一種光纖環(huán)互易對稱性評價及補償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖環(huán)互易對稱性評價與補償方法。本發(fā)明利用增強布里淵背向反射檢測技術(shù)得到表征互易對稱性的光纖環(huán)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)分布數(shù)據(jù)，通過該分布數(shù)據(jù)建立工作溫度范圍內(nèi)的對稱性模型并分析評價待測光纖環(huán)的互易對稱性；同時，根據(jù)得到最佳互易性對稱位置和誤差大小與誤差方向，來調(diào)整實際幾何對稱位置與光學(xué)對稱位置的關(guān)系來補償誤差，實現(xiàn)光纖環(huán)的高互易對稱性，有效降低光纖環(huán)因?qū)ΨQ性差導(dǎo)致的環(huán)境非互易誤差。本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，綜合適用性強，測量精度高，可靠性和重復(fù)性高，可以通過對光纖環(huán)互易對稱性的評價評估光纖環(huán)質(zhì)量，同時可將對稱性誤差補償，大大減小甚至消除非互易誤差，提高光纖環(huán)的環(huán)境適應(yīng)性。
【專利說明】一種光纖環(huán)互易對稱性評價及補償方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測量、光纖傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光纖環(huán)互易對稱性評價 及補償方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺（Fiber OpTic Gyroscope，簡稱F0G)是利用光學(xué)薩格奈克效應(yīng) (sagnac)測量載體空間角速率的全固態(tài)慣性儀表，其使用不同長度的光纖實現(xiàn)不同精度角 速率的測量，是一種光纖角速率傳感器。其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活，是第二代光學(xué)全固態(tài)慣性 儀表，將是慣性導(dǎo)航應(yīng)用的主要儀表。
[0003] 光纖陀螺旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個正相關(guān)角速率的相位變化。干涉儀的兩束光由進入到 光纖環(huán)構(gòu)成的閉合光路中相向傳播，此時兩束光經(jīng)過相同光路，可通過類差分的互易性消 除外界環(huán)境引入的誤差，將轉(zhuǎn)動引入的非互易量--相位變化引起的光強變化檢測出來， 從而實現(xiàn)對角速率的測量。
[0004] 光纖環(huán)是光纖陀螺的核心傳感器件，其質(zhì)量好壞直接決定了光纖陀螺的性能尤其 是環(huán)境適應(yīng)性。使用保偏光纖的光纖環(huán)降低了因環(huán)境因素導(dǎo)致非互易誤差的影響，從而提 升了陀螺的精度和環(huán)境適應(yīng)性。但由于光纖環(huán)需要將幾百幾千米的光纖按照特定的繞制方 法規(guī)則纏繞，其過程中還需要使用光纖填充膠用于整體固定，所以在光纖環(huán)的繞制及填充 膠的使用中不可避免的引入了外加應(yīng)力。而保偏光纖分應(yīng)力保偏型和形狀保偏型，外加應(yīng) 力會破壞原有保偏效果，使得光纖環(huán)的互易性破壞，無法消除因環(huán)境引入的非互易誤差，從 而極大劣化了光纖陀螺的精度和環(huán)境適應(yīng)性，限制了光纖陀螺的實際使用性能。
[0005] 目前對于光纖的通用檢測方法是測量其最終狀態(tài)的整體串音和損耗，由于這些只 是對于宏觀結(jié)果的表述，無法描述光纖環(huán)的成環(huán)質(zhì)量尤其是互易對稱性，無法對光纖環(huán)的 性能實現(xiàn)有效評價。同時也有采用0TDR (光時域反射計）測試光纖環(huán)分布式損耗、B0TDR (使 用白光干涉原理的布里淵時域反射計）測試光纖環(huán)分布式串音的方法進行評測。但由于前 者與互易對稱性相關(guān)度差，并無實際意義；后者測試僅為相對量，無法與最終結(jié)果對應(yīng)，且 測試精度差，不能滿足光纖環(huán)的互易對稱性評估。
[0006] 利用增強布里淵背向反射檢測技術(shù)針對影響光纖傳光性能的應(yīng)力進行評測，但目 前只能從直觀上觀察發(fā)布情況，缺乏一種定量的評估手段來分析光纖環(huán)的互易對稱性，尤 其是在分析陀螺具體應(yīng)用溫度環(huán)境的全溫特性時也缺乏準(zhǔn)確的評估標(biāo)準(zhǔn)。因此需要一種可 靠的定量方法來評估光纖環(huán)的互易對稱性，對光纖環(huán)的材料、成環(huán)工藝、固化工藝等提供必 要的制導(dǎo)，對成環(huán)后的光纖環(huán)進行準(zhǔn)確的互易對稱性誤差測量以評估期質(zhì)量，進而將互易 對稱性誤差補償，實現(xiàn)光纖環(huán)的高環(huán)境適應(yīng)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是：為克服現(xiàn)有光纖環(huán)評估技術(shù)不足，針對光纖環(huán)成環(huán)材料、工藝和 環(huán)境條件變化對光纖陀螺用光纖環(huán)互易對稱性的影響，提出了一種光纖環(huán)互易對稱性評價 方法。
[0008] 另外，本發(fā)明基于上述評價方法還提供一種光纖環(huán)互易對稱性補償方法。
[0009] -種光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其利用增強布里淵背向反射檢測技術(shù)得到待測 光纖和待測光纖環(huán)長度集合及沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合，并分別建立各自 修正模型，二者相減得到光纖環(huán)長度與自身應(yīng)力分布值，并導(dǎo)入與光纖環(huán)相匹配的應(yīng)力對 稱性模型中，得出光纖環(huán)沿長度方向上的幾何中點與沿中點對稱的兩側(cè)光纖環(huán)長度與應(yīng)力 分布集合及對稱性誤差，實現(xiàn)評價待測光纖環(huán)的互易對稱性。
[0010] 具體包括如下步驟：
[0011] 步驟1 :將與待測光纖環(huán)相同類型的自由伸展光纖保存在溫箱中，將溫箱溫度設(shè) 置為光纖環(huán)工作要求溫度范圍，使作為標(biāo)定基準(zhǔn)的自由伸展光纖處于穩(wěn)定熱平衡狀態(tài)；
[0012] 步驟2 :使用增強布里淵背向反射應(yīng)力檢測儀進行分布式應(yīng)力檢測試驗，得出待 測光纖長度集合LT及待測光纖沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合Ε τ，其中T為溫箱 工作溫度
[0013] 步驟3 :根據(jù)數(shù)據(jù)集合Ετ建立標(biāo)定模型基準(zhǔn)值F (X) ^，對長度集合LT及應(yīng)力分布數(shù) 據(jù)集合ET(I進行標(biāo)定，從而得出無外界應(yīng)力狀態(tài)下光纖長度與應(yīng)力分布溫度相關(guān)基準(zhǔn)；
[0014] 步驟4:將待測光纖環(huán)保存在溫箱中，將溫箱溫度設(shè)置為光纖環(huán)工作要求溫度范 圍；
[0015] 步驟5 :使用增強布里淵背向反射應(yīng)力檢測儀進行分布式應(yīng)力檢測試驗，得出待 測光纖環(huán)長度集合LTx及沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合E Tx，其中T為溫箱工作 溫度；
[0016] 步驟6 :建立光纖環(huán)應(yīng)力分布特性的計算修正模型F(x)T，其與步驟3所建立的標(biāo) 定模型基準(zhǔn)值FUh相減得出光纖環(huán)長度與自身應(yīng)力分布值F(x) K = FOOfFUh ;
[0017] 步驟7 :建立與光纖環(huán)相匹配的應(yīng)力對稱性模型M(x)，將修正后的應(yīng)力分布特性 F(x)K帶入，得出光纖環(huán)沿長度方向上的幾何中點Lm與沿中點對稱的兩側(cè)光纖環(huán)長度與應(yīng) 力分布集合及對稱性誤差S (X，T)，從而實現(xiàn)對光纖環(huán)的互易對稱性評價。
[0018] 進行光纖原料質(zhì)量的評價時，具體過程如下：將光纖桶兩端接入增強型布里淵反 射測試儀，測試其應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，得出出廠原始參數(shù)；給定溫度測試點，評價環(huán)境變化時光 纖的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，與出廠原始參數(shù)相比得出原廠生產(chǎn)條件下是否存在瑕疵，初步評價光 纖性能；在預(yù)設(shè)分纖張力下分出光纖環(huán)所用光纖，測試應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，評價此工藝過程是否 存在異常。
[0019] 對光纖環(huán)的繞制工藝質(zhì)量進行評價時，具體過程如下：將光纖原料和繞制結(jié)構(gòu)安 裝在繞制設(shè)備上，安裝完畢后進行應(yīng)力分析測試，監(jiān)控此步工藝過程有無誤差引入；如果沒 有引入誤差，則進行正式繞制；在繞制特定位置，如一層結(jié)束、特定長度或者繞制異常點停 止繞制，進行應(yīng)力分析測試和互易對稱性誤差評價，監(jiān)控此步工藝過程引入的誤差，重復(fù)上 述操作直至完成。
[0020] 對光纖繞環(huán)填充膠和其使用工藝進行評價時，具體過程如下：按正常工藝繞制一 無填充膠的光纖環(huán)，進行應(yīng)力分布測試，得出其互易對稱性誤差和補償參數(shù)；按正常工藝繞 制一帶膠光纖環(huán)，在每次涂膠和最終成環(huán)后進行應(yīng)力分析測試機互易對稱性誤差；對不同 固化條件固化后的光纖環(huán)進行應(yīng)力分布測試，得出其互易對稱性誤差和補償參數(shù)；通過上 述數(shù)據(jù)比對，建立誤差偏移模型，定量分離材料及工藝引入誤差，實現(xiàn)改進。
[0021] 一種光纖環(huán)互易對稱性補償方法，具體包括如下步驟：
[0022] 步驟1 :按本發(fā)明所述的方法計算互易對稱性誤差δ (X，T);
[0023] 步驟2 :建立補償模型F(x)P，其與修正后的應(yīng)力分布特性F(x)K和應(yīng)力對稱性模 型M(x)聯(lián)立，得出互易對稱性誤差δ (X，T)最小時的互易對稱性位置X(l，其與測試長度對 稱性位置\之差即為補償系數(shù)Δ ;
[0024] 步驟3 :按照誤差方向?qū)饫w環(huán)尾纖修正補償系數(shù)Λ，實現(xiàn)對互易對稱性的補償。
[0025] 所述待測光纖為保偏光纖或單模光纖。
[0026] 所述光纖環(huán)為光纖陀螺用光纖環(huán)。
[0027] 所述光纖環(huán)為光纖環(huán)繞制過程中、繞制完畢后、環(huán)境應(yīng)力篩選后的光纖環(huán)。
[0028] 在光纖環(huán)繞制過程中，對光纖環(huán)互易對稱性和應(yīng)力異常點進行測試。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點與有益的效果：實現(xiàn)方法簡單，綜合適用性強，測量精度高，可靠性 和重復(fù)性高，可以通過對光纖環(huán)互易對稱性的評價評估光纖環(huán)質(zhì)量，同時可將對稱性誤差 補償，大大減小甚至消除非互易誤差，提高光纖環(huán)的環(huán)境適應(yīng)性。同時，這種方法還實現(xiàn)了 原料光纖、成環(huán)過程在線監(jiān)測以及成品的全溫性能評估，從而可以有效改進制作工藝，優(yōu)選 最佳材料，保證最佳光纖環(huán)性能。所以，光纖環(huán)互易對稱性評價與補償方法對于光纖陀螺環(huán) 境適應(yīng)性提升具有重要意義。
[0030] 本發(fā)明通過增強布里淵背向反射檢測技術(shù)，精確測量光纖環(huán)沿長度方向的應(yīng)力分 布數(shù)據(jù)，通過分析模型定量互易對稱性誤差的位置和類型，實現(xiàn)準(zhǔn)確定量評價光纖環(huán)的互 易對稱性。并通過補償模型消除非互易對稱性，實現(xiàn)對于光纖環(huán)質(zhì)量的準(zhǔn)確評價與補償。本 發(fā)明除可用于光纖陀螺用光纖環(huán)外，還可以廣泛應(yīng)用于評價多種類型的光纖及其制品。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的檢測原理示意圖。
[0032] 圖2為光纖環(huán)應(yīng)力分布在不同環(huán)境條件下的對比圖；
[0033] 圖2a為-40°C時光纖環(huán)沿長度方向應(yīng)力分布示意圖；
[0034] 圖2b為25 °C時光纖環(huán)沿長度方向應(yīng)力分布不意圖；
[0035] 圖2c為+40°C時光纖環(huán)沿長度方向應(yīng)力分布示意圖；
[0036] 圖2d為+60 °C時光纖環(huán)沿長度方向應(yīng)力分布不意圖。
[0037] 圖3為評估光纖環(huán)互易對稱性及誤差模型處理結(jié)果示意圖。
[0038] 圖4為本發(fā)明的光纖環(huán)互易對稱性評價及補償?shù)牧鞒淌疽鈭D。
[0039] 圖5為本發(fā)明應(yīng)用如后結(jié)果圖，
[0040] 圖5a為補償前全溫零偏性能，零偏穩(wěn)定性3. 5° /h示意圖；
[0041] 圖5b為補償后全溫零偏性能，零偏穩(wěn)定性1. 1° /h示意圖。

【具體實施方式】
[0042] 本發(fā)明提出的方法將結(jié)合附圖和實例在下面作進一步的說明。
[0043] 下面本發(fā)明分評價和補償兩部分來說明實現(xiàn)過程。
[0044] 第一部分：光纖環(huán)互易對稱性評價方法實現(xiàn)對對稱性誤差的定量評價。
[0045] 光纖陀螺是基于光學(xué)sagnac非互易效應(yīng)的第二代光學(xué)全固態(tài)慣性儀表，其目前 面臨的主要問題是在溫度場擾動下光纖環(huán)產(chǎn)生溫度誤差（shupe誤差），引起陀螺精度劣 化。根據(jù)文獻所述，可以通過特殊的四極、八極等對稱繞制方式來消除shupe誤差。
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其特征在于，利用增強布里淵背向反射檢測技術(shù) 得到待測光纖和待測光纖環(huán)長度集合及沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合，并分別 建立各自修正模型，二者相減得到光纖環(huán)長度與自身應(yīng)力分布值，并導(dǎo)入與光纖環(huán)相匹配 的應(yīng)力對稱性模型中，得出光纖環(huán)沿長度方向上的幾何中點與沿中點對稱的兩側(cè)光纖環(huán)長 度與應(yīng)力分布集合及對稱性誤差，實現(xiàn)評價待測光纖環(huán)的互易對稱性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其特征在于，具體步驟如下：步 驟2. 1 :將與待測光纖環(huán)相同類型的自由伸展光纖保存在溫箱中，將溫箱溫度設(shè)置為光纖 環(huán)工作要求溫度范圍，使作為標(biāo)定基準(zhǔn)的自由伸展光纖處于穩(wěn)定熱平衡狀態(tài)； 步驟2. 2 :使用增強布里淵背向反射應(yīng)力檢測儀進行分布式應(yīng)力檢測試驗，得出待測 光纖長度集合LT及待測光纖沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合Ετ，其中T為溫箱工 作溫度； 步驟2. 3 :根據(jù)數(shù)據(jù)集合Ετ建立標(biāo)定模型基準(zhǔn)值F (X) ^，對長度集合LT及應(yīng)力分布數(shù)據(jù) 集合ET(I進行標(biāo)定，從而得出無外界應(yīng)力狀態(tài)下光纖長度與應(yīng)力分布溫度相關(guān)基準(zhǔn)； 步驟2. 4 :將待測光纖環(huán)保存在溫箱中，將溫箱溫度設(shè)置為光纖環(huán)工作要求溫度范圍； 步驟2. 5 :使用增強布里淵背向反射應(yīng)力檢測儀進行分布式應(yīng)力檢測試驗，得出待測 光纖環(huán)長度集合LTx及沿長度方向的各溫度點應(yīng)力分布數(shù)據(jù)集合ETx，其中T為溫箱工作溫 度； 步驟2. 6 :建立光纖環(huán)應(yīng)力分布特性的計算修正模型F(x)T，其與步驟2. 3所建立的標(biāo) 定模型基準(zhǔn)值FUh相減得出光纖環(huán)長度與自身應(yīng)力分布值F(x)K = FOOfFUh ; 步驟2. 7 :建立與光纖環(huán)相匹配的應(yīng)力對稱性模型Μ(x)，將修正后的應(yīng)力分布特性 F(x)K帶入，得出光纖環(huán)沿長度方向上的幾何中點Lm與沿中點對稱的兩側(cè)光纖環(huán)長度與應(yīng) 力分布集合及對稱性誤差S (X，T)，從而實現(xiàn)對光纖環(huán)的互易對稱性評價。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其特征在于，進行光纖原料質(zhì) 量的評價時，具體過程如下：將光纖桶兩端接入增強型布里淵反射測試儀，測試其應(yīng)力分布 數(shù)據(jù)，得出出廠原始參數(shù)；給定溫度測試點，評價環(huán)境變化時光纖的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，與出廠 原始參數(shù)相比得出原廠生產(chǎn)條件下是否存在瑕疵，初步評價光纖性能；在預(yù)設(shè)分纖張力下 分出光纖環(huán)所用光纖，測試應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，評價此工藝過程是否存在異常。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其特征在于，對光纖環(huán)的繞制 工藝質(zhì)量進行評價時，具體過程如下：將光纖原料和繞制結(jié)構(gòu)安裝在繞制設(shè)備上，安裝完畢 后進行應(yīng)力分析測試，監(jiān)控此步工藝過程有無誤差引入；如果沒有引入誤差，則進行正式繞 制；在繞制特定位置，如一層結(jié)束、特定長度或者繞制異常點停止繞制，進行應(yīng)力分析測試 和互易對稱性誤差評價，監(jiān)控此步工藝過程引入的誤差，重復(fù)上述操作直至完成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖環(huán)互易對稱性評價方法，其特征在于，對光纖繞環(huán)填充 膠和其使用工藝進行評價時，具體過程如下：按正常工藝繞制一無填充膠的光纖環(huán)，進行應(yīng) 力分布測試，得出其互易對稱性誤差和補償參數(shù)；按正常工藝繞制一帶膠光纖環(huán)，在每次涂 膠和最終成環(huán)后進行應(yīng)力分析測試機互易對稱性誤差；對不同固化條件固化后的光纖環(huán)進 行應(yīng)力分布測試，得出其互易對稱性誤差和補償參數(shù)；通過上述數(shù)據(jù)比對，建立誤差偏移模 型，定量分離材料及工藝引入誤差，實現(xiàn)改進。
6. -種基于權(quán)利要求2所述的光纖環(huán)互易對稱性評價的補償方法，其特征在于，具體 步驟如下： 步驟1 :按權(quán)利要求2所述的方法計算互易對稱性誤差δ (X，T); 步驟2 :建立補償模型F(x)P，其與修正后的應(yīng)力分布特性F(x)K和應(yīng)力對稱性模型 M(x)聯(lián)立，得出互易對稱性誤差δ (X，T)最小時的互易對稱性位置X(l，其與測試長度對稱 性位置xm之差即為補償系數(shù)Λ ; 步驟3 :按照誤差方向?qū)饫w環(huán)尾纖修正補償系數(shù)Λ，實現(xiàn)對互易對稱性的補償。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的補償方法，其特征在于，待測光纖為保偏光纖或單模光纖。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的補償方法，其特征在于，所述光纖環(huán)為光纖陀螺用光纖環(huán)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的補償方法，其特征在于，所述光纖環(huán)為光纖環(huán)繞制過程中、繞 制完畢后、環(huán)境應(yīng)力篩選后的光纖環(huán)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的補償方法，其特征在于，在光纖環(huán)繞制過程中，對光纖環(huán)互 易對稱性和應(yīng)力異常點進行測試。
【文檔編號】G01M11/00GK104296964SQ201410392975
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】楊東錕, 謝良平, 崔志超, 魏飛, 宋立梅 申請人:中國航空工業(yè)第六一八研究所