一種光纖環互易對稱性評價及補償方法
【專利摘要】本發明公開了一種光纖環互易對稱性評價與補償方法。本發明利用增強布里淵背向反射檢測技術得到表征互易對稱性的光纖環內部應力狀態分布數據,通過該分布數據建立工作溫度范圍內的對稱性模型并分析評價待測光纖環的互易對稱性;同時,根據得到最佳互易性對稱位置和誤差大小與誤差方向,來調整實際幾何對稱位置與光學對稱位置的關系來補償誤差,實現光纖環的高互易對稱性,有效降低光纖環因對稱性差導致的環境非互易誤差。本發明實現方法簡單,綜合適用性強,測量精度高,可靠性和重復性高,可以通過對光纖環互易對稱性的評價評估光纖環質量,同時可將對稱性誤差補償,大大減小甚至消除非互易誤差,提高光纖環的環境適應性。
【專利說明】一種光纖環互易對稱性評價及補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學測量、光纖傳感【技術領域】,具體涉及一種光纖環互易對稱性評價 及補償方法。
【背景技術】
[0002] 光纖陀螺(Fiber OpTic Gyroscope,簡稱F0G)是利用光學薩格奈克效應 (sagnac)測量載體空間角速率的全固態慣性儀表,其使用不同長度的光纖實現不同精度角 速率的測量,是一種光纖角速率傳感器。其結構簡單、設計靈活,是第二代光學全固態慣性 儀表,將是慣性導航應用的主要儀表。
[0003] 光纖陀螺旋轉時,產生一個正相關角速率的相位變化。干涉儀的兩束光由進入到 光纖環構成的閉合光路中相向傳播,此時兩束光經過相同光路,可通過類差分的互易性消 除外界環境引入的誤差,將轉動引入的非互易量--相位變化引起的光強變化檢測出來, 從而實現對角速率的測量。
[0004] 光纖環是光纖陀螺的核心傳感器件,其質量好壞直接決定了光纖陀螺的性能尤其 是環境適應性。使用保偏光纖的光纖環降低了因環境因素導致非互易誤差的影響,從而提 升了陀螺的精度和環境適應性。但由于光纖環需要將幾百幾千米的光纖按照特定的繞制方 法規則纏繞,其過程中還需要使用光纖填充膠用于整體固定,所以在光纖環的繞制及填充 膠的使用中不可避免的引入了外加應力。而保偏光纖分應力保偏型和形狀保偏型,外加應 力會破壞原有保偏效果,使得光纖環的互易性破壞,無法消除因環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境適應性,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的整體串音和損耗,由于這些只 是對于宏觀結果的表述,無法描述光纖環的成環質量尤其是互易對稱性,無法對光纖環的 性能實現有效評價。同時也有采用0TDR (光時域反射計)測試光纖環分布式損耗、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度差,并無實際意義;后者測試僅為相對量,無法與最終結果對應,且 測試精度差,不能滿足光纖環的互易對稱性評估。
[0006] 利用增強布里淵背向反射檢測技術針對影響光纖傳光性能的應力進行評測,但目 前只能從直觀上觀察發布情況,缺乏一種定量的評估手段來分析光纖環的互易對稱性,尤 其是在分析陀螺具體應用溫度環境的全溫特性時也缺乏準確的評估標準。因此需要一種可 靠的定量方法來評估光纖環的互易對稱性,對光纖環的材料、成環工藝、固化工藝等提供必 要的制導,對成環后的光纖環進行準確的互易對稱性誤差測量以評估期質量,進而將互易 對稱性誤差補償,實現光纖環的高環境適應性。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是:為克服現有光纖環評估技術不足,針對光纖環成環材料、工藝和 環境條件變化對光纖陀螺用光纖環互易對稱性的影響,提出了一種光纖環互易對稱性評價 方法。
[0008] 另外,本發明基于上述評價方法還提供一種光纖環互易對稱性補償方法。
[0009] -種光纖環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得到待測 光纖和待測光纖環長度集合及沿長度方向的各溫度點應力分布數據集合,并分別建立各自 修正模型,二者相減得到光纖環長度與自身應力分布值,并導入與光纖環相匹配的應力對 稱性模型中,得出光纖環沿長度方向上的幾何中點與沿中點對稱的兩側光纖環長度與應力 分布集合及對稱性誤差,實現評價待測光纖環的互易對稱性。
[0010] 具體包括如下步驟:
[0011] 步驟1 :將與待測光纖環相同類型的自由伸展光纖保存在溫箱中,將溫箱溫度設 置為光纖環工作要求溫度范圍,使作為標定基準的自由伸展光纖處于穩定熱平衡狀態;
[0012] 步驟2 :使用增強布里淵背向反射應力檢測儀進行分布式應力檢測試驗,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力分布數據集合Ε τ,其中T為溫箱 工作溫度
[0013] 步驟3 :根據數據集合Ετ建立標定模型基準值F (X) ^,對長度集合LT及應力分布數 據集合ET(I進行標定,從而得出無外界應力狀態下光纖長度與應力分布溫度相關基準;
[0014] 步驟4:將待測光纖環保存在溫箱中,將溫箱溫度設置為光纖環工作要求溫度范 圍;
[0015] 步驟5 :使用增強布里淵背向反射應力檢測儀進行分布式應力檢測試驗,得出待 測光纖環長度集合LTx及沿長度方向的各溫度點應力分布數據集合E Tx,其中T為溫箱工作 溫度;
[0016] 步驟6 :建立光纖環應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 定模型基準值FUh相減得出光纖環長度與自身應力分布值F(x) K = FOOfFUh ;
[0017] 步驟7 :建立與光纖環相匹配的應力對稱性模型M(x),將修正后的應力分布特性 F(x)K帶入,得出光纖環沿長度方向上的幾何中點Lm與沿中點對稱的兩側光纖環長度與應 力分布集合及對稱性誤差S (X,T),從而實現對光纖環的互易對稱性評價。
[0018] 進行光纖原料質量的評價時,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,測試其應力分布數據,得出出廠原始參數;給定溫度測試點,評價環境變化時光 纖的應力分布數據,與出廠原始參數相比得出原廠生產條件下是否存在瑕疵,初步評價光 纖性能;在預設分纖張力下分出光纖環所用光纖,測試應力分布數據,評價此工藝過程是否 存在異常。
[0019] 對光纖環的繞制工藝質量進行評價時,具體過程如下:將光纖原料和繞制結構安 裝在繞制設備上,安裝完畢后進行應力分析測試,監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,如一層結束、特定長度或者繞制異常點停 止繞制,進行應力分析測試和互易對稱性誤差評價,監控此步工藝過程引入的誤差,重復上 述操作直至完成。
[0020] 對光纖繞環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,進行應力分布測試,得出其互易對稱性誤差和補償參數;按正常工藝繞 制一帶膠光纖環,在每次涂膠和最終成環后進行應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進行應力分布測試,得出其互易對稱性誤差和補償參數;通過上 述數據比對,建立誤差偏移模型,定量分離材料及工藝引入誤差,實現改進。
[0021] 一種光纖環互易對稱性補償方法,具體包括如下步驟:
[0022] 步驟1 :按本發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,其與修正后的應力分布特性F(x)K和應力對稱性模 型M(x)聯立,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Δ ;
[0024] 步驟3 :按照誤差方向對光纖環尾纖修正補償系數Λ,實現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] 所述光纖環為光纖陀螺用光纖環。
[0027] 所述光纖環為光纖環繞制過程中、繞制完畢后、環境應力篩選后的光纖環。
[0028] 在光纖環繞制過程中,對光纖環互易對稱性和應力異常點進行測試。
[0029] 本發明的優點與有益的效果:實現方法簡單,綜合適用性強,測量精度高,可靠性 和重復性高,可以通過對光纖環互易對稱性的評價評估光纖環質量,同時可將對稱性誤差 補償,大大減小甚至消除非互易誤差,提高光纖環的環境適應性。同時,這種方法還實現了 原料光纖、成環過程在線監測以及成品的全溫性能評估,從而可以有效改進制作工藝,優選 最佳材料,保證最佳光纖環性能。所以,光纖環互易對稱性評價與補償方法對于光纖陀螺環 境適應性提升具有重要意義。
[0030] 本發明通過增強布里淵背向反射檢測技術,精確測量光纖環沿長度方向的應力分 布數據,通過分析模型定量互易對稱性誤差的位置和類型,實現準確定量評價光纖環的互 易對稱性。并通過補償模型消除非互易對稱性,實現對于光纖環質量的準確評價與補償。本 發明除可用于光纖陀螺用光纖環外,還可以廣泛應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為本發明的檢測原理示意圖。
[0032] 圖2為光纖環應力分布在不同環境條件下的對比圖;
[0033] 圖2a為-40°C時光纖環沿長度方向應力分布示意圖;
[0034] 圖2b為25 °C時光纖環沿長度方向應力分布不意圖;
[0035] 圖2c為+40°C時光纖環沿長度方向應力分布示意圖;
[0036] 圖2d為+60 °C時光纖環沿長度方向應力分布不意圖。
[0037] 圖3為評估光纖環互易對稱性及誤差模型處理結果示意圖。
[0038] 圖4為本發明的光纖環互易對稱性評價及補償的流程示意圖。
[0039] 圖5為本發明應用如后結果圖,
[0040] 圖5a為補償前全溫零偏性能,零偏穩定性3. 5° /h示意圖;
[0041] 圖5b為補償后全溫零偏性能,零偏穩定性1. 1° /h示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 本發明提出的方法將結合附圖和實例在下面作進一步的說明。
[0043] 下面本發明分評價和補償兩部分來說明實現過程。
[0044] 第一部分:光纖環互易對稱性評價方法實現對對稱性誤差的定量評價。
[0045] 光纖陀螺是基于光學sagnac非互易效應的第二代光學全固態慣性儀表,其目前 面臨的主要問題是在溫度場擾動下光纖環產生溫度誤差(shupe誤差),引起陀螺精度劣 化。根據文獻所述,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]
【權利要求】
1. 一種光纖環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 得到待測光纖和待測光纖環長度集合及沿長度方向的各溫度點應力分布數據集合,并分別 建立各自修正模型,二者相減得到光纖環長度與自身應力分布值,并導入與光纖環相匹配 的應力對稱性模型中,得出光纖環沿長度方向上的幾何中點與沿中點對稱的兩側光纖環長 度與應力分布集合及對稱性誤差,實現評價待測光纖環的互易對稱性。
2. 根據權利要求1所述的光纖環互易對稱性評價方法,其特征在于,具體步驟如下:步 驟2. 1 :將與待測光纖環相同類型的自由伸展光纖保存在溫箱中,將溫箱溫度設置為光纖 環工作要求溫度范圍,使作為標定基準的自由伸展光纖處于穩定熱平衡狀態; 步驟2. 2 :使用增強布里淵背向反射應力檢測儀進行分布式應力檢測試驗,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力分布數據集合Ετ,其中T為溫箱工 作溫度; 步驟2. 3 :根據數據集合Ετ建立標定模型基準值F (X) ^,對長度集合LT及應力分布數據 集合ET(I進行標定,從而得出無外界應力狀態下光纖長度與應力分布溫度相關基準; 步驟2. 4 :將待測光纖環保存在溫箱中,將溫箱溫度設置為光纖環工作要求溫度范圍; 步驟2. 5 :使用增強布里淵背向反射應力檢測儀進行分布式應力檢測試驗,得出待測 光纖環長度集合LTx及沿長度方向的各溫度點應力分布數據集合ETx,其中T為溫箱工作溫 度; 步驟2. 6 :建立光纖環應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 定模型基準值FUh相減得出光纖環長度與自身應力分布值F(x)K = FOOfFUh ; 步驟2. 7 :建立與光纖環相匹配的應力對稱性模型Μ(x),將修正后的應力分布特性 F(x)K帶入,得出光纖環沿長度方向上的幾何中點Lm與沿中點對稱的兩側光纖環長度與應 力分布集合及對稱性誤差S (X,T),從而實現對光纖環的互易對稱性評價。
3. 根據權利要求2所述的光纖環互易對稱性評價方法,其特征在于,進行光纖原料質 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,測試其應力分布 數據,得出出廠原始參數;給定溫度測試點,評價環境變化時光纖的應力分布數據,與出廠 原始參數相比得出原廠生產條件下是否存在瑕疵,初步評價光纖性能;在預設分纖張力下 分出光纖環所用光纖,測試應力分布數據,評價此工藝過程是否存在異常。
4. 根據權利要求2所述的光纖環互易對稱性評價方法,其特征在于,對光纖環的繞制 工藝質量進行評價時,具體過程如下:將光纖原料和繞制結構安裝在繞制設備上,安裝完畢 后進行應力分析測試,監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,如一層結束、特定長度或者繞制異常點停止繞制,進行應力分析測試 和互易對稱性誤差評價,監控此步工藝過程引入的誤差,重復上述操作直至完成。
5. 根據權利要求2所述的光纖環互易對稱性評價方法,其特征在于,對光纖繞環填充 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,進行應 力分布測試,得出其互易對稱性誤差和補償參數;按正常工藝繞制一帶膠光纖環,在每次涂 膠和最終成環后進行應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進 行應力分布測試,得出其互易對稱性誤差和補償參數;通過上述數據比對,建立誤差偏移模 型,定量分離材料及工藝引入誤差,實現改進。
6. -種基于權利要求2所述的光纖環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,其與修正后的應力分布特性F(x)K和應力對稱性模型 M(x)聯立,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Λ ; 步驟3 :按照誤差方向對光纖環尾纖修正補償系數Λ,實現對互易對稱性的補償。
7. 根據權利要求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. 根據權利要求6所述的補償方法,其特征在于,所述光纖環為光纖陀螺用光纖環。
9. 根據權利要求6所述的補償方法,其特征在于,所述光纖環為光纖環繞制過程中、繞 制完畢后、環境應力篩選后的光纖環。
10. 根據權利要求6所述的補償方法,其特征在于,在光纖環繞制過程中,對光纖環互 易對稱性和應力異常點進行測試。
【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 優先權日:2014年8月12日
【發明者】楊東錕, 謝良平, 崔志超, 魏飛, 宋立梅 申請人:中國航空工業第六一八研究所