[发明专利]基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感及检测技术领域，涉及光学相干断层扫描（OpticalCoherence Tomography，简称OCT）技术、光纤环绕制和检测技术及方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺的核心，它对光纤陀螺来说，光纤环既是提高精度的途径，同时也是主要影响精度的主要因素。如何绕制高质量的光纤环，对光纤陀螺十分重要。光纤环在绕制过程中需采用特殊缠绕方式、精密绕制技术、完善的封装工艺、合适的光纤环用胶选择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）。

光纤环的缠绕方法有多种，四级对称绕法是通用的一种方法。四级对称光纤环的绕制工艺复杂，绕制周期长，人工绕制不易保证质量，因为需要多次换层，在绕制光纤环时易出现一些缺陷。当光纤环绕制结束后，光纤环绕制过程中出现的这些缺陷大部分埋藏在光纤环的内部，采用现有一些简单的放大成像技术，如CCD放大观测系统、显微镜放大观测系统均只能实现对光纤环外层光纤的排布情况进行检测，无法对内部结构进行检测。这些绕制缺陷均会引起光纤环内部出现偏振串扰，最终影响光纤陀螺的零偏稳定性，检测光纤环内部缺陷并完善缠绕技术，有利于进一步提高光纤陀螺的性能。

光纤环通常要求在绕环过程中，绕制的光纤根与根、层与层之间应紧密排绕，不出现凹和凸、变形和间隙，这样绕制的光纤环对易受环境影响的内部压力变得不敏感，从而也可以减少环境变化引起的光损耗和消偏影响。在现实当中，一方面由于光纤并非理想的圆，其直径不是一成不变的，总存在误差，导致在每一层中总会出现微小缝隙。另外在绕制时，由于机械加工精度及其它因素，每层绕纤时光纤与骨架的内壁对齐比较困难；在每层的结束时，由于绕纤时光纤之间存有不确定的微缝隙，骨架的宽度不能满足一层的排纤做到光纤的整数倍，即在排纤结束一端剩余宽度可能小于光纤直径，这样就会造成两端的光纤高于其他部位的光纤，这对下层的排纤造成困难。

光纤陀螺的另一重要参数其抗振动性能优越，即要求耐冲击性能好，而为了保证陀螺耐冲击性，其常用的做法是在绕制光纤环时对其进行涂胶，固胶虽然能改善光纤环的抗振动性能，但也会带来其它方面的问题，例如涂胶量及涂胶均匀与否对光纤陀螺的温度及振动瞬态特性都会产生不同的影响。所以有必要对不同情况下光纤环的内部情况进行详细的分析。

目前，为了改善光纤环的热稳定性，抑制外界温度变化对其产生的影响，研究者通过不懈的努力先后对光纤环绕制工艺提出改进，总体的绕制方法包括有直接绕制法、双极绕制法、四级绕制法、八级绕制法、十六级绕制法、交叉绕制法、免交叉绕制法。而用于绕制光纤环的光纤尺寸主要有两种，一种是涂覆层为250um包层为125um的粗光纤，另一种是涂覆层为165um±20um包层为80um的细光纤。尽管在光纤环的绕制过程中，采用不同尺寸、不同的绕制工艺，其最终绕制的光纤环内部结果均为光纤紧密排布的几何层析结构，而且每一层的光纤厚度均匀。对于实际绕制完后以及在绕制过程中的光纤环，目前还没有一种方法能有效的、直观的检测其内部结构。所以，目前所有光纤环制造者都没有这样的检测环节，如果发现光纤环质量不好，最多只能拆开重新绕制，无法在不破坏已经绕好的光纤环情况下发现缺陷存在的具体情况，也无法判断是什么原因引起质量问题，因而很可能在拆开光纤环后不能找到造成光纤环质量不好的原因，也就无法指导改进绕制工艺，提高光纤环的质量水平。

光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography）是一种新型的扫描技术，它具有高分辨率、无侵入式、快速成像检测的特点，其采用低相干长度的宽带光源，可以获得很高的轴向分辨率（轴向就是指被测样品沿表面向内部延伸的方向），最高可以达到1μm；同时OCT在光学断层成像上具有较大的优势，OCT可以获得被测样品表层以下2-3mm的结构特征。

光学相干断层扫描的工作原理，是将一束宽带光源进行分光后，一束光进行不同量的延迟，另外一束光射入到被测物体并从物体不同深度层面产生反射光，然后再将这个反射光和延迟光进行相干干涉，不同的延迟量就对应于被测物体的不同深度。这些干涉信号就构成了该物体的OCT信息，通过对这些OCT信息的分析，就可以得到被测物体各个深度层面的状况。如果将这些OCT信息与探头扫描轨迹综合起来进行计算机运算，就可以生成整个被测物体的被测部分的三维立体图像。

发明内容