CN114295114B - 消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤陀螺领域，具体涉及一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法、系统、设备，旨在解决现有技术无法准确测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数，导致消偏型光纤陀螺性能劣化的问题。本发明方法包括：测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；对实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并提取特征峰信息；构建光纤消偏器参数测量方程组；求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。本发明实现了消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数的准确测量，提升了光纤消偏器的质量。

Description

消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法及 系统

技术领域

本发明属于光纤陀螺领域，具体涉及一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法、系统、设备。

背景技术

消偏型光纤陀螺是一种采用单模光纤环的干涉型光纤陀螺，具有灵敏度高、成本低、磁场灵敏度低的特点，在光纤环成本占比明显的高精度光纤陀螺领域具有较强的应用价值和竞争力。光纤消偏器是消偏型光纤陀螺的关键光学器件，它使进入单模光纤环中的宽谱光实现消偏，提高了干涉信号的稳定性，抑制了大部分由偏振态不稳定造成的噪声和漂移，可以说光纤消偏器的质量决定了消偏型光纤陀螺的性能。光纤消偏器一般由两段长度比为1:2的保偏光纤以45°角度熔接构成，为保证消偏效果，较短的保偏光纤长度需要远大于光源去相干对应的光纤长度，同时45°熔接角的误差也要尽量小。保偏光纤的长度和两保偏光纤之间的熔接角这些参数决定了光纤消偏器的质量，因此准确评估光纤消偏器的参数非常重要。

消偏型光纤陀螺的光纤敏感环路由Y波导调制器芯片、两段保偏尾纤、两段设定长度的保偏光纤和单模光纤环组成，其中两段保偏尾纤和两段保偏光纤分别熔接，且要求在熔接点处保偏尾纤和保偏光纤间偏振主轴夹角为45°，形成了两个由四段保偏光纤组成的光纤消偏器，四段保偏光纤长度比应该满足1:2:4:8的关系。Y波导调制器芯片保偏尾纤输出光为线偏振光，此线偏振光以45°入射进第二段保偏光纤才能实现均匀分光，而偏振随机化与去相干的效果主要由第二段保偏光纤的长度保证，所以消偏器中保偏光纤熔接点的偏振主轴夹角和第二段保偏光纤长度是需要重点关注的参数。到目前为止，消偏型光纤陀螺所用的光纤消偏器一般需要独立制作，然后接入光纤环路中。由于接入过程中存在熔接角度误差和光纤截取及切割长度不确定的问题，接入光纤环路后光纤消偏器的参数将会发生较大的变化，常规的方法无法实现这种状况的光纤消偏器参数的测量，导致消偏型光纤陀螺的性能出现众多不能确定的因素。

研究表明，消偏型光纤陀螺的光纤敏感环路输出光谱为干涉“梳状”调制谱形，主要由光纤消偏器中第二段保偏光纤引入的偏振干涉形成。基于这个理论，本发明提出了一种消偏型光纤陀螺的光纤敏感环路中组成光纤消偏器的第二段保偏光纤长度和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角的在线测量方法，简称为：消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术无法准确测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数，进而导致消偏型光纤陀螺性能劣化的问题，本发明提出了一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，应用于消偏型光纤陀螺光路，该光路包括宽谱光源、耦合器、光纤敏感环路、光纤光谱仪；所述光纤光谱仪与计算机连接；所述光纤敏感环路由Y波导调制器芯片、第一光纤消偏器、第二光纤消偏器、单模光纤环组成；光纤消偏器由Y波导保偏尾纤和保偏光纤组成；该参数测量方法包括：

步骤S100，通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

步骤S200，对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

步骤S300，结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

步骤S400，求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

在一些优选的实施方式中，消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱的模型，其表达式为：

其中，I_out(v)表示输出光谱，v表示光频率，Iin(v)表示宽谱光源的光谱，

为Sagnac相移，F(v)为光谱传递函数。

在一些优选的实施方式中，所述光谱传递函数为：

F(v)＝F₀+F₁(v)+F₂(v)+F₃(v)

F₀＝1/2+1/2cos2θ₁₂cos2θ₃₄cos2θ_2scos2θ_4s

F₁(v)＝-1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2scos2θ_4scos(2πvτ₂) -1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄cos2θ_2ssin2θ_4scos(2πvτ₄) -1/2cos2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πvτ_s)

F₂(v)＝-1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄cos²θ_2ssin2θ_4scos(2πv(τ₂+τ_s)) +1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin²θ_2ssin2θ_4scos(2πv(τ₂-τ_s)) -1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2scos²θ_4scos(2πv(τ₄+τ_s)) +1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin²θ_4scos(2πv(τ₄-τ_s)) +1/4sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πv(τ₂+τ₄)) +1/4sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πv(τ₂-τ₄))

F₃(v)＝-1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2scos²θ_4scos(2πv(τ₂+τ₄+τ_s)) -1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2ssin²θ_4scos(2πv(τ₂+τ₄-τ_s)) +1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2ssin²θ_4scos(2πv(τ₂-τ₄+τ_s)) +1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2scos²θ_4scos(2πv(τ₂-τ₄-τ_s))

其中，所述第一光纤消偏器由Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤组成，所述第二光纤消偏器由Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤组成，θ₁₂、θ₃₄分别为第一光纤消偏器中Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角、第二光纤消偏器中Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角，θ2s为第二保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，θ4s为第四保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，τ2＝ΔnL2/c，τ4＝ΔnL4/c，τs＝ΔnsLs/c，Δn为保偏光纤双折射，Δns为单模光纤环平均双折射，Ls为单模光纤环长度，L2、L4分别为第二保偏光纤的长度、第四保偏光纤的长度，c为真空中光速。

在一些优选的实施方式中，归一化自相关曲线中特征峰的模型为：

P₁＝A₁·γ_in(l-ΔnL₂)

A₁＝|[-1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2scos2θ_4scos(2πv₀ΔnL₂/c) -1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄cos²θ_2ssin2θ_4scos(2πv₀(ΔnL₂+Δn_sL_s)/c) +1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin²θ_2ssin2θ_4scos(2πv₀(ΔnL₂-Δn_sL_s)/c)]|

P₂＝A₂·γ_in(l-ΔnL₄+ΔnL₂)

A₂＝|[-1/4×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄-ΔnL₂)/c) +1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2ssin²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄+ΔnL₂-Δn_sL_s)/c) +1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2scos²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄-ΔnL₂+Δn_sL_s)/c)]|

P₃＝A₃·γ_in(l-ΔnL₄)

A₃＝|[-1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄cos2θ_2ssin2θ_4scos(2πv₀ΔnL₄/c) -1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2scos²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄+Δn_sL_s)/c) +1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄-Δn_sL_s)/c)]|

P₄＝A₄·γ_in(l-ΔnL₄-ΔnL₂)

A₄＝|[1/4×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄+ΔnL₂)/c) -1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2scos²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄+ΔnL₂+Δn_sL_s)/c) -1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2ssin²θ_4scos(2πv₀(ΔnL₄+ΔnL₂-Δn_sL_s)/c)]|

其中，A₁、A₂、A₃、A₄表示特征峰峰值点的幅值，P₁、P₂、 P₃、P₄表示光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时对应的特征峰，

为宽谱光源归一化自相干函数， l为光程差，l_d为宽谱光源去相干长度，v₀为宽谱光源的中心频率。

在一些优选的实施方式中，所述光纤消偏器参数测量方程组，其构建方法为：

在归一化自相关曲线中特征峰的模型，当光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时，γ_in(l-ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄+ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄)，γ_in(l-ΔnL₄-ΔnL₂)分别等于1，此时P₁、P₂、P₃、P₄取最大值，等于各自对应特征峰值点的幅值A₁、A₂、A₃、A₄，所以光程差ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂依次对应了四个特征峰峰值点位置l_p1、l_p2、 l_p3、l_p4，幅值A₁、A₂、A₃、A₄依次对应了四个特征峰的强度I_p1、I_p2、I_p3、 I_p4；

因此，构建的光纤消偏器参数测量方程组为：

ΔnL_i+1＝l_pi(i＝1,3)

A_i＝I_pi(i＝1,2,3,4)

其中，ΔnL_i+1表示光程差，l_pi表示特征峰的峰值点位置，A_i表示特征峰峰值点对应的幅值，I_pi表示特征峰的强度。

在一些优选的实施方式中，所述消偏型光纤陀螺光路中的A₁、 A₂、A₃、A₄为定值。

本发明的第二方面，提出了一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量系统，该系统包括：光谱测量模块、特征峰提取模块、方程构建模块、参数求解模块；

所述光谱测量模块，配置为通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

所述特征峰提取模块，配置为对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

所述方程构建模块，配置为结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

所述参数求解模块，配置为求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

本发明的有益效果：

本发明实现了消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数的准确测量，提升了光纤消偏器的质量。

1)本发明先测量光纤敏感环路的输出光谱，然后对光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，从曲线中提取特征峰值点位置和强度信息，基于归一化自相关曲线峰值模型和峰值信息建立测量方程组；最后求解方程组得到两个光纤消偏器中第二段保偏光纤的长度和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。本发明揭示了消偏型光纤陀螺敏感环路输出光谱与光纤消偏器中第二段保偏光纤长度和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角的关系，为消偏型光纤陀螺敏感环路中光纤消偏器参数的在线测量提供了一种新型、有效、高灵敏度的方法。

2)本发明易于实施，可实现消偏陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数的在线测量，提高了消偏陀螺光纤敏感环路质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明一种实施例的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法的流程示意图；

图2为本发明一种实施例的典型的消偏型光纤陀螺光路结构的示意图；

图3是本发明一种实施例的消偏型光纤陀螺敏感环路中消偏器参数的在线测量装置的示意图；

图4是本发明一种实施例的实测的消偏型光纤陀螺敏感环路输出调制光谱的示意图；

图5是本发明一种实施例的实测调制光谱计算的归一化自相关曲线示意图；

图6是本发明一种实施例的特征峰的幅值A₃与第一光纤消偏器中Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角θ₁₂相较于45°角偏差的仿真关系曲线示意图；

图7是本发明一种实施例的特征峰的幅值A₁与第二光纤消偏器中Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角θ₃₄相较于45°角偏差的仿真关系曲线示意图；

图8是本发明一种实施例的实测调制光谱的归一化自相关曲线和根据实测曲线求解参数仿真的归一化自相关曲线特征峰的示例图；

图9是本发明一种实施例的适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图；

图10是本发明一种实施例的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量系统的框架示意图；

图中附图标记含义为：1为宽谱光源，2为耦合器，3为光纤敏感环路，4为探测器组件，5为Y波导调制器芯片，6为第一光纤消偏器，7为第二光纤消偏器，8为单模光纤环，9为第一光纤消偏器中Y 波导调制器芯片第一保偏尾纤，10为第一光纤消偏器中第二保偏光纤，11为第二光纤消偏器中Y波导调制器芯片第三保偏尾纤，12为第二光纤消偏器中第四保偏光纤，13为光纤光谱仪，14为计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明第一实施例的一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，应用于消偏型光纤陀螺光路，该光路包括宽谱光源、耦合器、光纤敏感环路、光纤光谱仪；所述光纤光谱仪与计算机连接；所述光纤敏感环路由Y波导调制器芯片、第一光纤消偏器、第二光纤消偏器、单模光纤环组成；光纤消偏器由Y波导保偏尾纤和保偏光纤组成；如图1所示，该参数测量方法包括：

步骤S100，通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

步骤S200，对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

步骤S300，结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

步骤S400，求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

为了更清晰地对本发明一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法进行说明，下面结合附图，对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。

本发明一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，应用于消偏型光纤陀螺光路。消偏型光纤陀螺光路，如图2 所示，包括一个中心频率为v₀的宽谱光源1、一个耦合器2、光纤敏感环路3和一个探测器组件4。其光纤敏感环路由Y波导调制器芯片5、第一光纤消偏器6、第二光纤消偏器7、单模光纤环8组成，第一光纤消偏器由Y波导第一保偏尾纤9和第二保偏光纤10组成，此光纤消偏器的参数包括Y波导第一保偏尾纤的长度L₁、第二保偏光纤的长度L₂和Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角θ₁₂；第二光纤消偏器由Y波导第三保偏尾纤11和第四保偏光纤12组成，此光纤消偏器的参数包括第三保偏尾纤的长度L₃、第四保偏光纤的长度L₄和Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角θ₃₄。为了实现消偏型光纤陀螺的光纤消偏器参数在线测量，用光纤光谱仪13代替消偏型光纤陀螺光路中的探测器组件，并将光纤光谱仪连接至数据处理电脑(或称之为计算机)14进行解算，形成图3所示的在线测量装置，光纤光谱仪测得的典型输出光谱如图4所示。通过上述的在线测量装置，测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数具体过程如下：

步骤S100，通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

在本实施例中，将单模光纤环简化等效为单个双折射单元，利用琼斯矩阵计算得到光纤敏感环的输出光谱的模型，其表达式为：

其中，I_out(v)表示输出光谱，v表示光频率，I_in(v)表示宽谱光源的光谱，

为Sagnac相移，F(v)为光谱传递函数。

所述光谱传递函数可由下式为：

F(v)＝F₀+F₁(v)+F₂(v)+F₃(v) (2)

F₀＝1/2+1/2cos2θ₁₂cos2θ₃₄cos2θ_2scos2θ_4s (3)

其中，所述第一光纤消偏器由Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤组成，所述第二光纤消偏器由Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤组成，θ₁₂、θ₃₄分别为第一光纤消偏器中Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角、第二光纤消偏器中Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角，θ_2s为第二保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，θ_4s为第四保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，τ₂＝ΔnL₂/c，τ₄＝ΔnL₄/c，τ_s＝Δn_sL_s/c，Δn为保偏光纤双折射，Δn_s为单模光纤环平均双折射，L_s为单模光纤环长度，L₂、L₄分别为第二保偏光纤的长度、第四保偏光纤的长度，c为真空中光速。

步骤S200，对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

在本实施例中，输出光谱的调制实际就是由消偏型光纤陀螺敏感环路中两个光纤消偏器中保偏光纤引入的偏光干涉造成的。对图4 所示的输出光谱进行归一化自相关运算，可得到典型的归一化自相关曲线，如图5所示。

基于光纤敏感环的输出光谱模型，归一化自相关曲线中特征峰的模型可表示为：

其中，A₁、A₂、A₃、A₄表示特征峰峰值点的幅值，P₁、P₂、P₃、 P₄表示光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时对应的特征峰，如图5所示，

为宽谱光源归一化自相干函数，l为光程差，l_d为宽谱光源去相干长度。

步骤S300，结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

在本实施例中，在归一化自相关曲线特征峰模型式(7)-(10) 中，当光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时，γ_in(l-ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄+ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄)，γ_in(l-ΔnL₄-ΔnL₂)分别等于1，此时P₁、P₂、P₃、P₄取最大值，等于各自对应特征峰值点的幅值A₁、A₂、A₃、A₄，所以光程差ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂依次对应了四个特征峰的峰值点位置l_p1、l_p2、l_p3、 l_p4，幅值A₁、A₂、A₃、A₄依次对应了四个特征峰的强度I_p1、I_p2、I_p3、I_p4；

因此，构建的光纤消偏器参数测量方程组为：

ΔnL_i+1＝l_pi(i＝1,3) (11)

A_i＝I_pi(i＝1,2,3,4) (12)

其中，ΔnL_i+1表示光程差，l_pi表示特征峰的峰值点位置，A_i表示特征峰峰值点对应的幅值，I_pi表示特征峰的强度。

如图5所示，从曲线中提取四个特征峰值点位置l_pi和强度I_pi，将特征峰值点的坐标依次记为(l_p1,I_p1)，(l_p2,I_p2)，(l_p3,I_p3)，(l_p4,I_p4)。

步骤S400，求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

在本实施例中，求解式(11)所列方程组可得第一光纤消偏器中第二保偏光纤10的长度L₂和第二光纤消偏器中第四保偏光纤12的长度L₄，求解式(12)所列方程组可得第一光纤消偏器中保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角θ₁₂以及第二光纤消偏器中保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角θ₃₄。

L₂和L₄的长度及其和差组合要远大去光源去相干对应的保偏光纤长度，且θ₁₂和θ₃₄相较于45°的角偏差小才能保证光纤消偏器质量。其中θ₁₂和θ₃₄的熔接角偏差是造成消偏陀螺噪声和漂移的主要因素，本发明可实现灵敏度较高的θ₁₂和θ₃₄熔接角在线测量，在归一化自相关曲线中ΔnL₄光程差处的特征峰幅值A₃对θ₁₂相较于45°的角偏差变化较敏感，仿真的变化曲线如图6所示，ΔnL₂光程差对应的特征峰幅值A₁对θ₃₄相较于45°的角偏差变化较敏感，仿真的变化曲线如图7所示。θ₁₂和θ₃₄对应的敏感特征峰幅值在角偏差接近0°时都急剧变化，反映出测量算法的高灵敏度。

另外，为了验证本发明技术方案的有效性，本发明通过实验进行验证，验证过程如下：

典型消偏型光纤陀螺光路主要参数如表1所示。光源为典型的高斯型宽谱光源，两光纤消偏器中四段保偏光纤长度为设定值，其长度比接近1:2:4:8，实际由于截取和切割长度不确定会存在一定误差，两光纤消偏器中保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角接近45°。

表1

表1中第一光纤消偏器第一段保偏光纤即第一光纤消偏器由Y波导保偏尾纤，第二光纤消偏器第一段保偏光纤即第二光纤消偏器由Y波导保偏尾纤。

将在线测量装置通电，预热一段时间后使用光纤光谱仪测试敏感环路输出光谱，如图4所示，由数据处理计算机对实测光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，如图5所示，除零光程差的主峰以外，还存在四个明显的特征峰，其余为背景噪声，四个特征峰值点位置分别对应了两光纤消偏器中保偏光纤10和12引入偏振光干涉中四种光程差组合：ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂。

由数据处理计算机依据算法流程提取图5归一化自相关曲线中四个特征峰的峰值点位置和强度信息，强度数值转换为线性无量纲数值，以坐标的形式将从左到右的特征峰值点信息依次表示为：(1.732 mm，0.008057),(5.091mm，0.08717),(6.823mm，0.02418),(8.555 mm，0.09581)。可看出四个特征峰的峰值点位置满足ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂的关系，基于式(11)和式(12)可建立以下方程组：

求解式(13)所列方程组可计算出构成两光纤消偏器的第二段保偏光纤长度参数，如表2所示：

表2

表2所示结果表明光纤消偏器中第二段保偏光纤长度由于截取和切割长度的不确定确实存在误差，L₄的实际长度与表1所示设计长度就有差别。

求解式(14)所列方程组可得到两光纤消偏器中保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角参数，如表3所示：

求解的结果中两光纤消偏器中保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角分别为θ₁₂＝-43.07°，θ₃₄＝-136.86°，将其转换为第一象限的数值描述即为43.07°和43.14°，这表明实际的光纤消偏器中熔接点处偏振主轴夹角相较于45°也存在偏差。

由上述过程可知通过对实测调制光谱归一化自相关曲线的分析求解得到的两光纤消偏器参数为：第一光纤消偏器的第二段保偏光纤长度为2.80m，保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角为43.07°；第二光纤消偏器的第二段保偏光纤长度为11.04m，保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角为43.14°。基于求解参数仿真的归一化自相关曲线特征峰如图8的虚线所示，图8实线即图5的归一化自相关曲线，基于求解参数的仿真结果与实验结果对应四个特征峰值点位置和幅值高度吻合，表明所述在线测量算法准确可靠。

本发明第二实施例的一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量系统，如图10所示，该系统包括：光谱测量模块100、特征峰提取模块200、方程构建模块300、参数求解模块400；

所述光谱测量模块100，配置为通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

所述特征峰提取模块200，配置为对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

所述方程构建模块300，配置为结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

所述参数求解模块400，配置为求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体的工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种电子设备，至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求上述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的电子设备、计算机可读存储介质的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。

下面参考图9，其示出了适于用来实现本申请系统、方法、设备实施例的服务器的计算机系统的结构示意图。图9示出的服务器仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图9所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)901，其可以根据存储在只读存储器(ROM，Read Only Memory)902中的程序或者从存储部分908加载到随机访问存储器(RAM， Random Access Memory)903中的程序而执行各种适当的动作和处理。在 RAM903中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU901、ROM 902以及RAM903通过总线904彼此相连。输入/输出(I/O，Input/Output) 接口905也连接至总线904。

以下部件连接至I/O接口905：包括键盘、鼠标等的输入部分906；包括诸如阴极射线管、液晶显示器等以及扬声器等的输出部分 907；包括硬盘等的存储部分908；以及包括诸如局域网卡、调制解调器等的网络接口卡的通讯部分909。通讯部分909经由诸如因特网的网络执行通讯处理。驱动器910也根据需要连接至I/O接口905。可拆卸介质911，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器 910上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分908。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通讯部分909从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质911被安装。在该计算机程序被CPU901执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、RAM、ROM、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，如C语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网或广域网连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，应用于消偏型光纤陀螺光路，该光路包括宽谱光源、耦合器、光纤敏感环路、光纤光谱仪；所述光纤光谱仪与计算机连接；所述光纤敏感环路由Y波导调制器芯片、第一光纤消偏器、第二光纤消偏器、单模光纤环组成；光纤消偏器由Y波导保偏尾纤和保偏光纤组成；其特征在于，该参数测量方法包括：

步骤S100，通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

步骤S200，对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

步骤S300，结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

步骤S400，求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

2.根据权利要求1所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，其特征在于，消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱的模型，其表达式为：

其中，I_out(ν)表示输出光谱，ν表示光频率，I_in(ν)表示宽谱光源的光谱，

为Sagnac相移，F(ν)为光谱传递函数。

3.根据权利要求2所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，其特征在于，所述光谱传递函数为：

F(ν)＝F₀+F₁(ν)+F₂(ν)+F₃(ν)

F₀＝1/2+1/2cos2θ₁₂cos2θ₃₄cos2θ_2scos2θ_4s

F₁(ν)＝-1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2scos2θ_4scos(2πντ₂)-1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄cos2θ_2ssin2θ_4scos(2πντ₄)-1/2cos2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πντ_s)

F₂(ν)＝-1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄cos²θ_2ssin2θ_4scos(2πν(τ₂+τ_s))+1/2sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin²θ_2ssin2θ_4scos(2πν(τ₂-τ_s))-1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2scos²θ_4scos(2πν(τ₄+τ_s))+1/2cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin²θ_4scos(2πν(τ₄-τ_s))+1/4sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πν(τ₂+τ₄))+1/4sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πν(τ₂-τ₄))

F₃(ν)＝-1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2scos²θ_4scos(2πν(τ₂+τ₄+τ_s))-1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2ssin²θ_4scos(2πν(τ₂+τ₄-τ_s))+1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2ssin²θ_4scos(2πν(τ₂-τ₄+τ_s))+1/2sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2scos²θ_4scos(2πν(τ₂-τ₄-τ_s))

其中，所述第一光纤消偏器由Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤组成，所述第二光纤消偏器由Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤组成，θ₁₂、θ₃₄分别为第一光纤消偏器中Y波导第一保偏尾纤和第二保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角、第二光纤消偏器中Y波导第三保偏尾纤和第四保偏光纤熔接点处偏振主轴的夹角，θ_2s为第二保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，θ_4s为第四保偏光纤与单模光纤环熔接点处的偏振主轴夹角，τ₂＝ΔnL₂/c，τ₄＝ΔnL₄/c，τ_s＝Δn_sL_s/c，Δn为保偏光纤双折射，Δn_s为单模光纤环平均双折射，L_s为单模光纤环长度，L₂、L₄分别为第二保偏光纤的长度、第四保偏光纤的长度，c为真空中光速。

4.根据权利要求3所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，其特征在于，归一化自相关曲线中特征峰的模型为：

P₁＝A₁·γ_in(l-ΔnL₂)

A₁＝|[-1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin2θ_2scos2θ_4scos(2πν₀ΔnL₂/c)-1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄cos²θ_2ssin2θ_4scos(2πν₀(ΔnL₂+Δn_sL_s)/c)+1/2×sin2θ₁₂cos2θ₃₄sin²θ_2ssin2θ_4scos(2πν₀(ΔnL₂-Δn_sL_s)/c)]|

P₂＝A₂·γ_in(l-ΔnL₄+ΔnL₂)

A₂＝|[1/4×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄-ΔnL₂)/c)+1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2ssin²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄-ΔnL₂-Δn_sL_s)/c)+1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2scos²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄-ΔnL₂+Δn_sL_s)/c)]|

P₃＝A₃·γ_in(l-ΔnL₄)

A₃＝|[-1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄cos2θ_2ssin2θ_4scos(2πν₀ΔnL₄/c)-1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2scos²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄+Δn_sL_s)/c)+1/2×cos2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄-Δn_sL_s)/c)]|

P₄＝A₄·γ_in(l-ΔnL₄-ΔnL₂)

A₄＝|[1/4×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin2θ_2ssin2θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄+ΔnL₂)/c)-1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄cos²θ_2scos²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄+ΔnL₂+Δn_sL_s)/c)-1/2×sin2θ₁₂sin2θ₃₄sin²θ_2ssin²θ_4scos(2πν₀(ΔnL₄+ΔnL₂-Δn_sL_s)/c)]|

其中，A₁、A₂、A₃、A₄表示特征峰峰值点的幅值，P₁、P₂、P₃、P₄表示光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时对应的特征峰，

为宽谱光源归一化自相干函数，l为光程差，l_d为宽谱光源去相干长度，ν₀为宽谱光源的中心频率。

5.根据权利要求4所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，其特征在于，所述光纤消偏器参数测量方程组，其构建方法为：

在归一化自相关曲线中特征峰的模型，当光程差l分别等于ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂时，γ_in(l-ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄+ΔnL₂)，γ_in(l-ΔnL₄)，γ_in(l-ΔnL₄-ΔnL₂)分别等于1，此时P₁、P₂、P₃、P₄取最大值，等于各自对应特征峰值点的幅值A₁、A₂、A₃、A₄，所以光程差ΔnL₂，ΔnL₄-ΔnL₂，ΔnL₄，ΔnL₄+ΔnL₂依次对应了四个特征峰峰值点位置l_p1、l_p2、l_p3、l_p4，幅值A₁、A₂、A₃、A₄依次对应了四个特征峰的强度I_p1、I_p2、I_p3、I_p4；

因此，构建的光纤消偏器参数测量方程组为：

ΔnL_i+1＝l_pi(i＝1,3)

A_i＝I_pi(i＝1,2,3,4)

其中，ΔnL_i+1表示光程差，l_pi表示特征峰的峰值点位置，A_i表示特征峰峰值点对应的幅值，I_pi表示特征峰的强度。

6.根据权利要求4所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法，其特征在于，所述消偏型光纤陀螺光路中的A₁、A₂、A₃、A₄为定值。

7.一种消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量系统，应用于消偏型光纤陀螺光路，该光路包括宽谱光源、耦合器、光纤敏感环路、光纤光谱仪；所述光纤光谱仪与计算机连接；所述光纤敏感环路由Y波导调制器芯片、第一光纤消偏器、第二光纤消偏器、单模光纤环组成；光纤消偏器由Y波导保偏尾纤和保偏光纤组成；其特征在于，该系统包括：光谱测量模块、特征峰提取模块、方程构建模块、参数求解模块；

所述光谱测量模块，配置为通过所述光纤光谱仪测量消偏型光纤陀螺光纤敏感环路的输出光谱，作为实测调制光谱；

所述特征峰提取模块，配置为对所述实测调制光谱进行归一化自相关计算，得到归一化自相关曲线，并从该归一化自相关曲线提取特征峰信息；所述特征峰信息包括特征峰的峰值点位置和强度；

所述方程构建模块，配置为结合特征峰信息，构建光纤消偏器参数测量方程组；

所述参数求解模块，配置为求解光纤消偏器参数测量方程组，得到两个光纤消偏器中保偏光纤的长度、Y波导保偏尾纤和保偏光纤熔接点处偏振主轴夹角。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-6任一项所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-6任一项所述的消偏型光纤陀螺光纤敏感环路中光纤消偏器参数测量方法。

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