一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置的制作方法

本发明属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种可用于在线监测光纤陀螺环的缠绕质量的光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置。

背景技术：

作为导航、制导领域的重要传感单元和互易效应的典型应用，陀螺仪以其独有的优点被广泛应用。相对于传统机械陀螺，光纤陀螺具有质量轻、体积小、抗电磁干扰等优势。其中的关键敏感元件——光纤陀螺环的制作工艺的稳定性和可靠性将直接影响了光纤陀螺整机质量和导航精度。根据萨格纳克(Sagnac)效应，我们知道光纤陀螺环中正向传输光和反向传输光，需要经过完全相同的光程信息才能进行精确的导航。1980年，Shupe等人发现在环境中温度的变化能够引起光纤陀螺的非互易性，从而导致较大的陀螺漂移。光纤陀螺环中正向传输光和反向传输光的光程不一致性，称为影响光纤陀螺性能的重要因素。

关于如何降低光纤陀螺环由热导致的非互易效应，已经提出了较多的解决方法。2012年，北京航空航天大学的宋凝芳等人公开了一种用于光纤陀螺的上下对称交叉绕制光纤陀螺环结构(中国专利申请号：201210043894.3)。光纤线圈分为上下两部分，且均有一侧无结构约束，在振动与温度变化的条件下不会受到挤压；通过交叉，两侧线圈均含有相同长度的正反向光纤，从而使得轴向与径向的温度梯度对光纤产生的温度调制相等。光纤陀螺环的对称绕制方法在一定程度上改善了其正向反向的瞬态特性。然而，光纤陀螺环关于绕制光纤中心点的轻微不对称性就会在很大程度上削弱对称绕法的优势。2012年，北京航空航天大学的杨德伟等人公开了一种光纤陀螺环偏振串音估计与对称性评价方法(中国专利申请号：CN201210359805.6)。在测量光纤陀螺环偏振耦合强度分布的同时，利用波长扫描法得到待测光纤的双折射色散系数，建立偏振串音估计模型，判断光纤陀螺环中点，得到中点左右侧偏振串音数据，将偏振串音值作为评价光纤陀螺环绕制对称性的参考指标。该发明应用于测量多种保偏光纤的绕制，便于优化选择陀螺用料光纤，对评估和指导优化光纤陀螺的温度性能有重要意义。

光相干域偏振技术(OCDP)是一种极其优越的分布式测量技术。他通过扫描式光学干涉仪进行光程补偿，实现不同耦合模式间的干涉，可定位绕制光纤内部缺陷的位置，利用干涉强度分析缺陷点的偏振耦合强度。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和方法(中国专利申请号：201110118450.7)。通过光信号可控换向机构，可实现待测光纤陀螺环分别正向和反向测量。本发明提供了一种能减小双折射色散对测量精度的影响，对于光纤陀螺环的参数测量与性能评价具有非常重要的实用价值。同年，哈尔滨工程大学的杨军等人又提供了是一种减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量影响的装置(中国专利申请号：CN201110118127.X)。本发明利用一只半反半透偏振旋光器，将宽谱光平均分成两束，实现了同时从正向和逆向通过待测光纤，利用同一偏振耦合检测装置，能够同时获得扫描位置对称的两幅偏振耦合测量数据。

然而，上述提到的测量方法虽然能够实现正向、反向的测量或者评价光纤陀螺的对称性：宋凝芳等人的波长扫描法只是测得了光纤陀螺环的左侧和右侧区间偏振耦合的一个平均值，没有办法实现分布式测量；杨军等人可控换向机构没有实现同时性，并不能排除时间不一致时的温度等环境参数不一致带来的影响；半反半透偏振旋光器虽然实现了同时性，但是正向、反向测量并非是完全的相同路径。这些基于OCDP技术的方案，缺乏一定的可行性，在线的实时监测效果大大降低，在分析光纤陀螺环全温特性时也缺乏有效的评价标准。因此，需要一种新的方法来评价光纤陀螺环的对称性和绕环质量，对用料光纤的选择和绕环工艺的改进提供实时有效的监测和必要的指导。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种实现对光纤陀螺环的偏振耦合与对称性的定量评估，对光纤陀螺环的正向和反向进行同时测量的光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置，包括光源装置10、测试装置11、第一光程相关器12A、第二光程相关器12B、差分探测装置13、光电信号转换与信号记录装置14。

测试装置11中包括待测器件110、与待测器件110两端相连接的第1环行器113A和第2环行器113B、第1起偏器111A和第1检偏器111B、第2起偏器112A和第2检偏器112B；

第1环行器113A和第2环行器113B具有相同的物理参数，待测器件110的两端分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第2端口连接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度，二者分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第1端口连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B具有相同的检偏角度，二者分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第3端口连接；

宽谱光源101经由第1耦合器103平均分光到测试装置11；两束光分别经由待测器件110的两端输入，同时产生正向、反向的两组信号；由第一光程相关器12A、第二光程相关器12B 进行扫描；最后输出两幅扫描位置对称的偏振耦合信号，实现对待测器件110的正向、反向同时测试。

光源装置10中的宽谱光源101，经由第1耦合器103平均分光到测试装置11中进行偏振耦合测试；光源装置10中的校正光源102经由第2耦合器104平均分光到第一光程相关器12A、第二光程相关器12B中进行扫描位置校正；

第1光程相关器12A由第3耦合器121A、第4耦合器122A、第3环行器123A、第1准直透镜124A和扫描台125组成；宽谱光源101经由待测器件110及测试装置11中的器件通过第2检偏器112B和第3耦合器121A输入端连接；校正光源102通过第2耦合器104和第3耦合器121A另一个输入端连接；第4耦合器122A的两个输出端分别与第一差分探测器130A、第二差分探测器130B连接；经过数据采集卡141进行数据采集，传输到上位机142输出偏振耦合信号；

第2光程相关器12A与第1光程相关器12A除了共用扫描台125，其他器件的物理参数对应一致。

所述的第1环行器113A和第2环行器113B，是三端口器件，光只沿一个方向传播；信号若从第1端口71A输入，则只能从第2端口71B输出；而信号从第2端口71B输入，则只能第3端口71C输出；反之，均不可传输。

测试装置21中包括待测器件110、与待测器件110两端相连接的正向耦合器214A和反向耦合器214B、第1起偏器111A和第1检偏器111B、第2起偏器112A和第2检偏器112B、第1隔离器213A和第2隔离器213B；

待测器件110的两端分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的一端连接；第1隔离器213A和第2隔离器213B的输出端口72B分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端连接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度，二者分别与第1隔离器213A和第2隔离器213B的输入端口72A连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B具有相同的检偏角度，二者分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端连接。

所述的第1隔离器213A或第2隔离器213B从第1端口输入，从第2端口输出，光只能沿一个方向传播，反之不可传输。

本发明的有益效果在于：

1.能够同时实现光纤陀螺环的缺陷点的偏振耦合信息的正向和反向测量，抑制了光纤陀螺环对称点色散影响不一致性带来的测量误差，该结构简单有效；

2.降低了光纤陀螺环偏振耦合测量装置的测试时间，测量效率高，消除温度等环境因素的影响；

3.能够准确地获得光纤陀螺环的偏振耦合对称性。由于能够同时进行正向和反向测量，可以同时得到保偏光纤的两幅关于中点对称的分布式偏振耦合测量结果。

附图说明

图1是一种环行器型的光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置示意图；

图2是一种耦合器型的光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置示意图；

图3是环行器和耦合器的结构示意图；

图4是典型的光纤陀螺环偏振耦合的评估装置示意图；

图5是光纤陀螺环正向测量和反向测量的简化光路方案；

图6是光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置输出的偏振耦合信号。

图7是测量装置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

本发明提出了一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置。其特征是将装置使用的白光光源平均分成两束；利用具有方向性的光学器件分别注入到待测光纤陀螺环的正向和反向；然后共用同一扫描台的两套相对独立的干涉仪进行扫描；最后利用光学相干域偏振测量技术，同时获得扫描位置对称的两幅偏振耦合测量数据。本装置结构简单，测量精度高，能够减小双折射色散对保偏光纤偏振耦合测量的影响。本发明对于光纤陀螺环的偏振耦合测量与对称性能评估具有重要的实用价值，可用于改进光纤陀螺环绕制工艺和优化光纤陀螺制作流程。

装置包括光源装置10、测试装置11、光程相关器12A和12B、差分探测装置13、光电信号转换与信号记录装置14，其特征是：

(1)测试装置11中包括待测器件110、与待测器件110两端相连接的第1环行器113A和第2环行器113B、第1起偏器111A和第1检偏器111B、第2起偏器112A和第2检偏器112B。

(2)第1环行器113A和第2环行器113B具有相同的物理参数，待测器件110的两端分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第2端口71B连接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度等其他物理参数，二者分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第1端口71A连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B具有相同的检偏角度等其他物理参数，二者分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第3端口71C连接。

(3)宽谱光源101经由第1耦合器103平均分光到测试装置11；两束光分别经由待测器件110的两端输入，同时产生正向、反向的两组信号；由两套相对独立的、共用扫描台125的光程相关器12A和12B进行扫描；最后输出两幅扫描位置对称的偏振耦合信号143A和143B，实现对待测器件110的正向、反向同时测试。

所述的一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置，其特征是：

(1)光源装置10中的宽谱光源101，经由第1耦合器103平均分光到测试装置11中进行偏振耦合测试；光源装置10中的校正光源102经由第2耦合器104平均分光到两个光程相关器12A和12B中进行扫描位置校正。

(2)第1光程相关器12A由第3耦合器121A、第4耦合器122A、第3环行器123A、第1准直透镜124A和扫描台125组成；宽谱光源101经由待测器件110、及测试装置11中的相关器件通过第2检偏器112B和第3耦合器121A输入端连接；校正光源102通过第2耦合器104和第3耦合器121A另一个输入端连接；第4耦合器122A的两个输出端分别与差分探测器130A和130B连接；经过数据采集卡141进行数据采集，传输到上位机142输出偏振耦合信号143A和143B。

(3)相对独立的第2光程相关器12A与第1光程相关器12A除了共用扫描台125，其他器件的物理参数对应一致。

所述的环行器113A或113B，是三端口器件，光只能沿一个方向传播。信号若从第1端口71A输入，则只能从第2端口71B输出；而信号从第2端口71B输入，则将从第3端口71C输出；反之，均不可传输。

所述的一种光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置，其特征是：

(1)测试装置21中包括待测器件110、与待测器件110两端相连接的正向耦合器214A和反向耦合器214B、第1起偏器111A和第1检偏器111B、第2起偏器112A和第2检偏器112B、第1隔离器213A和第2隔离器213B。

(2)待测器件110的两端分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的一端连接；第1隔离器213A和第2隔离器213B的输出端口72B分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端连接；第1起偏器111A和第2起偏器112A具有相同的起偏角度等其他物理参数，二者分别与第1隔离器213A和第2隔离器213B的输入端口72A连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B具有相同的检偏角度等其他物理参数，二者分别与正向耦合器214A和反向耦合器214B的另一端连接。

所述的一种光纤陀螺环偏振耦合的隔离器213A或213B，从第1端口72A输入，从第2端口72B输出，光只能沿一个方向传播，反之不可传输。

一般地，传统的光纤陀螺环偏振耦合测量装置如附图4所示。对保偏光纤中不连续点偏振耦合评估，采用的是光学相干域偏振测量装置。宽谱光源(SLD)101发出的光依次通过起偏器411A、待测器件110、检偏器411B，与马赫泽德干涉仪(MZI)42连接，进而连接差分探测装置43，最后与干涉信号检测与处理装置14连接；另外，校正光源102用于马赫泽德干涉仪42中位移台425的位移校正；经过数据采集卡441进行数据采集，传输到上位机442输出偏振耦合信号442，其只包含待测器件110的正向信息。

本发明中提到的光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置是从正向、反向同时对保偏光纤的偏振耦合同时地各测量一次。如附图5是其双向同时测量的简化光路方案。假设待测器件110为熊猫型保偏光纤，长度为L，其中慢轴的折射率为n_slow，快轴的折射率为n_fast，则保偏光纤的快慢轴的折射率差为Δn＝n_slow-n_fast。假设传输光均从慢轴输入，距离待测器件110头端x距离位置有一个缺陷点。在距离头端x处偏振光会发生耦合，少量的传输光从慢轴耦合到快轴中。

在正向测量和反向测量路径中，未发生耦合的传输光走过的光程均可表示为

S_传输＝n_slow L， (1)

正向测量路径中，耦合光走过的光程51可以表示为

S_{耦合_正向}＝n_slow x+n_fast(L-x)， (2)

反向测量路径中，耦合光走过的光程52可以表示为

S_{耦合_正向}＝n_slow(L-x)+n_fast x。 (3)

对于正向测量，由公式(1)和(2)可知，传输光和耦合光的光程差为

ΔS_正向＝Δn·(L-x)， (4)

对于反向测量，由公式(1)和(3)可知，传输光和耦合光的光程差为

ΔS_反向＝Δn·x。 (5)

在附图5中，有关于光纤陀螺环中点53(长度为L/2)对称的两个缺陷点——近头端缺陷点54(长度为x₁)和近尾端缺陷点55(长度为x₂)，即有如下关系

L/2-x₁＝x₂-L/2。 (6)

一般地，除了环境因素影响外，光纤中的色散影响跟长度相关。正向测量时，经过待测光纤的近头端缺陷点54的耦合光与传输光的光程差，比经历近尾端缺陷点55的长，因此色散对近头端缺陷点54的影响较大。

此时，对于近头端缺陷点54采用正向测量时，根据公式(4)和公式(6)，传输光和耦合光的光程差为

ΔS_正向＝Δn·(L-x₁)， (7)

对于近尾端缺陷点55采用反向测量时，根据公式(5)和公式(6)，传输光和耦合光的光程差为

ΔS_反向＝Δn·x₂＝Δn·(L-x₁)。 (8)

由公式(7)和公式(8)可知，在上述光路方案中，正向和反向同时测量得到的关于偏振耦合点的位置信息，是关于光纤中点对称的。光纤中的色散对于光纤陀螺环中心对称缺陷点的影响是一样的，即采用本发明提出的偏振耦合测量装置不仅能达到同时测量的目的，还消除了测量时色散带来的影响。

应用实施例1

测量装置如附图1所示，器件参数选择如下：

(1)宽带光源101的中心波长1550nm，半谱宽度45nm、出纤功率大于5mW，消光比大于6dB；

(2)待测光纤器件110为500m熊猫型保偏光纤；

(3)第1起偏器111A、第1检偏器111B、第2起偏器112A和第2检偏器112B的工作波长为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于3dB；

(4)第1环行器113A和第2环行器113B为三端口保偏环行器，其他环行器123A和123B为三端口单模光纤环行器，其回波损耗大于55dB，插入损耗小于1dB；

(5)光纤耦合器103、104、121A、121B、122A、121B的工作波长为1310/1550nm，分光比50：50，插入损耗小于0.5dB；

(6)准直透镜124A和124B的工作波长为1550nm；

(7)位移台125中所用反射镜的直径为20mm，平均反射率大于95％。

综合以上条件，测得偏振耦合信号如附图6所示，其中附图6(a)和6(b)分别为500m的光纤陀螺环正向测量结果和反向测量结果。简单起见，我们各以头端和尾端的3个典型缺陷点引起的偏振耦合峰为例进行分析。附图6(a)中特征峰61、62、63分别对应附图6(b)中的特征峰61’、62’、63’，附图6(a)中特征峰64、65、66分别对应附图6(b)中的特征峰64’、65’、66’。由于光纤陀螺环头端引起的特征峰(例如64、65、66)由于受到色散影响较大，峰值展宽幅值降低，与尾端引起的特征峰比较会引起较大误差。相应地，若与附图6(b)中的相应扫描光程差位置的特征峰相比较，可得到光纤陀螺环的对称性信息。

应用实施例2

测量装置如附图7所示，除了测试装置71与附图1中测试装置11不同之外，其余部分两个装置基本相同。

(1)测试装置71中包括待测器件110、与待测器件(110)两端相连接的第1环行器113A和第2环行器113B、起偏器710、耦合器711、第1检偏器111B、第2检偏器112B。

(2)第1环行器113A和第2环行器113B具有相同的物理参数，待测器件110的两端分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第2端口连接；耦合器711的两个输出端分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第1端口连接，耦合器711的输入端与起偏器710连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B具有相同的检偏角度等其他物理参数，二者分别与第1环行器113A和第2环行器113B的第3端口连接。

(3)宽谱光源101与测试装置71中的起偏器710输入端连接；经由待测器件110的两端同时产生正向、反向的两组信号，由两套相对独立的、共用扫描台125的光程相关器12A和12B进行扫描；最后输出两幅扫描位置相反的偏振耦合信号143A和143B，实现对待测器件110的正向、反向同时测试。

器件参数选择与应用实施例1类似，通过测量，可以得到附图6相同的偏振耦合信号。