1、第1期 毕聪志等：光纤陀螺用保偏光纤温度敏感性测试 7文章编号：光纤陀螺用保偏光纤温度敏感性测试与分析毕聪志，杨纪刚，吴衍记，李丽坤（北京自动化控制设备研究所，北京 100074）摘要：针对高精度光纤陀螺的温度敏感性问题，重点研究了光纤陀螺用保偏光纤温度性能。利用脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术较高的空间分辨率，测量不同温度点光纤的长度变化量，再根据光纤长度随温度的变化量与折射率温度系数的关系，给出光纤的折射率温度系数。试验共测量了8种国内和国外主流保偏光纤的折射率温度系数，测试结果显示，8种光纤折射率温度系数的最大值与最小值之间相差14；某型国内保偏光纤与某型国外保偏光纤的折射率温度系数最小，
2、量值基本相同。这种不同类型的保偏光纤折射率温度系数的差异与光纤纤芯的掺杂元素及掺杂浓度是直接相关的。该项测试技术可在基础材料层面提升光纤陀螺的温度性能；通过折射率温度系数测试，优选出更加适用于光纤环圈制作的保偏光纤，从而减小光纤陀螺温度Shupe效应误差，对于提高光纤陀螺的温度性能具有重要意义。关 键 词：脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术；保偏光纤；折射率温度系数； Shupe效应中图分类号：U666.1 文献标志码：ATemperature sensitivity measurement and analysis of polarization maintaining fiber for FO
3、GBI Cong-zhi, YANG Ji-gang, WU Yan-ji, LI Li-kun(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)Abstract: In view of the problem of temperature sensitivity of high precision fiber optic gyroscope (FOG), the temperature performance of polarization maintaining fiber for FOG is
4、 mainly studied. With the high spatial resolution of pulse pre-pump Brillouin optical time domain analysis, the length variation of fiber in different temperature can be measured, then the temperature coefficient of refractive index of fiber can be obtained. Eight kinds of polarization maintaining f
5、iber for FOG were measured. There is a difference of 14% between the maximum and minimum of temperature coefficient of refractive index; the value is smaller in a domestic and a foreign polarization maintaining fiber. The difference of temperature coefficient of refractive index is directly related
6、to the doping elements and concentration. This technology can be used to improve the temperature performance of FOG by selecting more suitable polarization maintaining fiber for optical fiber coil with the temperature coefficient of refractive index measurement, thereby the Shupe effect error of FOG
7、 can be reduced.Keywords: pulse pre-pumping Brillouin optical time domain analysis; polarization maintaining fiber; temperature coefficient of refractive index; Shupe effect光纤陀螺作为一种新型的全固态惯性仪表，在惯性技术领域有着独特的优势。与传统陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，具有成本低、寿命长、质量轻、体积小等优点。作为干涉式光纤陀螺的核心部件，光纤环的好坏直接影响陀螺的整体性能并制约着光纤陀螺精度的提高。由于温
8、度Shupe效应，当光纤环中一段光纤存在时变温度扰动时，除非这段光纤位于线圈中部，否则由于两束反向传播光波在不同时间经过这段光纤，就会因温度扰动而经历不同的相移，它与旋转引起的萨格奈克相移无法区分，在光纤陀螺中将产生较大的偏置误差，温度漂移成为光纤陀螺中最为棘手的问题。目前，已对光纤陀螺温度特性进行了大量的研究1-3，研究重点基本集中在光纤环的缠绕方法和关于光纤环固化胶与光纤及骨架的匹配等问题上。这些研究取得了很大进展，如采用四极或八极对称绕法提高光纤环对称性，降低其温度敏感性4-5；通过选用与光纤参数相匹配的固化胶以及环圈骨架提高光纤环对时变温度的抗干扰能力6。但针对光纤陀螺用保偏光纤的筛选
9、工作关注较少，一般只对其损耗、消光比等性能指标进行检测，并没有深入研究保偏光纤中与陀螺性能相关的特性，对于光纤陀螺用保偏光纤，尚未形成统一的筛选指标和选用标准。本文根据温度Shupe效应的产生机理，针对其中的关键因素折射率温度系数，采用脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术（Pulse Pre-Pump Brillouin Optical Time Domain Analysis，简称PPP-BOTDA），测试了8种光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数。此方法可用于光纤环绕制前的保偏光纤筛选，从根本上降低光纤环的温度敏感性，提高光纤陀螺对于时变温度的抗扰能力，同时，可作为一种保偏光纤的选用参考指标。这对于
10、中低精度光纤陀螺的批量生产和高精度光纤陀螺的性能提升具有重要意义。1 光纤陀螺温度敏感性分析1.1 温度Shupe效应在光纤陀螺的各构成组件中，光纤环圈是决定光纤陀螺温度性能的关键因素，而光纤环圈的温度性能则可通过温度Shupe效应来分析。光波沿长度为L的光纤传播，当在光纤环某个位置有时变温度扰动时，产生的相位误差为： (1)为光的传播常数；n为有效折射率，为其温度系数；为沿光纤分布的温度涨落。(1)式右边积分号外的相位误差系数包括光在自由空间的传播常数和折射率温度系数，如果减小或者选用折射率温度系数小的保偏光纤来绕环，就可以从整体上减小光纤环的温度敏感性。1.2 折射率温度特性在固定光波长下
11、，光纤折射率n会受到环境温度T及应变状态影响。其关系可以表达为： (2)为折射率温度系数，为折射率应变系数，为零应力状态下温度的折射率。实验中被测光纤处于松散状态，忽略外部应力影响，(2)式简化为： (3)查阅资料可知，光纤折射率温度系数的取值范围一般为()/，其值决定于光纤的掺杂元素及掺杂浓度。2 光纤陀螺用保偏光纤折射率温度系数测量2.1 基本原理光信号在光纤中的传输时延t可表示为 (4)将(4)式整理得 (5)式中为光程，为光纤的折射率，两者都是温度的函数；为光纤长度，由于热膨胀的影响，它也是温度的函数，可以表示为： (6)为线胀系数。由(5)式对温度T求导 (7)将(3)式和(6)式代
12、入(7)式得 (8)(8)式等号两端同时除以得 (9)对于大多数熔融石英来说，其热膨胀系数变化很小，一般/，远小于折射率温度系数，可将(9)式简化为 (10)因此，通过测量被测光纤光程随温度的变化量即可得到折射率温度系数。2.2 PPP-BOTDA技术原理布里渊光时域分析(BOTDA)技术通过对光纤上各点的温度、应变等传感信号定位，实现传感参数沿光纤长度的空间分布情况的测量。如图1，在被测光纤的两端分别注入泵浦光和探测光，泵浦光通过电致伸缩产生声波，反过来，声波调制介质的折射率；泵浦光感生折射率光栅再通过布拉格衍射散射泵浦光，由于以声速移动的光栅的多普勒位移，散射光产生了频率下移，即布里渊频移
13、。当泵浦光频率与探测光频率的差等于布里渊频移时，该区域就会发生受激布里渊增益效应，两束光之间发生能量转移。其中心频移可以表示为 (11)图1 BOTDA原理图Fig.1 BOTDA schematic diagram同时采用脉冲预泵浦技术(Pulse pre-Pump)可得到较高的空间分辨率。在导入脉冲光(泵浦光)之前，加载适当的脉冲预泵浦光，预先激发声子；通过调整脉冲光与预泵浦光的功率比，降低多余的输出功率，减小泵浦光脉宽，空间分辨率可达到厘米量级。表1 NBX-6055PM主要参数Tab.1 The main parameters of NBX-6055PM主要参数标准测量波长15502n
14、m输出消光比15dB最大测量距离25km最小频率扫描步长1MHz空间采样分辨率1cm适用光纤保偏光纤轴向距离测量精度2.5cmNBX-6055PM保偏光纤应力分析仪(见表1)采用PPP-BOTDA技术，通过测量光纤受激布里渊散射光信号得到布里渊中心频率分布，进而可以得到折射率分布，其关系式为： (12)n为折射率，为中心频移，为声速，为光波长。2.3 实验过程及结果分析将被测光纤的两端与保偏光纤跳线熔接，连接到应力分析仪，再将被测光纤放入温箱中，定值保温。根据光纤陀螺工作环境温度变化范围，对被测光纤从-40至80每间隔20进行保温采样，保温1h，在每一个温度点测量光纤长度。求得光纤长度随温度变
15、化率，再根据(10)式，即可得到折射率温度系数。应力分析仪测得的中心频率曲线起始位置是泵浦光输入端跳线的位置，由于跳线衔接位置存在耦合空隙，会产生菲涅尔反射，且远大于背向散射信号，如图2，在曲线的末尾会产生一个较高的尖峰，对其放大后的效果如图3所示，该点就是被测光纤末端跳线的位置，其值就是被测光纤长度。本实验所用跳线长度为1m，且置于温箱外部，对被测光纤的温度性能不会造成影响。图2 某光纤布里渊中心频率曲线Fig.2 Brillouin frequency shift of certain optical fiber图3 光纤终端位置放大曲线Fig.3 The amplified curves
16、 of fiber terminal location本文首先采用快轴对准跳线熔接，对8种不同类型的国内外主流保偏光纤进行测试，包括武汉长盈通光电技术有限公司(长飞)的保偏光纤、46所的保偏光纤、法尔胜光子有限公司的保偏光纤、美国进口的保偏光纤。将测得数据代入(10)式中，且定义L(-40)为光纤长度，得到折射率温度系数为 (13)其测试结果如表2和图4所示。根据测试结果可知，不同光纤的折射率温度系数是不同的。在被测光纤中，国内长飞A型和美国B型保偏光纤折射率温度系数较小；法尔胜A型保偏光纤的折射率温度系数最高为9.4810-6/，美国B型保偏光纤折射率温度系数最低为8.3110-6/，两者的
17、差值约为美国B型保偏光纤折射率温度系数的14%。若仅从光纤折射率温度系数方面考虑，美国B型保偏光纤更适合于高精度光纤陀螺光纤环绕制。光纤折射率温度系数的差异主要决定于光纤的掺杂元素及掺杂浓度。从材料角度分析，光纤的折射率温度系数受到两个相反的因素作用，分别是极化率热系数和热膨胀系数。用公式表示： (14)上式中，代表极化率热系数；代表体膨胀系数，与线膨胀系数有：。根据(14)式，折射率温度系数主要决定于与两个量。对于一般光纤，其膨胀系数很小，因而折射率温度系数主要决定于极化率的热系数，极化率的热系数与极化强度P有关系式： (15)而极化强度P的大小为： (16)式中，Z是单位体积内发生移位电荷
18、的中心个数，q为电子电荷量，d是两极间的位移。石英晶体中掺入不同元素和不同浓度的杂质将直接导致其原子种类与键合类型变化，晶体结构的变化改变了Z和d的值，从而改变了P值，因此掺杂元素和掺杂浓度决定了极化率的热系数，进而决定了光纤的折射率温度系数。实验中的被测光纤分别是来自不同厂家、不同批次的保偏光纤，其数值孔径及制作工艺各不相同，采用了诸如化学气相沉积法、等离子体气相沉积法等，光纤中掺杂元素和掺杂浓度存在较大的差异，因而其折射率温度系数各不相同。表2 光纤长度变化及折射率温度系数Tab.2 The length change and temperature coefficient of refr
19、active index of fibers温度/()光纤长度/(m)长飞A长飞B长飞C46所法尔胜A法尔胜B美国A美国B801520.902043.461268.371489.241012.471008.891057.542067.12601520.682043.131268.171489.031012.291008.721057.332066.73401520.452042.821267.991488.831012.141008.581057.192066.40201520.202042.471267.781488.571011.941008.401057.022066.0801519.9
20、42042.091267.551488.261011.751008.211056.852065.76-201519.662041.691267.271487.961011.541008.011056.662065.41-401519.372041.331267.011487.641011.321007.821056.452065.06折射率温度系数/(10-6/)8.398.698.948.969.488.858.608.31图4 不同光纤长度随温度变化曲线Fig.4 The length change curves with temperature of different fibers从图
21、4可以看出，除了美国B型保偏光纤外，其他光纤都以40左右为分界，其长度随温度变化曲线存在明显的转折，且低温段斜率比较大。这种现象是由于：保偏光纤涂覆层与石英纤芯的热膨胀系数不同，一般涂覆层比光纤纤芯的热膨胀系数高出1到2个量级，在升温过程中，涂覆层与纤芯的线膨胀不一致，涂覆层的形变比纤芯更大，沿光纤轴向对纤芯会产生剪应力，带动纤芯拉伸，起到温度增敏的作用，但由于涂覆层一般为高分子材料，当温度达到转折温度时，涂覆层发生相变，对纤芯的应力作用变得更大。实验结果显示，石英光纤折射率应变系数为7，根据(2)式，受光纤内部应力作用的影响，测量结果显示的折射率温度系数会有所减小，就出现了高温段的转折现象。
22、而美国B型保偏光纤的外径在被测光纤中是最小的，只有125um，涂覆层厚度最小，对纤芯的温度特性影响最小，因而表现出较好的线性度。综合以上分析可知，美国B型保偏光纤由于光纤涂覆层厚度小，折射率随温度的变化线性度较好，更适合用于绕制光纤传感环圈，可以简化光纤陀螺的温度补偿模型，减小标度因数非线性度，但是减小光纤涂覆层厚度也会带来抗干扰能力下降等问题，在选用时还要综合考虑。本实验还对其中部分光纤采用慢轴对准方式熔接，测得另一轴的折射率温度系数，对比结果如表3。表3 光纤快、慢轴折射率温度系数Tab.3 The temperature coefficient of refractive index i
23、n fast and slow axises of fibers折射率温度系数/(10-6/)长飞A46所美国A美国B快轴8.398.968.608.31慢轴8.679.078.808.19由表3可知，保偏光纤快慢轴折射率温度系数差别不大，最大变化量仅有3%。这一结果表明，在掺杂元素和掺杂浓度相同时，保偏光纤折射率温度系数基本一致。在光纤陀螺设计过程中确定保偏光纤快轴或慢轴作为光信号传输轴时，可以不考虑折射率温度系数的问题。3 总结本文针对目前光纤陀螺的温度性能问题，介绍了一种应用PPP-BOTDA技术进行光纤陀螺用保偏光纤的折射率温度系数测试的方法。结果表明，不同的掺杂元素和掺杂浓度，保偏光
24、纤折射率温度系数也不相同，通过此方法，可筛选出温度性能更好的保偏光纤用于光纤传感环圈制作，能够有效降低光纤环的温度敏感性。在被测光纤中，折射率温度系数最小的美国B型保偏光纤，较最大值小14%，如果仅考虑此参数，则美国B型保偏光纤最适用于光纤陀螺，但是，实际应用中还要综合考虑光纤损耗、消光比等参数，寻求各个参数间的最优选择。保偏光纤的折射率随温度的变化并非是完全线性的，这与光纤涂覆层和纤芯的热膨胀系数不匹配有关。选取线性度较好的光纤对于简化光纤陀螺的温度补偿模型和减小标度因数非线性度具有重要作用。实验数据显示，同一保偏光纤快慢轴之间折射率温度系数差别不大，仅有3%的变化量。本文的研究结果对于中低
25、精度光纤陀螺批量化生产中的原材料筛选，以及高精度光纤陀螺精度的提高具有很高的参考价值。尤其对精密级光纤陀螺的研究，意义更为显著。后续可模拟保偏光纤实际应用状态，测试不同应力作用下光纤折射率温度系数的差别。参考文献（References）：1 Yuan Y, Li S, Xin G. Temperature Compensation Research of Zero Drift on Fiber-optic GyroscopeJ. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2011, 4: 063. 2 Huang Y X,
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