本發(fā)明專利技術公開了一種光纖Shupe常數(shù)的測試裝置及其方法。該裝置包括激光光源，密閉恒溫減振系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，光探測器，數(shù)字信號處理系統(tǒng)，包括光纖耦合器、參考臂、測量臂、被測光纖和法拉第轉鏡的邁克爾遜干涉光路。激光光源發(fā)出的光經(jīng)光纖耦合器均分為兩束分別進入?yún)⒖急酆蜏y量臂，并被遠端法拉第轉鏡反射后返回，經(jīng)光纖耦合器進入光探測器，得到干涉信號。該方法采用上述裝置，通過升溫-恒溫監(jiān)測-被動冷卻降溫的方式對光纖變溫進行控制，得到實驗數(shù)據(jù)，從而得到Shupe常數(shù)。本發(fā)明專利技術結構簡單、測量精度高、可靠性好；設計采用全光纖結構，抗干擾能力強；可在光纖陀螺繞環(huán)前單獨測量光纖的Shupe常數(shù)，評價光纖環(huán)全溫穩(wěn)定性。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及提高保偏光纖陀螺精度的
，具體涉及。
技術介紹
光纖陀螺是利用薩格奈克(Sagnac)效應測量物體轉動角速度的一種高精度傳感器，是一種結構簡單、成本低、潛在精度較高的新型全固態(tài)慣性器件，將成為慣性導航和戰(zhàn)略應用領域的主要儀表。溫度漂移是光纖陀螺中最棘手的問題。光纖陀螺線圈中，一段光纖存在著溫度變化擾動時，將導致光纖折射率、光纖長度、橫截面幾何結構以及內部應力分布發(fā)生變化。除非這段光纖位于線圈中部，否則兩束反向傳播光波在不同時間經(jīng)過這段光纖，將因溫度擾動而經(jīng)歷不同的相移。這種溫度引起的非互易相移稱為Shupe誤差，它與旋轉引起的薩格奈克相移無法區(qū)分，導致在光纖陀螺中產生偏置誤差，限制了光纖陀螺精度的提高。工程中廣泛采用四級對稱繞環(huán)方法加工光纖陀螺線圈，以減小Shupe誤差。理論證明采用四級對稱繞環(huán)方法可以抑制溫度效應的影響，將Shupe誤差減小3個數(shù)量級。但是實際應用中，由于光纖環(huán)繞制的非理想性，將產生繞環(huán)偏離中點、布纖不均勻、局部突變等繞環(huán)誤差，使得溫度漂移不能被完全消除。因此，在提高四級對稱繞法精度的基礎上，降低繞環(huán)用光纖的Shupe常數(shù)可以進一步有效降低溫度漂移效應。光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber, PCF),是一種包層由空氣孔-石英沿軸向方向周期排列所構成的新型光纖。PCF的有效折射率和幾何尺寸的溫度穩(wěn)定性都遠遠優(yōu)于常規(guī)單模光纖和保偏光纖。應用于光纖陀螺線圈將使Shupe誤差減小5 7倍。同時，PCF靈活多樣的堆積拉絲工藝以及石英一空氣間較大的折射率差異，為高性能單偏振單模光纖的設計提供了寬廣的空間。通過改變包層空氣孔的形狀、大小、排布方式等可以控制其結構參數(shù)，從而設計出同時滿足陀螺多種指標要求，并與其他器件匹配的光纖。評估光纖溫度穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法為仿真計算根據(jù)繞環(huán)用光纖彈性模量E、泊松 比V和熱膨脹系數(shù)α等材料特性建立等比例物理模型，仿真并估算Shupe常數(shù)。傳統(tǒng)方法的局限性在于一方面繞環(huán)用光纖實際模型與理想模型存在差別，理想模型的計算不能代替實際模型的Shupe常數(shù)；另一方面，材料自身折射率和彈性模量Ε、泊松比V和熱膨脹系數(shù)α等材料特性不是一個常數(shù)，在較大溫度范圍內(_40°C飛(TC)有很明顯的改變，仿真計算難以兼顧；另外理論計算僅適用于傳統(tǒng)簡單結構光纖(包括階躍折射率光纖和應力結構的保偏光纖等)。對于復雜結構的新型光子晶體光纖，傳統(tǒng)建模方法失效。所以，實現(xiàn)精確評估實際繞環(huán)用光纖的溫度穩(wěn)定性得到Shupe常數(shù)，對于準確評價光纖陀螺用繞環(huán)光纖的溫度特性具有重要意義
技術實現(xiàn)思路
本專利技術針對現(xiàn)有光纖陀螺等光纖傳感器的敏感元件受溫度影響，采用仿真計算評估光纖溫度穩(wěn)定性的傳統(tǒng)方法的局限性，設計了。與傳統(tǒng)測試光纖陀螺Shupe效應方法相比，本測試裝置大幅提高了測量精度，減少了測量工序，降低測量成本。同時，由于可以對多種光纖進行測量，便于優(yōu)化選擇陀螺用光纖，對改善光纖陀螺的溫度性能有重要意義。本專利技術提供的一種光纖Shupe常數(shù)測試裝置，包括激光光源、邁克爾遜干涉光路、密閉恒溫減振系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、光探測器和數(shù)字信號處理系統(tǒng)。邁克爾遜干涉光路包括光纖耦合器、參考臂、測量臂、被測光纖和法拉第轉鏡。被測光纖放置在溫度控制系統(tǒng)中，光纖耦合器、參考臂、測量臂和法拉第轉鏡放置在密閉恒溫減振系統(tǒng)中。激光光源和光探測器分別通過光纖連接光纖耦合器，被測光纖采用尾纖熔接方式或者光纖適配器即插即用方式接入測量臂，參考臂的一端和測量臂的一端都與光纖耦合器連接，參考臂的另一端的端末和測量臂的另一端的端末都設置有法拉第轉鏡。位于密閉恒溫減振系統(tǒng)中的參考臂和測量臂是相互平行設置的，經(jīng)過的空間位置一致。 激光光源發(fā)出的光由光纖I禹合器分成相同兩束一束光進入?yún)⒖急鄯€(wěn)定傳輸，另一束光進入測量臂在待測光纖中傳輸。兩束光分別被法拉第轉鏡反射，在光纖耦合器處發(fā)生干涉。干涉光強經(jīng)過光纖耦合器進入光探測器，光探測器將得到的干涉信號輸出給數(shù)字信號處理系統(tǒng)，該干涉信號可以表征待測光纖的溫度敏感性。各器件之間的連接光纖可以是普通單模光纖或光子晶體光纖，光子晶體光纖為全內反射光子晶體光纖、全內反射保偏光子晶體光纖、帶隙光子晶體光纖或帶隙型保偏光子晶體光纖。本專利技術的光纖Shupe常數(shù)測試方法，包括如下步驟步驟I :控制溫度控制系統(tǒng)(9)升溫至60° C，保持恒溫不變，在此過程中通過光探測器(10)探測干涉光強度變化波形并輸出至數(shù)字信號處理系統(tǒng)(11)，若波形波動顯著，表示參考臂(4)的光纖處于變溫階段，測試裝置尚未穩(wěn)定；步驟2 :監(jiān)測光探測器(10)輸出的波形，當波形變化在每40分鐘有I個峰值波動變化時，測試裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時控制溫度控制系統(tǒng)(9)停止恒溫，開始降溫階段，每3min降溫O. 1° C，由光探測器(10)記錄并輸出干涉光強度變化波形數(shù)據(jù)；步驟3 :將光探測器(10)采集的干涉光強度變化波形數(shù)據(jù)用數(shù)字信號處理算法濾除局部擾動誤差后，由數(shù)字信號處理系統(tǒng)(11)自動統(tǒng)計波形峰值數(shù)目Nf，并按照下面公式得出光纖Shupe常數(shù)S : NfS--λ(2/.KC.其中，L為被測光纖(6)的長度，neff為被測光纖(6)的有效傳輸模式折射率，AT為溫度變化值，λ為實驗用激光器波長。本專利技術的優(yōu)點和積極效果在于本專利技術采用邁克爾遜干涉裝置，兩束光產生的穩(wěn)定干涉場對傳感臂中相位變化敏感精度優(yōu)于f，具有很高的測量精度；同時采用旁路光纖監(jiān)測原理設計的全封閉酚醛樹脂恒溫減振系統(tǒng)，最大限度減少環(huán)境干擾；器件之間的連接光纖(包括被測光纖)是普通單模光纖或光子晶體光纖(包括全內反射型光子晶體光纖、全內反射保偏光子晶體光纖、帶隙光子晶體光纖或帶隙型保偏光子晶體光纖)，測量范圍廣；測量端口開放，可采用尾纖熔接或光纖適配器即插即用方法接入待測光纖；本專利技術的測試裝置及其方法采用全光纖化測量，抗干擾能力強。附圖說明圖I是本專利技術的光纖Shupe常數(shù)測試裝置的結構示意圖；圖2是參考臂與測量臂采用的普通單模光纖的示意圖；圖3是參考臂與測量臂采用的普通單模光纖的模場分布示意圖；圖4是參考臂與測量臂采用的光子晶體光纖的示意圖；圖5是參考臂與測量臂采用的光子晶體光纖的模場分布示意圖； 圖6是光探測器輸出至數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)波形的示意圖；圖7是本專利技術的光纖Shupe常數(shù)測試方法的示意圖。圖中I-激光光源；2_邁克爾遜干涉光路；3_光纖耦合器；4_參考臂；5_測量臂；6_被測光纖；7-法拉第轉鏡；8_密閉恒溫減振系統(tǒng)；9_溫度控制系統(tǒng)；10_光探測器；11_數(shù)字信號處理系統(tǒng)。具體實施例方式下面結合附圖和實例對本專利技術的技術方案進行詳細說明。本專利技術的技術方案中采用邁克爾遜干涉敏感機制和旁路光纖監(jiān)測原理實現(xiàn)。邁克爾遜干涉敏感機制為用一個光纖定向耦合器，把其中兩根光纖相應的端面處理為高反射率端面，其中一根作為參考臂，另一根作為傳感臂，即測量臂。兩束光反射回分光處將產生穩(wěn)定干涉場，傳感臂中擾動量對傳輸光相位產生影響，將導致干涉場發(fā)生可探測的變化。干涉場對傳感臂中相位變化敏感精度優(yōu)于f。旁路光纖監(jiān)測原理參考光纖和信號傳輸光纖的長度相同，經(jīng)過的空間位置也一致，以確保受到相同的環(huán)境影響。僅在測量臂的被測光纖接入處，參考光纖從旁路通過，不受被測量調制。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種光纖Shupe常數(shù)測試裝置，其特征在于，該裝置包括如下器件：激光光源(1)、邁克爾遜干涉光路(2)、密閉恒溫減振系統(tǒng)(8)、溫度控制系統(tǒng)(9)、光探測器(10)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)(11)；邁克爾遜干涉光路(2)包括光纖耦合器(3)、參考臂(4)、測量臂(5)、被測光纖(6)和法拉第轉鏡(7)；被測光纖(6)放置在溫度控制系統(tǒng)(9)中，光纖耦合器(3)、參考臂(4)、測量臂(5)和法拉第轉鏡(7)放置在密閉恒溫減振系統(tǒng)(8)中；激光光源(1)和光探測器(10)分別通過光纖連接光纖耦合器(3)，被測光纖(6)采用尾纖熔接方式或者光纖適配器即插即用方式接入測量臂(5)，位于密閉恒溫減振系統(tǒng)(8)中的參考臂(4)和測量臂(5)是相互平行設置的，經(jīng)過的空間位置一致，參考臂(4)的一端和測量臂(5)的一端都與光纖耦合器(3)連接，參考臂(4)的另一端的端末和測量臂(5)的另一端的端末都設置有法拉第轉鏡(7)；激光光源(1)發(fā)出的光由光纖耦合器(3)等分成兩束，一束光進入?yún)⒖急?4)穩(wěn)定傳輸，另一束光進入測量臂(5)在待測光纖(6)中傳輸，兩束光分別被法拉第轉鏡(7)反射，在光纖耦合器(3)處發(fā)生干涉，干涉光強經(jīng)過光纖耦合器(3)進入光探測器(10)，光探測器(10)將得到的干涉信號輸出給數(shù)字信號處理系統(tǒng)(11)。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：宋凝芳，李帥，宋鏡明，徐宏杰，楊德偉，姜漫，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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