CN107289922B - 一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置。一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，包括光源装置、测试装置11、光程相关器12、光电信号转换与信号记录装置13；光程相关器12包括由第1六端口耦合器121、第2六端口耦合器122、第1准直透镜123、第2准直透镜124和扫描台125组成。本发明减少了光纤陀螺环偏振耦合测量装置的测试时间，提高测量效率，消除温度等环境因素的影响，能够准确地获得光纤陀螺环的偏振耦合对称性。

Description

一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置

技术领域

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置。

背景技术

干涉型光纤陀螺中，光纤陀螺环采用保偏光纤的长度有几百米至几千米，如此长距离的光纤需要绕制成多匝的光纤陀螺环形线圈。其中，光纤陀螺环除了有在保偏光纤制作工艺上的非理想(折射率分布的微小差异)，还受到外界扰动(比如微弯、扭转、受压、受拉)等影响，当然由于光纤熔接机焊接、不同结构粘合等，这就不可避免的形成很多可能发生串扰的缺陷点。而这些缺陷点都能够带来传输过程中的偏振串扰，由于偏振串扰引入的能量耦合即表现为光纤陀螺的传感误差。可以认为，光纤陀螺环绕制的工艺好坏直接决定了光纤陀螺整机的性能。由于光纤陀螺基于萨格纳克干涉的工作方式，保持其光路结构中光程对称特性是十分重要。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排除系统本身误差，进行精确的导航。光纤陀螺环中正向传输光和反向传输光的光程不一致性，成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非互易效应，特别是如何提高和评价光纤环的光程对称性，目前已经有了一些解决方案。2010年，中国航天科技集团公司第九研究院第十六研究所的谢永周等人公开了一种光纤环中点对称绕制方法(中国专利申请号：201010013547.7)。该发明是通过计算得出光纤中点的，且按照中心对称法绕制，光纤环绕制后可严格保证光纤中点对称，较好的解决光纤环温度性能。采用该方法的光纤陀螺能较好的降低光纤陀螺全温温度系数。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(中国专利申请号：201210359805.6)。该发明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，分别确定中点左右侧的偏振串音，来分析待测光纤环的对称性。2015年，中国电子科技集团公司第四十一研究所的赵耀等人发明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)，该发明对光纤环在不同温度下的应力分布进行测量，通过计算其应力积分差值来得到光纤环的不对称长度。

上述提高和评价光纤环的方法，只是通过理论计算、定性的手段评价光纤环光程对称性，需要通过定量的、分布式的技术途径开展进一步研究。基于白光干涉的光学相干域偏振技术(OCDP)逐渐发展起来，作为一种分布式的偏振耦合测量技术，它通过扫描干涉仪进行光程补偿，通过干涉信号可以反映出绕制光纤环内部缺陷的位置、偏振耦合强度。早在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)。该发明通过在OCDP系统中加入光信号可控的换向机构，实现待测光纤陀螺环分别正向和反向测量。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(中国专利申请号：201610532372.8)。该发明中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。

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，杨德伟等人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；杨军等人的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；采用方向性的光学器件法虽然实现了严格意义上的同时测量，但是采用的干涉仪相对独立，不能严格控制系统一致性。因此，需要简化同时测量光路结构、实现测量光路的严格一致性，进而对光纤材料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。

本发明基于光学相干域偏振测量技术，对光纤陀螺环的正向/反向光传输的偏振耦合特性进行同时测量；严格共用一套干涉光路对光纤陀螺环进行扫描，最大限度的降低系统结构不同引入的测量不一致性；采用耦合器将光源平均分成两束，利用具有方向性的光学器件分别注入到光纤陀螺环的两个端口。本装置结构简单、集成度高，能够减小双折射色散对保偏光纤测量的影响。本发明对于光纤陀螺环的对称性能评估、正向/反向偏振耦合特性的不一致性评价有所帮助，可用于光纤陀螺环的制作流程优化和绕制工艺改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置

本发明的目的是这样实现的：

一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，包括光源装置、测试装置11、光程相关器12、光电信号转换与信号记录装置13：

光程相关器12包括由第1六端口耦合器121、第2六端口耦合器122、第1准直透镜123、第2准直透镜124和扫描台125组成；

第1六端口耦合器121和第2六端口耦合器122具有相同的物理参数；两个六端口耦合器各自的第1端口，分别与测试装置11的两个输出端连接；两个六端口耦合器各自的第2端口，分别与校正光源102经由第2耦合器105的两个输出端连接；两个六端口耦合器121和122各自的第3端口，分别与第1探测器126、第2探测器127连接；两个六端口耦合器各自的第4端口之间进行连接；两个六端口耦合器各自的第5端口，分别与第1准直透镜123、第2准直透镜124进行连接；两个六端口耦合器各自的第6端口悬空；

由第1六端口耦合器121第1端口121a、第2端口121b输入的光，经由光程相关器12的光程匹配，由第2六端口耦合器122第3端口122c输出，到达第2探测器127；由第2六端口耦合器122第1端口122a、第2端口122b输入的光，经由光程相关器12的光程匹配，由第1六端口耦合器121第3端口121c输出，到达第1探测器126。

所述的六端口耦合器，是一种3×3的六端口光学器件，光能沿其一侧的三个端口向另一侧的三个端口传输；反之亦然；六端口中某一端口不需要时，可以悬空不接入系统。

光源装置包括宽谱光源101和校正光源102；宽谱光源101经由第1耦合器103平均分光注入到测试装置11当中；校正光源102通过隔离器104，然后经由第2耦合器105平均分光注入到光程相关器12当中；

测试装置11包括待测器件110、第1环行器113和第2环行器114、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113和第2环行器114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113和第2环行器114的第2端口32b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物理参数，二者分别与第1环行器113和第2环行器114的第1端口31a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物理参数，二者分别与第1环行器113和第2环行器114的第3端口31c连接；

光电信号转换与信号记录装置13包括数据采集卡131和计算机132；第1探测器126、第2探测器127的两路信号经过数据采集卡131进行数据采集，传输到计算机132，最后输出偏振耦合信号。

所述的扫描台125，能够使第1准直透镜123发出的光，准确耦合到第2准直透镜124当中。

所述的环行器113、114或32，是一种三端口光学器件；信号若从第1端口32a输入，则只能从第2端口32b输出；而信号从第2端口32b输入，则将从第3端口32c输出；反之，均不可传输。

所述的隔离器，从第1端口33a输入，从第2端口33c输出；反之，不可传输。

本发明的有益效果在于：

本发明严格共用一套干涉光路对光纤陀螺环进行扫描，最大限度的降低系统结构不同引入的测量不一致性，同时简化装置结构；能够实现严格意义上的光纤环的偏振耦合信息的正向/反向同时测量，降低对环境因素的要求；减少了光纤陀螺环偏振耦合测量装置的测试时间，提高测量效率，消除温度等环境因素的影响，能够准确地获得光纤陀螺环的偏振耦合对称性。

附图说明

图1是一种共光路的光纤环偏振耦合对称性评估装置(环行器型)示意图；

图2是另一种共光路的光纤环偏振耦合对称性评估装置(耦合器型)示意图；

图3是六端口耦合器、环行器和隔离器的结构示意图；

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是光纤陀螺环偏振耦合的对称性评估装置输出的偏振耦合信号。

具体实施方式

以下结合实施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。

本发明提出一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，实现对光纤陀螺环的偏振耦合与对称性的严格的定量评估，对光纤陀螺环的正向和反向进行同时测量。装置包括光源装置101和102、测试装置11、光程相关器12、光电信号转换与信号记录装置13，其特征是：

(1)光程相关器12包括由第1六端口耦合器121、第2六端口耦合器122、第1准直透镜123、第2准直透镜124和扫描台125组成。

(2)第1六端口耦合器121和第2六端口耦合器122具有相同的物理参数；两个六端口耦合器121、122各自的第1端口121a和122a，分别与测试装置11的两个输出端连接；两个六端口耦合器121、122各自的第2端口121b、122b，分别与校正光源102经由第2耦合器105的两个输出端连接；两个六端口耦合器121、122各自的第3端口121c、122c，分别与第1探测器126、第2探测器127连接；两个六端口耦合器121、122各自的第4端口121d、122d之间进行连接；两个六端口耦合器121、122各自的第5端口，分别与第1准直透镜123、第2准直透镜124进行连接；两个六端口耦合器121、122各自的第6端口悬空。

(3)由第1六端口耦合器121第1端口121a、第2端口121b输入的光，经由光程相关器12的光程匹配，由第2六端口耦合器122第3端口122c输出，到达第2探测器127；由第2六端口耦合器122第1端口122a、第2端口122b输入的光，经由光程相关器12的光程匹配，由第1六端口耦合器121第3端口121c输出，到达第1探测器126。

所述的六端口耦合器121、122或31，是一种3×3的六端口光学器件，光能沿其一侧的三个端口31a、31b和31c向另一侧的三个端口31d、31e和31f传输；反之亦然。六端口中某一端口不需要时，可以悬空不接入系统。

所述的一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，其特征是：

(1)光源装置包括宽谱光源101和校正光源102；宽谱光源101经由第1耦合器103平均分光注入到测试装置11当中；校正光源102通过隔离器104，然后经由第2耦合器105平均分光注入到光程相关器12当中。

(2)测试装置11包括待测器件110、第1环行器113和第2环行器114、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113和第2环行器114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113和第2环行器114的第2端口32b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物理参数，二者分别与第1环行器113和第2环行器114的第1端口31a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物理参数，二者分别与第1环行器113和第2环行器114的第3端口31c连接。

(3)光电信号转换与信号记录装置13包括数据采集卡131和计算机132；第1探测器126、第2探测器127的两路信号经过数据采集卡131进行数据采集，传输到计算机132，最后输出偏振耦合信号133A和133B。

所述的扫描台125，能够使第1准直透镜123发出的光，准确耦合到第2准直透镜124当中；反之亦然。

所述的环行器113、114或32，是一种三端口光学器件；信号若从第1端口32a输入，则只能从第2端口32b输出；而信号从第2端口32b输入，则将从第3端口32c输出；反之，均不可传输。

所述的隔离器104或33，从第1端口33a输入，从第2端口33c输出；反之，不可传输。

一般地，传统的光纤环偏振耦合测量装置如附图4所示。其中，宽谱光源401(比如SLD)发出的白光，依次通过起偏器411A、待测器件110(比如光纤环)、检偏器411B，与干涉仪42(比如马赫泽德干涉仪，MZI)连接，形成的干涉信号通过光电探测器426，与干涉信号检测与处理装置43连接；此外，校正光源402用于干涉仪42中位移台425的位移校正；经过数据采集卡431进行数据采集，传输到计算机432输出偏振耦合信号443，该测量装置只包含待测器件110的单一方向信息(正向或者反向信息)。

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为SLD光源，中心波长1550nm，半谱宽度大于45nm，出纤功率大于5mW，消光比大于6dB；

(2)待测光纤器件110为500m的熊猫型保偏光纤；

(3)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的工作波长均为1550nm，消光比大于20dB，插入损耗小于3dB；

(4)第1环行器113和第2环行器114均为三端口保偏环行器，其回波损耗大于55dB，插入损耗小于1dB；

(5)六端口耦合器121、122，其他光纤耦合器103、105的工作波长均为1310/1550nm，分光比50：50，插入损耗小于0.5dB；

(6)准直透镜123和124的工作波长为1550nm；

(7)位移台125中所用角锥棱镜为90°，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5所示。其中，附图5(a)和5(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5中特征峰51、52、53分别对应附图5中的特征峰51’、52’、53’；附图5中特征峰54、55、56分别对应附图5中的特征峰54’、55’、56’。相应地，若与附图5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。

实施例2

测量装置如附图2所示，除了测试装置21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213和反向耦合器214、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耦合器213和第2耦合器214具有相同的物理参数，待测器件110的两端分别与正向耦合器213和反向耦合器214的一端连接；第1起偏器111A和第2起偏器112A分别具有相同的起偏角度等物理参数，二者分别与第1耦合器213和第2耦合器214的一个输入端口连接；第1检偏器111B和第2检偏器112B分别具有相同的检偏角度等物理参数，二者分别与第1耦合器213和第2耦合器214的另一个输入端口连接；

(3)宽谱光源101为SLD光源，其与第1隔离器201连接，输出端经由第1耦合器103平均分光注入到测试装置21当中；测试装置21的经过第2起偏器112A和第2检偏器112B两个输出端，分别与第2隔离器202、第3隔离器203连接，进而输入到光程相关器12当中。

器件参数选择与应用实施例1类似，通过测量，可以得到类似附图5相同的偏振耦合信号。

本发明设计属于光纤测量技术领域，具体涉及到一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置。其特征是，基于光学相干域偏振测量技术，对光纤陀螺环的正向/反向光传输的偏振耦合特性进行同时测量；严格共用一套干涉光路对光纤陀螺环进行扫描，最大限度的降低系统结构不同引入的测量不一致性；采用耦合器将光源平均分成两束，利用具有方向性的光学器件分别注入到光纤陀螺环的两个端口。本装置结构简单、集成度高，能够减小双折射色散对保偏光纤测量的影响。本发明对于光纤陀螺环的对称性能评估、正向/反向偏振耦合特性的不一致性评价有所帮助，可用于光纤陀螺环的制作流程优化和绕制工艺改进。

Claims (5)

1.一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，包括光源装置、测试装置(11)、光程相关器(12)、光电信号转换与信号记录装置(13)，其特征在于：

光程相关器(12)包括由第1六端口耦合器(121)、第2六端口耦合器(122)、第1准直透镜(123)、第2准直透镜(124)和扫描台(125)组成；

第1六端口耦合器(121)和第2六端口耦合器(122)具有相同的物理参数；两个六端口耦合器各自的第1端口，分别与测试装置(11)的两个输出端连接；两个六端口耦合器各自的第2端口，分别与校正光源(102)经由第2耦合器(105)的两个输出端连接；两个六端口耦合器(121和122)各自的第3端口，分别与第1探测器(126)、第2探测器(127)连接；两个六端口耦合器各自的第4端口之间进行连接；两个六端口耦合器各自的第5端口，分别与第1准直透镜(123)、第2准直透镜(124)进行连接；两个六端口耦合器各自的第6端口悬空；

由第1六端口耦合器(121)第1端口(121a)、第2端口(121b)输入的光，经由光程相关器(12)的光程匹配，由第2六端口耦合器(122)第3端口(122c)输出，到达第2探测器(127)；由第2六端口耦合器(122)第1端口(122a)、第2端口(122b)输入的光，经由光程相关器(12)的光程匹配，由第1六端口耦合器(121)第3端口(121c)输出，到达第1探测器(126)；

光源装置包括宽谱光源(101)和校正光源(102)；宽谱光源(101)经由第1耦合器(103)平均分光注入到测试装置(11)当中；校正光源(102)通过隔离器(104)，然后经由第2耦合器(105)平均分光注入到光程相关器(12)当中；

测试装置(11)包括待测器件(110)、第1环行器(113)和第2环行器(114)、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(113)和第2环行器(114)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(113)和第2环行器(114)的第2端口(32b)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物理参数，二者分别与第1环行器(113)和第2环行器(114)的第1端口(31a)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物理参数，二者分别与第1环行器(113)和第2环行器(114)的第3端口(31c)连接；

光电信号转换与信号记录装置(13)包括数据采集卡(131)和计算机(132)；第1探测器(126)、第2探测器(127)的两路信号经过数据采集卡(131)进行数据采集，传输到计算机(132)，最后输出偏振耦合信号。

2.根据权利要求1所述的一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，其特征在于：所述的六端口耦合器，是一种3×3的六端口光学器件，光能沿其一侧的三个端口向另一侧的三个端口传输；反之亦然；六端口中某一端口不需要时，可以悬空不接入系统。

3.根据权利要求1所述的一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，其特征在于：所述的扫描台(125)，能够使第1准直透镜(123)发出的光，准确耦合到第2准直透镜(124)当中。

4.根据权利要求1所述的一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，其特征在于：所述的环行器(113、114或32)，是一种三端口光学器件；信号若从第1端口(32a)输入，则只能从第2端口(32b)输出；而信号从第2端口(32b)输入，则将从第3端口(32c)输出；反之，均不可传输。

5.根据权利要求1所述的一种共光路的光纤陀螺环正反向同时测量装置，其特征在于：所述的隔离器，从第1端口(33a)输入，从第2端口(33c)输出；反之，不可传输。

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