CN114235342B - 一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，首先使光纤环两端尾纤分别为长尾纤和短尾纤，将两尾纤接入光纤陀螺中，然后在相同的温度变化条件下，分别测试长尾纤比短尾纤长出的部分在温箱外和温箱内两种状态下的光纤陀螺零偏误差曲线，最后，选取两测试曲线中任一相同温度下的零偏误差值，计算获得光纤折射率温度系数。本发明方法可应用于光纤陀螺用保偏光纤测试筛选过程，对光纤陀螺的核心光学器件光纤环所用保偏光纤的折射率温度系数进行精准测试，在尽量减少测试环境影响的前提下，将光纤在温度变化下产生的应变的影响考虑在内，排除了光纤应变对测试结果的影响，提高保偏光纤折射率温度系数的测试准确性。

Description

一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法

技术领域

本发明属于光纤及光纤陀螺技术领域，涉及一种光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数的测试方法。

背景技术

光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，具有体积小、精度高、寿命长、动态范围大等优点。光纤陀螺不仅用于飞机、船舶的导航和导弹制导的高精度位置控制，在民用市场上还可以用于汽车导向、机器人和自动化控制系统等等。

光纤环作为光纤陀螺的敏感核心器件，其性能直接影响光纤陀螺的精度。光纤陀螺零偏误差受环境温度的影响明显，温度变化会引起光纤折射率变化，造成相向传输的两束光之间产生相位误差，即shupe误差。因此，通过光纤陀螺用保偏光纤的温度特性筛选，选用折射率温度系数较小的光纤绕制光纤环，也能从根本上降低光纤环的温度敏感性，从而降低光纤陀螺的shupe误差，提高光纤陀螺的温度性能。

目前，保偏光纤折射率温度系数测试主要采用脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术，通过测量被测光纤光程随温度的变化量再利用公式计算得到光纤折射率温度系数。但此测试方法忽略了温度变化下光纤内部应变对测试结果的影响，降低了保偏光纤折射率温度系数测试准确性。另外，由于不同厂家、不同批次光纤中掺杂元素和掺杂浓度存在较大的差异，光纤在温度变化下的线胀系数存在差异，从而导致温度变化下光纤内部应变出现较大差异。在忽略光纤内部应变较大差异的前提下测试获得的保偏光纤折射率温度系数不具有可比性，参照此方法测得的保偏光纤折射率温度系数筛选光纤陀螺用保偏光纤将存在误差。尤其对于高精度光纤陀螺，需采用一种误差更小的保偏光纤折射率温度系数测试方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，首先使光纤环两端尾纤分别为长尾纤和短尾纤，将两尾纤接入光纤陀螺中，然后在相同的温度变化条件下，分别测试长尾纤比短尾纤长出的部分在温箱外和温箱内两种状态下的光纤陀螺零偏误差曲线，最后，选取两测试曲线中任一相同温度下的零偏误差值，计算获得光纤折射率温度系数。测试时，光纤环应固定平放在磁屏蔽工装中，再放入温箱内的隔振工装上，盘成小圈的尾纤应处于无任何外力影响的自由状态，将其他部分尾纤用胶带固定在测试台上并盖上防风盖，两次测试应在保证除盘成小圈的部分尾纤外，光纤陀螺其他所有部分应保持在相同的固定位置。本发明方法可应用于光纤陀螺用保偏光纤测试筛选过程，对光纤陀螺的核心光学器件光纤环所用保偏光纤的折射率温度系数进行精准测试，在尽量减少测试环境影响的前提下，将光纤在温度变化下产生的应变的影响考虑在内，排除了光纤应变对测试结果的影响，提高保偏光纤折射率温度系数的测试准确性。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，包括以下步骤：

S1使光纤环两端尾纤分别为长尾纤和短尾纤，设长尾纤和短尾纤的长度之差为L_x；所述光纤环和尾纤为同一保偏光纤；

S2将光纤环置于磁屏蔽工装中，并将磁屏蔽工装放入温箱内的隔振平台上，使长尾纤一端和短尾纤一端并列伸出保温箱外，同时对长尾纤和短尾纤位于温箱内的部分进行粘接固定和防风保护；

长尾纤和短尾纤位于温箱内的长度相等，设为L_内；短尾纤位于温箱外的长度设为L_外，长尾纤位于温箱外的长度为L_外+L_x；

S3将伸出温箱外的长尾纤一端和短尾纤一端与Y波导尾纤熔接后接入光纤陀螺，并对长尾纤和短尾纤位于温箱外的部分进行防风保护；

S4使温箱中的温度按照预定的温度变化条件变化，在各温度下进行光纤陀螺零偏误差测试，得到第一次零偏误差测试曲线；

S5将步骤S2中长尾纤位于温箱外部分中长度为L_x的部分盘成圈，并置于温箱内，此时长尾纤位于保温箱内的长度等于L_内+L_x，位于温箱外的长度等于短尾纤位于温箱外的长度L_外；

S6使温箱中的温度按照与步骤S4相同的温度变化条件变化，在各温度下进行光纤陀螺零偏误差测试，得到第二次零偏误差测试曲线；

S7根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线计算得到保偏光纤的光纤折射率温度系数。

进一步的，长尾纤和短尾纤的长度之差L_x＝0.5～2m。

进一步的，所述步骤S5中，将长尾纤位于温箱外部分中长度为L_x的部分盘成圈，所形成圈的直径≤5.0cm。

进一步的，所述步骤S3中，将伸出温箱外的长尾纤一端和短尾纤一端与Y波导尾纤熔接时，熔接点损耗＜0.1dB。

进一步的，所述步骤S2和步骤S5中光纤环位于温箱中的位置相同；所述步骤S2和S5中，长尾纤和短尾纤位于温箱外部分处于不受外力影响的自由状态，所述步骤S5中，长尾纤中盘成圈的部分置于温箱内后处于不受外力影响的自由状态。

进一步的，所述步骤S4和步骤S6中，除长尾纤中盘成圈的部分之外，光纤陀螺的其它部分位置相同，除光纤环外，光纤陀螺的的其他部分位于温箱外的恒温隔震的平台上。

进一步的，所述步骤S7中，根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线计算得到光纤环的光纤折射率温度系数的具体方法如下：

S7.1将步骤S5中盘成圈的部分记为成圈段，根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线分别得到同一温度T下成圈段位于温箱外的Shupe误差φ₁(t)，和成圈段位于温箱内的Shupe误差Δφ₂(t)；所述温度T与测试时刻t相对应；

S7.2建立φ₁(t)与Δφ₂(t)的差值与t时刻成圈段中任意位置点z的温度变化率以及成圈段折射率随温度变化率/>的关系式；

S7.3将成圈段中各位置点近似为同一位置点，使为常数，进而简化步骤S7.2中的关系式，得到成圈段折射率随温度变化率/>即保偏光纤折射率随温度变化率，即保偏光纤的光纤折射率温度系数。

进一步的，所述步骤S7.2中，关系式的建立过程如下：

其中，β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度；L为光纤陀螺光路总长度。

进一步的，所述步骤S7.3中，进而简化步骤S7.2中的关系式的过程为：

成圈段折射率随温度变化率

其中，β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度；L为光纤陀螺光路总长度。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，创新性的设置了具有一定长度差的长尾纤和短尾纤，并在两次测试时将长尾纤比短尾纤长出的部分分别置于温箱内外，将光纤在温度下的应变情况考虑在内，去除了光纤随温度变化产生的应变的影响，实现了保偏光纤的光纤折射率温度系数的便捷及精确测量；

(2)本发明一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，使长尾纤比短尾纤长出的部分盘成圈后置于温箱内，有效避免了温箱内温度不均的影响，简化了计算过程；

(3)本发明一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，对测试时尾纤及光纤陀螺的其他部分所处的条件进行了约束，能够在尽量减少测试环境影响的前提下，进一步提高测试准确性。

附图说明

图1为本发明长尾纤中成圈段放置于温箱外测试时的光路部分示意图；

图2为本发明长尾纤中成圈段放置于温箱内测试时的光路部分示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明一种光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数测试方法，包括如下步骤：

a.处理光纤环尾纤，使一端尾纤比另一端尾纤长，分别记为长尾纤和短尾纤，设长尾纤和短尾纤的长度之差为L_x；光纤环和尾纤为同一保偏光纤；如图1和图2，图中一端长出的尾纤即为长尾纤，光纤环尾纤为短尾纤；

b.将光纤环固定平放在磁屏蔽工装(即磁屏蔽罩)中，再放入温箱内的隔振平台上，光纤环两尾纤通过磁屏蔽罩出纤口和温箱出纤口并列伸出温箱外，并对温箱内的尾纤利用胶带进行粘接固定和防风保护；防风保护可采用防风盖；

c.将温箱外光纤环尾纤与Y波导尾纤熔接后接入光纤陀螺中，并对温箱外的光纤做好防风保护，然后按固定的温度变化条件下进行光纤陀螺零偏误差测试，如图1；

d.将光纤环两尾纤中长尾纤长出的部分盘成小圈(长出部分记为成圈段，长度为L_x)，所盘成的小圈直径小于5.0cm，将小圈放置在温箱内，尾纤盘圈要求均匀整齐，然后在与步骤c相同的温度变化条件下再次进行光纤陀螺的零偏误差测试，如图2；

e.选取两测试曲线中任一相同时刻相同温度下的零偏误差值，即Shupe误差，通过公式计算即可获得光纤折射率温度系数。

在一种优选的实施方式中，长尾纤比短尾纤长0.5～2m，更加优选的，长尾纤比短尾纤长1m；

在一种优选的实施方式中，步骤b中的光纤环两尾纤并列，并保证光纤环两尾纤在温箱内的长度完全一致；

在一种优选的实施方式中，步骤c中光纤环接入光纤陀螺时，光纤环尾纤与Y波导尾纤熔接点损耗应小于0.1dB；

在一种优选的实施方式中，步骤c和步骤d中两次光纤陀螺零偏误差测试时，光纤环应在温箱内同一位置，温箱外尾纤处于自由状态，并进行恒温、隔震、防风保护，步骤d中移入温箱内盘成小圈的尾纤应处于无任何外力影响的自由状态。

在一种优选的实施方式中，步骤c与d中的两次光纤陀螺零偏误差测试应保证除盘成小圈的部分尾纤外，光纤陀螺其他所有部分应保持在相同的固定位置；

在一种优选的实施方式中，步骤c和d测试时，光纤陀螺中除光纤环外其他器件均位于温箱外的恒温、隔震的平台上。

在一种优选的实施方式中，光纤外部套有光纤套管。

在一种优选的实施方式中，步骤e的具体实现过程如下：

位延迟大小可表示为：

式中：为光波经光纤传播产生的相位延迟；β₀＝2π/λ为光波的传播常数，n(z)为z点处光纤折射率，L为光纤长度。

光波在光纤中传播所产生的相位延迟与光纤折射率直接相关，当折射率发生变化时，经过该段光纤所产生的相位延迟也将发生改变。光纤陀螺干涉光路非中点处的某段光纤折射率随温度发生变化时，相向传输的两束光波经过该段光纤的时间不同，由公式(1)知，经过该段光纤所产生的相位延迟存在差异，这种由温度引起的相位差与Sagnac效应引起的相位差无法区分，因此在光纤陀螺中产生零偏误差，即Shupe误差，其大小可表示为：

式中：Δφ_E(t)为t时刻温度变化引起的陀螺相位误差；β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度；为光纤折射率随温度的变化率；L为光纤陀螺光路总长度。

光纤环尾纤中长尾纤比短尾纤长L_x，即盘成小圈部分的长度；去掉盘成小圈的部分，光路部分在温箱内的长度为L_内，即第一次测试时长尾纤在温箱中长度为L_内，在温箱外的长度为L_外+L_x，第二次测试时长尾纤在温箱中长度为L_内+L_x，在温箱外的长度为L_外；第一次测试时两尾纤温箱内部分的长度均为L_内，第二次测试时两尾纤温箱外部分的长度均为L_外；成圈段在温箱内时的Shupe误差为Δφ₂(t)，在温箱外时的Shupe误差为Δφ₁(t)，那么：

则：

因为长度为L_x的成圈段被盘成小圈，因此可近似认为整个小圈位于同一位置点，则可看作是一个常数，即：

故

上式中：为成圈段折射率随温度变化率，即保偏光纤折射率随温度的变化率，即保偏光纤折射率温度系数；/>分别成圈段在温箱外、温箱内时的shupe误差；L_x为长尾纤与短尾纤的长度差，L_内为第一次测试时两尾纤温箱内部分的长度；/>为t时刻光纤z位置点的温度变化率；β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1使光纤环两端尾纤分别为长尾纤和短尾纤，设长尾纤和短尾纤的长度之差为L_x；所述光纤环和尾纤为同一保偏光纤；

S2将光纤环置于磁屏蔽工装中，并将磁屏蔽工装放入温箱内的隔振平台上，使长尾纤一端和短尾纤一端并列伸出保温箱外，同时对长尾纤和短尾纤位于温箱内的部分进行粘接固定和防风保护；

长尾纤和短尾纤位于温箱内的长度相等，设为L_内；短尾纤位于温箱外的长度设为L_外，长尾纤位于温箱外的长度为L_外+L_x；

S3将伸出温箱外的长尾纤一端和短尾纤一端与Y波导尾纤熔接后接入光纤陀螺，并对长尾纤和短尾纤位于温箱外的部分进行防风保护；

S4使温箱中的温度按照预定的温度变化条件变化，在各温度下进行光纤陀螺零偏误差测试，得到第一次零偏误差测试曲线；

S5将步骤S2中长尾纤位于温箱外部分中长度为L_x的部分盘成圈，并置于温箱内，此时长尾纤位于保温箱内的长度等于L_内+L_x，位于温箱外的长度等于短尾纤位于温箱外的长度L_外；

S6使温箱中的温度按照与步骤S4相同的温度变化条件变化，在各温度下进行光纤陀螺零偏误差测试，得到第二次零偏误差测试曲线；

S7根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线计算得到保偏光纤的光纤折射率温度系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，长尾纤和短尾纤的长度之差L_x＝0.5～2m。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，将长尾纤位于温箱外部分中长度为L_x的部分盘成圈，所形成圈的直径≤5.0cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S3中，将伸出温箱外的长尾纤一端和短尾纤一端与Y波导尾纤熔接时，熔接点损耗＜0.1dB。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S5中光纤环位于温箱中的位置相同；所述步骤S2和S5中，长尾纤和短尾纤位于温箱外部分处于不受外力影响的自由状态，所述步骤S5中，长尾纤中盘成圈的部分置于温箱内后处于不受外力影响的自由状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S4和步骤S6中，除长尾纤中盘成圈的部分之外，光纤陀螺的其它部分位置相同，除光纤环外，光纤陀螺的的其他部分位于温箱外的恒温隔震的平台上。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S7中，根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线计算得到光纤环的光纤折射率温度系数的具体方法如下：

S7.1将步骤S5中盘成圈的部分记为成圈段，根据第一次零偏误差测试曲线和第二次零偏误差测试曲线分别得到同一温度T下成圈段位于温箱外的Shupe误差φ₁(t)，和成圈段位于温箱内的Shupe误差Δφ₂(t)；所述温度T与测试时刻t相对应；

S7.2建立φ₁(t)与Δφ₂(t)的差值与t时刻成圈段中任意位置点z的温度变化率以及成圈段折射率随温度变化率/>的关系式；

S7.3将成圈段中各位置点近似为同一位置点，使为常数，进而简化步骤S7.2中的关系式，得到成圈段折射率随温度变化率/>即保偏光纤折射率随温度变化率，即保偏光纤的光纤折射率温度系数。

8.根据权利要求2所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S7.2中，关系式的建立过程如下：

其中，β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度；L为光纤陀螺光路总长度。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于光纤陀螺系统的光纤折射率温度系数测试方法，其特征在于，所述步骤S7.3中，进而简化步骤S7.2中的关系式的过程为：

成圈段折射率随温度变化率

其中，β₀＝2π/λ为光波的传播常数；c为光波在光纤中的传播速度；L为光纤陀螺光路总长度。