一种基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺光路检测技术领域，具体地涉及一种基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法。

背景技术

光纤陀螺具有设计灵活、无运动部件、寿命高等优点，一经提出便得到极大关注，目前已经在飞行控制系统和惯性导航系统中得到广泛应用。随着光纤制造技术的发展，越来越多的细径保偏光纤被应用于轻质量、小型化保偏光纤陀螺的制备中，如40um椭圆型保偏光纤和60um熊猫型保偏光纤。保偏光纤陀螺的光路包括SLD光源、分束器、Y波导、光纤环和探测器五大光学器件，具体方案如图4所示。

其中，分束器的C

各光学器件的尾纤均为同样尺寸的细径保偏光纤，它们之间通过器件尾纤的熔接形成光通路。θ

目前，在对保偏光纤进行熔接时，其对轴角度主要依靠光纤熔接机对保偏光纤应力区的图像识别来完成。然而，由于细径保偏光纤的包层尺寸远小于常规保偏光纤，光纤熔接机在对其应力区进行图像识别时，误差较大，导致熔接角度偏大。

在对细径保偏光纤陀螺进行尾纤熔接、固定等盘装步骤后，需要对光路的盘装质量进行检测，以保证其精度满足陀螺的性能要求。现有对细径保偏光纤陀螺的盘装质量检测主要依据光波的偏振度。然而由于光波偏振度的变化随熔接角度呈周期性变化，因此偏振度不能准确反映光路中的熔接质量。

因此，如何快速、准确的检测光纤陀螺光路的盘装质量是值得研究的一件事。

发明内容

为了解决现有方法基于光波的偏振度对光纤陀螺光路的盘装质量检测存在准确性不高的问题,本发明提供一种基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法，其可快速准确实现光纤陀螺光路的盘装质量检测。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法，包括以下步骤：

获取分束器的空置端C3的第一光谱并计算所述第一光谱的归一化自相干函数；

根据所述第一光谱的归一化自相干函数存在次相干峰的情况对光源异常进行判断；

响应于所述光源无异常，在分束器与探测器之间的熔接点断开后获取分束器输出端C4的第二光谱并计算所述第二光谱的归一化自相干函数；

根据所述第二光谱的归一化自相干函数的基线均值对光纤环异常进行判断；

响应于所述光纤环无异常，判断所述第二光谱的归一化自相干函数曲线中是否存在弧形包络；

响应于所述第二光谱的归一化自相干函数曲线中存在弧形包络，根据所述弧形包络最大值对Y波导尾纤与光纤环的熔接点异常进行判断；

响应于Y波导尾纤与光纤环的熔接点无异常，根据所述第二光谱的归一化自相干函数次相干峰的情况对分束器与Y波导之间的熔接点异常进行判断。

本发明与现有技术相比，至少具有以下优点和有益效果：

能够快速检测细径保偏光纤陀螺的盘装质量，准确定位盘装的故障点。

本发明的通过测量分束器空置端C

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为分束器输出端C4输出光谱实施例的异常光谱图；

图3为图2所示的光谱图的归一化自相干函数曲线图；

图4为保偏光纤陀螺的光路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

光谱是影响光纤陀螺中光波干涉特性的重要因素，具体包括光谱谱宽、光谱不对称性、光谱纹波等。其中，光谱纹波除了受光源自身影响外，还会受到光路中光纤熔接角度、器件尾纤长度、光纤扭转、外部应力等因素的作用。因此，通过对光谱纹波的分析可以对光路的盘装质量进行全面检测。光谱纹波的本质为叠加在光谱上的周期函数。光谱纹波的振幅与光路中的偏振串扰强度有关，偏振串扰越强，纹波幅值越大，对应的相干函数曲线的次相干峰越高。因此可以根据次相干峰的高度判断光路中偏振串扰的强度。光谱纹波的周期与光学器件的尾纤长度和光纤环长有关，光纤越长，纹波越密，对应的相干函数曲线的次相干峰距离主峰越远。因此可以根据次相干峰与主峰的距离判断偏振串扰的位置。根据以上分析，基于光谱的分析技术可以对光纤陀螺光路的盘装质量检测提供有效依据。对此，本发明公开一种基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法，该方法不仅适于如图4所示的细径保偏光纤陀螺的盘装质量检测，也适用于常规保偏光纤陀螺以及消偏陀螺的盘装质量检测。该方法通过获取依次测量分束器空置端C

步骤S01、获取分束器的空置端C3的第一光谱并计算所述第一光谱的归一化自相干函数。

该步骤中，将分束器的空置端C3的尾纤通过光纤适配器与光谱分析仪连接，测量得到等波长分布的第一光谱。

计算所述第一光谱的归一化自相干函数的具体包括步骤S011至步骤S013。

步骤S011、利用插值法将所述第一光谱转换为等频率分布的光谱。

由于采用光谱分析仪获取的第一光谱为等波长分布形式，在利用光谱计算归一化自相干函数时，需要将等波长分布的光谱转换为等频率分布的光谱。

由于λ＝c/f，波长λ与频率f成非线性关系，因此不能直接转换，需要对采集到的数据进行重采样。由于光谱仪采集到的数据具有较高的振荡频率，因此不能采用样条插值等局部插值方法。在光谱数据处理中，为了提高插值的精度，应首先对采集到的等波长分布的光谱数据的长时部分进行补零插值；其次结合线性插值法获得等频率分布的光谱。假设补零的倍数为N，则线性插值的精度可以提高N倍。

示例性的：

对采集到的等波长分布的光谱数据P

通过对高频部分补零，将长度为M的序列F

对F

构造等频率分布的序列f

在λ

式中，λ'

步骤S012、对等频率分布的光谱进行逆傅里叶变换，得到相干函数。

步骤S013、对所述相干函数进行归一化，并将其相干时间转化为相干长度，得到第一光源的归一化自相干函数γ

步骤S02、根据所述第一光谱的归一化自相干函数存在次相干峰的情况对光源异常进行判断。

该步骤中，观察第一光谱的归一化自相干函数γ

若分束器前端光路存在异常，则根据光源输出的第三光谱的归一化自相干函数存在次相干峰的情况对光源异常进行判断，具体的，包括步骤S021至步骤S024。

步骤S021、断开光源与分束器之间的熔接点后将光源输出端尾纤通过光纤适配器与光谱分析仪连接，测量得到等波长分布的第三光谱。

步骤S022、用步骤S01中计算第一光谱的归一化自相干函数相关的方法计算第三光谱的归一化自相干函数γ

步骤S023、观察第三光谱的归一化自相干函数γ

步骤S024、换光源后，重复步骤S021至步骤S023，直至光源无异常，将光源与分束器重新熔接，后进入步骤S01、步骤S02直至判断分束器前端光路无异常。

光源与分束器尾纤熔接的方法可采用以下方式：

将光源与分束器尾纤从陀螺骨架上拆出，并用酒精擦除器件尾纤上固化的胶粘剂；

将尾纤散开放置6h以上，释放其中的应力；

将尾纤对轴熔接，对轴误差小于等于1°，并盘装在陀螺骨架上。

步骤S03、响应于所述光源无异常，在分束器与探测器之间的熔接点断开后获取分束器输出端C4的第二光谱并计算所述第二光谱的归一化自相干函数。

在分束器前端光路无异常后，断开分束器与探测器之间的熔接点。将分束器输出端C4尾纤通过光纤适配器与光谱分析仪连接，测量得到等波长分布的第二光谱。

用步骤S01中计算第一光谱的归一化自相干函数相关的方法计算所述第二光谱的归一化自相干函数γ(△L)。

步骤S04、根据所述第二光谱的归一化自相干函数的基线均值对光纤环异常进行判断。

光纤环异常的判断根据基线均值与第三阈值的大小判定。第三阈值大于等于-30dB且小于等于-60dB。优选的，可设置为-45dB或者-50dB。

若第二光谱的归一化自相干函数的基线均值小于等于第三阈值，判定光纤环中不存在随机分布的偏振串扰。

若第二光谱的归一化自相干函数的基线均值大于第三阈值，判定光纤环中存在随机分布的偏振串扰，更换光纤环。更换光纤环后重复步骤S03、步骤S04直至光纤环中不存在随机分布的偏振串扰。

具体的，更换光纤环可采用以下步骤：

分别断开Y波导输出端Y2、Y3与光纤环的熔接点；将Y波导尾纤从陀螺骨架上拆出，并用酒精擦除Y波导尾纤上固化的胶粘剂；将Y波导尾纤散开放置6h以上，释放其中的应力；将Y波导尾纤与更换后的光纤环对轴熔接，对轴误差小于等于1°，并盘装在陀螺骨架上。

步骤S05、响应于所述光纤环无异常，判断所述第二光谱的归一化自相干函数曲线中是否存在弧形包络。

步骤S06、响应于所述第二光谱的归一化自相干函数曲线中存在弧形包络，根据所述弧形包络最大值对Y波导尾纤与光纤环的熔接点异常进行判断。

具体的，若第二光谱的归一化自相干函数曲线中不存在弧形包络或者存在弧形包络但是其最大值小于等于第四阈值，则判定Y波导尾纤与光纤环的熔接点无异常。第四阈值大于等于-20dB且小于等于-40dB。优选的，可设置为-30dB。

若第二光谱的归一化自相干函数曲线中存在弧形包络且其最大值大于第四阈值，则判定Y波导尾纤与光纤环的熔接点异常。重新熔接该熔接点后重复步骤S03、步骤S05、步骤S06直至判定Y波导尾纤与光纤环的熔接点无异常。如图2、3所示，图3为图2的第二光谱的归一化自相干函数曲线图，其存在弧形包络。

Y波导尾纤与光纤环的熔接点的熔接方式可参照步骤S024中光源与分束器尾纤熔接的方法。具体的，先将光源与分束器尾纤从陀螺骨架上拆出，并用酒精擦除器件尾纤上固化的胶粘剂；再将尾纤散开放置6h以上，释放其中的应力；最后将尾纤对轴熔接，对轴误差小于等于1°，并盘装在陀螺骨架上。

步骤S07、响应于Y波导尾纤与光纤环的熔接点无异常，根据所述第二光谱的归一化自相干函数次相干峰的情况对分束器与Y波导之间的熔接点异常进行判断。

具体的，若第二光谱的归一化自相干函数不存在次相干峰或者存在次相干峰但是其峰值小于等于第五阈值，则判定分束器与Y波导之间的熔接点无异常，则光路盘装过程无异常，检测完成。第四阈值大于等于-20dB且小于等于-40dB。优选的，可设置为-30dB。

若第二光谱的归一化自相干函数存在次相干峰但是其峰值大于第五阈值，则判定分束器与Y波导之间的熔接点异常。重新熔接该熔接点后重复步骤S03、步骤S05、步骤S07后直至判定分束器与Y波导之间的熔接点无异常。

分束器与Y波导之间的熔接点的熔接方式可参照步骤S024中光源与分束器尾纤熔接的方法。

本发明提出上述基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法，该方法对光路中的光谱进行检测，并计算归一化自相干函数，其随熔接误差的变化呈单调变化，因此可以准确反映光路的熔接质量。

光谱的归一化自相干函数曲线不仅可以反映出光路中熔接角度的大小，还可以反映出光纤受到的应力、扭转等因素的大小，因此可以更加全面地实现光路盘装质量检测。

光谱归一化自相干函数曲线的基线反映了光纤环中偏振串扰的大小，弧形包络反映了Y波导与光纤环的熔接质量，次相干峰反映了Y波导前端光路的盘装质量。

因此，基于光谱分析的光纤陀螺光路检测方法，首先在不断开任何熔接点的情况下，利用光谱分析仪测量分束器空置端C

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。