本發(fā)明設計屬于光學器件測量，具體涉及到一種光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量裝置。

背景技術：

1、光纖陀螺儀是一種基于sagnac效應的旋轉角速度、角加速度傳感器，以其具備的質量輕、體積小、精度高、成本低等優(yōu)勢，被廣泛應用于艦艇導航與導彈制導。光纖敏感環(huán)與y波導是光纖陀螺儀中的核心器件，光纖敏感環(huán)是由幾百米乃至數千米的保偏光纖按照一定的方法與工藝繞制而成，主要用于感知外界運動，相當于光纖陀螺儀的“大腦”。y波導是采用光刻技術刻蝕而成的波導芯片，是光纖陀螺儀的信息中轉樞紐“心臟”。由sagnac效應可知，若想要光纖陀螺儀具備較高的傳感精度，那么光纖敏感環(huán)在具備較好的互易性和對稱性的同時，還要具有較低的分布式偏振串擾；然而，在光纖敏感環(huán)繞制過程中，不可避免的受到諸如扭轉、壓力、摩擦、上膠等因素的影響，導致成品光纖敏感環(huán)內部通常存在殘余應力、繞制不對稱、間隙氣泡等問題，這些問題會在其內部產生嚴重的偏振耦合，并降低光纖敏感環(huán)的可靠性。因此，為排除上述問題，提高光纖敏感環(huán)的互易性、對稱性、偏振特性與可靠性，對光纖敏感環(huán)進行全面測試與評估是非常重要的，對于繞環(huán)工藝的改進與光纖陀螺儀性能的提升具有重要意義。

2、針對光纖敏感環(huán)的測試與評估，現已經在很多個方面取得了重要的研究成果，提出各種角度對光纖敏感環(huán)測試與評估的方法和裝置。當前評價光纖敏感環(huán)互易性、對稱性、偏振特性與可靠性有如下幾種思路：

3、從應力分布的角度進行測試，使用裝置測試光纖敏感環(huán)的分布式應力，根據環(huán)內應力大小與集中情況，評估光纖敏感環(huán)的繞制質量。2014年，中國航空工業(yè)第六一八研究所的楊東錕等人公開了一種光纖環(huán)互易對稱性評價及補償方法（cn201410392975.3），該發(fā)明利用增強布里淵背向反射檢測技術得到光纖敏感環(huán)內部應力狀態(tài)分布數據，由該數據建立對稱性模型并分析待測光纖環(huán)的互易對稱性。

4、從溫度特性的角度進行測試，使用裝置測試光纖敏感環(huán)分布式溫度，根據工作溫度、溫度擴散速度和均勻性，評估光纖敏感環(huán)結構的對稱性和上膠均勻性。2008年，蘇州光環(huán)科技有限公司的姚曉天等人公開了光纖陀螺用光纖環(huán)質量的測量方法及其裝置（cn200810119075.6），通過對光纖環(huán)施加溫度激勵并測量瞬態(tài)環(huán)的溫度特性，結合三維模型實現對光纖環(huán)的溫度對稱性進行質量測定。2016年，浙江大學的陳杏藩等人公開的一種光纖陀螺光纖環(huán)溫變特性測量方法及裝置（cn201610933044.9)，通過將光纖陀螺儀的光纖環(huán)部分置于溫控環(huán)境的轉臺上，施加特定的角速度和溫度，通過分析光纖陀螺儀輸出的信號，獲得光纖環(huán)的溫變特性，進而實現光纖敏感環(huán)結構溫度性能的測試評估。

5、從偏振特性的角度進行測試，使用裝置測試光纖敏感環(huán)正反向的分布式偏振串擾，根據環(huán)內偏振串擾分布情況，評估光纖敏感環(huán)的偏振串擾水平、消光比、對稱性。2011年，哈爾濱工程大學的楊軍等人公開了提高保偏光纖偏振耦合測量精度和對稱性的裝置與方法（cn201110118450.7），該發(fā)明基于光學相干域偏振測量儀ocdp（optical?coherencedomain?polarization），通過在測試光路中加入光信號換向機構，實現光纖敏感環(huán)分布式偏振串擾的雙向測量；根據測試結果可對光纖敏感環(huán)的偏振特性與對稱性進行評估。2012年，北京航空航天大學的楊德偉等人公開了一種光纖環(huán)偏振串音估計與對稱性評價方法（cn201210359805.6），利用相干域偏振檢測技術獲得偏振耦合強度分布數據，再利用波長掃描法獲得光纖的雙折射色散系數，通過分別祭計算光纖敏感環(huán)中點左右兩側的偏振串音來分析光纖環(huán)的對稱性。2017年北京交通大學的吳重慶等人公開了光纖敏感環(huán)偏振模耦合特性測評系統及測評方法（cn108287056b），該發(fā)明基于偏振型光時域反射計，使用偏振分析儀測量背向散射光，獲得光纖敏感環(huán)各點反射光的斯托克斯矢量，解算得到光纖敏感環(huán)的分布式偏振耦合。同年，哈爾濱工程大學的楊軍等人公開了一種共光路的光纖陀螺環(huán)正反向同時測量裝置（cn201710050099.x），該發(fā)明中采用共光路結構，僅用一套解調干涉儀就能實現正反向信號的測量，相比較之前的光纖敏感環(huán)雙向測量方法，極大簡化了測量裝置的復雜程度。

6、從成像掃描的角度進行測試，使用光學成像的角度，對光纖敏感環(huán)表面或內部情況進行成像，評估光纖敏感環(huán)的均勻性，排除缺陷。2012年，蘇州光環(huán)科技有限公司的姚曉天等人公開了一種基于光學相干斷層掃描技術的光纖環(huán)質量檢測方法及裝置（cn201210381902.5），該發(fā)明基于光學相干層析技術，使用掃描系統的探頭沿光纖敏感環(huán)軸向進行一維掃描，根據掃描結果建立三維圖像，從重建圖像判斷光纖敏感環(huán)表面及表面以下是否存在缺陷，并對實現缺陷的定位。

7、上述方法中，均是從單一角度對光纖敏感環(huán)進行測試與評價，所反映出的信息非常片面；例如：若單一的從應力分布或偏振特性的角度對光纖敏感環(huán)進行評價，雖然能夠直觀反映光纖敏感環(huán)中的應力集中點或偏振串擾點，但應力是通過產生偏振串擾進而影響光纖陀螺儀性能，偏振串擾不僅與光纖徑向應力大小相關，與徑向應力施加方向也有關系；這意味著，相對較高的應力不一定產生較大的偏振串擾，相對較小的應力也不一定對光纖敏感環(huán)完全沒有影響；因此，僅從單一參量的角度對光纖敏感環(huán)進行評價是不可靠的，若要實現對光纖敏感環(huán)進行準確的評估進而對繞制工藝進行改進，一種光纖敏感環(huán)多參量測試方法是必不可少的。

8、本發(fā)明針對上述問題，提出一種全新的光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量裝置，該裝置基于現有的布里淵光時域分析儀與光學相干域偏振測量儀，使用光路轉接模塊對上述兩種儀器測試時的光信號進行合并與分離，在不影響測試結果的前提下，實現光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾的同時測量。本發(fā)明所述裝置為光纖敏感環(huán)的多參量綜合分析提供支撐，通過一次測量獲取光纖敏感環(huán)的三個物理參量，排除了外界因素對現有測試方法的影響，避免了測試時光路的反復熔接，簡化了測試流程，提高測試效率。光路轉接部分采用模塊化設計，無需對現有的設備內部光路進行改造；模塊所用光學器件數量少，結構簡單，搭建成本低。所提出的裝置可廣泛應用于各類保偏光纖敏感環(huán)的多參量測量，對光纖敏感環(huán)的測試、評估以及工藝優(yōu)化具有重要意義。

技術實現思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量裝置，實現光纖敏感環(huán)分布式溫度、應變、串擾的同時測量，用于對光纖敏感環(huán)的偏振特性、內部應力分布、繞制對稱性等重要參數進行評價。

2、本發(fā)明提出的一種光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量裝置，裝置包括：光路轉接模塊11、布里淵光時域分析儀13、光學相干域偏振測量儀14。

3、布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14輸出的泵浦光、探測光與低偏寬譜光經由光路轉接模塊11，進入光纖敏感環(huán)12中，同時攜帶光纖敏感環(huán)12溫度、應變、串擾的信號光經由光路轉接模塊11返回到布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14中進行解調，并通過光路轉接模塊11對兩種儀器光信號的耦合、分離，實現光纖敏感環(huán)12溫度、應變、串擾的同時測量；

4、布里淵光時域分析儀13與光路轉接模塊11的連接方式為，布里淵光時域分析儀13通過光路轉接模塊11的第四端口104和光路轉接模塊11相連接，并通過光路轉接模塊11的第五端口105和光路轉接模塊11相連，其中與第四端口104連接的是布里淵光時域分析儀13的探測光輸出端口；

5、光學相干域偏振測量儀14與光路轉接模塊11的連接方式為，光學相干域偏振測量儀14通過光路轉接模塊11的第三端口103、第六端口106與光路轉接模塊11相連，其中與第三端口103連接的是光學相干域偏振測量儀14的低偏寬譜光輸出端口。

6、根據權利要求1所述的光路轉接模塊11，其特征是：光路轉接模塊11由0°光纖起偏器111、第一光纖偏振分束器112、第二光纖偏振分束器114、保偏光纖耦合器113、保偏光纖環(huán)形器115、45°光纖檢偏器116組成。

7、0°光纖起偏器111的0°光纖起偏器輸出端111b與保偏光纖耦合器113相連，第一光纖偏振分束器第一輸出端113c與保偏光纖耦合器113相連，第一光纖偏振分束器第二輸出端112c與第二光纖偏振分束器114相連，保偏光纖耦合器輸出端113a與第二光纖偏振分束器114相連；45°光纖檢偏器輸入端116b與保偏光纖環(huán)形器115相連，上述所有的連接點均采用熔接的方式進行連接，且熔接的對軸角度均為0°；

8、光路轉接模塊11共含6個輸入和輸出端口，第一端口101連接第二光纖偏振分束器114，第二端口102連接保偏光纖環(huán)形器115，第三端口103連接0°光纖起偏器111，第四端口104連接第一光纖偏振分束器112，第五端口105連接對應保偏光纖環(huán)形器115，第六端口106通過45°光纖檢偏器輸出端116a，連接45°光纖檢偏器116；

9、第一端口101、第二端口102為光纖敏感環(huán)12接入端口，第三端口103為低偏寬譜光輸入端口，第四端口104為泵浦光、探測光與反射光輸入/輸出端口，第五端口105為泵浦光輸入端口，第六端口106為傳輸光與耦合光輸出端口；其中，第四端口104、第五端口105為布里淵光時域分析儀13接入端口，第三端口103、第六端口106為光學相干域偏振測量儀14接入端口。

10、光路轉接模塊11共由6個光學器件組成，其特征是：0°光纖起偏器111的工作軸為快軸，0°光纖起偏器輸入端111a為單模輸入端，0°光纖起偏器輸出端113b為保偏輸出端，45°光纖檢偏器116的工作軸與尾纖的快軸呈45°對準，此外45°光纖起偏器輸出端116a為單模輸出端，45°光纖檢偏器輸入端116b為保偏輸入端，第一光纖偏振分束器112和第二光纖偏振分束器114為三端口器件，且均為保偏尾纖輸入/輸出，其中第一光纖偏振分束器第一輸出端113c和保偏光纖耦合器輸出端113c為快軸輸出/輸入端，第一光纖偏振分束器第二輸出端112c為慢軸輸出/輸入端。、

11、保偏光纖耦合器113為三端口器件，0°光纖起偏器輸出端113b和第一偏振分束器第一輸出端113c的分光比為50:50，同時保偏光纖環(huán)形器115為三端口器件，其光傳輸路徑為保偏環(huán)形器第一輸入端115a→保偏環(huán)形器第二輸入端115b→45°光纖檢偏器輸入端116b。

12、光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量方案，其具體步驟是：

13、依據光路結構圖搭建光路，確定0°光纖起偏器輸入端111a、0°光纖起偏器輸出端113b、第一光纖偏振分束器輸入端112a、第一光纖偏振分束器第一輸出端113c，保偏光纖耦合器輸出端113a、第二光纖偏振分束器輸出端114a的光纖長度，以及保偏環(huán)形器第一輸入端115a、保偏環(huán)形器第二輸入端115b、45°光纖檢偏器輸入端116b的光纖長度，依次記錄為：l111a、l113b、l112a、l113c、l113a、l114a、l115a、l115b、l116b；

14、計算0°光纖起偏器輸出端113b、第一偏振分束器第一輸出端113c、第一偏振分束器第二輸出端112c到第二偏振分束器、保偏環(huán)形器第一輸入端115a、保偏環(huán)形器第二輸入端115b、45°光纖檢偏器輸入端116b的光纖長度所對應的空間光程差，依次記錄為：s113b、s113c、s112c、s115a、s115b、s116b，若保偏光纖的雙折射為δn，則某段光纖的空間光程差的計算方法為：該段光纖的實際長度×雙折射δn；

15、將光纖敏感環(huán)12的兩個自由端口分別與光路轉接模塊11第一端口101、第二端口102熔接，熔接時光纖的對軸角度為0°；

16、將布里淵光時域分析儀13探測光輸出端口與光路轉接模塊11第四端口104連接，另一個端口與光路轉接模塊11第五端口105連接；光學相干域偏振測量儀14的低偏寬譜光輸出端口與光路轉接模塊11第三端口103連接，另一個端口與光路轉接模塊11的第六端口106連接；上述的連接方式均采用法蘭盤連接；

17、啟動布里淵光時域分析儀13，設定測量范圍與掃頻范圍，確保能夠測完整的獲得光纖敏感環(huán)12信息，對光纖敏感環(huán)12進行預測試；測試完成后，讀取并記錄光纖敏感環(huán)12的布里淵頻移；若光纖敏感環(huán)12的布里淵頻移參數已知，則可以跳過此步驟；

18、啟動布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14，將布里淵光時域分析儀13調整至布里淵動態(tài)光柵模式，輸入光纖敏感環(huán)12的布里淵頻移等參數，設定較大的測量范圍（掃頻范圍），確保能夠完整的獲得光纖敏感環(huán)12信息，同時對光纖敏感環(huán)進行測試；完成測試后，保存數據，并對分布式偏振串擾測試結果進行色散補償與歸一化，保存色散補償后的測試數據；

19、在偏振串擾色散補償后的測試結果中確定光纖敏感環(huán)12的信息范圍，該范圍的確定是依據第一端口101與第二端口102處的熔接點對應的偏振串擾峰實現的，具體過程為：記錄測試結果中光程最大的偏振串擾峰(smax,?ρ),根據所測得的光纖長度及其對應的光程差，由白光干涉測量原理可知，第二端口102在測試結果中對應的偏振串擾峰光程差為：spath2=s116b+s115c，第一端口101在測試結果中對應的偏振串擾峰光程差為：spath1=smax-(s113b+?s113a+s114a)，光纖敏感環(huán)12的長度即為lfiber=(spath1-spath2)/δn，信息范圍(spath2,spath1)；

20、在布里淵域測試結果中確定光纖敏感環(huán)12的信息范圍，該范圍是依據第一端口101與第二端口102的延時實現的，具體過程為：記錄測試結果中的最大的延時tmax，假定光纖折射率為n，由布里淵域動態(tài)光柵測試原理可知，第一端口101的延時為tpath1=2×n×(l112a+?l112c+?l114a)/c、第二端口102的延時為tpath2=tmax-2×n×(l115a+?l115b)/c，光纖敏感環(huán)12的長度為lfiber=c×(tpath2-tpath1)/(2×n)，信息范圍(tpath1,?tpath2)，進而對比兩次測量獲得的光纖長度，可驗證測量結果的準確性；

21、依據布里淵域、相干域測試結果與光纖本身的溫度、應變參數，即可獲得光纖敏感環(huán)12的溫度、應變、串擾信息。依據布里淵域、相干域測試結果與光纖本身的溫度、應變參數，即可獲得光纖敏感環(huán)12的溫度、應變、串擾信息。

22、光路轉接模塊11其內部的光傳輸路徑以及同時測量的實現過程為：光纖敏感環(huán)12的溫度、應變、串擾信息同時測量本質上是依賴于布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14。如圖2所示，當使用布里淵光時域分析儀13對光纖敏感環(huán)12進行測試時，根據布里淵動態(tài)光柵的測試原理可知，該測試過程涉及4種不同功能、頻率的光，分別是兩束從快軸相向注入光纖敏感環(huán)12的泵浦光x-pump1與x-pump2、一束從慢軸注入光纖敏感環(huán)12的探測光y-probe以及一束與探測光y-probe方向相反，從光纖敏感環(huán)12中出射的反射光y-ref；其中泵浦光x-pump1與x-pump2的頻率差為光纖敏感環(huán)的布里淵頻移vb，探測光y-probe與泵浦光x-pump1的頻率差為光纖敏感環(huán)的雙折射頻移δvbire，反射光y-ref與探測光y-probe的頻率差為光纖敏感環(huán)的布里淵頻移vb；

23、如圖3所示，當使用光學相干域偏振測量儀14對光纖敏感環(huán)12進行測試時，根據白光干涉測量原理可知，該測試過程設計3種不同功能、波長一致的光，分別是：從快軸注入光纖敏感環(huán)12的高偏寬譜光x-input、從光纖敏感環(huán)12快軸輸出的傳輸光x-output以及從光纖敏感環(huán)12慢軸輸出的耦合光y-couple。光路轉接模塊11的作用是將上述的7種不同功能的光進行合并、分離，在確保測量準確性的同時，實現同時測量。需要注意的是，布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14工作在不同波段，且光源類型不同，這是光路轉接模塊11能夠實現同時測量的前提。

24、如圖4所示，將光路轉接模塊11與光纖敏感環(huán)12組成的半閉合環(huán)路進行展開，便于分析光路轉接模塊11內部的光傳輸情況與測試過程。布里淵光時域分析儀13與光學相干域偏振測量儀14測試所用的7束光在光路轉接模塊11的傳播路徑為：低偏寬譜光從第三端口103輸入，經過0°光纖起偏器111后起偏至快軸，形成高偏寬譜光x-input；快軸傳輸的泵浦光x-pump1從第四端口104輸入，經由光纖偏振光束分離器端口112b，進入保偏光纖耦合器113中，與快軸傳輸的寬譜光x-input混合，通過保偏光纖耦合器輸出端113a，進入第二光纖偏振分束器114的快軸分支，注入光纖敏感環(huán)12中；快軸傳輸的泵浦光x-pump2從第五端口105輸入，經由保偏光纖環(huán)形器115注入到光纖敏感環(huán)12中；慢軸傳輸的探測光y-probe從第四端口104輸入，經由第一光纖偏振分束器112、第二光纖偏振分束器114的慢軸分支后，注入光纖敏感環(huán)12中。

25、布里淵動態(tài)光柵發(fā)生過程，如圖2所示，在光纖敏感環(huán)12內部，快軸相向傳輸的泵浦光x-pump1、x-pump2在光纖敏感環(huán)12內相遇后，形成穩(wěn)定的布里淵動態(tài)光柵bdg，慢軸傳輸的探測光y-probe對泵浦光所形成的動態(tài)光柵進行讀取，形成攜帶信息的反射光y-ref，反射光y-ref沿y-probe的傳輸路徑原路返回，最終從第四端口104輸出，將反射光y-ref的延時與頻率信息進行解調，即可獲得光纖敏感環(huán)12的分布式布里淵頻移與雙折射頻移。

26、偏振耦合過程，如圖3所示，快軸傳輸的寬譜光x-input在經過環(huán)內偏振串擾點時，發(fā)生偏振耦合現象，一小部分能量由快軸耦合至慢軸形成耦合光y-couple，經過若干次耦合，快軸剩余的光為傳輸光x-output；傳輸光x-output與耦合光y-couple經由保偏光纖環(huán)形器115后，進入45°光纖檢偏器中，最終從第六端口106輸出，依據傳輸光x-output與耦合光y-couple之間的光程差與干涉強度，即可獲得光纖敏感環(huán)12的分布式偏振串擾。

27、本發(fā)明提供一種光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾同時測量裝置，通過光路轉接模塊對布里淵光時域分析儀與光學相干域偏振測量儀兩種儀器的光信號進行合并與分離，實現光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾的同時測量。

28、與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)勢之處在于：設計了一種全新的測量裝置，實現光纖敏感環(huán)溫度、應變、串擾的同時測量，為光纖敏感環(huán)的多參量綜合分析提供支撐。相比較于現有的光纖敏感環(huán)測試裝置，本發(fā)明所述裝置能夠通過一次測量獲取光纖敏感環(huán)的三個物理參量，在一方面，避免了現有方法測試時光路的反復熔接，簡化了測試流程，提高測試效率；另一方面，排除了外界因素對現有測試方法的影響，提高了測試的準確性。光路轉接部分采用模塊化設計，在現有的商用布里淵動態(tài)光柵設備、光學相干域測量設備基礎上所設計的光路轉接模塊，使用時只需模塊接入光纖敏感環(huán)與設備之間，無需對現有的設備內部光路進行改造；與此同時，模塊所用光學器件數量少，結構簡單，搭建成本低。測試裝置性能取決于所使用的布里淵動態(tài)光柵設備、光學相干域測量設備，光路轉接模塊不會對測試結果產生影響。