一种光纤环偏振串音估计与对称性评价方法

摘要

本发明公开了一种光纤环偏振串音估计与对称性评价方法，利用相干域偏振检测技术得到保偏光纤环偏振耦合强度的分布数据，再利用波长扫描法得待测光纤的双折射色散系数，建立偏振串音估计模型，并提出了一种判断光纤环中点的方法，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。本发明设计结构简单，综合性强，测量精度高，可靠性好，可以在测量光纤环偏振耦合强度分布的同时测量出环的偏振串音，并将偏振串音值作为评价绕环对称性的参考指标。本发明可以广泛应用于测量多种保偏光纤和新型光子晶体光纤，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。

说明书

技术领域

本发明涉及保偏光纤陀螺用光纤环检测技术，提出了利用白光干涉法测得的偏振耦合强 度分布数据来估计光纤环偏振串音的模型，并特别提出了光纤环对称性评价方案。

背景技术

光纤陀螺是利用萨格奈克效应测量角速度的一种高精度惯性仪表。其结构简单、可以适 应不同精度要求、环境适应性好，是一种新型全固态惯性器件，将成为惯性导航和战略应用 领域的主要仪表。

保偏光纤的使用降低了环境变化等外界因素引起的寄生双折射的影响，因此提高了光纤 陀螺的精度。但保偏光纤陀螺光路中依然存在偏振交叉耦合，尤其是光纤环绕制过程中引入 的应力和不对称性，是影响光纤陀螺输出误差的重要因素，它降低了光纤陀螺的实际性能。 近年来，光子晶体光纤因其出色的应力、温度稳定性在光纤陀螺的应用中引起了极大的关注。 其中，保偏光子晶体光纤(PM-PCF)的模式双折射可达10^-3，比传统保偏光纤高出近一个量级， 这决定了其在偏振型光纤传感中的重大应用价值。

敏感线圈的热非互异性是影响光纤陀螺性能的重要因素之一，目前有很多建议来降低热 非互异性，如，采用热导率高的光纤外涂复层或线圈固化胶使各光纤层之间“热短路”等。 光纤环绕制中，目前普遍采用的四极对称绕法一定程度上改善了光纤环瞬态特性。研究表明， 环圈关于光纤中点的轻微不对称性会大大消弱甚至失去四极对称绕法的优势。在绕制中需要 对一些叠纤和交叉等缺陷及时发现并纠正，否则会严重影响光纤环的性能，而绕制在线检测 的方法主要是视频监控、张力监控等手段，这些只能间接反映绕制质量、无法直接监控绕制 过程对光纤性能的影响。利用分布式传感检测光纤环，较传统的方法是利用布里渊光学时域 反射计(BOTDR)检测光纤环应力，但该方法空间分辨率和传感灵敏度较低，难以实现在线精 确监测光纤环质量。光纤环绕制完成后成品的热应力检测，现有方法也难以实现。

利用白光干涉仪可以得到很高精度的偏振耦合强度测量，但是目前只能从直观上观察分 布情况，缺乏一种定量的评价手段来分析光纤环的对称性，在分析环全温特性时也缺乏有效 的评价标准。而且，传统光纤环消光比测试仪需要精确的对轴操作，仅作为白光干涉法分析 的一个辅助部分，同时也无法根据绕环工艺的具体情况定量测出光纤环中某一部分的偏振串 音。因此需要一种新的方法来评价光纤环的对称性，对原料光纤的选择和绕环工艺的改进提 供必要的指导。

发明内容

本发明针对绕环工艺和温度变化对光纤陀螺用敏感环对称性影响，提出了一种光纤环偏 振串音估计与对称性评价方法，其中设计了一种结合白光干涉法和测量光纤双折射色散的实 验装置，提出了利用偏振耦合强度分布数据直接估计光纤环偏振串音并提出了定量评价对称 性参数的方法。

一种光纤环偏振串音估计与对称性评价方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将待测光纤环保存在温箱中，温箱温度调至测试温度；待测光纤环为保偏光纤；

步骤2：进行白光干涉偏振耦合实验，得到偏振耦合强度的分布数据集合A，并利用高 斯模型得到实验用的光源的相干长度L_c；

步骤3：采用波长扫描法测量待测光纤环的双折射色散ΔD；

步骤4：首先寻找待测光纤环的中点M，具体是：对数据集合A进行希尔伯特变化提取 包络，找到包络中最大耦合强度对应的耦合点，该耦合点就是待测光纤环的中点M；然后根 据M将数据集合A分为表征中点M左侧偏振耦合分布的数据集合C，以及表征中点M右侧 偏振耦合分布的数据集合D；

步骤5：利用分辨率计算模型修正系统分辨率，并对数据集合A或者数据集合C和D中 的数据进行分组。

(5.1)对数据集合A分组后的每组中的数据求平均值，得到数据集合B；数据集合B中每 个数据表示一个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度。

(5.2) 对数据集合C和D分组后的每组中的数据求平均值，对应得到数据集合E和F； 数据集合E和F中的每个数据表示一个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度。

步骤6：确定偏振串音的估计模型，确定整段待测光纤环的偏振串音或者待测光纤环中 点左右两侧的偏振串音。

(6.1)整段待测光纤环的偏振串音η为：其中，n表示数据集合B 中总的数据个数，h_i表示数据集合B中第i个实际耦合点的耦合强度，h_i＝10logI_coupi/I_xi，I_coupi表示数据集合B中第i个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度，I_xi是I_coupi对应的实际耦 合点在入射快轴上的光强；

(6.2)待测光纤环中点M左侧的偏振串音ηL为：m表示数据集合 E中总的数据个数；h_i表示数据集合E中第j个实际耦合点的耦合强度，h_j＝10logI_coupj/I_xj，I_coupj表示数据集合E中第j个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度，I_xj是I_coupj对应的实际耦 合点在入射快轴上的光强；

待测光纤环中点M右侧的偏振串音η_R为：

步骤7：通过比较待测光纤环中点左右两侧的偏振串音，定量评价待测光纤环的对称性。

本发明的优点与积极效果在于：本发明方法所用到的实验结构简单，综合性强，测量精 度高，可靠性好，打破了光纤环偏振串音不能在线测量的限制，即可以在测量光纤环偏振耦 合强度分布的同时测量出环的偏振串音，并提出将偏振串音值作为评价绕环对称性的参考指 标。本发明方法可以广泛应用于测量多种保偏光纤和新型光子晶体光纤，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。

附图说明

图1为本发明测量光纤双折射色散的光路示意图；

图2为测量光纤双折射色散实验光谱仪测量结果示例图；

图3为判断光纤环中点步骤中希尔伯特变化前后结果图；

图4为本发明的光纤环偏振串音估计方法的流程示意图；

图5为本发明的光纤环对称性评价方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

下面本发明分两部分来分别说明光纤环偏振串音估计和光纤环对称性评价的过程。

第一部分：利用偏振耦合强度分布数据估计光纤环偏振串音。

如图4所示，本发明估计光纤环偏振串音的方法包括以下步骤：

步骤1.1：将待测的光纤环保存在温箱中，温箱的温度调解至要测试的温度下。

步骤1.2：进行白光干涉偏振耦合实验。

本实验基于白光干涉原理。依次将超连续的光源、待测光纤环、起偏器用跳线和消光比 测试仪连接。本发明实施例中光源选择SLD（超辐射发光二极管）光源，选择合适的SLD光 源波长，如1550nm。起偏器为1/4波片-偏振器。调整1/4波片-偏振器的偏振角，使消光比 测试仪的读数最大，此时保证光纤对轴良好。保持起偏器的偏振角不变，将待测光纤环接入 白光干涉仪光路。打开白光干涉仪的数据采集模块，选择合适扫描速度进行扫描，得到偏振 耦合强度的分布数据集合A，一般实验采集约100000个数据，本发明实施例采集的数据集合 A中有60000个数据。

例如，采用的光源为高斯型的SLD，光源的中心波长1550nm，光源的平均波长λ＝1500nm， 光源谱宽Δλ＝45nm，扫描速率τ＝0.0024mm/个。采用如下高斯模型计算光源的相干长度L_c：

$L_c=\frac{2\ln 2·{\lambda }^2}{\pi ·\mathrm{\Delta \lambda }}---\left(1\right)$

得到L_c=23.6um，因此需要N＝[L_c/τ]＝10个数据点表征一个实际耦合点的情况，将L_c作为初始的分辨率ξ₀。

步骤1.3：采用波长扫描法测量保偏光纤双折射色散，具体是：

保偏光纤双折射色散即为两个特征轴上色度色散之差ΔD=D_x-D_y，D_x、D_y分别为保偏光 纤中两特征轴色度色散系数。用x、y轴表示两特征轴，x轴为主特征轴，也就是快轴，y轴 是慢轴。

Δβ＝β_x-β_y                            (3)

其中，c为光速，ω为光波角频率，ω₀为光源的平均角频率，Δβ为两特征轴传播常数之 差，Δφ(ω)为两特征轴光波相位差。β_x、β_y分别表示快轴和慢轴的传播常数，分别 表示快轴和慢轴的光波相位。

依次将超连续的光源、起偏器、待测光纤环和消光比测试仪用跳线连接；旋转起偏器至 消光比测试仪读数最大，此时保证光纤对轴；将待测光纤环连接的消光比测试仪取下，将待 测光纤环依次连接上检偏器和光谱仪，如图1所示，搭建成测量光纤双折射色散的光路。调 整检偏器至光谱仪示数对比度最大，光谱仪最小扫描间隔为0.01nm。出射光强随波长发生周 期性变化，待测光纤环为保偏光子晶体光纤（PM-PCF）制成时，光谱仪结果的一个示例如图 2所示。图2中横坐标表示波长，单位nm；纵坐标表示光强，单位dBm。

图2中，光源的中心波长λ₀=1550nm，在光源波长1400nm-1600nm间有26.5个周期， 计算得到测试光纤的双折射色散系数ΔD=0.00805ps/km·nm。

步骤1.4、利用分辨率计算模型修正系统分辨率ξ_c。

由于保偏光纤两个模式之间存在双折射色散，当耦合点距光纤的光源入射端距离增加时， 干涉包络发生展宽，系统的分辨率下降。本步骤采用步骤1.3中得到的双折射色散系数ΔD修 正步骤1.2中以光源相干长度作为系统的分辨率。

设l表示以光纤的光源入射端为起点沿待测光纤环的长度坐标，单位为m，则l处的系统 分辨率ξ(l)为：则修正后的系统分辨率ξ_c(l)为：

${\xi }_c\left(l\right)=\sqrt{1+{\xi \left(l\right)}^2}{L}_c---\left(5\right)$

用修正后的系统分辨率ξ_c对步骤1中所得数据集合A分组，l处应有[ξ_c(l)/τ]个数据为一 组。例如，待测光纤环中l′处应有个数据为一组，将这组数据求平均 得到的数据作为一个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度。根据修改后的系统分辨率对 数据集合A进行分组，并对每组数据求平均值得到数据集合B。

步骤1.5：建立偏振串音的估计模型，得到整个测试光纤环的偏振串音。

建立偏振串音估计模型：在光纤的光源出射端耦合至慢轴上的总光强I_p为各实际耦合点 发生的耦合至慢轴上的光强的总和，表示为：

I_p＝I_coup1+I_coup2+...+I_coupi+...+I_coupn                    (6)

I_coupi表示数据集合B中第i个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度，单位dBm，n 表示数据集合B中总的数据个数，也就是共有n个实际耦合点。

每一个实际耦合点的耦合强度h_i＝10logI_coupi/I_x，I_x是I_coupi表示的实际耦合点在入射快轴 上的光强。将各实际耦合点的耦合强度做加和运算，便得到了整段待测光纤环的消光比，也 就是整段待测光纤环的偏振串音η：

$\eta =10\log \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1h_i}\right)---\left(7\right)$

将数据集合B中所有数据代入步骤1.5中偏振串音的公式(7)，得到整个测试光纤环的偏 振串音。本发明中将上述公式(2)~(7)采用MATLAB程序实现，利用MATLAB数据处理程序， 计算得到整个测试光纤环的偏振串音，本发明实施例中计算得到的η＝-23.0614dB。

第二部分：光纤环对称性评价方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤2.1：同第一部分步骤1.1，将待测光纤环保存在温箱中，温箱温度调解至要测试的 温度下。

步骤2.2：同第一部分步骤1.2，进行白光干涉偏振耦合实验，得到偏振耦合强度的分布 数据集合A。

步骤2.3：同第一部分步骤1.3，采用波长扫描法测量保偏光纤双折射色散ΔD。

步骤2.4：判断待测光纤环的中点，具体是：

对白光干涉仪所得原始数据集合A进行希尔伯特变化提取包络，变换前和变换后的结果 如图3所示，图3中的横坐标表示数据集合A中数据量，代表光纤环上各个耦合点，纵坐标 表示耦合强度，单位为dB。图3中的上图是原始数据，下图是变换后的结果数据。根据普通 光纤环绕环工艺，中心点受到最大程度的挤压，发生明显的偏振耦合，此时，包络线中最大 耦合强度对应的耦合点就是待测光纤环的中点。如图3所示，可以在变换后的图中定位光纤 环的中点M，得到表征左右两侧偏振耦合分布的数据集合C、D。

步骤2.5：同第一部分步骤1.4的方法对数据集合C、D进行处理，得到数据集合E和F。 利用分辨率计算模型修正系统分辨率，根据修正的系统分辨率分别对数据集合C和D进行分 组，对每组中的数据求平均值，得到对应的数据集合E和F。

步骤2.6：同第一部分步骤1.5；建立偏振串音估计模型。

中点M左侧的数据的光强之和I_pL为：

I_pL＝I_coup1+I_coup2+...+I_coupm                               (8)

其中，m为数据集合E中的数据总个数。

获得的中点M左侧的偏振串音η_L为：

${\eta }_L=10\log \left(\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{10}^{0.1h_i}\right)---\left(9\right)$

h_j表示数据集合E中第j个实际耦合点的耦合强度，h_j=10logI_coupj/I_xj，I_coupj表示数据集合 E中第j个实际耦合点发生的耦合至慢轴上的光强度，I_xj是I_coupj对应的实际耦合点在入射快 轴上的光强。

同样方法，中点M右侧的偏振串音η_R为：

${\eta }_R=10\log (\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{10}^{0.1h_i}-\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{10}^{0.1h_j})---\left(10\right)$

将中点M左侧对应的数据集合E中数据代入公式(9)，得到待测光纤环中点左侧的偏振 串音。同理，将中点M右侧对应的数据集合E和F中所有数据代入公式(10)，得到待测光纤 环中点右侧的偏振串音。

同样采用MATLAB程序编写实现的上述公式(8)~(10)，利用MATLAB数据处理程序， 计算得到待测光纤环中点左侧的偏振串音和待测光纤环中点右侧的偏振串音。

步骤2.7：通过比较待测光纤环中点左右两侧的偏振串音，可以定量评价待测光纤环的 对称性。

采用本发明方法可以比较不同保偏光纤的η_R和η_L。η_R和η_L差异越小则表示待测光纤环 的对称性越好，同时η_R和η_L之间的差异随温度呈现变化趋势，以此可以考察温度变化对光 纤环对称性的影响。

实施例：

选用直径同为125μm的熊猫光纤与实心保偏光子晶体光纤168m，采用四极对称绕法， 分别测试20℃，-40℃，60℃下光纤环对称性。

1、将光纤环保存在温箱内，温箱温度分别调至20℃，-40℃，60℃。将光纤环接入白光 干涉仪系统，得到原始数据集合A。用发明内容中第二部分步骤4所述方法判断光纤环中点， 得到中点左右侧的数据集合C和D。

2、按照发明内容中步骤3的方法测量两种光纤的双折射色散系数。

3、将两种光纤的双折射色散系数和数据集合C、D带入分辨率计算模型，得到数据集合 E和F，数据集合E和F的合集就是数据集合B。

4、将上一步结果带入偏振串音估计模型，经过MATLAB程序处理，分别得到中点左右 两侧的偏振串音。

5、比较两种光纤在不同温度下（例-40℃、20℃、60℃）对称性。

本实施例结果如表1所示：

表1 光纤环对称性全温实验结果

与传统方法相比，本发明方法能够利用敏感环的偏振耦合强度分布数据估计出整环或中 点左右两侧的偏振串音，减少了测量工序，降低成本，并且可定量分析光纤环的对称性，可 以广泛用于各种光纤的全温实验，便于优化选择陀螺用光纤环，对绕环工艺的改善也有重要 的指导意义。