本发明属于光纤传感技术、光学测量领域，主要涉及了检测角度变化的光学传感器—光纤陀螺中光纤环测试的方法。
背景技术：
光纤陀螺作为一种自主、不间断输出载体姿态参数和导航定位参数的导航系统，其中的敏感部件—光纤环的性能对光纤陀螺精度的影响具有不可忽略的作用。考虑到光纤环在绕制的过程中由于存在弯曲、扭转等应力作用以及温度的变化导致光纤环中存在偏振串扰点，导致光纤陀螺的互易性降低。如果直接将未检测的光纤环接到光纤陀螺系统中，可能会直接导致光纤陀螺的精度不能达到预期指标要求。同时，针对缠绕好、并接入光纤陀螺系统的光纤环，如何在不破坏光纤环结构的基础上，有效提高其互易性降低偏振串扰误差，将成为降低光纤环成本的关键。
一般情况下，光纤环中出现高串扰点的主要原因包括绕制时的换层换匝过程、绕环机机械原因导致的出现爬层、间隙过大等因素，一般情况下实验室选择温度时效处理的方法，对光纤环进行温度实验，释放其残余应力，但是温度时效处理具有一定的局限性，目前常用的绕制工艺为四级对称饶法，该方法会导致光纤由内之外受挤压程度不同，因此仅采用温度时效法释放应力，并不会对光纤之间相互挤压造成的偏振串扰产生积极的效果，考虑采用vsr(vibrationstressrelief)的方法，目的是给光纤环提供一定的动应力，使光纤环中不稳定的部分，达到更加稳定的状态。
先前发明，如文件1(cn102928198a)，中提出的全光纤测试装置中采用的结构为单一透镜扫描结构，限制了测量的长度和分辨率，在对高精度光纤陀螺用光纤环的测试中具有一定的局限性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置和检测方法，方法简单、可行性高且精确度高，通过对光纤环的检测和处理，降低光纤环成本的检测装置和检测方法。
本发明的技术方案:
一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，包括：
光电探测单元(1)、差分扫描单元(2)、数据存储及处理单元(3)；
光电探测单元(1)将带有光纤环偏振串扰特性的光通过差分扫描单元(2)传输给数据存储及处理单元(3)，数据存储及处理单元(3)将干涉信号转化成电信号进行处理。
所述光电探测单元(1)包括：sld光源(11)、1×2耦合器(12)、偏振器1(13)、2(14)、0°-0°起偏器(15)、0°-45°检偏器(16)、待测光纤环(17)、光电探测器pd0(18)以及分束器(19)；
sld光源(11)的输出光经过1×2耦合器(12)的输入端1，分光比为98:2，其中2％的光功率由1×2耦合器输出端1输出给光电探测器pd0(18)，用来检测光源光功率变化；另外98％的光功率由1×2耦合器输出端2输出，经过分束器(19)和偏振器2(14)输出；通过0°-0°起偏器(15)，以线偏振光的形式沿待测光纤环的慢轴入射到待测光纤环(17)中，最后经过0°-45°检偏器(16)和偏振器1(13)，使两种模式的光波在相同的偏振状态下输出。
所述差分扫描单元(2)包括：2×2耦合器1(21)、2(22)、环形器1(23)、2(24)、准直透镜1(25)、2(26)、可移动的双面反射镜(27)以及差分探测器pd1(28)、2(29)；
将带有光纤环偏振串扰特性的光输入2×2耦合器(21)后，输入具有差分延迟线结构的马赫泽德干涉仪中，具体差分结构是由环形器1(23)、2(24)分别输入2×2耦合器(21)两个输出端输出的光信号，经过准直透镜1(25)、2(26)和可移动的双面反射镜(27)光信号会在不同位置形成具有不同扫描光程差的干涉信号，经过2×2耦合器2(22)输出有差分探测器pd1(28)、2(29)检测。
具体为：
将两只准直透镜镜分别位于移动台的两端，双面反射镜放置于台面上，控制可移动台上的双面反射镜自准直透镜1的位置至准直透镜2的位置，进行光程扫描，同时记录差分探测器pd1和pd2输出的白光干涉信号。根据准直透镜的出射光场已知准直透镜的强度损耗和移动距离之间的关系，对比单一准直透镜和具有差分结构的双准直透镜强度损耗和移动距离之间的关系。
所述数据存储及处理单元(3)包括：包括解调电路(31)和计算机(32)；
解调电路(31)用于将干涉信号转化成电信号，计算机(32)用于将两个差分探测单元检测到的白光干涉信号转换成数据并存储，同时控制移动台。
存储在计算机中的信息包括偏振串扰点位置和强度。
一种基于偏振串扰原理的光纤环检测方法，包括：
(1)根据采集到的光纤环中偏振串扰点的位置和强度信息；
(2)解算出偏振串扰强度与对轴角度的关系，在此基础上将偏振串扰点等效为熔接点，建立光纤环偏振串扰模型的琼斯矩阵；
(3)根据被测光纤环的预估静态零偏值筛选出符合光纤陀螺精度要求的，并接入陀螺系统；
(4)将筛选出不符合光纤陀螺精要求的光纤环进行振动时效处理。
步骤(2)包括：
(2.1)假设一束光
其中，
从pmf3输出的光信号经过0°-45°检偏器，进入干涉仪两臂，因此干涉仪两臂的电矢量为：
其中k表示波数，△z表示干涉仪两臂的光程差，lc表示sld光源的相干长度；
根据部分相干理论，从pmf3中射出的双光束干涉条纹强度表示为：
式中i0表示两束光的光强，通过上式认为当光程差大于相干长度时，干涉条纹迅速趋于0，结合式(1)、(2)、(3)推导出差分探测器的干涉光强为：
由式4可以看出干涉峰位置关于零光程干涉主峰对称，已知偏振串扰强度表示为：
其中icoupling表示干涉峰包络峰值，imain表示光程差为0时干涉主峰包络峰值。
根据式4得到在
(2.2)将上述步骤(1)中偏振串扰点强度代入公式(6)，将偏振串扰点等效为熔接点，建立光纤环琼斯矩阵模型；
(2.3)将建立的光纤环琼斯矩阵模型代入已知的光纤陀螺光路模型中计算出不同光纤环的预估零偏稳定性，并以此为依据实现在没有将光纤环接入具体光纤陀螺系统的前提下预估光纤环性能。
本发明的主要优点：
第一，本发明提出的一种基于差分式扫描结构的ocdp测量装置，能够有效降低测量误差、提高ocdp测量装置分辨率，使之能够适用于光纤长度超过1000m的高精度光纤陀螺中；
第二，本发明根据测得的光纤环偏振串扰点位置和强度信息，将光纤环偏振串扰点等效为熔接点建立模型，代入已知的光纤陀螺光路模型，达到预估光纤陀螺静态误差目的，形成脱离光纤陀螺系统、具有通用性的光纤环检测方法；
第三，筛选出的精度不达标的光纤环进行振动时效处理，降低光纤环内部的残余应力。
本发明中提高光纤环质量的方法，除了能应用于高精度光纤陀螺中，对应用于其他传感领域的光纤环同样适用。
附图说明
图1为本发明光纤环检测流程图；
图2为本发明具有差分扫描结构的光纤环偏振串扰测量装置；
图3为本发明差分结构与单一透镜结构强度损耗对比图；
图4为本发明光纤三段偏振串扰模型；
图5为本发明光纤环绕制工装；
图6为本发明全温度下光纤环1和光纤环2零偏稳定性预估值与实验结果对比。
具体实施方式
本发明提出的一种光纤环误差检测装置和检测方法，首先，提出具有差分扫描结构的偏振串扰测试装置，该装置可以提高检测光纤环中偏振串扰点的空间分辨率和测量光纤环的长度，对高精度光纤陀螺用光纤环中存在的偏振串扰点进行有效测量；其次，考虑到光纤环的造价较高，针对得到的光纤环中偏振串扰位置和强度信息，提出将串扰点等效为熔接点的方法建立光纤环琼斯矩阵模型，结合已知的光纤陀螺光路偏振串扰误差模型，提高该模型的精度，预估光纤陀螺静态零偏值，将互易性不合格的光纤环提前筛选出来，从而有效降低由于使用工艺缺陷的光纤环精度导致与接入的光纤陀螺精度要求不匹配造成的浪费；最后，提出通过振动时效处理的方法，处理精度低的光纤环，降低光纤环中残余应力，达到降低成本的目的。
结合附图对本发明实例中的技术方案做详细、完整的描述，需要说明的是，本发明中提到的光纤陀螺光路模型为典型模型，模型中设计的光学器件包括光源、光电探测器、y波导以及传输路径中的熔接点，故本发明不再对其原理进行详细描述：
光纤环作为光纤陀螺系统中敏感器件，其精度直接影响光纤陀螺的精度能否满足要求，在工程应用中如果将有缺陷的光纤环直接接入光纤陀螺中会导致后续进行拆卸时的工程量增加，需要重新进行标度因数测量、死区测量以及陀螺高度温补偿等，不仅仅增加了陀螺研制的工作量，还会造成研制周期和成本的提升。
因此，为了在接入光纤陀螺前对光纤环进行检测并预估其接入光纤陀螺系统后的静态零偏稳定性，本发明提出一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置及检测方法，如图1所示，包括：
步骤1，获取更高精度和更长距离的光纤环偏振串扰点位置和强度信息，本发明实施具有差分扫描结构的ocdp测量装置能够有效提高精度和测量光纤的长度。
本发明中一种基于偏振串扰原理的光纤环的检测装置包括：光电探测单元(1)、差分扫描单元(2)、数据存储及处理单元(3)，具体结构如图2所示：
(1.1)所述光电探测单元(1)包括：sld光源(11)、1×2耦合器(12)、偏振器1、2(13、14)、0°-0°起偏器(15)、0°-45°检偏器(16)、待测光纤环(17)、光电探测器pd0(18)以及分束器(19)。
sld光源(11)的输出光经过1×2耦合器(12)的输入端1，分光比为98:2，其中2％的光功率由1×2耦合器输出端1输出给光电探测器pd0(18)，用来检测光源光功率变化；另外98％的光功率由1×2耦合器输出端2输出，经过分束器(19)和偏振器2(13)输出。通过0°-0°起偏器(15)，以线偏振光的形式延待测光纤环的慢轴入射到待测光纤环(17)中，这时的输出光是包括快轴上由于光纤缺陷导致的耦合光以及慢轴上的传输光，最后经过0°-45°检偏器(16)，使两种模式的光波在相同的偏振状态下输出。
(1.2)所述差分扫描单元(2)包括：2×2耦合器1、2(21、22)、环形器1、2(23、24)、准直透镜1、2(25、26)、可移动的双面反射镜(27)以及差分探测器pd1、2(28、29)
将带有光纤环偏振串扰特性的光输入2×2耦合器(21)后，输入具有差分延迟线结构的马赫泽德干涉仪中，具体差分结构是由环形器1、2(23、24)分别输入2×2耦合器(21)两个输出端输出的光信号，经过准直透镜1、2(25、26)和可移动的双面反射镜(26)光信号会在不同位置形成具有不同扫描光程差的干涉信号，经过2×2耦合器2(22)输出有差分探测器pd1、2(28、29)检测。具体是这样实现的：将两只准直透镜镜分别位于移动台的两端，双面反射镜放置于台面上，控制可移动台上的双面反射镜自准直透镜1的位置至准直透镜2的位置，进行光程扫描，同时记录差分探测器pd1和pd2输出的白光干涉信号。根据准直透镜的出射光场已知准直透镜的强度损耗和移动距离之间的关系，对比单一准直透镜和具有差分结构的双准直透镜强度损耗和移动距离之间的关系。仿真结果如图3所示。
根据图3中的内容，能够直观观察出：对比单一透镜结构的测量系统，带有差分装置的能够有效降低损耗。同时由于差分结构的特点，两个准直透镜等效移动距离为单一透镜结构的二倍。根据仿真结果可以认为，本发明中提出的具有差分扫描结构的光纤环偏振串扰测量装置能够测试更长的光纤环且具有更高的分辨率。
(1.3)所述数据存储及处理单元(3)包括：包括解调电路(31)和计算机(32)。
解调电路(31)用于将干涉信号转化成电信号。计算机(32)用于存储由两个差分探测器检测到的白光干涉信号，干涉信号被差分探测器接受并转换成电信号，经解调电路处理后，存储到计算机中；除此之外，计算机还要控制移动双面反射镜实现光程扫描。存储在计算机中的信息包括偏振串扰点位置和强度，在步骤2中将用于转化为光纤环的琼斯矩阵中的元素。
步骤2，一种基于偏振串扰原理的光纤环的检测方法，用于建立光纤环琼斯矩阵模型。
当光纤环上的某一点受到扰动时，考虑建立光纤三段偏振串扰模型如图4所示，图中将受串扰点周围的光纤分为三段，其中pmf1和pmf3两端光纤为未受偏振串扰部分，认为pmf2即受扰段部分的双折射轴相对另外两部分的双折射轴旋转了θ角度。当入射光经过pmf1并沿这段光纤的主轴，偏振光沿光纤中的一个偏振模式传播，当入射的偏振光传输到pmf2，也就是被串扰的光纤时，由于两段光纤的主轴存在夹角θ导致射入pmf2的偏振光在pmf2中被激发出另一偏振模式，这两种模式相互投影，产生功率串扰。
(2.1)根据采集到的光纤环中偏振串扰点的位置和强度信息。
(2.2)解算出偏振串扰强度与对轴角度的关系，在此基础上将偏振串扰点等效为熔接点，建立光纤环偏振串扰模型的琼斯矩阵。
(2.2.1)根据光纤三段示意图，假设一束光
其中，
从pmf3输出的光信号经过0°-45°检偏器，进入干涉仪两臂，因此干涉仪两臂的电矢量为：
其中k表示波数，△z表示干涉仪两臂的光程差，lc表示sld光源的相干长度。
根据部分相干理论，从pmf3中射出的双光束干涉条纹强度表示为：
式中i0表示两束光的光强，通过上式认为当光程差大于相干长度时，干涉条纹迅速趋于0，结合式(1)、(2)、(3)推导出差分探测器的干涉光强为：
由式(4)可以得到干涉峰位置在零光程干涉主峰对称，已知偏振串扰强度表示为
其中icoupling表示干涉峰包络峰值，imain表示光程差为0时干涉主峰包络峰值。
根据式4得到在
(2.2.2)将上述步骤1中计算机存储的偏振串扰强度结合式(6)，提出将偏振串扰点等效为熔接点的方法，建立光纤环琼斯矩阵模型。
(2.3)将建立的光纤环琼斯矩阵模型代入已知的光纤陀螺光路模型计算不同光纤环的预估零偏稳定性，其中光纤环中的偏振串扰点等效为光纤的熔接点，根据偏振串扰强度得到的夹角θ可以等效为两段光纤的对轴角度，该串扰点前后的光纤视为保偏尾纤，建立与温度相关的光纤环琼斯矩阵模型，其中tcoil_cw、tcoil_ccw分别表示偏振光在光纤环中正向和逆向传输时的琼斯矩阵模型：
其中，θi和θi 1表示对应于光纤环中第i个和第i 1个偏振串扰点的对轴角度；li和li 1表示偏振串扰点之间的光纤长度；△n'(t)＝5.72×10-7t(t)表示双折射随温度变化的参数。目前已知的建立光纤陀螺光路模型中一般将光纤环的琼斯矩阵模型假设为只有一个偏振串扰点，与实际情况偏差较大，本发明建立的光纤环模型更具有实际意义且准确度高。
tcoil_cw、tcoil_ccw表示的光纤环琼斯矩阵模型代入经典光纤陀螺光路偏振模型中，预估光纤环接入光纤陀螺系统后的静态零偏稳定性。
步骤3，根据预估的零偏稳定性，判断光纤环能否满足接入的光纤陀螺系统的精度要求，以下通过实例具体说明，对光纤环1#和2#进行上述步骤后得到将环接入光纤陀螺系统后装入温箱，设置温箱温度分别为-40℃，-20℃，0℃，20℃，40℃，60℃，得到光纤环的预估零偏值和光纤陀螺实际零偏值对比如图6所示；
如图6所示，表明根据建立的偏振串扰模型预估不同温度下陀螺零偏值与陀螺实际测试数据较为一致。由于在实际测试中还存在其他影响陀螺零偏值的因素。因此，光纤环的偏振串扰误差只是陀螺零偏的一部分，所以如图所示的零偏预估值小于实测值是合理的，通过仿真结果大致反映光纤环的实际测试效果，总结为若光纤环内偏振串扰均值低，高串扰点少，认为由具有这些特性的光纤环组成的光纤陀螺静态性能好，反之静态性能差，证明理论模型的合理性。
通过实例内容说明，尽管受其他因素的影响，但理论预估值与实际测量值结果具有线性关系，理论模型建立得到了验证。实验结论通过该模型具有准确性和通用性能够成为评估和优化光纤陀螺静态性能的理论依据。而要改进光纤环性能，则需在选择保偏光纤、改进绕环技术等方向努力。通过步骤1和步骤2对光纤陀螺中的光纤环的质量进行检测和预估后，针对工艺缺陷的光纤环应及时进行调整，通过对光纤环绕制过程中在线监测，以及在不同温度下光纤环偏振串扰测试及时对光纤环的张力进行调整。
步骤4，通过步骤3可以筛选出不同品质的光纤环，将符合精度要求的光纤环接入光纤陀螺系统。
如图5所示为光纤环绕制工装，光纤环中在进行换匝和换层时，光纤之间会产生残余压力，是光纤环呈现出亚稳定的状态，振动时效处理的原理为对系统提供一定的动应力，促使系统内部处于亚稳态的个体单元获得能量而剧烈运动，克服临近其他个体单元的束缚而回到更加稳定的状态。
采用振动时效方法，对各匝光纤环提供一定的能量，使纤与纤之间摆脱挤压和束缚，达到更稳定的状态，将光纤环放置在振动试验台上释放应力。
由于经过振动时效处理，光纤环内部偏振串扰的分布将发生变化，因此对经过振动时效处理的光纤环重复步骤1和步骤2，再次预估其精度。
1.一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，包括：
光电探测单元(1)、差分扫描单元(2)、数据存储及处理单元(3)；
光电探测单元(1)将带有光纤环偏振串扰特性的光通过差分扫描单元(2)传输给数据存储及处理单元(3)，数据存储及处理单元(3)将干涉信号转化成电信号进行处理。
2.如权利要求1所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，
所述光电探测单元(1)包括：sld光源(11)、1×2耦合器(12)、偏振器1(13)、2(14)、0°-0°起偏器(15)、0°-45°检偏器(16)、待测光纤环(17)、光电探测器pd0(18)以及分束器(19)；
sld光源(11)的输出光经过1×2耦合器(12)的输入端1，分光比为98:2，其中2％的光功率由1×2耦合器输出端1输出给光电探测器pd0(18)，用来检测光源光功率变化；另外98％的光功率由1×2耦合器输出端2输出，经过分束器(19)和偏振器2(14)输出；通过0°-0°起偏器(15)，以线偏振光的形式沿待测光纤环的慢轴入射到待测光纤环(17)中，最后经过0°-45°检偏器(16)和偏振器1(13)，使两种模式的光波在相同的偏振状态下输出。
3.如权利要求1所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，
所述差分扫描单元(2)包括：2×2耦合器1(21)、2(22)、环形器1(23)、2(24)、准直透镜1(25)、2(26)、可移动的双面反射镜(27)以及差分探测器pd1(28)、2(29)；
将带有光纤环偏振串扰特性的光输入2×2耦合器(21)后，输入具有差分延迟线结构的马赫泽德干涉仪中，具体差分结构是由环形器1(23)、2(24)分别输入2×2耦合器(21)两个输出端输出的光信号，经过准直透镜1(25)、2(26)和可移动的双面反射镜(27)光信号会在不同位置形成具有不同扫描光程差的干涉信号，经过2×2耦合器2(22)输出有差分探测器pd1(28)、2(29)检测。
4.如权利要求3所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，具体为：
将两只准直透镜镜分别位于移动台的两端，双面反射镜放置于台面上，控制可移动台上的双面反射镜自准直透镜1的位置至准直透镜2的位置，进行光程扫描，同时记录差分探测器pd1和pd2输出的白光干涉信号。根据准直透镜的出射光场已知准直透镜的强度损耗和移动距离之间的关系，对比单一准直透镜和具有差分结构的双准直透镜强度损耗和移动距离之间的关系。
5.如权利要求1所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，
所述数据存储及处理单元(3)包括：包括解调电路(31)和计算机(32)；
解调电路(31)用于将干涉信号转化成电信号，计算机(32)用于将两个差分探测单元检测到的白光干涉信号转换成数据并存储，同时控制移动台。
6.如权利要求5所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测装置，其特征在于，
存储在计算机中的信息包括偏振串扰点位置和强度信息。
7.一种基于偏振串扰原理的光纤环检测方法，其特征在于，包括：
(1)根据采集到的光纤环中偏振串扰点的位置和强度信息；
(2)解算出偏振串扰强度与对轴角度的关系，在此基础上将偏振串扰点等效为熔接点，建立光纤环偏振串扰模型的琼斯矩阵；
(3)根据被测光纤环的预估静态零偏值筛选出符合光纤陀螺精度要求的，并接入陀螺系统；
(4)将筛选出不符合光纤陀螺精要求的光纤环进行振动时效处理。
8.如权利要求5所述的一种基于偏振串扰原理的光纤环检测方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)假设一束光
其中，
从pmf3输出的光信号经过0°-45°检偏器，进入干涉仪两臂，因此干涉仪两臂的电矢量为：
其中k表示波数，△z表示干涉仪两臂的光程差，lc表示sld光源的相干长度；
根据部分相干理论，从pmf3中射出的双光束干涉条纹强度表示为：
式中i0表示两束光的光强，通过上式认为当光程差大于相干长度时，干涉条纹迅速趋于0，结合式(1)、(2)、(3)推导出差分探测器的干涉光强为：
由式4可以看出干涉峰位置关于零光程干涉主峰对称，已知偏振串扰强度表示为：
其中icoupling表示干涉峰包络峰值，imain表示光程差为0时干涉主峰包络峰值。
根据式4得到在
(2.2)将上述步骤(1)中偏振串扰点强度代入公式(6)，将偏振串扰点等效为熔接点，建立光纤环琼斯矩阵模型；
(2.3)将建立的光纤环琼斯矩阵模型代入已知的光纤陀螺光路模型中计算出不同光纤环的预估零偏稳定性，并以此为依据实现在没有将光纤环接入具体光纤陀螺系统的前提下预估光纤环性能。
技术总结