一种光纤陀螺温场零偏性能的检测方法与流程

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺温场零偏性能的检测方法。

背景技术：

光纤陀螺仪作为全新一代全固态惯性仪表，基于萨格纳克工作原理，感测装载物体沿其敏感轴向的旋转角速率信息。光纤陀螺仪的发展不仅依赖于精密的系统架构设计和精益的信号处理工艺，还得益于光纤通信及光学波导等基础工艺研究的快速发展。相比上一代机械陀螺仪，成熟的光纤陀螺仪具有长寿命、轻重量、低功耗、低成本、易加工等固有优势，在航空、航天及航海等国防领域均具有广阔应用前景。在航空工业方面，光纤陀螺仪将逐渐替代上一代机械陀螺仪，逐渐装备到各类航空器的惯性导航及姿态稳定平台中。

由于机载航空器在实际应用过程中，通常经历快速温变、极端高低温等外界环境因素的输入，致使闭环光纤陀螺的应用性能严重劣化。所以，闭环光纤陀螺的温场零偏指标已经成为评价其实用性、可靠性的重要参数，将决定机载惯导系统的实际工作水平。前期工程研究人员认为，光纤敏感环材料在温变环境中的热胀冷缩及光弹效应，必然导致闭环光纤陀螺温变性能劣化，并采用双极及其幂对称等特殊方式绕制敏感环，致力于同时提高光纤敏感环位置坐标、快轴有效折射率及其温度系数、周向应变及环境温度相对其绕制中点的对称性，实现消除闭环光纤陀螺温变误差的目的。但是，在实际工程化过程中，由于材料选型及工艺波动，比如保偏光纤涂层厚度波动、保偏光纤涂层强度参量波动、绕环张力波动、绕环胶加注量波动、绕环胶固化条件波动等，使得上述光纤敏感环绕制方式并不能完全解决闭环光纤陀螺温变零偏问题，仍然出现形态失控、不同程度的性能劣化。

针对上述多影响因素导致闭环光纤陀螺温变零偏劣化的实际工程化难题，国内外光纤陀螺厂商均致力于建立一种闭环光纤陀螺温变零偏的准确测量及评价体系，将各种温变零偏不利因素的影响量级定量隔离。国外这部分工作开展较早，在较早的公开发表文献专利上，着重针对光纤敏感环所处温场对闭环光纤陀螺的温变零偏影响进行定量隔离，并提出工程化解决方案，但是并没有考虑光弹效应的影响，模型缺乏准确性。近几年，国外已将光弹效应考虑进去，但是复杂的有限元分析极大地增加分析的工作量。

综上所述，多因素输入导致光纤敏感环的温变性能劣化机理复杂，急需一种直接的、简便的检测手段来定位每种因素对光纤敏感环温变零偏的影响趋势及相对量级，从而理清思路、分步分块不断提升闭环光纤陀螺的温变性能。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种闭环光纤陀螺温场零偏性能的检测及评价方法，用以解决现有方法准确性低，工作量大、复杂性高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供一种光纤陀螺温场零偏性能的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤S1.测量出一连续时间段内光纤材料的分布式布里渊频移变化量Δν_b和分布式瑞利频移变化量Δν_r；

步骤S2.根据上一步测量得到的分布式布里渊频移变化量Δν_b和分布式瑞利频移变化量Δν_r，计算出连续时间段内光纤材料的分布式温度变化量ΔT及分布式周向应变变化量Δε_z；

步骤S3.根据光纤材料各组成成分的材料参量及几何参量，以及上一步计算得到的分布式周向应变变化量Δε_z，计算出连续时间段内光纤材料的分布式径向应变变化量Δε_r；

步骤S4.根据步骤S2中计算得到的分布式温度变化量ΔT，分布式周向应变变化量Δε_z，以及步骤S3中计算得到的分布式径向应变变化量Δε_r，解算出连续时间段内光纤陀螺的温变零偏变化量ΔΩ；

步骤S5.获取起始时刻对应的零偏值Ω₀，根据步骤S1～S4得到得到连续时间段内的温变零偏变化量，获得在经过上述连续时间段后的零偏值Ω₀+ΔΩ；

步骤S6.重复步骤S1-S5，计算经过多个连续时间段的零偏值的标准差，将标准差作为光纤陀螺的检测指标，以检测光纤陀螺温场零偏性能。

优选的，分布式布里渊频移变化量Δν_b采用基于BOTDA原理的设备测量得到；所述分布式瑞利频移变化量Δν_r采用基于COTDR原理的设备测量得到。

优选的，光纤材料的分布式温度变化量ΔT及分布式周向应变变化量Δε_z采用以下公式计算：Δν_b＝B₁₁Δε_z+B₁₂ΔT；

Δν_r＝R₁₁Δε_z+R₁₂ΔT；

其中，B11、B12、R11、R12为常数。

优选的，分布式周向应变变化量Δε_z和分布式径向应变变化量Δε_r采用有限元分析方法进行计算。

优选的，材料参数包括杨氏模量、泊松比和线性热膨胀系数；几何参量包括包层直径、内涂覆层直径和外涂覆层直径。

优选的，温变零偏变化量ΔΩ的解算公式为：

其中，n代表光纤材料有效折射率，L代表光纤环长度，R代表光纤环平均半径，代表光纤材料有效折射率的温度系数，A、B代表光弹系数，z代表光纤环上每一微元段光纤材料的周向坐标。

优选的，将检测指标低于0.01°/h的光纤陀螺标记为性能稳定的光纤陀螺。

本发明有益效果如下：

本发明能够直接、简便地定位材料选型、工艺波动等因素对光纤温变零偏的影响趋势及相对量级，进而提高光纤陀螺在快速温变、极端温度条件下的应用性能水平；还能够有效降低光纤陀螺研制成本，缩短光纤陀螺研制周期。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为光纤陀螺温场零偏性能的检测方法流程图；

图2为基于BOTDA原理的设备测量得到的分布式布里渊散射频移量曲线；

图3为光纤材料的分布式周向应变曲线；

图4为光纤材料的分布式径向应变曲线；

图5为光纤陀螺的温变零偏变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种光纤陀螺温场零偏性能的检测方法，流程图如图1，包括以下步骤：

步骤S1.首先基于光纤材料的布里渊散射现象，测量出一连续时间段内光纤材料的分布式布里渊频移变化量Δν_b，

基于光纤材料的瑞利散射现象，测量出同一连续时间段内光纤材料的分布式瑞利频移变化量Δν_r。

沿光纤材料传输的光子与光纤材料热噪声产生的声子的相互作用产生布里渊散射现象，光纤材料的折射率波动产生瑞利散射现象。由于光纤材料的布里渊频率偏移及瑞利频率偏移，与光纤材料的杨氏模量、泊松比、密度及有效折射率相关；所以当光纤感受到外界温度变化时，其不同位置的杨氏模量、密度及有效折射率发生变化，同时外界温度导致光纤材料产生热胀冷缩，形成光纤的周向应变。这种周向应变通过光弹效应同样使光纤材料不同位置的密度及有效折射率发生变化，可以通过有限元等方法，计算光纤材料在温变环境中以上各物理参量的变化情况，确定此时间段内的光纤材料的分布式布里渊散射频移量及分布式瑞利散射偏移量。

任意时间段内的光纤材料的分布式布里渊频移变化量，可以通过基于BOTDA(Brillouin optical fiber time domain analysis，布里渊光纤时域分析)原理的设备测量得到。任意时间段内的光纤材料的分布式瑞利频移变化量可以通过基于COTDR(Correlation Optical Time Domain Reflectometer，相关光时域反射仪)原理的设备测量得到。

附图2为通过基于BOTDA原理的设备测量得到的任意时间段内的光纤材料的分布式布里渊散射频移量曲线，同样的可以通过基于COTDR原理的设备测量得到的任意时间段内的光纤材料的分布式瑞利散射偏移量曲线。

步骤S2.根据测量得到的光纤材料的分布式布里渊频移变化量Δν_b、分布式瑞利频移变化量Δν_r，计算出上述连续时间段内光纤材料的分布式温度变化量ΔT及分布式周向应变变化量Δε_z。

优选的，光纤敏感环材料的分布式布里渊频移变化量Δν_b、分布式瑞利频移变化量Δν_r、光纤敏感环材料所处环境的温度变化量ΔT及分布式周向应变变化量Δε_z，四个参量之间的定量关系如下式：

Δν_b＝B₁₁Δε_z+B₁₂ΔT

Δν_r＝R₁₁Δε_z+R₁₂ΔT

根据上式计算ΔT和Δε_z。其中，B₁₁、B₁₂、R₁₁、R₁₂为常数，实施例中的具体取值为：B₁₁＝5×10^-5GHZ/με，B₁₂＝1.07×10^-3GHZ/℃，R₁₁＝-0.15GHZ/με，R₁₂＝-1.25GHZ/℃。

图3为通过上述计算方法，得到的任意时间段内的光纤材料的分布式周向应变曲线。

步骤S3.根据光纤材料各组成成分的材料参量及几何参量，以及上一步计算得到的光纤材料的分布式周向应变变化量Δε_z，计算出上述连续时间段内光纤材料的分布式径向应变变化量Δε_r。

以单模光纤为例进行说明，单模光纤的组成成分包括包层，内涂覆层和外涂覆层，其中内涂覆层包裹在包层外面；外涂覆层包裹在内涂覆层外面；包层、内涂覆层和外涂覆层呈现同心圆结构。

优选的，光纤材料各组成成分的材料参数包括每种材料的杨氏模量，泊松比和线性热膨胀系数；光纤材料各组成成分的几何参量包括包层直径，内涂覆层直径和外涂覆层直径。

优选的，分布式径向应变变化量Δε_r可以通过有限元分析方法进行计算。例如：光纤材料的周向应变变化量Δε_z＝50ppm时，通过有限元分析方法解算出的径向应变变化量为Δε_r＝-10ppm。

图4为通过上述计算方法，得到的任意时间段内的光纤材料的分布式径向应变曲线。

步骤S4.根据步骤S2中计算得到的光纤材料的分布式温度变化量ΔT，分布式周向应变变化量Δε_z，以及步骤S3中计算得到的分布式径向应变变化量Δε_r，解算出上述连续时间段内光纤陀螺的温变零偏变化量ΔΩ。解算公式如下：

其中，n代表光纤材料有效折射率，L代表光纤环长度，R代表光纤环平均半径，代表光纤材料有效折射率的温度系数，A、B代表光弹系数，z代表光纤环上每一微元段光纤材料的周向坐标。

图5为通过上述计算方法，得到的任意时间段内的光纤陀螺的温变零偏变化曲线，值得注意的是，每一组图2、图3、图4所表示的内容，仅对应图5中的任意一点。

步骤S5.获取连续时间段的开始时刻(起始时刻)对应的零偏值，记为Ω₀，该零偏值通常是指地球转速的北向分量；根据步骤S1～S4的计算得到连续时间段内的温变零偏变化量，获得在经过上述连续时间段后的零偏值Ω₀+ΔΩ。以此类推，可以得到任意多的连续时间段之后的零偏值。

步骤S6.采用步骤S5的方法，计算多个零偏值，每个零偏值对应不同长度的连续时间段，不同长度的连续时间段则对应不同的温变零偏变化量ΔΩ；进一步计算上述多个零偏值的标准差，将标准差作为光纤陀螺的温变零偏稳定性指标，以检测光纤陀螺温场零偏性能。该项指标指示光纤陀螺的温变性能优劣程度。实施例中，以惯导级光纤陀螺为例，优选的，将温变零偏稳定性指标低于0.01°/h的光纤陀螺标认定为温场零偏性能稳定的光纤陀螺，记为温变零偏稳定性高的光纤陀螺。

综上所述，本发明实施例提供了一种光纤陀螺温场零偏性能的检测方法，能够直接、简便地定位材料选型、工艺波动等因素对光纤温变零偏的影响趋势及相对量级，从而理清思路、分步分块不断提升光纤陀螺的温变性能，提高光纤陀螺在快速温变、极端温度条件下的应用性能水平。此外，本发明由于避免没有理清解决光纤陀螺温变性能的思路、导致的工艺反复修正现象，能够有效降低光纤陀螺研制成本，缩短光纤陀螺研制周期。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。