[发明专利]一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置和方法。包括数据采集单元、转台、光纤环测试单元和转台控制系统，光纤环测试单元包括光源、耦合器、集成相位调制器、探测器、信号放大器和数字信号处理芯片；将待测光纤环和光纤环测试单元放在转台，通过转台控制系统控制转台以正弦角速率周期序列转动，采集不同时间下光纤环产生的Sagnac效应的数字输出量和转台转动的角速率；设不同角速率点并采集光纤环产生的Sagnac效应数字输出量后取平均，线性拟合得到拟合线性曲线斜率，最后计算获得光纤环有效面积参数。本发明方法测试设备简单可靠，测试精度高，能够对光纤陀螺光纤环有效面积进行快速评估，有利于实现光纤环的批量生产和高精度检测。

技术领域

本发明涉及光学测量，尤其是一种光纤环有效面积的快速测量装置及方法。

背景技术

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器，具有无运动部件、质量轻、体积小、寿命长、动态范围大、精度应用覆盖面广、启动快、抗电磁干扰等优点。光纤陀螺已经成为21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一，在现代武器装备及许多工业领域呈现出了日益增长的应用需求。

光纤陀螺中的光纤环是用于敏感输入角速度的关键器件，其性能的高低直接影响到光纤陀螺的关键技术指标。光纤环的有效面积S是光纤环的一个重要参数，由光纤环的有效直径D和光纤有效长度L相乘得到。光纤环易受外界环境影响，尤其是在不同的环境温度下，光纤环的有效直径D、光纤有效长度L等参数会发生改变，导致光纤环的有效面积S发生改变，影响系统性能。所以如何评估光纤环的特性，尤其是测量光纤环的有效面积S对光纤陀螺系统性能的提高至关重要。

为了测量光纤环的有效面积S，传统的测试方法主要是采用直接测量的方法，使用光时域反射计(OTDR)测得绕制前的光纤长度L，使用千分尺测得绕制后的光纤环直径D，通过二者参数的相乘得到光纤环的有效面积S＝L×D。由于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)产生非互易性相移，对传输于光纤环中的光波相位产生影响，使得光纤环的有效面积S不是简单的等于未绕制前的光纤长度L乘以绕制后的光纤环直径D，使采用该方法求得的光纤环有效面积存在较大的误差。测量误差约为0.1％～0.2％。

发明内容

针对目前光纤环有效面积测试中，传统的测试方法测试精度低，不能实时对光纤环特性参数进行评估的现状。本发明的目的在于提供一种光纤环有效面积的实时闭环测量方法，以实现光纤环有效面积的实时、高精度的测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种光纤环有效面积的实时闭环测量装置：

装置包括数据采集单元、转台、光纤环测试单元和转台控制系统；待测光纤环接入光纤环测试单元，待测光纤环和光纤环测试单元均固定在转台上，转台底部连接转台控制系统，转台控制系统和光纤环测试单元均连接到数据采集单元。

所述的光纤环测试单元包括光源、耦合器、集成相位调制器、探测器、信号放大器、模数转换器、数字信号处理芯片和数模转换器，耦合器一侧的一个尾纤连接与探测器的输入端连接，耦合器一侧的另一个尾纤与光源的输出端连接，耦合器另一侧的一个尾纤和集成相位调制器的输入尾纤连接，耦合器另一侧的另一个尾纤为死头光纤，在系统中不用；集成相位调制器的两个输出尾纤分别与待测光纤环的两端相连接，探测器依次经信号放大器、模数转换器后连接到数字信号处理芯片，集成相位调制器经数模转换器连接到数字信号处理芯片。

二、一种光纤环有效面积的实时闭环测量方法：

1)将待测光纤环和光纤环测试单元固定放置在转台上，将待测光纤环接入光纤环测试单元，通过转台控制系统控制转台以正弦角速率周期序列Ω(t)＝A·sin(2πft)转动，其中A为正弦角速率的幅度，f为正弦角速率的频率，t为测试时间，待测光纤环和光纤环测试单元跟随转台以同步的角速率进行转动；