[发明专利]一种光纤Shupe常数测试装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及提高保偏光纤陀螺精度的技术领域，具体涉及一种光纤Shupe常数测试装置及其方法。

背景技术

光纤陀螺是利用萨格奈克(Sagnac)效应测量物体转动角速度的一种高精度传感器，是一种结构简单、成本低、潜在精度较高的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。

温度漂移是光纤陀螺中最棘手的问题。光纤陀螺线圈中，一段光纤存在着温度变化扰动时，将导致光纤折射率、光纤长度、横截面几何结构以及内部应力分布发生变化。除非这段光纤位于线圈中部，否则两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，将因温度扰动而经历不同的相移。这种温度引起的非互易相移称为Shupe误差，它与旋转引起的萨格奈克相移无法区分，导致在光纤陀螺中产生偏置误差，限制了光纤陀螺精度的提高。

工程中广泛采用四级对称绕环方法加工光纤陀螺线圈，以减小Shupe误差。理论证明：采用四级对称绕环方法可以抑制温度效应的影响，将Shupe误差减小3个数量级。但是实际应用中，由于光纤环绕制的非理想性，将产生绕环偏离中点、布纤不均匀、局部突变等绕环误差，使得温度漂移不能被完全消除。

因此，在提高四级对称绕法精度的基础上，降低绕环用光纤的Shupe常数可以进一步有效降低温度漂移效应。

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF），是一种包层由空气孔-石英沿轴向方向周期排列所构成的新型光纤。PCF的有效折射率和几何尺寸的温度稳定性都远远优于常规单模光纤和保偏光纤。应用于光纤陀螺线圈将使Shupe误差减小5~7倍。同时，PCF灵活多样的堆积拉丝工艺以及石英—空气间较大的折射率差异，为高性能单偏振单模光纤的设计提供了宽广的空间。通过改变包层空气孔的形状、大小、排布方式等可以控制其结构参数，从而设计出同时满足陀螺多种指标要求，并与其他器件匹配的光纤。

评估光纤温度稳定性的传统方法为仿真计算：根据绕环用光纤弹性模量E、泊松比v和热膨胀系数α等材料特性建立等比例物理模型，仿真并估算Shupe常数。传统方法的局限性在于：一方面绕环用光纤实际模型与理想模型存在差别，理想模型的计算不能代替实际模型的Shupe常数；另一方面，材料自身折射率和弹性模量E、泊松比v和热膨胀系数α等材料特性不是一个常数，在较大温度范围内（-40℃~60℃）有很明显的改变，仿真计算难以兼顾；另外理论计算仅适用于传统简单结构光纤（包括阶跃折射率光纤和应力结构的保偏光纤等）。对于复杂结构的新型光子晶体光纤，传统建模方法失效。所以，实现精确评估实际绕环用光纤的温度稳定性得到Shupe常数，对于准确评价光纤陀螺用绕环光纤的温度特性具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有光纤陀螺等光纤传感器的敏感元件受温度影响，采用仿真计算评估光纤温度稳定性的传统方法的局限性，设计了一种光纤Shupe常数测试装置及其方法。与传统测试光纤陀螺Shupe效应方法相比，本测试装置大幅提高了测量精度，减少了测量工序，降低测量成本。同时，由于可以对多种光纤进行测量，便于优化选择陀螺用光纤，对改善光纤陀螺的温度性能有重要意义。

本发明提供的一种光纤Shupe常数测试装置，包括：激光光源、迈克尔逊干涉光路、密闭恒温减振系统、温度控制系统、光探测器和数字信号处理系统。迈克尔逊干涉光路包括光纤耦合器、参考臂、测量臂、被测光纤和法拉第转镜。

被测光纤放置在温度控制系统中，光纤耦合器、参考臂、测量臂和法拉第转镜放置在密闭恒温减振系统中。激光光源和光探测器分别通过光纤连接光纤耦合器，被测光纤采用尾纤熔接方式或者光纤适配器即插即用方式接入测量臂，参考臂的一端和测量臂的一端都与光纤耦合器连接，参考臂的另一端的端末和测量臂的另一端的端末都设置有法拉第转镜。位于密闭恒温减振系统中的参考臂和测量臂是相互平行设置的，经过的空间位置一致。

激光光源发出的光由光纤耦合器分成相同两束：一束光进入参考臂稳定传输，另一束光进入测量臂在待测光纤中传输。两束光分别被法拉第转镜反射，在光纤耦合器处发生干涉。干涉光强经过光纤耦合器进入光探测器，光探测器将得到的干涉信号输出给数字信号处理系统，该干涉信号可以表征待测光纤的温度敏感性。

各器件之间的连接光纤可以是普通单模光纤或光子晶体光纤，光子晶体光纤为全内反射光子晶体光纤、全内反射保偏光子晶体光纤、带隙光子晶体光纤或带隙型保偏光子晶体光纤。

本发明的光纤Shupe常数测试方法，包括如下步骤：