BOTDA光纤传感技术在光纤环圈质量评估中的应用

韩正英，高业胜，赵 耀

引言

光纤环圈是光纤陀螺的敏感核心元件，其绕制工艺和质量直接决定了光纤陀螺的传感精度和性能。因此对光纤环圈性能的评价和改进对研制高精度光纤陀螺有着重要意义。正是由于光纤环圈性能影响甚至制约了光纤陀螺的精度，国内外光纤陀螺研制和生产厂家均对光纤环圈的性能进行测试，并处于保密状态。就目前已公开的资料可知，在光纤环的生产测试中，在线评价其绕制质量可以在生产出成品陀螺前有效地监测和控制光纤环的绕制质量，对于提高成品陀螺的精度和生产效率有着重大意义［1－5］。

光纤环圈性能下降的影响因素很多，大体可分为光纤本征因素（结构缺陷、非线性效应、克尔效应等）和非本征因素（应力和温度梯度）［6－7］。这些均会引起光纤环互易性、偏振特性、插入损耗以及可靠性等性能的恶化，在光路中形成噪声，对光波相位产生影响，最终降低光纤陀螺精度。因此在光纤环的绕制过程中和光纤成环后对光纤环圈的质量进行测试评估。目前对光纤环圈质量的评价仅限于检测损耗、消光比等整体性技术指标，无法得到光纤环圈内部应力分布和可能存在的缺陷等情况，无法直接监控绕制过程对光纤性能的影响。对光纤环圈成环质量的评估，较传统的方法是利用布里渊光学时域反射计BOTDR（Brillouin optical time domain reflectometer）检测光纤环的应力分布［8－10］，但该方法空间分辨率（一般在 m级别）和传感灵敏度较低，难以实现在线精确监测光纤环质量。此外近些年来天津大学姚晓天教授课题组采用偏振串扰分析的方法对光纤环的质量进行评估［11－12］，针对光纤环绕制过程中出现的串扰现象提出了相应的解决方案。但该方法本底噪声较大，不能直观地描述光纤环内部的应力分布情况，难以对绕环工艺进行改进。

针对上述两种方案的不足，提出采用基于BOTDA技术的光纤应力分析仪对光纤环的应力分布进行测试。布里渊散射式光纤应力分析仪空间分辨率和测试灵敏度都比较高，而且测量长度满足FOG光纤环要求，实现了光纤环的在线质量检测、光纤环分布式检测以及热应力检测。

1 BOTDA光纤传感技术

BOTDA的测试原理是基于光在光纤传输过程中的布里渊散射效应，由光纤中的光学光子与光纤中声学声子发生非弹性碰撞产生的。布里渊散射过程可描述为泵浦波和斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用，泵浦波通过电致伸缩效应产生声波引起介质折射率的周期性调制，后向散射光产生多普勒频移。设入射光频率υ0，布里渊频移υB满足关系式：式

中υA为光纤材质的声速，受热光效应和弹光效应的调制，可描述为温度T和应变ε的函数，则布里渊频移经转换运算可表述为［13－14］

这样布里渊频移就变成了温度和应变的函数，研究表明布里渊频移与光纤的温度和应变成正比，可表示成：

布里渊频移的变化量与应变成线性关系，只要测得后向布里渊散射光的频移差，就可得到光纤某点处的应变大小，进而了解整个光纤的受力情况。基于上述原理的BOTDA光纤传感系统如图1所示。分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续探测光注入光纤，当泵浦光（频率为υ1）和探测光（频率为υ2）的频差与光纤中某区域的布里渊频移υB相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊散射），称之为布里渊受激放大作用，两光束之间发生能量转移。监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率差，从而得到温度、应变信息，实现光纤的分布式测量。

图1 BOTDA应力分析仪原理示意图Fig.1 Schematic of BOTDA strain analyzer

光纤环应力分布测试平台组成如图2所示。主要有待测光纤环圈、光纤应力分析仪、高低温箱、计算机控制系统及配套光学器件等。光纤应力分析仪由Neubrex公司生产提供。基本功能是通过预泵浦技术激发光纤材质中光学声子，后向探测器探测受激布里渊散射SBS谱线，进行光纤环的布里渊散射频率测试，完成光纤环的应力分布测试。

图2 基于BOTDA的光纤环应力分布测试平台Fig.2 Strain distribution test platform of fiber coil based on BOTDA

2 光纤环圈应力分布测试

根据光纤应力分析仪的原理，BOTDA光纤应力分析仪测试功能主要体现在以下几个方面：

1）对光纤环圈质量进行在线检测，避免绕环机绕环张力施加的不均匀；

2）对成环后光纤环圈的热应力性能进行测试，验证光纤环圈的温度性能；

3）对光纤环骨架对光纤应力分布的影响进行测试，为光纤陀螺后期的骨架材料筛选提供直观可靠的数据。

2.1 光纤环在线检测

光纤环的绕制过程中需要确保绕制后环圈光学性能稳定，因此对光纤环固有缺陷的检测和绕制张力的在线监控是极其必要的。此外，光纤环采用特殊的绕制工艺来消除shupe效应，需要保证环圈在绕制过程中关于光程中点对称。因此光纤环的在线检测主要包括光纤环圈的绕制对称性检测、光纤环固有缺陷检测及绕制张力检测3个方面。

在保偏光纤环的绕制过程中，如何控制作用于保偏光纤上的外力是个难题，到目前为止还不能实现零张力情况下绕制保偏光纤环，所以在绕制过程中要控制作用于保偏光纤上的张力，一般不宜过大，应控制在适当的范围以内。采用基于BOTDA技术的光纤应力分析仪，可以通过检测光纤环的应力分布来反映出绕制张力。如果施加应力不均匀，会出现应力尖峰现象。还可以通过检测应力分布曲线的整体分布，反映光纤环关于光程中点对称分布情况及光纤固有缺陷的检测。以此设定合理的绕制张力及后期工艺改进。

如图3所示，通过分析绕环过程可知，这些尖峰主要出现在换层点处，但并不是所有的换层点处都有尖峰产生，产生尖峰的换向点处应力大小也不一定相同。这些奇点产生的原因主要是在换向点保偏光纤有微弯产生，这些应力尖峰幅度大小有时还随着温度的不同而变化，这使得光纤环的结构互易性变差，在陀螺上表现为陀螺零偏稳定性变大；另外在绕环过程中由于人的干扰因素较大，出现较大尖峰也不排除人的因素。这些在换向时引入的应力尖峰，造成了保偏光纤环在结构上产生非互易性，从而对保偏光纤环的性能造成较大的影响，通过用陀螺实际验证会发现光纤陀螺零偏稳定性差。为此需要对绕环工艺进行控制，保证成环后光纤环应力分布均匀、无应力尖峰。此外，光纤环的应力分布整体对称性较好（如图3、图4所示），表明光纤环绕制过程中光程中点控制良好。应力分布曲线末端有轻微上扬的趋势主要是泵浦光能量在传输过程中有所衰减，可以通过后期的理论补偿进行修正。

图3 早期光纤环应力分布曲线上明显的换层尖峰Fig.3 Apparent layer spike appearance of early fiber coil strain distribution

图4 改进绕环工艺后的光纤环应力分布曲线Fig.4 Strain distribution of fiber coil with circling process improvement

通过光纤环在线检测，能够及时发现应力尖峰及换层现象，对光纤重新退绕。经过工艺改进，重新绕制并改善了绕制质量，如图4所示，已没有明显的应力尖峰现象。由图3、图4可知，通过对光纤环圈的应力分布测试，可以发现绕环过程中的固有缺陷，通过及时的改进绕环工艺和张力控制，能够有效消除光纤环存在的换层和应力尖峰效应。

2.2 光纤环的热应力检测

光纤成环后由于胶层、光纤和骨架的物理特性差异，由温度变化引起的热应力会使光纤、骨架和胶层之间发生挤压或收缩，从而造成光纤环性能的下降，最终影响陀螺的性能。因此，在光纤环成环后需要对光纤环的热应力进行检测。文章模拟陀螺性能测试环境，设计温度激励实验，对－40℃～60℃温度范围内的光纤环进行热应力检测，整个温度激励曲线如图5所示。测试不同环境温度下光纤环的应力分布。根据应力分布曲线的变化对整个光纤环圈的温度特性做出相应的评估。设定变温速率为2℃／min，温度激励方程为

图5 温箱温度激励曲线图Fig.5 Temperature excitation graph of incubator

实验结果如图6所示：常温下（20°时）光纤环的应力分布曲线较为平坦，随着温度上升到60°，光纤环应力分布曲线呈现“V”字型。当温度下降到－40°时，应力分布曲线呈现“Λ”字型。这是由于当温度上升时，胶层和光纤之间相对膨胀，物理意义上对光纤产生拉伸，反映在图中就是应力分布曲线整体抬升。当温度下降，胶层和光纤之间相对收缩，导致光纤之间相对收缩拉紧，应力分布曲线整体下降。此外，光纤环圈外层最先感知温度的变化，里层也即光学中点处是最后感知温度变化，反映在应力曲线上就是当温度上升时，两端的应变首先感知温度场的变化，应力上扬，整体应力分布呈现“V”字型。当温度下降时，光纤环两端应力下滑，整体应力分布曲线呈现“Λ”字型。由环境温度变化造成光纤环应力分布曲线变化的不一致会造成光纤环非互易性变差，给后期陀螺零偏的理论补偿带来难度。

图6 早期光纤环的热应力测试曲线Fig.6 Early thermal strain distribution of fiber coil

为了减少由温度引起的热应力对光纤环性能的影响，项目中通过对固胶工艺的改进和温度控制，重新绕制光纤环圈进行热应力检测。结果如图7所示，光纤环应力分布曲线随温度的变化整体抬升或下降，消除了早期光纤环中应力分布曲线随温度变化而出现的“V”字型现象。

图7 改进工艺后下光纤环的热应测试曲线Fig.7 Thermal strain distribution of fiber coil with circling process improvement

此外，光纤陀螺光纤环绕制中采用了特殊的四级对称绕法，要求光纤环沿光学中点对称分布。因此在光纤环的热应力测试过程中，既要分析温度变化造成应力分布曲线的变化，也要分析不同温度下应力分布的对称性。以图7为例，常温状态下光纤环的整体应力分布曲线整体对称，互易性较好。随着温度的变化，各换层间的应力变化较大，但也整体关于光学中点对称，整个温度变化过程中光纤环的应力分布曲线整体对称，说明光纤环的热应力性能较为良好。通过对光纤环热应力分布的测试，能够对整个光纤环圈的温度性能进行测试评估，也能对后续胶层的性能进行定性分析。

2.3 光纤骨架对光纤环应力分布的影响

实验主要针对光纤骨架对光纤环应力分布造成的影响进行测试。采用国内某知名保偏光纤生产厂家绕制的有骨架、无骨架光纤环圈进行了相应的实验。实验中共设计了两组实验，在高低温环境下对有、无骨架结构的光纤环圈的应力分布进行了测试实验。实验结果如图8、图9所示，图8是无骨架光纤环圈在不同温度情况下的应力分布状况，图9是无骨架光纤环圈在不同温度情况下的应力分布状况。实验结果表明，无论有无骨架，光纤环应力曲线均对称均匀分布，无大的应力尖峰和换层现象。其中无骨架结构的光纤环应力分布对称性更好，随着温度的变化，应力分布曲线形状相对稳定。这是由于光纤骨架一般由铝制品制作而成，和光纤的膨胀系数不一致。在高低温实验中，存在“刚－柔－刚”转换效应，额外增填了骨架的不确定因素，造成光纤环乃至整体陀螺性能的下降。但在具体使用中，有骨架光纤陀螺的防震性更好，需要对陀螺的整体性能进行全盘考虑。对光纤环骨架材料和有无骨架的选择，需要更具体详实的实验和数据来分析验证，针对不同测试环境要求区别对待。

图8 无骨架光纤环应力分布测试Fig.8 Strain distribution test of fiber coil with skeleton structure

图9 有骨架光纤环应力分布测试Fig.9 Strain distribution test of fiber coil with skeleton－free structure

3 结论

文章提出了采用BOTDA光纤传感技术对光纤环圈的质量进行评估的方法，对影响光纤环圈质量的应力分布进行了测试。实验结果表明，基于BOTDA的光纤传感技术能有效地检测整体光纤环的应力分布，及时发现光纤应力尖峰和光纤换层现象，了解有无骨架和热应力作用对光纤环性能的影响。在消除光纤应力尖峰、对成环后光纤环圈的质量进行评估有着重要的意义。

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