程范围；

步骤九：根据获得的光纤敏感环(34)双向测量结果，提取光纤敏感环(34)内部偏振串扰信息、光纤敏感环(34)的集总消光比数值；并对比双向测量结果的差异性，评估光纤敏感环(34)的质量和对称性。

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