一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法

文档序号:10684425阅读:459来源:国知局
一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法,用于干涉式光纤陀螺技术领域。本发明首先提供了一种改进的随机游走系数预测模型,该模型中可通过代入辐射环境参量,直接计算空间辐射条件下的随机游走系数;然后基于随机游走系数预测模型,在辐射条件下对光源功率、光纤长度、调制相位三个参数进行裕度设计,实现干涉式光纤陀螺的随机游走系数的降低。本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构,在不添加任何额外器件的条件下即可降低光纤陀螺的随机游走系数,使空间用光纤陀螺在全寿命周期内满足系统对陀螺随机游走性能的要求,达到主动抗辐射的目的,具有较高的可靠性,并降低了干涉式光纤陀螺整体的体积和功耗。
【专利说明】
一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及干涉式光纤陀螺技术领域,具体涉及一种基于随机游走系数预测模型 的干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法。
【背景技术】
[0002] 干涉式光纤陀螺是一种低功耗、高可靠、高精度的光学测量仪器,利用光纤环敏感 待测角速度,产生相位差,具有无运动部件、动态范围大、寿命长、抗冲击、耐过载等优点,可 广泛应用于航天领域。图1是典型的干涉式光纤陀螺的结构示意图,主要包括光源、耦合器、 Y波导、光纤环、探测器和信号处理装置。空间环境中干涉式光纤陀螺受空间辐射影响较大, 造成光纤损耗增加、光源功率下降以及探测器响应度降低,从而导致干涉式光纤陀螺性能 劣化,表现在陀螺随机游走系数增大及输出信号偏置漂移。虽然空间校准可以对大部分的 长期偏置漂移进行补偿,但无法降低陀螺的随机游走系数,导致空间工作的光纤陀螺的精 度随时间劣化,无法满足空间辐射环境下卫星对陀螺长寿命、高可靠性的需求,因此需要对 陀螺进行抗辐射及冗余设计。
[0003] 目前针对干涉式数字闭环光纤陀螺的抗辐射设计方法主要集中于掺杂杂质离子 法、光褪色心法等光纤的被动加固技术,但在实际工程应用中,加固技术存在成本高不利于 批量化生产、抗辐射能力弱不利于空间应用,额外的器件造成干涉式光纤陀螺体积和功耗 升高,可靠性降低等问题。

【发明内容】

[0004] 针对现有问题,本发明设计了一种不需要额外增加器件的干涉式数字闭环光纤陀 螺的主动抗辐射设计方法。本发明方法基于随机游走系数预测模型,通过在辐射条件下对 光源功率、光纤长度、调制相位三个参数进行裕度设计,使空间用光纤陀螺在全寿命周期内 满足系统对陀螺随机游走性能的要求。
[0005] 本发明提供的一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法,首先提供一种 改进的随机游走系数预测模型,如下:
[0006]
[0007]其中,RWC表示光纤陀螺的随机游走系数,A表示光波长,c表示光在真空中的传播 速度,L表示光纤环长度,D表示光纤环直径,e表示电子电荷,巾表示方波调制相位,n表示探 测器的响应度,Po表示耦合入光路的光源功率,A v表示光源频谱带宽,^表示探测器暗电 流,k表示波尔兹曼常数,T表示绝对温度,R表示探测器跨阻,&表示光纤环的内部损耗,A c表 示由光纤耦合器、集成光路和熔接部分所产生的全部光路损耗;q、b、f是常数,d是辐射剂 量,r是辐射剂量率。
[0008] 其次,在陀螺的生产过程中,针对参数光源功率Po、光纤环长度L及调制相位(i)进 行裕度设计,实现干涉式光纤陀螺的随机游走系数的降低。
[0009] 根据空间辐照条件下光纤环长度L的函数表达式= LI0 1 1 M ,求解函 数极值对光纤环长度进行裕度设计,得到最优光纤环长度UP。
[0010] 对光源功率和调制相位进行裕度设计,包括步骤(1)~步骤(4);
[0011]步骤(1)将计算得到的最优光纤环长度UdP空间辐照参数r、d代入改进的随机游 走系数预测模型,得到光源功率和调制相位关系表达式,并进行多项式拟合;
[0012] 步骤(2)将设定的光源功率Po的初始值代入拟合的多项式中,求解最优调制相位;
[0013] 步骤(3)设Max (RWC)为当前满足空间任务的随机游走系数的最大值,如果Max (RWC)大于或等于干涉式光纤陀螺正常运行所需随机游走系数RWC q,执行步骤(4);如果Max (RWC)小于RWCq,此时随机游走系数满足空间任务要求,结束本方法;
[0014] 步骤(4)增加光源功率,代入拟合的多项式中求解最优调制相位,再进入步骤(3) 执行。
[0015] 本发明的优点在于:
[0016] (1)本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构,在不添加任何额外器件的条件下即 可降低光纤陀螺的随机游走系数,进而达到主动抗辐射的设计目的;
[0017] (2)提出了一种新型随机游走系数模型,并基于该模型,通过参数裕度设计的方 法,满足了光纤陀螺全寿命周期内对随机游走性能的要求;
[0018] (3)本发明不需要添加额外的抗辐照器件,既有较高的可靠性,也降低了干涉式光 纤陀螺整体的体积和功耗。
【附图说明】
[0019] 图1是典型的干涉式光纤陀螺的结构示意图;
[0020] 图2是本发明基于新型随机游走系数模型的参数裕度设计流程图;
[0021] 图3是采用本发明主动抗辐射方法和未采用抗辐射方法的实验用干涉式光纤陀螺 随机游走系数对比图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0023] 光纤陀螺的随机游走系数(RWC)由散粒噪声、光源强度噪声、探测器负载电阻的热 噪声以及探测器暗电流噪声构成,采用方波调制的干涉式数字闭环光纤陀螺的随机游走系 数RWC可以表示为:
[0025] 其中,k表示波尔兹曼常数,T表示绝对温度,e表示电子电荷,A v表示光源频谱带 宽,A表示光波长,c表示光在真空中的传播速度,R表示探测器跨阻,Id表示探测器暗电流,L 表示光纤环长度,D表示光纤环直径,巾表示方波调制相位,I为到达探测器的光电流,可以 表示为:
[0027] 其中,P〇表示耦合入光路的光源功率,n表示探测器的响应度,A表示光纤环的辐射 致衰减,仏表示光纤环的内部损耗,A。表示由光纤耦合器、集成光路和熔接等其他部分所产 生的全部光路损耗。已知光纤环中的辐射致衰减与辐射剂量和辐射剂量率之间关系如下:
[0028] A = qrbdf (3)
[0029]其中,q、b、f是常数,d是辐射剂量,r是辐射剂量率。将表达式(2)和(3)代入式(1) 中,得到一种新型随机游走系数模型,如公式(4)所示,该模型描述了干涉式光纤陀螺随机 游走系数在辐射条件下的变化规律。
[0030]
[0031] 空间辐射对随机游走系数的主要影响是增加光纤环损耗,因此将已知的光纤辐射 敏感参数q、b、f?和辐射环境参量r、d代入公式(4),即可得到陀螺在辐射环境下的随机游走 系数。其中,辐射环境参量r、d可根据轨道高度、有效放射时间和等效铝球防护罩厚度估算 得到。
[0032] 相对现有公式(1),本发明提供的公式(4),给出了干涉式光纤陀螺在空间辐射环 境下随机游走系数的表达式,并可通过代入辐射环境参量,直接计算空间辐射条件下的随 机游走系数。
[0033] 传统的干涉式光纤陀螺主要受到散粒噪声和光源强度噪声的影响。空间辐射造成 光纤环损耗增加,从而引起散粒噪声的增加,并最终导致光电探测器检测到的光功率过小。 从式(1)可以看出,干涉式光纤陀螺中的光源强度噪声与光纤损耗无关。因此,根据公式(4) 提出的新型随机游走系数模型,空间辐照条件下干涉式光纤陀螺的随机游走系数主要受参 数q、△ v、D、AP〇、L和巾的影响,其中在陀螺的生产过程中,针对参数光源功率PQ、光纤环长度 L及调制相位巾进行裕度设计,可实现干涉式光纤陀螺的随机游走系数的降低。
[0034] 本发明提供的基于随机游走系数预测模型的干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐 射设计方法,具体步骤如下:
[0035] 步骤1:光纤环长度裕度设计,具体是:
[0036] 根据新型随机游走系数预测模型,在空间辐射环境中,随机游走系数主要受散粒 噪声的影响,为简化分析,忽略强度噪声、暗电流噪声以及热噪声的影响,随机游走系数可 以表示为:
[0038]已知散粒噪声与光纤环长度相关,公式(5)中关于光纤环长度L的函数可以表示 为:
[0040] 光纤环长度是公式(5)中的唯一变量,因此可以通过求F(L)最大值得到随机噪声 系数的最小值,最优光纤环长度UP可以表示为:
[0042]最终结果可以表示为:
[0044]步骤2:调制相位数值解的裕度设计,具体是:
[0045] 步骤2.1,将步骤1计算得到的最优光纤环长度,估算得到的空间辐射参数r、d以及 干涉式光纤陀螺其他已确定参数(n、八 ¥、〇、冲〇、1'、1?、1(14、134、仏和巾)代入公式(4)所示的 新型随机游走系数预测模型,得到光源功率和调制相位关系表达式,并拟合为一个四阶多 项式。
[0046] 步骤2.2,设定的初始光源功率Po代入拟合四次多项式中,求解最优调制相位。 [0047]步骤2.3,设Max(RWC)为当前满足空间任务的随机游走系数的最大值,可根据空间 任务条件推算得到,如果随机游走系数最大值Max(RWC)大于或等于RWC q,执行步骤2.4;RWCq 表示干涉式光纤陀螺正常运行所需随机游走系数的值。当Max(RWC)小于RWCq时,随机游走 系数满足空间任务要求,结束裕度设计。
[0048] 步骤2.4,增加光源功率,再次代入拟合的四次多项式中,解算新的最优调制相位, 然后进入步骤2.3执行,直到随机游走系数最大值Max(RWC)小于RWC q。
[0049] 如图3所示,为采用主动抗辐射方法和未采用抗辐射方法条件下,实验用干涉式光 纤陀螺随机游走系数对比图。图3中横坐标表示辐射剂量,纵坐标表示随机游走系数RWC。从 图中可以看出,通过采用本发明提供的主动抗辐射方法,对光纤长度、调制相位及光源功率 进行了裕度设计,降低了干涉式光纤陀螺的随机游走系数,进而可达到主动抗辐射的目的。
【主权项】
1. 一种干涉式数字闭环光纤陀螺主动抗辐射设计方法,其特征在于,实现步骤如下: (1) 提供一种改进的随机游走系数预测模型,如下式所示:其中,RWC表示光纤陀螺的随机游走系数,A表示光波长,c表示光在真空中的传播速度, L表示光纤环长度,D表示光纤环直径,e表示电子电荷,巾表示方波调制相位,n表示探测器 的响应度,Po表示耦合入光路的光源功率,A v表示光源频谱带宽,Id表示探测器暗电流,k表 示波尔兹曼常数,T表示绝对温度,R表示探测器跨阻;&表示光纤环的内部损耗,A c表示由光 纤耦合器、集成光路和熔接部分所产生的全部光路损耗,q、b、f是常数,d是辐射剂量,r是辐 射剂量率; (2) 在陀螺的生产过程中,针对参数光源功率PQ、光纤环长度L及调制相位巾进行裕度设 计,实现干涉式光纤陀螺的随机游走系数的降低; 根据空间辐照条件下光纤环长度L的函数表达式= 求解函数极 值对光纤环长度进行裕度设计,得到最优光纤环长度UP; 对光源功率和调制相位进行裕度设计,包括步骤(1)~步骤(4); 步骤(1)将计算得到的最优光纤环长度UdP空间辐照参数r、d代入改进的随机游走系 数预测模型,得到光源功率和调制相位关系表达式,并进行多项式拟合; 步骤(2)将设定的光源功率P〇的初始值代入拟合的多项式中,求解最优调制相位; 步骤(3)设Ma x (R W C)为当前满足空间任务的随机游走系数的最大值,如果Ma x (R W C)大 于或等于干涉式光纤陀螺正常运行所需随机游走系数RWCq,执行步骤(4);如果Max(RWC)小 于RWC q,此时随机游走系数满足空间任务要求,结束本方法; 步骤(4)增加光源功率,代入拟合的多项式中求解最优调制相位,再进入步骤(3)执行。
【文档编号】G01C19/72GK106052670SQ201610363356
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】金靖, 马坤, 滕飞, 宋凝芳, 徐小斌, 宋镜明
【申请人】北京航空航天大学
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