[发明专利]一种利用分布式偏振串扰检测技术改善光纤环质量的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感技术领域；特别涉及利用分布式偏振串扰检测技术，检测角度变化光纤传感器(又称光纤陀螺)所使用的光纤环及原料光纤质量，从而实现提高光纤环质量方法。

背景技术

光纤环是光纤角度传感器(又称光纤陀螺)的核心部件，它的缠绕质量好坏直接决定光纤陀螺的精度。目前，传统的光纤环检测方法，例如凭借消光比或光时域反射技术(OTDR)来评判保偏光纤环的优劣，不能完全和精确地反映出光纤环的缠绕质量，从而也就无法对提高光纤环质量提出准确的工艺改造数据，具有局限性。

光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)的原理是基于Sagnac效应，也即当环形干涉仪旋转时，产生一个正比于旋转速率的相位差。一束光进入光纤环的闭合光路中，被分成两束在同一光路中沿闭合光路相向传播，当光路不发生旋转的时候，两束光会同时回到光的初始注入点，这种情况下，光路的特性称之为是具有互易性(光从两个方向入射的效果是相同的)。在光路发生转动的时候，与旋转同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(这个时候的光路被称之为具有非互易性)。从而产生了与转动角速度成正比的光程差。这个光程差可以通过干涉法测量来确定，这种光路中的相位变化可通过光电探测器将干涉光信号转变成电压信号输出来检测。由于输出信号与转动引起的相位差呈余弦函数关系，为了获得高灵敏度，需要调制来施加偏置，使之工作在一个响应斜率不为零的点。

光纤陀螺与以往陀螺仪(如传统的机械陀螺乃至比较先进的激光陀螺)相比，具有无机械部件、灵敏度高等特点；与微机电陀螺仪相比，在技术指标和环境适应性上具备优势；与激光陀螺相比，它无需超高精度光学加工，不需要机械偏置和高压，不必采用高性能气体密封，容易制造，易于集成，寿命更长。光纤陀螺是众多陀螺中唯一没有活动部件的陀螺，它以固定状态工作，并能在恶劣的环境中长寿命正常工作(上百万小时)，这是机械式陀螺和激光陀螺无法企及的。

光纤环是光纤陀螺的传感核心部件，它对光纤陀螺来说，既是提高精度的重要途径，同时也是主要影响精度的因素。光纤环在绕制过程中需采用特殊的缠绕方式、精密的绕制技术，来保证光纤环具有高质量的静态特性(低的偏振串音、低的插入损耗等)和高质量的瞬态特性(抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响)。

光纤环在具体的应用中会受到由机械张力、振动、冲击和温度梯度等因素引起的环境干扰，当环境干扰对相向传播的两束光信号影响不同时，会产生附加相位漂移误差。这种瞬态效应会妨碍Sagnac相位差的精确检测。

为提高光纤陀螺的精度，必须减小和消除光纤环缺陷对重组光信号的影响，在光纤环绕制过程中或者完成后，及时发现光纤中的缺陷，并及时进行改善，可提高光纤环的缠绕质量。

光纤环的绕制工艺直接决定了光纤环的缠绕质量。例如，光纤环绕制不对称易产生热致非互易性相移；光纤环绕制技术不完善会导致光纤环插入损耗增大和保偏光纤环出现消偏性；光纤环绕制过程中的应力(缠绕的压应力、弯曲应力和扭曲应力等)会造成光纤环性能下降和应力产生的非互易性相移，等等。这些均作为光纤环路中的光路缺陷，对传输于光纤环中光波相位产生影响，从而降低光纤陀螺的整体精度。

目前，进行光纤环绕制前，原料(保偏)光纤质量检测还仅仅限于检测损耗、消光比等总体性能指标，无法得到光纤性能精确的分布式情况。在光纤环绕制中，目前普遍采用多极对称绕法，这种绕制方法在一定程度上改善了光纤环瞬态特性。但这种绕制方法，操作复杂。在绕制中需要对一些光纤爬升、塌陷、交叉等缺陷及时发现纠正，否则会严重影响光纤环的性能。现在，在绕制过程中进行在线检测的方法不是很多，主要是视频监控、张力监控等手段。这些都是间接反映绕制质量，无法直接监控绕制过程对光纤性能的影响。在利用分布式传感手段检测光纤环方面，较传统的方法是利用BOTDR(布里渊时域反射计)检测光纤环应力情况，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。最后，在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。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足，提出一种控制和提高保偏光纤环质量的方法，本方法通过分布式偏振串扰检测准确判断出光纤环缺陷所在位置和类型，进而可以改善光纤环制作工艺，提高光纤环质量。本发明可以高精度、方便、快捷地对光纤环的光纤缺陷进行质量测定。

本发明提出一种控制和提高保偏光纤环质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：