一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法，屬于光纖應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖陀螺作為發(fā)展極為迅速的一種慣性角速度傳感器，以其特有的技術(shù)和性能優(yōu) 勢，如全固態(tài)結(jié)構(gòu)、可靠性高、壽命長；啟動速度快，響應(yīng)時間短;測量范圍大，動態(tài)范圍寬； 抗沖擊、振動，耐化學(xué)腐蝕;體積小、重量輕、成本低;適合大批量生產(chǎn)等，已經(jīng)廣泛用于各領(lǐng) 域。
[0003] 光纖是光纖陀螺中最主要的傳輸介質(zhì)?，F(xiàn)有光纖陀螺中通常采用普通熊貓型保偏 光纖，其導(dǎo)波特性對外界溫度、電磁等物理場較敏感，因而導(dǎo)致光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性較差。 目前針對這一問題主要采取被動防護(hù)的措施來解決，如添加防護(hù)罩等。這些措施雖然能夠 在一定程度上提高光纖陀螺的環(huán)境適應(yīng)性，但同時也帶來了一些副作用，如體積、重量、功 耗和成本的增加。
[0004] 光子帶隙光纖是一種基于光子帶隙效應(yīng)的新型微結(jié)構(gòu)光纖，通過Si02和空氣孔的 周期性排列形成二維光子晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生光子帶隙效應(yīng)，從而限制光波在中心空氣孔缺陷 (纖芯）中傳播。這種結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光機(jī)理上的獨(dú)特性使得光子帶隙光纖具有眾多不同于傳統(tǒng)光 纖的特性，如對溫度、電磁場、空間輻射等環(huán)境因素的敏感度低，對彎曲不敏感等。因此，光 子帶隙光纖是解決光纖陀螺環(huán)境適應(yīng)性問題的理想選擇，是光纖陀螺的未來發(fā)展趨勢。
[0005] 光纖陀螺的基本結(jié)構(gòu)包括光源、耦合器、Y波導(dǎo)、光纖環(huán)和探測器共五大光學(xué)器件， 它們之間通過光纖熔接的方式進(jìn)行連接。光纖熔接可借助成熟的商業(yè)熔接機(jī)完成，操作簡 單快捷，是目前通用的光纖陀螺生產(chǎn)工藝?，F(xiàn)有的光子帶隙光纖陀螺中僅有光纖環(huán)是由光 子帶隙光纖繞制而成，其余器件與傳統(tǒng)陀螺無異，光子帶隙光纖環(huán)與Y波導(dǎo)輸出尾纖的連接 也采用了光纖熔接的方式，陀螺光路的構(gòu)成方式與傳統(tǒng)陀螺一致。
[0006] 由于光子帶隙光纖的纖芯為空氣，與Y波導(dǎo)尾纖的纖芯折射率不同，由菲涅爾反射 定律可知熔點(diǎn)處會產(chǎn)生較大的端面反射。反射光波經(jīng)Y波導(dǎo)匯合發(fā)生干涉，在陀螺輸出信號 中引入了偏置誤差，影響光子帶隙光纖陀螺的靜態(tài)精度和長期穩(wěn)定性。針對這一問題的一 般解決方法是將反射光波的光程差拉開，使其去相干，即控制兩個熔點(diǎn)的相對位置使反射 光波不能發(fā)生干涉。因此，如何精確控制反射次波間的光程差成為解決光子帶隙光纖陀螺 中反射次波致偏置誤差的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程 差的測量方法。
[0008] 本發(fā)明的一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法，具體包括以下步 驟：
[0009] 步驟一、記錄并導(dǎo)出光譜儀所測的輸出光譜數(shù)據(jù)；
[0010] 利用光譜儀測量輸出光譜數(shù)據(jù)。
[0011] 步驟二、對測量得到的光譜數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換得到反射次波的光程差；
[0012] 設(shè)波長為λ的光反射到光譜儀時存在穩(wěn)定的相位差4料，則返回光強(qiáng)I為：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[00?8] Ιλ正與Ιλ反為光源輸出的波長λ的光沿光路正向和反向經(jīng)過，到達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，Iu 與Ι2λ為光源輸出的波長λ的光經(jīng)兩個反射點(diǎn)反射后，到達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，ru為波長為λ的光 在傳輸介質(zhì)中的折射率，L為次波反射點(diǎn)距離，ru為波長為λ的光在傳輸介質(zhì)中的折射率。因 此只需求解出光譜中所包含的周期信息，即可得到次波反射點(diǎn)距離，因此得到反射次波光 程差ru X L。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：
[0020] (1)本發(fā)明只需使用光譜儀即可完成測量，降低了測量對實(shí)驗(yàn)器材的需求。
[0021] (2)本發(fā)明不需要對連接好的陀螺光路進(jìn)行調(diào)整，降低了測試的復(fù)雜程度。
[0022] (3)本發(fā)明中光譜儀分辨率高，能夠清晰地分辨次波反射點(diǎn)，保證了高測量精度。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法的流程圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差裝置的示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明仿真采用的光源輸出光譜示意圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明仿真得到的光譜儀測量結(jié)果示意圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明對光譜儀仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換結(jié)果取對數(shù)的示意圖；
[0028] 圖6是本發(fā)明對圖5中選取尖峰所在的較短區(qū)間的示意圖。
[0029] 圖中：
[0030] 1-光源； 2-光纖耦合器； 3-光譜儀；
[0031] 4-Υ波導(dǎo)； 5-恪點(diǎn)Α; 6-恪點(diǎn)Β;
[0032] 7-光子帶隙光纖環(huán)； 8-未用輸出端。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明首先提供一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差測量裝置，用于高精度 光纖熔點(diǎn)位置測量，如圖2所示，所述的反射次波光程差測量裝置包括:光源1、光纖耦合器 2、光譜儀3、Υ波導(dǎo)4和光子帶隙光纖環(huán)7。光源1的輸出光纖與光纖耦合器2的一個輸入端光 纖熔接，光纖耦合器2的另一輸入端與光纖跳線熔接后連接光譜儀3,選取光纖耦合器2的一 個輸出端光纖與Y波導(dǎo)4的輸入端光纖熔接，并對光纖耦合器2的另一個未用輸出端8采用不 規(guī)則折斷或者浸入到匹配液中的方式，以防止端面反射。Υ波導(dǎo)4的兩個輸出端分別與光子 帶隙光纖環(huán)7的兩端光纖熔接于熔點(diǎn)Α5和熔點(diǎn)Β6,待測反射次波即產(chǎn)生在這兩個熔點(diǎn)位置， 因此也稱這兩個熔點(diǎn)Α5和熔點(diǎn)Β6位置為次波反射點(diǎn)。
[0035] 基于上述的裝置，本發(fā)明提供一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差測量方 法，如圖1所示，具體包括如下步驟：
[0036] 步驟一、記錄并導(dǎo)出光譜儀所測得的輸出光譜數(shù)據(jù)；
[0037]啟動光源1，輸出光經(jīng)過耦合器2,在Υ波導(dǎo)4中分為兩路，其中上路光在熔點(diǎn)Α5處反 射，下路光在熔點(diǎn)Β6處反射，兩路反射光經(jīng)過Υ波導(dǎo)4，最終經(jīng)過耦合器2，利用光譜儀3測量 輸出光譜，導(dǎo)出光譜儀3測得光譜數(shù)據(jù)。
[0038] 步驟二、對測量的光譜數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換得到反射次波光程差；
[0039] 將所得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換計算得到兩個次波反射點(diǎn)的光程差。
[0040] 下面對計算方法進(jìn)行仿真分析。
[0041] 設(shè)置譜寬llnm，中心波長1550nm的高斯光束作為光源信號，光源輸出光譜如圖3所 示。設(shè)熔點(diǎn)A5與熔點(diǎn)B6距離相差1mm。由于波長λ的光反射到光譜儀3時存在穩(wěn)定的相位差 △φ λ，所以光譜儀3的測量端光信號強(qiáng)度I為：
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] L·正與L·反為光源輸出的波長λ的光沿光路正向和反向經(jīng)過，到達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，Iu 與In為光源輸出的波長λ的光經(jīng)兩個反射點(diǎn)反射后，到達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，L為熔點(diǎn)A5與熔點(diǎn) Β6的距離，此處L=lmm。仿真光譜儀測試數(shù)據(jù)圖如圖4所示，由于傳統(tǒng)光纖中，在測試光譜范 圍內(nèi)，不同波長的光的模式折射率差很小，可忽略不計，因此認(rèn)為波長為λ的光在傳輸介質(zhì) 中的折射率m是常量，記為η。對光譜進(jìn)行快速傅里葉變換后，得到的脈沖位置為l/Δλ，其 中Α λ為光源譜寬，此處△ λ= 1 lnm。根據(jù)所得光譜圖4可知，當(dāng)兩路反射光中某波長的光波 滿足相位差為2π時，達(dá)到最大干涉光強(qiáng)，從而在原光源光譜上疊加了周期性的光信號，即如 圖4中所示，因此疊加信號的兩相鄰周期需滿足：
[0048]
[0049] 其中心與\2為光源輸出光譜兩端，即光源可輸出光的最短波長與最長波長，整理得 到，
[0050]
[0051] 其中λη為中心波長，因此將快速傅里葉變換所得到的曲線橫坐標(biāo)乘以1，對縱坐 2· η 標(biāo)取對數(shù)處理，得到如圖5所示結(jié)果圖，明顯存在反射次波引起的尖峰點(diǎn)。為使結(jié)果更清晰， 將尖峰所在較短區(qū)間單獨(dú)繪制曲線，得到圖6,明顯可見在L=lmm處存在次波反射點(diǎn)，所以 反射次波光程差為η X L。
[0052] 本發(fā)明通過精確測量反射次波間的光程差，從而指導(dǎo)控制反射次波光程差，消除 了光子帶隙光纖陀螺中由反射次波引起的偏置誤差。
【主權(quán)項】
1. 一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法，其特征在于： 步驟一、記錄并導(dǎo)出光譜儀所測的輸出光譜數(shù)據(jù)； 光源輸出光經(jīng)過耦合器，在Y波導(dǎo)中分為兩路，其中上路光在熔點(diǎn)A處反射，下路光在熔 點(diǎn)B處反射，兩路反射光經(jīng)過Y波導(dǎo)，最終經(jīng)過耦合器，利用光譜儀測量輸出光譜，導(dǎo)出光譜 儀測得光譜數(shù)據(jù)； 步驟二、對測量得到的光譜數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換得到反射次波的光程差； 設(shè)波長為λ的光反射到光譜儀時存在穩(wěn)定的相位差△料，則返回光強(qiáng)I為：其中，Ιλ正與1*^^光源輸出的波長λ的光沿光路正向和反向經(jīng)過，至I」達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，IU與12λ 為光源輸出的波長λ的光經(jīng)兩個反射點(diǎn)反射后，到達(dá)光譜儀的光強(qiáng)，L為次波反射點(diǎn)距離，ηλ 為波長為λ的光在傳輸介質(zhì)中的折射率;疊加信號的兩相鄰周期需滿足：其中心與\2為光源輸出光譜兩端，即光源輸出光的最短波長與最長波長，整理得到，其中λη為中心波長，因此將快速傅里葉變換所得到的曲線橫坐標(biāo)乘以，對縱坐標(biāo)取 對數(shù)處理，在L處存在次波反射點(diǎn)，所以得到反射次波光程差為η X L。2. -種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差測量裝置，其特征在于:包括:光源、光纖 親合器、光譜儀、Υ波導(dǎo)和光子帶隙光纖環(huán)，光源的輸出光纖與光纖親合器的一個輸入端光 纖熔接，光纖耦合器的另一輸入端與光纖跳線熔接后連接光譜儀，選取光纖耦合器的一個 輸出端光纖與Υ波導(dǎo)的輸入端光纖熔接，并對光纖耦合器的另一個未用輸出端采用防止端 面反射的處理;Υ波導(dǎo)的兩個輸出端分別與光子帶隙光纖環(huán)的兩端光纖熔接于熔點(diǎn)Α和熔點(diǎn) B，待測反射次波即產(chǎn)生在這兩個熔點(diǎn)位置，因此也稱這兩個熔點(diǎn)A和熔點(diǎn)B位置為次波反射 點(diǎn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差測量裝置，其特征 在于:所述的防止端面反射的處理是指采用不規(guī)則折斷或者浸入到匹配液中的方式防止端 面反射。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子帶隙光纖陀螺中反射次波光程差的測量方法及裝置，屬于光纖應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。所述測量方法是指光源輸出光經(jīng)過耦合器，在Y波導(dǎo)中分為兩路，其中上路光在熔點(diǎn)A處反射，下路光在熔點(diǎn)B處反射，兩路反射光經(jīng)過Y波導(dǎo)，最終經(jīng)過耦合器，利用光譜儀測量輸出光譜，導(dǎo)出光譜儀測得光譜數(shù)據(jù)，然后對測量得到的光譜數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換得到反射次波的光程差。所述的測量裝置是指采用光譜儀接收耦合器的反射光，并計算反射次波的光程差。本發(fā)明通過精確測量反射次波間的光程差，從而指導(dǎo)控制反射次波光程差，消除了光子帶隙光纖陀螺中由反射次波引起的偏置誤差。
【IPC分類】G01C25/00, G01C19/72
【公開號】CN105466409
【申請?zhí)枴緾N201510755977
【發(fā)明人】宋凝芳, 高福宇, 張祖琛, 金靖, 張春熹, 宋鏡明
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月9日