一种光纤陀螺敏感环对称性与内部缺陷的测试方法
技术领域
本发明涉及光纤敏感环的性能测试领域，更具体地，涉及一种光纤陀螺敏感环对称性与内部缺陷的测试方法。
背景技术
光学相干域偏振测量技术(OCDP)是基于白光干涉原理的用于测量保偏器件的分布偏振串音的一种技术方案。OCDP一般采用宽谱光源，如超辐射发光二极管(SLD)，而且为了避免干涉峰具有本征旁瓣，一般采用高斯型光谱的宽谱光源；由宽谱光源输出的宽谱光经过起偏器后被注入待测器件，根据待测器件的不同选择不同的起偏器对轴角度，对于光纤环的检测，一般使用0°起偏器将宽谱光由慢轴注入，待测器件的快慢轴输出的光将被一个45°检偏器耦合至其单模输出尾纤，然后通过一个2x2耦合器进入一个马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，简称MZI)或迈克尔逊干涉仪(MichelsonInterferometer，简称MI)；最后干涉仪输出的信号通过一个差分探测电路进行探测。(中国专利申请号：CN103900680A)。
光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)基于Sagnac效应原理，即当环形干涉仪旋转时，将产生一个正比于旋转速率的相位差。因此，当一束光进入光纤环的闭合光路中时，会被分成两束光在同一光路中沿闭合光路相向传播。倘若此时光路不发生旋转，那么两束光会同时回到光的初始注入点，在这种情况下，光路的特性称之为具有互易性(即光从两个方向入射时的效果的相同的)。倘若光路发生转动，则与旋转方向同向传播的光会比反向传播的光所经历的路程要长(此时的光路称之为具有非互易性)，从而产生了与转动角速度成正比的光程差。
光纤敏感环是光纤陀螺中的核心部件之一。光纤敏感陀螺环一般由一个环状的支撑骨架、外部缠绕的光纤和固化用的涂胶三部分组成，其中，光纤环的支撑骨架、光纤环的尺寸参数、光纤参数、固胶参数、绕环方法等都对光纤环的性能测试产生一定的影响，而光纤敏感环的缠绕质量的好坏又将决定光纤陀螺的测量精度。传统的光纤环检测方法是凭借消光比或者光时域反射技术来对保偏光纤环的性能进行评估，不能完全和精确地反映光纤环的绕环质量，因而也无法对提高光纤环质量提出准确的工艺改造数据，具有局限性。(中国专利申请号：CN200910243964.8)。
在光纤敏感环的绕制方法中，普遍采用的是四极对称的方法缠绕光纤环，该方法极大地抑制了环中因为温度引起的非互易相位误差，但是无法完全消除空间温度梯度引发的shupe效应误差。为了进一步抑制温度效应，交叉式四极对称法被提出来(美国专利：5465150)，环圈整体被划分为若干个满足四极对称要求的缠绕子区，相邻子区之间中点左右两侧光纤的缠绕顺序相反，以此来克服环内的空间温度梯度影响，然而，由于缠绕水平限制，该绕法仍然无法有效地抑制温度shupe效应误差。
2018年，陈文新等人公开了一种基于光纤陀螺的八极对称绕环装置(中国专利申请号：CN201821762556.4)，解决了目前常用的四极对称绕环机在光纤出现张力导致控制系统故障时不能有效调节绕线张力的问题，在张力过大时对光纤进行保护，防止光纤出现断裂的情况，避免了光纤浪费，降低了生产成本。
2020年，李彦等人公开了一种用于超高精度光纤陀螺的交叉十六极对称绕环方法(中国专利申请号：CN202010096977.3)，使用该方法绕制而成的光纤环圈，在关于光纤环圈厚度中心位置对称的两侧线圈中每层均含有长度相等的正反向光纤，每十六层中两侧线圈为相反的十六极对称排列，与现有的四极对称绕法、八极对称绕法、十六极对称绕法以及交叉四极对称绕法相比，可以进一步提高光纤环内部空间的对称性，保证传输光波几何光程的对称性，提高光纤环圈在径向、轴向以及环内部立体空间的排纤对称性。
发明内容
本发明提供一种光纤陀螺敏感环对称性与内部缺陷的测试方法，基于分布式偏振串音，实现对光纤敏感环的对称性能的有效分析及内部应力缺陷的分布情况。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种光纤陀螺敏感环对称性与内部缺陷的测试方法，包括以下步骤：
步骤101：数据预处理，包括测量并记录光纤敏感环211的参数，计算得到不同层每一匝对应的光纤长度lp＝π·dp,(dmin≤dp≤dmax,p＝1,2,L M)，其中，dp为光纤敏感环211第p层对应的直径，计算第p层对应的光纤总长度Lp＝lp·N，换匝频率kp＝1/lp和换层频率Kp＝1/Lp，测量得到第一分布式偏振串音301，其空间采样间隔为δL；
步骤102：将第一分布式偏振串音301分为n段分布式偏振串音701，初始化循环次数i，即i＝1；
步骤103：将第i段分布式偏振串音701与窗函数702相乘，然后在数据末尾补零，最后对补零后的数据进行傅里叶变换，记录为第i段频域偏振串音801；
步骤104：从第i段频域偏振串音801中截取出第i段频域换匝区域偏振串音901，并使循环次数i自增，即i＝i+1；
步骤105：判断i是否大于n，如果否，则重复步骤103到步骤105，如果是，则进行步骤106；
步骤106：综合全部n段的频域换匝区域偏振串音901，构成空频域换匝区域偏振串音1001，然后提取其中的空频域换匝特征1101；
步骤107：计算空频域换匝特征1101的脊线1201，并对其进行拟合，提取光纤敏感环211中点的位置；
步骤108：提取光纤敏感环211内应力集中处1501对应的特征参数，完成测试。
优选地，步骤101中所述光纤敏感环211的参数包括光纤长度L、光纤直径dfiber、内径dmin、外径dmax、每一层换匝214匝数N和换层215层数M。
优选地，步骤101中所述测量得到第一分布式偏振串音301，具体为：
分别测量光从光纤敏感环211的第一端212传输到第二端213的空域偏振串音即第一分布式偏振串音301以及光从光纤敏感环211第二端213传输到第一端212的空域偏振串音即第二分布式偏振串音501；
将第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501中大于分布式偏振串音阈值IG的偏振串音分别标记为I1,q和I2,q，其中，I1,q表示第一分布式偏振串音301中在光纤长度q米处的偏振串音，I2,q表示第二分布式偏振串音501中在光纤长度q米处的偏振串音，I1,q、I2,q的差值要满足maxx∈(0,L)|I1,q-I2,q|≤ε，如果不满足，则重新测量并更新第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501，如果满足，则记录第一分布式偏振串音301。
优选地，步骤102中所述将第一分布式偏振串音301分为n段分布式偏振串音701，具体为：
第i段分布式偏振串音701即是第一分布式偏振串音301中光纤长度区间[(1-α)(i-1)ΔL,(1-α)(i-1)ΔL+ΔL]对应的数据，其中分段长度ΔL为每一段的光纤长度，冗余长度系数α满足α∈[0,1)。
优选地，步骤103中所述窗函数702的数据点数为P，窗函数702的类型选取汉明窗或者汉宁窗。
优选地，步骤103中补零后的数据点数为P，满足
优选地，步骤104中所述从第i段频域偏振串音801中截取出第i段频域换匝区域偏振串音901，具体为：
计算最小换匝频率kmin＝1/(π·dmax)、最大换匝频率kmax＝1/(π·dmin)和最大换层频率Kmax＝1/(π·N·dmin)，截取第i段频域偏振串音中换匝特征区间802[klb,krb]内的换匝特征数据，其中截取区域的左边界klb、右边界krb分别满足Kmax≤klb≤kmin、kmax≤krb≤2kmin。
优选地，步骤106中所述综合全部n段的频域换匝区域偏振串音901，构成空频域换匝区域偏振串音1001，然后提取其中的空频域换匝特征1101，具体为：
将第i段频域换匝区域偏振串音901存入数组A中作为数组A中的第i列，得到n列的数组A作为空频域换匝区域偏振串音1001，再提取其中大于换匝特征阈值Z的偏振串音作为空频域换匝特征1101。
优选地，步骤107中所述计算空频域换匝特征1101的脊线1201，并对其进行拟合，提取光纤敏感环211中点的位置，具体为：
在空频域换匝特征1101中寻找每一列的最大值，记录其对应的光纤长度位置和其对应的光纤敏感环211的直径，连接成脊线1201，并将其按照绝对值函数d＝a|L-b|+c拟合，拟合时满足a>0,c∈(cmin,cmax)，其中，cmin≤dmin，cmax≥dmax，提取拟合结果中的参数b作为光纤敏感环211的绕环中点位置的粗值，对于光纤长度位于区间[0,b]的脊线按照第一线性函数1401d＝a1L+b1，a1<0进行拟合，对于光纤长度位于区间[b,L]的脊线按照第二线性函数1402d＝a2L+b2，a2>0进行拟合，提取第一线性函数1401和第二线性函数1402的交点(1403)对应的光纤长度b′作为光纤敏感环211的绕环中点位置的精值，用绕环中点位置的精值b′与光纤环长度L一半的相对差异S＝|(2b′-L)/L|作为光纤敏感环211的对称性评价参数，用第一线性函数斜率a1的绝对值和第二线性函数斜率a2的绝对值中绝对值较小的一个与绝对值较大的一个的比值作为光纤敏感环211的绕制对称性评价参数。
优选地，步骤108中所述提取光纤敏感环211内应力集中处1501对应的特征参数，具体为：
提取空频域换匝特征1101中幅度大于应力特征提取阈值F的数据作为应力集中处1501，记录其包括对应的光纤长度L′、光纤环直径参数d′、以及偏振串音强度E的特征参数。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1通过对光纤敏感环的第一分布式偏振串音测量数据进行短时傅里叶变换，可以根据光纤敏感环的几何参数进行数据截取，从而可以获取该光纤敏感环的频域换匝区域偏振串音；
2与传统的凭借消光比或者光时域反射技术对光纤敏感环进行性能测试的方法相比，本分析方法能够同时获取同一光纤敏感环的空频域换匝特征，进而实现对光纤敏感环的对称性能的有效分析内；
3通过将本测量分析方法应用到光纤陀螺中光纤敏感环绕制工艺的检测与分析，能获取光纤敏感环的环内应力集中分布区域，实现对绕环过程中应力集中点的定位，其分析结果将有利于改进光纤敏感环的绕制工艺，可广泛应用于光纤敏感环的性能测试领域。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图；
图2是光纤敏感环原理图；
图3是分布式偏振串音测量原理图；
图4是第一分布式偏振串音图；
图5是第一分布式偏振串音细节图
图6是第二分布式偏振串音图；
图7是第二分布式偏振串音细节图；
图8是截取的分布式偏振串音图；
图9是截取的分布式偏振串音频域图；
图10是截取频域偏振串音图；
图11是空频域偏振串音换匝区域图；
图12是空频域偏振串音换匝特征图；
图13是空频域偏振串音脊线图；
图14是脊线拟合图；
图15是脊线拟合细节图；
图16是应力集中特征图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种光纤陀螺敏感环对称性与内部缺陷的测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101：数据预处理，包括测量并记录光纤敏感环211的参数，计算得到不同层每一匝对应的光纤长度lp＝π·dp,(dmin≤dp≤dmax,p＝1,2,L M)，其中，dp为光纤敏感环211第p层对应的直径，计算第p层对应的光纤总长度Lp＝lp·N，换匝频率kp＝1/lp和换层频率Kp＝1/Lp，测量得到第一分布式偏振串音301，其空间采样间隔为δL；
步骤102：将第一分布式偏振串音301分为n段分布式偏振串音701，初始化循环次数i，即i＝1；
步骤103：将第i段分布式偏振串音701与窗函数702相乘，然后在数据末尾补零，最后对补零后的数据进行傅里叶变换，记录为第i段频域偏振串音801；
步骤104：从第i段频域偏振串音801中截取出第i段频域换匝区域偏振串音901，并使循环次数i自增，即i＝i+1；
步骤105：判断i是否大于n，如果否，则重复步骤103到步骤105，如果是，则进行步骤106；
步骤106：综合全部n段的频域换匝区域偏振串音901，构成空频域换匝区域偏振串音1001，然后提取其中的空频域换匝特征1101；
步骤107：计算空频域换匝特征1101的脊线1201，并对其进行拟合，提取光纤敏感环211中点的位置；
步骤108：提取光纤敏感环211内应力集中处1501对应的特征参数，完成测试。
本实施例提供一种基于分布式偏振串音的光纤敏感环对称性能与应力缺陷的测试方法。将得到光纤敏感环的分布式偏振串音分成无数段，并对其进行傅里叶变换，根据光纤敏感环的几何参数进行数据截取，进而获取该光纤敏感环的频域换匝区域偏振串音，对其进行空频域联合分析，得到光纤敏感环的对称性能与应力集中处。该方法能够同时获取同一光纤敏感环的空频域换匝特征，进而实现对光纤敏感环的对称性能的有效分析及内部应力缺陷的分布情况，其分析结果有利于改进绕环工艺，可广泛应用于光纤敏感环的性能测试领域。
步骤101中所述光纤敏感环211的参数包括光纤长度L、光纤直径dfiber、内径dmin、外径dmax、每一层换匝214匝数N和换层215层数M。
步骤101中所述测量得到第一分布式偏振串音301，具体为：
分别测量光从光纤敏感环211的第一端212传输到第二端213的空域偏振串音即第一分布式偏振串音301以及光从光纤敏感环211第二端213传输到第一端212的空域偏振串音即第二分布式偏振串音501；
将第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501中大于分布式偏振串音阈值IG的偏振串音分别标记为I1,q和I2,q，其中，I1,q表示第一分布式偏振串音301中在光纤长度q米处的偏振串音，I2,q表示第二分布式偏振串音501中在光纤长度q米处的偏振串音，I1,q、I2,q的差值要满足maxx∈(0,L)|I1,q-I2,q|≤ε，如果不满足，则重新测量并更新第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501，如果满足，则记录第一分布式偏振串音301。
步骤102中所述将第一分布式偏振串音301分为n段分布式偏振串音701，具体为：
第i段分布式偏振串音701即是第一分布式偏振串音301中光纤长度区间[(1-α)(i-1)ΔL,(1-α)(i-1)ΔL+ΔL]对应的数据，其中分段长度ΔL为每一段的光纤长度，冗余长度系数α满足α∈[0,1)。
步骤103中所述窗函数702的数据点数为P，窗函数702的类型选取汉明窗或者汉宁窗。
步骤103中补零后的数据点数为P，满足
步骤104中所述从第i段频域偏振串音801中截取出第i段频域换匝区域偏振串音901，具体为：
计算最小换匝频率kmin＝1/(π·dmax)、最大换匝频率kmax＝1/(π·dmin)和最大换层频率Kmax＝1/(π·N·dmin)，截取第i段频域偏振串音中换匝特征区间802[klb,krb]内的换匝特征数据，其中截取区域的左边界klb、右边界krb分别满足Kmax≤klb≤kmin、kmax≤krb≤2kmin。
步骤106中所述综合全部n段的频域换匝区域偏振串音901，构成空频域换匝区域偏振串音1001，然后提取其中的空频域换匝特征1101，具体为：
将第i段频域换匝区域偏振串音901存入数组A中作为数组A中的第i列，得到n列的数组A作为空频域换匝区域偏振串音1001，再提取其中大于换匝特征阈值Z的偏振串音作为空频域换匝特征1101。
步骤107中所述计算空频域换匝特征1101的脊线1201，并对其进行拟合，提取光纤敏感环211中点的位置，具体为：
在空频域换匝特征1101中寻找每一列的最大值，记录其对应的光纤长度位置和其对应的光纤敏感环211的直径，连接成脊线1201，并将其按照绝对值函数d＝a|L-b|+c拟合，拟合时满足a>0,c∈(cmin,cmax)，其中，cmin≤dmin，cmax≥dmax，提取拟合结果中的参数b作为光纤敏感环211的绕环中点位置的粗值，对于光纤长度位于区间[0,b]的脊线按照第一线性函数1401d＝a1L+b1，a1<0进行拟合，对于光纤长度位于区间[b,L]的脊线按照第二线性函数1402d＝a2L+b2，a2>0进行拟合，提取第一线性函数1401和第二线性函数1402的交点(1403)对应的光纤长度b′作为光纤敏感环211的绕环中点位置的精值，用绕环中点位置的精值b′与光纤环长度L一半的相对差异S＝|(2b′-L)/L|作为光纤敏感环211的对称性评价参数，用第一线性函数斜率a1的绝对值和第二线性函数斜率a2的绝对值中绝对值较小的一个与绝对值较大的一个的比值作为光纤敏感环211的绕制对称性评价参数。
步骤108中所述提取光纤敏感环211内应力集中处1501对应的特征参数，具体为：
提取空频域换匝特征1101中幅度大于应力特征提取阈值F的数据作为应力集中处1501，记录其包括对应的光纤长度L′、光纤环直径参数d′、以及偏振串音强度E的特征参数。
保偏光纤的分布式偏振串音是指待测光路中的保偏光纤因生产工艺而导致其内部产生应力，或者是外界的温度、弯曲等影响，使得原先在慢轴或快轴传输的偏振光在缺陷点处产生偏振串音，传输光的一部分能量耦合到快轴或慢轴，从而发生的能量相互耦合现象；如图3所示，一束宽谱偏振光沿保偏光纤某一偏振轴快轴或慢轴方向注入，在该偏振轴方向形成激发模231，并沿光纤向前传输。若传输中保偏光纤存在一个微扰点230，则激发模将在此处发生耦合，产生耦合模232。由于保偏光纤两个偏振轴的有效模式折射率不同，因此沿光纤传输的激发模231与耦合模232在经过一段距离后会产生一定的光程差，使用一个45°检偏器将这两个模式耦合到普通单模光纤中就会产生两个功率不同且具有一定光程差的波包，将这两个波包分别耦合入干涉仪的两臂，改变扫描臂的臂长来调节干涉仪两臂的臂长差，从而使两臂中的波列发生干涉，最终获得测量数据。
图2是光纤敏感环四极对称缠绕原理图，只展示了四极对称缠绕法的其中5层光纤环，并通过颜色区分其绕制方向，第一层光纤、第四层光纤为、第五层光纤为白色，表示顺时针绕制，第二层、第三层光纤为黑色，表示逆时针绕制；光纤敏感环的缠绕方法以光纤中点221为界，选择一半光纤222开始在骨架上从右到左缠绕一层光纤；然后使用另一半光纤223从左到右绕制1层光纤，再通过小换层224从右到左绕制1层光纤；下一步用光纤222通过大换层225绕制1层光纤，再通过小换层224绕制1层光纤，依次按照交替隔两层顺序来绕制，以此类推，绕制成一个完整的光纤敏感环。由缠绕过程可知在缠绕每层光纤时，每换一匝都会引入应力，进而产生偏振串音；每次进行小换层224和大换层225时，也会对应的引入应力，产生的对应的偏振串音。这些都是周期性出现的。通过对光纤敏感环进行测量获得的偏振串音进行分析，就可以获得光纤敏感环的周期性特征。
在具体实施过程中：
(1)取一待测光纤敏感环211，测量并记录其光纤长度L为3051m、光纤直径dfiber为250、内径dmin为0.130m、外径dmax为0.143m、匝数N为100和层数为64，计算得到lmin＝0.408m，lmax＝0.449m,Lmax＝44.92m、最小换匝频率kmin＝2.227m-1、最大换匝频率Kmax＝0.025m-1和最大换层频率Kmax＝0.025m-1，空间采样间隔δL为1.638×10-4；
(2)测量得到光从光纤敏感环211第一端212传输到第二端213的第一分布式偏振串音301以及光从光纤敏感环211第二端213传输到第一端212的第二分布式偏振串音501，如附图4、6所示，其细节图分别为图5、7；
(3)将第一分布式偏振串音301和第二分布式偏振串音501中大于分布式偏振串音阈值-40dB的偏振串音分别标记为I1,q和I2,q，分别将其编号为302到323和502到523，其差值要满足maxx∈(0,L)|I1,q-I2,q|≤1dB，记录第一分布式偏振串音301；
(4)将第一分布式偏振串音301分为88段，设置ΔL＝40m，α＝0.125，即提取光纤长度位置[35(i-1),35(i-1)+40]对应的数据作为第i段分布式偏振串音701，如附图8所示；
(5)选取汉明窗作为窗函数702，窗函数702的数据点数与第i段分布式偏振串音701的数据长度相同，将第i段分布式偏振串音701与窗函数相乘，然后在数据末尾补零，满足补零后的数据点数满足P≥9.057×105，选取P＝1010，最后对其进行傅里叶变换，记录为第i段频域偏振串音801，如附图9所示；
(6)第i段频域偏振串音换匝特征区间802的左边界满足0.025m-1≤klb≤2.227m-1，右边界满足2.449m-1≤krb<4.454m-1，取klb＝2.195m-1、krb＝2.546m-1，截取第i段频域偏振串音中区间[2.195,2.546]内换匝特征数据，如附图10所示；
(7)将第i段频域换匝区域偏振串音901存入数组A中作为数组中的第i列，得到88列的数组A，提取得到频域换匝区域偏振串音901，提取其中大于换匝特征阈值0.8dB的偏振串音作为空频域换匝特征1101，如附图11、12所示，；
(8)在空频域换匝特征1101寻找每一列的最大值，记录其对应的光纤长度位置和其对应的光纤敏感环211的直径，连接成脊线1201，如图13所示，并将其按照绝对值函数d＝a|L-b|+c拟合，a＝8.384×10-6,c＝0.1301,b＝1495，拟合程度R2＝0.994,提取拟合结果中的参数b＝1495为光纤敏感环211的绕环中点位置的粗值，对于光纤长度位于区间[0,1495]的脊线按照第一线性函数1401d＝a1L+b1，a1<0进行拟合，a1＝-8.045×10-6,b1＝0.1424，对于光纤长度位于区间[1495,3051]的脊线按照第二线性函数1402d＝a2L+b2，a2>0进行拟合，a2＝8.689×10-6,b2＝0.1169，如图14、15所示，提取第一线性函数1401和第二线性函数1402的交点1403对应的光纤长度b′＝1522作为光纤敏感环211的绕环中点位置的精值，绕环中点位置b′与光纤环长度L一半的相对差异S＝0.0023，第一线性函数斜率a1的绝对值和第二线性函数斜率a2的绝对值中绝对值较小的一个与绝对值较大的一个的比值为0.92，光纤敏感环211的对称性能好；
(9)提取空频域换匝特征1101中幅度大于应力特征提取阈值4dB的数据作为应力集中处1501，其中应力最为集中的地方的对应的光纤长度为2615m、光纤环直径参数为0.140m、以及偏振串音强度为5.822dB，如图16所示。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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