本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，具體是一種保偏光纖環(huán)光程中心點(diǎn)的定位及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克效應(yīng)(Sagnac Effect)。薩格納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。目前應(yīng)用最廣泛得的光纖陀螺類型為干涉型光纖陀螺儀(I-FOG)，它采用多匝保偏光纖圈來增強(qiáng)薩格納克效應(yīng)，一個(gè)由多匝單模保偏光纖環(huán)成的雙光束環(huán)形干涉儀可提供較高的精度。

光纖陀螺自1976年問世以來，得到了極大的發(fā)展。但是，光纖陀螺在技術(shù)上還存在一系列問題，這些問題影響了光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而限制了其應(yīng)用的廣泛性。理論上，制作的保偏光纖環(huán)保證兩端尾纖距離中心點(diǎn)的距離完全相等，則可以根據(jù)上述理論描述“當(dāng)若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比”來計(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角速度。但是，在保偏光纖環(huán)繞制過程中，由于繞環(huán)設(shè)備、所使用的膠體固化、保偏光纖環(huán)老化過程中產(chǎn)生的環(huán)體內(nèi)部保偏光纖的長度變化，會(huì)破壞保偏光纖環(huán)兩端尾纖針對(duì)環(huán)體本身光程中心點(diǎn)的對(duì)稱性，進(jìn)而影響保偏光纖環(huán)制備成為光纖陀螺后的角速度測(cè)量精度。但是這在目前的光纖陀螺制備過程中，還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)保偏光纖環(huán)兩端尾纖針對(duì)環(huán)體本身光程中點(diǎn)的對(duì)稱性的檢測(cè)。換句話說，還沒有辦法測(cè)量光纖環(huán)兩端尾纖距離光程中心點(diǎn)的實(shí)際長度。目前的方法，只能夠認(rèn)為利用分纖機(jī)將保偏光纖從兩端尾纖分成左右兩盤后的大約中心點(diǎn)位置為光程中心點(diǎn)，在將保偏光纖繞制成光纖環(huán)后，保偏光纖環(huán)兩端尾纖的截取也由于無法基于準(zhǔn)確的光程方面的測(cè)試數(shù)據(jù)，而只能盲目截取。

現(xiàn)有的一種提高光纖陀螺測(cè)量角速度精度的方法是通過使用更長保偏光纖繞制光纖環(huán)，配合以特殊的保偏光纖環(huán)繞制方法，來提高光纖陀螺角速度測(cè)量精度。但是保偏光纖環(huán)的成本主要集中在保偏光纖及其繞制過程上面，通過增加繞制的保偏光纖長度的方法，提高光纖陀螺角速度測(cè)量精度有限并且會(huì)顯著增加光纖陀螺的整體成本，對(duì)于未來需求量巨大的光纖陀螺市場(chǎng)而言，成本也是必須考慮的重要方面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有光纖陀螺制備技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種保偏光纖環(huán)光程中心點(diǎn)的定位及檢測(cè)方法，在不增加保偏光纖使用長度的前提下，能夠精確測(cè)量兩個(gè)反向傳播光路的長度，即得到保偏光纖環(huán)光程中心點(diǎn)的精確位置，進(jìn)而切割保偏光纖環(huán)兩端尾纖，并保證兩個(gè)反向傳播光路的長度測(cè)量和截取控制在mm精度，從而保證截取后的保偏光纖環(huán)兩端尾纖距離保偏光纖環(huán)本身光程中心點(diǎn)的長度差控制在mm精度。

一種保偏光纖環(huán)光程中心點(diǎn)的定位及檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟一、保偏光纖中心點(diǎn)位置預(yù)定位：截取一定長度的保偏光纖，利用分纖機(jī)將保偏光纖從兩端尾纖分成左右兩盤，并在大約中心點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)記；

步驟二、使用飛秒激光刻制光纖光柵：在不干擾光纖陀螺使用光波段的情況下，根據(jù)步驟一所標(biāo)記的中心點(diǎn)位置刻制光纖光柵；

步驟三、保偏光纖環(huán)繞制：將已刻制光纖光柵的保偏光纖使用光纖環(huán)繞環(huán)機(jī)根據(jù)不同繞制方式繞制成保偏光纖環(huán)，保偏光纖環(huán)的兩端有尾纖留出；

步驟四、保偏光纖環(huán)兩端尾纖距離光程中心等距截?。涸诒Ｆ饫w繞制成環(huán)后，通過將保偏光纖環(huán)一端尾纖接至光頻域反射計(jì)，測(cè)量結(jié)果顯示接入端、光纖光柵、光纖環(huán)另一端尾纖終點(diǎn)的精確位置，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算保偏光纖環(huán)兩端需要截取的距離，以保證所截取長度精度控制在mm級(jí)。

進(jìn)一步的，步驟二中刻制光纖光柵的指標(biāo)如下：

FBG反射波長遠(yuǎn)離光纖陀螺光源的波段；

FBG反射率：1‰至1％；

FBG除反射波長外，其他通過波長損耗要求：≤0.5dB

FBG物理尺寸：≤1mm

FBG正常工作溫度：-45～80℃。

進(jìn)一步的，步驟二具體過程為：將進(jìn)行標(biāo)記過中心點(diǎn)的保偏光纖取出，通過夾具固定標(biāo)記點(diǎn)左右兩端，然后將夾具放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以及顯微鏡，將激光聚焦點(diǎn)避開保偏光纖硼區(qū)而直接聚焦在光纖纖芯上，然后開始刻制光纖光柵。

本發(fā)明的有益效果是：

1、使用飛秒激光刻制光纖光柵，其光纖光柵波長、反射率等屬性參數(shù)均可定制，刻制位置為光纖纖芯，保證了不干擾光纖本身對(duì)光纖陀螺使用光的光學(xué)屬性；刻制過程免去光纖涂覆層“剝除—再涂覆”，保證了不破壞光纖的機(jī)械屬性；光纖光柵自身物理長度可低至1mm以下并提供特定波長光的一定比率的光反射，保證了后期OFDR對(duì)其的檢測(cè)和精確定位。

2、在2km范圍內(nèi)，使用光頻域反射技術(shù)能夠檢測(cè)和精確定位光纖光柵，定位精度能夠達(dá)到±1mm；

3、保偏光纖繞制成保偏光纖環(huán)之后，通過光頻域反射技術(shù)檢測(cè)保偏光纖兩端尾纖至保偏光纖中心點(diǎn)距離后，計(jì)算出需要對(duì)保偏光纖兩端尾纖的截取距離后，進(jìn)行截取，檢測(cè)和截取操作簡便，保證精度在mm級(jí)。

4、在不增加保偏光纖使用長度的前提下，即不改變保偏光纖及光纖陀螺制備成本的前提下，提供了一種可提高光纖陀螺角速度測(cè)量精度的方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中對(duì)保偏光纖中心點(diǎn)位置預(yù)定位的示意圖；

圖2是保偏光纖橫截面示意圖；

圖3是本發(fā)明中使用飛秒激光刻制光纖光柵的示意圖；

圖4是本發(fā)明中保偏光纖環(huán)繞制后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是基于瑞利散射的相干探測(cè)原理圖；

圖6是光頻域反射技術(shù)(OFDR)的工作原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

本發(fā)明提供一種保偏光纖環(huán)光程中心點(diǎn)的定位及檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟一、保偏光纖中心點(diǎn)位置預(yù)定位

光纖陀螺使用的保偏光纖繞環(huán)，長度從200m到5km不等，目前的情況是保偏光纖使用的越長，后期制備的光纖陀螺精度就越高。本實(shí)施例以1.1km保偏光纖陀螺的制備為例進(jìn)行說明。首先，截取長度為1.1km的保偏光纖。利用分纖機(jī)(長度精度理論上可以達(dá)到總長度的千分之三3‰)將保偏光纖從兩端尾纖分成左右兩盤(如圖1所示)，并在大約中心點(diǎn)位置(550m左右位置)進(jìn)行標(biāo)記(例如用水筆進(jìn)行標(biāo)記)。此時(shí)，該中心點(diǎn)位置無需精確定位，根據(jù)分纖機(jī)的長度計(jì)算理論上也能控制在10m以內(nèi)。然后，將分成左右兩盤的保偏光纖進(jìn)行保護(hù)裝盒，中間用水筆標(biāo)記的位置留出并特別保護(hù)好。

步驟二、使用飛秒激光刻制光纖光柵

本實(shí)施例中，鑒于光纖陀螺將使用1530nm+/-20nm波段光，在不干擾光纖陀螺使用光波段的情況下，根據(jù)步驟一所標(biāo)記的中心點(diǎn)位置刻制反射波長為1600nm、弱反射率的光纖光柵。使用飛秒激光器刻制光纖光柵技術(shù)與使用傳統(tǒng)紫外激光器通過掩膜板刻制光纖光柵技術(shù)的不同之處在于，前者不需要在刻制光纖光柵前剝離光纖的外涂覆層。這一巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將保證在刻制光纖光柵的過程中對(duì)光纖本身的物理機(jī)械特性產(chǎn)生任何影響。換句話說，如果因?yàn)樾枰讨乒饫w光柵而剝離光纖的外涂覆層，刻制之后再涂覆其他樹脂材料進(jìn)行保護(hù)，則會(huì)嚴(yán)重影響光纖在刻?hào)诺木植课恢蒙系臋C(jī)械強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度和抗彎性能)，這樣也將直接影響光纖繞制光纖環(huán)后光纖環(huán)內(nèi)部的光學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。

本例中，采用飛秒激光器在普通單模光纖上刻制光纖光柵的技術(shù)成熟，同時(shí)可以保證刻制的光纖光柵滿足波長及尺寸指標(biāo)要求。光纖光柵的指標(biāo)確定規(guī)則如下：

FBG反射波長：遠(yuǎn)離光纖陀螺光源的波段，例如1600nm；

FBG反射率：盡可能小，例如1‰至1％；

FBG除反射波長外，其他通過波長損耗要求：≤0.5dB；

FBG物理尺寸：盡可能小，例如≤1mm，目前技術(shù)可以做到800um；

FBG正常工作溫度：與光纖陀螺要求的工作環(huán)境一致，例如-45～80℃。

所使用的保偏光纖橫截面如圖2所示所示。飛秒激光器刻?hào)胚^程中，激光聚焦刻?hào)劈c(diǎn)需要躲避熊貓型保偏光纖的硼區(qū)。

保偏光纖纖芯上刻制光纖光柵的具體過程為：將之前進(jìn)行標(biāo)記過中心點(diǎn)的保偏光纖取出，通過夾具固定標(biāo)記點(diǎn)左右兩端，然后將該夾具放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以及顯微鏡，將激光聚焦點(diǎn)避開保偏光纖硼區(qū)而直接聚焦在光纖纖芯上，然后開始刻制光纖光柵，如圖3所述。

步驟三、保偏光纖環(huán)繞制

將已刻制光纖光柵的保偏光纖使用光纖環(huán)繞環(huán)機(jī)根據(jù)不同繞制方式繞制成保偏光纖環(huán)，保偏光纖環(huán)的兩端有尾纖留出，如圖4所示。

步驟四、光纖環(huán)兩端尾纖距離光程中心等距截取

在保偏光纖繞制成環(huán)后，通過將光纖環(huán)一端尾纖接至光頻域反射計(jì)，測(cè)量結(jié)果可顯示接入端、光纖光柵、光纖環(huán)另一端尾纖終點(diǎn)的精確位置。然后，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算光纖環(huán)兩端需要截取的距離，截取過程可以通過桌面標(biāo)尺進(jìn)行操作，可以保證所截取長度精度控制在mm級(jí)。

光頻域反射技術(shù)(Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR)，本質(zhì)上是一種基于瑞利散射的相干探測(cè)技術(shù)，如圖5所示，在相干探測(cè)系統(tǒng)中，除了用于探測(cè)的信號(hào)光，還增加了用于與信號(hào)光進(jìn)行相干探測(cè)的參考光。信號(hào)光與參考光經(jīng)耦合器耦合到光電探測(cè)器中，光電探測(cè)器將信號(hào)光與參考光混合時(shí)產(chǎn)生的混頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，經(jīng)過濾波器濾波、放大器放大，即可得到信號(hào)光與參考光的差頻信號(hào)。故相干探測(cè)又稱為光外差探測(cè)。

設(shè)信號(hào)光和參考光的光場(chǎng)分別為

f_s(t)＝E_sexp(iω_st) (2-1)

f_L(t)＝E_Lexp(iω_Lt) (2-2)

則入射到探測(cè)器上的總光場(chǎng)為

f(t)＝f_s(t)+f_L(t)＝E_sexp(iω_st)+E_Lexp(iω_Lt) (2-3)

由于光電探測(cè)器輸出的光電流與光場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比，則得到光電探測(cè)器的輸出光電流為

其中，是探測(cè)器的響應(yīng)度。由上式可知，探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)包含直流分量和交流分量2kE_sE_Lcos(ω_s-ω_L)t，通過使用濾波器或交流耦合輸出的探測(cè)器，可以得到交流輸出為

i(t)＝2E_sE_Lcos(ω_s-ω_L)t (2-5)

實(shí)際上，經(jīng)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)是由式(2-5)所表示的外差信號(hào)電流，它的頻率為兩束光的差頻，幅值則與兩束光的振幅成正比。

OFDR的原理如圖6所示，光源發(fā)出的掃頻光波經(jīng)線性掃描的連續(xù)光被耦合器分成兩路，其中一路光波被注入到傳感光纖，它在光纖中傳播時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生瑞利散射信號(hào)，這些瑞利散射信號(hào)成為信號(hào)光并通過耦合器被耦合到光電探測(cè)器中。另一路光，經(jīng)過反射后作為參考光經(jīng)過耦合器同樣被耦合到光電探測(cè)器中。

若瑞利散射信號(hào)光與參考光滿足相干條件，它們就會(huì)在光電探測(cè)器上發(fā)生混頻。對(duì)于光纖中的探測(cè)光，其電場(chǎng)可以表示為

A(x)exp[iβ(t)x] (3-1)

振幅為

A(x)＝α^1/2A₀ (3-2)

其中，

表示從光纖入射端到光纖沿線所有衰減系數(shù)的累積。對(duì)于一小段光纖dx，設(shè)其瑞利散射系數(shù)為σ(x)，則此段光纖產(chǎn)生的瑞利散射的振幅為A(x)σ(x)dx。因此在光纖入射端的總?cè)鹄⑸鋸?qiáng)度為

其中，L為光纖的總長度。對(duì)于參考光，其表達(dá)式為

E_r(0,t)＝A_rexp[-2iβ(t)x_r] (3-5)

因此，光電探測(cè)器上得到的兩路光的混頻信號(hào)為

其中，為直流項(xiàng)，并且由于E_r>>E₀，主要由E_r(0,t)決定，與β(t)無關(guān)；為交流項(xiàng)，令g(β)＝E₀(β)/E_r為歸一化的瑞利散射信號(hào)，則可利用直接得到其實(shí)部。根據(jù)式(3-4)和(3-5)，可得

其中，

G(x)＝[σ(x)α(x)]exp[2iβ₀(x-x_r)] (3-8)

從式(3-7)可以看出，對(duì)于光纖中某個(gè)位置x，其在最終歸一化信號(hào)g(γt)中的比重為G(x)dx，且此比重以2γ|x-x_r|的頻率隨時(shí)間波動(dòng)。如果取x_r＝0，則可將此波動(dòng)頻率與光纖中的位置x一一對(duì)應(yīng)，即光纖中的x處對(duì)應(yīng)的頻率為

f(x)＝2γx＝2xκ/v_g (3-9)

其中，v_g為光波在光纖中的傳輸速度。

從上面的分析可以看出，通過求解g(γt)的頻譜，便可以從頻譜上各頻率點(diǎn)反推出光纖中的各個(gè)位置。并且由于G(x)dx與光纖沿線的衰減成正比，可從各個(gè)頻率點(diǎn)的功率得到光纖沿線各位置處的衰減情況。

OFDR的空間分辨率可表示為

Δx＝LΔf/f (3-10)

其中，Δf為頻譜的頻率分辨率，f為散射信號(hào)與參考光對(duì)應(yīng)的最大頻率差

f＝2κL/v_g (3-11)

由于從時(shí)域到頻率變換時(shí)，頻率分辨率Δf由信號(hào)的持續(xù)時(shí)間T決定，即

Δf＝1/T (3-12)

因此，從式(3-10)和(3-12)可得空間分辨率為

Δx＝v_g/2Δv (3-13)

其中，Δv為光源的頻率掃描范圍。由上式可見，OFDR的空間分辨率由光源所能實(shí)現(xiàn)的最大頻率掃描范圍所決定。OFDR對(duì)光源頻率掃描的線性度有非常高的要求。

本發(fā)明所使用的光頻域反射計(jì)專用于通訊光纖及特種光纖的光鏈路回波損耗的幅度測(cè)試及位置定位。針對(duì)本發(fā)明，其重要功能是確定光纖光柵的位置，定位精度能夠達(dá)到+/-1mm。

本發(fā)明使用飛秒激光刻制光纖光柵的技術(shù)，在保偏光纖環(huán)大約中心點(diǎn)附近位置刻制光纖光柵，然后將該保偏光纖繞制成保偏光纖環(huán)，再依靠光纖通信領(lǐng)域中的光頻域反射技術(shù)，通過精確檢測(cè)保偏光纖環(huán)中光纖光柵位置，精確定位保偏光纖環(huán)中心點(diǎn)，用以后期截取保偏光纖環(huán)兩端尾纖保證保偏光纖尾端至保偏光纖環(huán)中心點(diǎn)的光程長度相同，其可在不增加保偏光纖使用長度的前提下，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能實(shí)現(xiàn)保偏光纖環(huán)兩端與環(huán)體本身光程中心點(diǎn)等長的問題，而且進(jìn)度精度可以達(dá)到mm級(jí)別，從而在不增加成本的情況下，較之使用等長度保偏光纖而沒有采用本方法進(jìn)行制備的光纖陀螺，提高了光纖陀螺的精度。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。