CN113405566B - 基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，属于光纤陀螺器件性能测试领域。其特征是对测量的随光纤长度分布的光纤敏感环空域偏振串音进行傅里叶变换，从得到的随空间频率分布的频域偏振串音中提取频域换层特征与频域换匝特征；依据测量得到的光纤敏感环几何尺寸，如：内径、外径和光纤长度等，设计通带截止频率均介于换层频率和换匝频率之间的低通滤波器和高通滤波器，并作用于空域偏振串音，获得空域串音本底与换层综合特征以及空域换匝特征；变换环境温度条件，进行多次重复测量，得到光纤敏感环光学特性的温变特性。该方法可提取光纤敏感环的多种光学性能的特征参量，可广泛用于光纤敏感环性能评价和绕制工艺的评估。

Description

基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法

技术领域

本发明涉及光纤陀螺器件性能测试技术领域，更具体地，涉及一种基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法。

背景技术

光纤陀螺敏感环是高精度光纤陀螺中核心部件之一，一般由一个环状的支撑骨架、外部缠绕的光纤和固化用的涂胶三部分组成，其中，光纤陀螺敏感环的支撑骨架、光纤环的尺寸参数、光纤参数、固胶参数、绕环方法、所处温度等都对光纤陀螺敏感环的性能产生一定的影响。而且绕制方案的不同会导致光纤陀螺敏感环的整体性能存在差异。目前光纤陀螺敏感环的绕制方案主要包括：四极绕法、改进四极绕法、八极绕法、十六极绕法等。其中，对称的四极绕法是目前最普遍采用的绕制方案。公开号为CN104251698A，公开日：2014-12-31，提出的一种可减小光纤陀螺温度漂移的传感环圈制备方法，该方法通过在两层阶梯状的环圈骨架上安装绕线工装，根据四极对称缠绕法缠绕光纤，弥补现有技术方法的不足，提高传感环圈的性能。

为得到光纤陀螺敏感环的绕制质量和缺陷，需要对光纤陀螺敏感环进行检测。传统的光纤陀螺敏感环检测方法是凭借消光比或者光时域反射技术来对光纤陀螺敏感环的性能进行评估，但该方法不能完全和精确地反映光纤陀螺敏感环的绕环质量和缺陷，因此也无法对提高光纤环质量提出准确的建议，具有局限性。

对光纤陀螺敏感环的分布式偏振串音进行分析，可以用来衡量光纤陀螺敏感环的绕制质量和查找光纤陀螺敏感环缺陷。目前分布式偏振串音分析方法主要包括：阈值法、积分法等。其中，阈值法是通过设置阈值，将分布式偏振串音分为两部分进行分析；积分法是通过对分布式偏振串音进行积分后，再进行相应的计算分析。

公开号为CN102494877A，公开日：2012-06-13，提出的一种白光干涉法偏振器件消光比测试数据解调方法，该方法可以用于光纤陀螺敏感环这一偏振器件的测量。该方法利用分布式偏振串音得到消光比，设计阈值将分布式偏振串音分成两部分计算得到消光比，使消光比测量更准确，但是该方法对阈值选取要求甚高，阈值选取不好会使结果出现一些偏差。

公开号为CN111964873A，公开日：2020-11-20，提出的一种用于保偏光纤的高精度分布式消光比测量方法，可以用于测量由保偏光纤缠绕得到的光纤陀螺敏感环。该方法是利用积分方式计算得到分布式消光比，可以很好地理解测量原理，但是算法复杂，计算时间过长。上述方法只能简单地对分布式偏振串音进行分析，得到整体的结果，无法得到光纤陀螺敏感缺陷的完整信息，也没办法对光纤陀螺敏感的局部缺陷进行查找。

发明内容

本发明的目的在于精确分析光纤敏感环的分布式偏振串音，分析结果可以得到光纤敏感环的光学性能及其温变特性，为绕环工艺的改进提供帮助，提高光纤敏感环的性能。

基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，所述方法包括以下环节：

数据预处理环节S1：处理参数数据，测量分布式偏振串音；

频域分析环节S2：对分布式偏振串音进行频域分析，提取光纤敏感环211的频域特征；

空域分析环节S3：对分布式偏振串音进行空域分析，提取光纤敏感环211的空域特征；

本技术方案基于白光干涉原理，在得到光纤陀螺敏感环的分布式偏振串音的基础上，通过空域分析和频域分析分别得到光纤陀螺敏感环的空域特征和频域特征，再通过将此方法应用于温变测试中获得光纤陀螺敏感环的温变特性。该方法可提取光纤敏感环的多种光学性能的特征参量，可广泛用于光纤陀螺敏感环性能评价和绕制工艺的评估。

进一步地，数据预处理环节S1包括以下步骤：

几何测量步骤101是选取一个待测的光纤敏感环211，测量并记录其内径d_min、外径d_max和光纤敏感环211的光纤长度L；

参数设置步骤102是查询待测光纤敏感环211的绕制方式，得到光纤敏感环211的换匝214匝数N和换层215层数M，计算第i层每一匝对应的光纤长度l_i＝π·d_i,(d_min≤d_i≤d_max,i＝1,2,L M)，其中，d_i为第i层对应的光纤敏感环211的直径，计算第i层对应的光纤长度L_i＝l_i·N，计算换匝频率k_i＝1/l_i和换层频率K_i＝1/L_i，记录测试温度，设置q＝1为进行温变测试，q＝0为不进行温变测试，q为判断是否进行温变测试的判断参数；

正反向偏振串音测量步骤103是分别测量并得到光从光纤敏感环第一端212传输到光纤敏感环第二端213的第一分布式偏振串音301和光从光纤敏感环211第二端213传输到第一端212的第二分布式偏振串音501；

测量结果判断步骤104是选择第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501中偏振串音大于偏振串音阈值I的峰，其光强分别记为I_1,x和I_2,x，I_1,x表示第一分布式偏振串音301在光纤长度为x处峰的偏振串音，I_2,x表示第二分布式偏振串音501在光纤长度为x处峰的偏振串音，要求I_1,x、I_2,x做差，在x∈(0,L)范围内其差值的绝对值满足max_x∈(0,L)|I_1,x-I_2,x|≤ε，不满足则返回正反向偏振串音测量步骤103重新测量，满足则记录第一分布式偏振串音301；

上述技术方案中，所述参数q的取值通过获取用户指令得到。

进一步地，所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，频域分析环节S2包括以下步骤：

傅里叶变换步骤105是对第一分布式偏振串音301进行傅里叶变换，将其转换为频域偏振串音701；

频域特征提取步骤106截取频域偏振串音701中区间[k_lb,k_rb]的数据作为频域换匝特征705，截取频域偏振串音701中区间[K_lb，K_rb]的数据作为频域换层特征704，其中频域换匝特征705提取区域的左边界k_lb、右边界k_rb和频域换层特征704提取区域的左边界K_lb、右边界K_rb分别满足k_lb≤1/l_max、k_rb≥1/l_min、K_lb≤1/L_max、和K_rb≥1/L_min；

进一步地，所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，空域分析环节S3包括以下步骤：

滤波器设计步骤107根据几何测量步骤101和参数设置步骤102计算得到的换匝频率k_min和换层频率K_max，设计低通滤波器702和高通滤波器703，其设计原则为要求低通滤波器702的通带截止频率k_LPF和高通滤波器703通带截止频率k_HPF满足

空域特征提取步骤108是使用低通滤波器702和高通滤波器703，对第一分布式偏振串音301进行滤波，通过低通滤波器702滤波后，提取空域串音本底与换层综合特征801，通过高通滤波器703滤波后，提取空域换匝特征802；

进一步地，所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法用于温变特性测量，温变测试环节S4包括以下步骤：

温变测试环节：由q的取值判断是否进行温变测试，否则到特征提取步骤110提取频域特征和空域特征，结束测量，是则设置测试环境初始温度为T₀，结束温度为T_u，温度变化率为v_T，温度采样变化量为ΔT，测试温度T＝T₀+v_T·t，判断此时测试温度是否大于T_u，是则结束测量，否则重复步骤112、步骤105、步骤106、步骤107、步骤108、步骤109、步骤110和步骤111进行测量，直至测量完成，由温变特征提取步骤113提取光纤敏感环的温变特性，选取常温下的分布式偏振串音作为参考值，不同温度下测得的分布式偏振串音幅值与参考值的相对变化超过设定阈值ρ时，被认为是异常串音。

进一步地，所述的偏振串音测量步骤112：

偏振串音测量步骤112是测量得到光从光纤敏感环第一端212传输到光纤敏感环第二端213的第一分布式偏振串音301。

基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其测试原理如下如图2(b)所示，一束宽谱偏振光沿保偏光纤某一偏振轴(快轴或慢轴)方向注入，在该偏振轴方向形成激发模231，并沿光纤向前传输。若传输中保偏光纤存在一个微扰点230，则激发模将在此处发生耦合，产生耦合模232。由于保偏光纤两个偏振轴的有效模式折射率不同，因此沿光纤传输的激发模231与耦合模232在经过一段距离后会产生一定的光程差，使用一个45°检偏器将这两个模式耦合到普通单模光纤中就会产生两个功率不同且具有一定光程差的波包，将这两个波包分别耦合入干涉仪的两臂，改变扫描臂的臂长来调节干涉仪两臂的臂长差，从而使两臂中的波列发生干涉，最终获得测量数据。

光纤敏感环具有周期性特征的原理以四极对称缠绕方法为例，四极对称缠绕方法的光纤层数要是4的倍数，所以每四层为一个单位。如图2(a)所示，光纤敏感环的缠绕方法以光纤中点221为界，选择一半光纤222开始在骨架上从右到左缠绕一层光纤；然后使用另一半光纤223从左到右绕制1层光纤，再通过小换层224从右到左绕制1层光纤；下一步用光纤222通过大换层225绕制1层光纤，再通过小换层224绕制1层光纤，依次按照交替隔两层顺序来绕制，以此类推，绕制成一个完整的光纤敏感环。由缠绕过程可知在缠绕每层光纤时，每换一匝都会引入应力，进而产生偏振串音；每次进行小换层224和大换层225时，也会对应的引入应力，产生的对应的偏振串音。这些都是周期性出现的。通过对光纤敏感环进行测量获得的偏振串音进行分析，就可以获得光纤敏感环的周期性特征。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

该方法可以通过对光纤敏感环的分布式偏振串音进行频域分析，获得光纤敏感环的频域换层特征和频域换匝特征；

该方法可以通过对光纤敏感环的分布式偏振串音进行空域分析，获得光纤敏感环的空域特征，即光纤敏感环空域串音本底与换层综合特征和空域换匝特征。

该方法可以通过对光纤敏感环进行温变测试并对其进行空域分析和频域分析，获得光纤敏感环的频域、空域的周期温变特性。

该方法可以准确分析任意光纤敏感环的分布式偏振串音，提取光纤敏感环的多参量特征，可广泛用于光纤敏感环绕制工艺的评价。

附图说明

图1是光纤敏感环的光学性能及其温变特性测量方法流程图；

图2(a)是光纤敏感环器件图；

图2(b)是分布式偏振串音测量原理图

图3是第一分布式偏振串音图；

图4是第一分布式偏振串音细节图；

图5是第二分布式偏振串音图；

图6是第二分布式偏振串音细节图；

图7是光纤敏感环分布式偏振串音频域图；

图8是光纤敏感环分布式偏振串音空域图；

图9是不同温度下的光纤敏感环串音本底图；

图10是不同温度下的光纤敏感环串音本底细节图；

图11是不同温度下的光纤敏感环频域图。

具体实施方式

为清楚地说明本发明基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

选取一个待测的光纤敏感环201，测量并记录其内径d_min为0.1365m、外径d_max为0.1435m和光纤敏感环211的光纤长度L为3051m；

光纤敏感环201的匝数N为100和层数M为64，计算得l_min为0.43m、l_max为0.45m、L_min为43.48m和L_max为50.38m；

分别测量并得到光从光纤敏感环211第一端212传输到第二端213的第一分布式偏振串音301和光从光纤敏感环211第二端213传输到第一端212的第二分布式偏振串音501，如附图3、5所示；

如附图3、5所示，选择第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501中大于偏振串音阈值-40dB的峰，其偏振串音分别记为I_1,x和I_2,x，将其编号为302到323和编号为502到523，进行做差比较，满足max_x∈(0,3051)|I_1,x-I_2,x|≤1dB的要求，记录第一分布式偏振串音301；

对第一分布式偏振串音301进行傅里叶变换，将其转换为分布式频域偏振串音701，如附图7所示；

通过计算可知频域换匝特征705框选区域的左边界为k_lb≤2.22m^-1，右边界为k_rb≥2.32m^-1，频域换层特征704框选区域的左边界为K_lb≤0.019m^-1，右边界为K_rb≥0.023m^-1，提取的频域换匝峰和频域换层峰如附图7所示；

计算得到的换匝频率k_min为2.32m-1和换层频率K_max为0.0198m-1，设计低通滤波器702和高通滤波器703，低通滤波器702的通带频率k_LPF和高通滤波器703通带频率k_HPF满足0.0594<k_LPF,k_HPF<1.16；

通过低通滤波器702滤波后，提取空域串音本底与换层综合特征801，串音本底约为-80dB，换层峰强度为-60至30dB，两个相邻峰值相隔约50m，通过高通滤波器703滤波后，提取空域换匝特征802，换匝峰强度为-70至-60dB，两个相邻峰值相隔约0.4m，如附图8所示；

设置测试环境初始温度T₀为-45℃，结束温度T_u为60℃，温度变化率v_T为1℃/min，温度采样变化量ΔT为5℃，测试温度T＝-45+t，进行测量，分析得到在低温-45℃、常温20℃和高温60℃下的现象最为明显，如附图9、10中，对1a、2a、3a、1b、2b和3b处的偏振串音进行分析，可知空域上随温度升高，光纤敏感环外圈和换层区的串音本底明显降低。对1c、2c和3c处的偏振串音进行分析，可知当温度降低时可能会出现异常偏振串音；在附图11中，对1104、1106和1108三处不同温度下换层区的串音进行分析，发现换层区的串音随温度增加明显降低，对1105、1107和1109三处不同温度下换匝区的串音进行分析，发现换匝区的串音在温度较低时略低，但是不同直径处的串音差异性更大。

Claims (7)

1.基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，所述方法包括以下环节：

数据预处理环节S1：处理参数数据，测量分布式偏振串音；

频域分析环节S2：对分布式偏振串音进行频域分析，提取光纤敏感环(211)的频域特征；

空域分析环节S3：对分布式偏振串音进行空域分析，提取光纤敏感环(211)的空域特征；

数据预处理环节S1包括：几何测量步骤(101)；参数设置步骤(102)；正反向偏振串音测量步骤(103)；测量结果判断步骤(104)；上述步骤具体为：

几何测量步骤(101)是选取一个待测的光纤敏感环(211)，测量并记录其内径d_min、外径d_max和光纤敏感环(211)的光纤长度L；

参数设置步骤(102)是查询待测光纤敏感环(211)的绕制方式，得到光纤敏感环(211)的换匝(214)匝数N和换层(215)层数M，计算第i层每一匝对应的光纤长度l_i＝π·d_i,(d_min≤d_i≤d_max,i＝1,2,…M)，其中，d_i为第i层对应的光纤敏感环(211)的直径，计算第i层对应的光纤长度L_i＝l_i·N，计算换匝频率k_i＝1/l_i和换层频率K_i＝1/L_i，记录测试温度，设置q＝1为进行温变测试，q＝0为不进行温变测试；

正反向偏振串音测量步骤(103)是分别测量并得到光从光纤敏感环第一端(212)传输到光纤敏感环第二端(213)的第一分布式偏振串音(301)和光从光纤敏感环(211)第二端(213)传输到第一端(212)的第二分布式偏振串音(501)；

测量结果判断步骤(104)是选择第一分布式偏振串音(301)和第二分布式偏振串音(501)中偏振串音大于偏振串音阈值I的峰，其光强分别记为I_1,x和I_2,x，I_1,x表示第一分布式偏振串音(301)在光纤长度为x处峰的偏振串音，I_2,x表示第二分布式偏振串音(501)在光纤长度为x处峰的偏振串音，要求I_1,x、I_2,x做差，在x∈(0,L)范围内其差值的绝对值满足max_x∈(0,L)|I_1,x-I_2,x|≤ε，不满足则返回正反向偏振串音测量步骤(103)重新测量，满足则记录第一分布式偏振串音(301)；

频域分析环节S2包括步骤：傅里叶变换步骤(105)；频域特征提取步骤(106)；

上述步骤具体为：

傅里叶变换步骤(105)是对第一分布式偏振串音(301)进行傅里叶变换，将其转换为频域偏振串音(701)；

频域特征提取步骤(106)截取频域偏振串音(701)中区间[k_lb,k_rb]的数据作为频域换匝特征(705)，截取频域偏振串音(701)中区间[K_lb，K_rb]的数据作为频域换层特征(704)，其中频域换匝特征(705)提取区域的左边界k_lb、右边界k_rb和频域换层特征(704)提取区域的左边界K_lb、右边界K_rb分别满足k_lb≤1/l_max、k_rb≥1/l_min、K_lb≤1/L_max、和K_rb≥1/L_min；

滤波器设计步骤(107)；空域特征提取步骤(108)；上述步骤具体为：

滤波器设计步骤(107)根据几何测量步骤(101)和参数设置步骤(102)计算得到的换匝频率k_min和换层频率K_max，设计低通滤波器(702)和高通滤波器(703)，其设计原则为要求低通滤波器(702)的通带截止频率k_LPF和高通滤波器(703)通带截止频率k_HPF满足：

空域特征提取步骤(108)是使用低通滤波器(702)和高通滤波器(703)，对第一分布式偏振串音(301)进行滤波，通过低通滤波器(702)滤波后，提取空域串音本底与换层综合特征(801)，通过高通滤波器(703)滤波后，提取空域换匝特征(802)。

2.根据权利要求1所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，在空域分析环节S3之后还包括温变测试环节，所述温变测试环节包括步骤：傅里叶变换步骤(105)；频域特征提取步骤(106)；滤波器设计步骤(107)；空域特征提取步骤(108)；是否温变测试步骤(109)；特征提取步骤(110)；温度判断步骤(111)；偏振串音测量步骤(112)；温变特征提取步骤(113)；具体执行流程为：

首先执行是否温变测试步骤(109)，获取用户指令判断是否进行温变测试；

若步骤(109)的判断结果为否，则执行特征提取步骤(110)提取频域特征和空域特征，结束测量；

若步骤(109)的判断结果为是，则设置测试环境初始温度为T₀，结束温度为T_u，温度变化率为v_T，温度采样变化量为ΔT，测试温度T＝T₀+v_T·t，判断此时测试温度是否大于T_u，若大于T_u，则执行温变特征提取步骤(113)然后结束测量；若小于T_u，则依次执行偏振串音测量步骤(112)、傅里叶变换步骤(105)、频域特征提取步骤(106)、滤波器设计步骤(107)、空域特征提取步骤(108)、是否温变测试步骤(109)、特征提取步骤(110)和温度判断步骤(111)进行测量，直至结束测量。

3.根据权利要求2所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，所述温变特征提取步骤(113)具体为：提取光纤敏感环的温变特性，选取常温下的分布式偏振串音作为参考值，不同温度下测得的分布式偏振串音幅值与参考值的相对变化超过设定阈值ρ时，被认为是异常串音。

4.根据权利要求2所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，偏振串音测量步骤(112)具体为：

测量得到光从光纤敏感环第一端(212)传输到光纤敏感环第二端(213)的第一分布式偏振串音(301)。

5.根据权利要求1所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，正反向偏振串音测量步骤(103)中所述第一分布式偏振串音(301)以及第二分布式偏振串音(501)的测量方法是：将一束宽谱偏振光沿保偏光纤偏振轴方向注入，在该偏振轴方向形成激发模(231)，并沿光纤向前传输；若传输中保偏光纤存在一个微扰点(230)，则激发模将在此处发生耦合，产生耦合模(232)；由于保偏光纤两个偏振轴的有效模式折射率不同，因此沿光纤传输的激发模(231)与耦合模(232)在经过一段距离后会产生一定的光程差，使用一个45°检偏器将这两个模式耦合到普通单模光纤中就会产生两个功率不同且具有一定光程差的波包，将这两个波包分别耦合入干涉仪的两臂，改变扫描臂的臂长来调节干涉仪两臂的臂长差，从而使两臂中的波列发生干涉，最终获得偏振串音测量结果。

6.根据权利要求5所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，注入宽谱偏振光的所述保偏光纤偏振轴为慢轴。

7.根据权利要求5所述的基于分布式偏振串音的光纤敏感环光学性能测试方法，其特征在于，注入宽谱偏振光的所述保偏光纤偏振轴为快轴。

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