一种干涉式光纤陀螺随机游走故障诊断方法与流程

本发明涉及干涉式光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于空间应用环境的新型干涉式光纤陀螺的随机游走故障诊断方法。

背景技术：

干涉式光纤陀螺利用光纤环敏感待测角速度，产生相位差，具有高性能、低功耗、无运动部件、高可靠的优势，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1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5和信号处理装置。空间环境中各种辐射对干涉式光纤陀螺的影响是一个长期渐进的过程，会造成干涉式光纤陀螺光纤损耗增加、光源功率下降以及探测器响应度降低等问题，表现在随机游走系数劣化、偏置漂移和标度因数误差。随机游走系数增大将导致陀螺精度降低，偏置漂移和标度因数误差将导致陀螺输出偏置改变。在实际工程应用中，针对干涉式数字闭环光纤陀螺的偏置漂移和标度因素误差通常采用外部姿态传感器进行空间校准，但空间校准无法降低陀螺的随机游走系数，陀螺的精度随空间工作时间的增长而不断劣化，最终将无法满足卫星系统对陀螺精度的要求，从而导致卫星失控，因此需要针对干涉式光纤陀螺进行冗余设计和故障诊断，使其能够满足空间辐射环境下卫星对其寿命、精度和可靠性的要求。

技术实现要素：

针对现有问题，本发明设计了一种不需要额外引入姿态测定信息，只采用干涉式光纤陀螺内部信息即可诊断陀螺随机游走故障的方法。本发明方法基于空间应用新型双光源四轴干涉式光纤陀螺，建立了陀螺随机游走预测模型和实时估测模型，结合干涉式光纤陀螺结构，通过对三轴正交陀螺的随机游走系数估计值和最大预测值进行比较，判断陀螺是否故障，并针对陀螺的故障状况采取相应的恢复处理措施，使空间用光纤陀螺在全寿命周期内满足系统对陀螺可靠性的要求。

本发明提供的一种干涉式光纤陀螺随机游走故障诊断方法，具体实现过程是：

首先，提供了一种改进的随机游走系数预测模型，如下：

其中，RWC表示光纤陀螺的随机游走系数，λ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，I_d表示探测器暗电流，R表示探测器跨阻，η表示探测器的响应度，P₀表示耦合入光路的光源功率，Δv表示光源频谱带宽，k表示波尔兹曼常数，T表示绝对温度，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。

然后，根据改进的随机游走系数预测模型，计算空间任务中随机游走系数的预测值RWC_p，其中整个空间任务中随机游走系数预测值的最大值表示为Max(RWC_p)。

最后，实时采集到达探测器的光电流，计算随机游走系数估计值RWC_e，通过比较最大预测值Max(RWC_p)和实时估计值RWC_e，判断干涉式光纤陀螺是否故障。故障条件是：该陀螺的随机游走系数的实时估计值大于该陀螺的随机游走系数的最大预测值。若不满足故障条件，则判断光纤陀螺为正常工作状态，否则判断光纤陀螺出现故障。

采用本发明的故障诊断方法对一种双光源四轴干涉式光纤陀螺结构进行故障预测。所述的双光源四轴干涉式光纤陀螺结构中，包括主备两个光源、四轴陀螺X、Y、Z和S。四轴陀螺中X、Y、Z三轴陀螺相互正交。S轴陀螺斜置，S轴为其他三轴的热备份。每个光源通过耦合器a分光为四路，每路光分别经过耦合器b进入消偏光纤，消偏后的光波经Y波导起偏、分光后进入光纤环，干涉后的光信号经耦合器b进入光电探测器。耦合器b为1×3耦合器，主备两个光源的光分别通过1×3耦合器的两个输入端进入光纤。

采用本发明的故障诊断方法对所述的双光源四轴干涉式光纤陀螺进行故障判断：

(1)每轴陀螺都满足所述的故障条件时，判断为光源故障或耦合器a故障；

(2)当只有其中的一轴陀螺满足所述的故障条件时，判断为该轴陀螺故障；

(3)当其中的两轴陀螺满足所述的故障条件时，判断为该两轴陀螺故障或者耦合器a故障。

相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构，不需要额外引入姿态测定信息，只采用干涉式光纤陀螺内部信息即可诊断陀螺随机游走故障；

(2)本发明提出了一种新型随机游走系数模型，并基于该模型，针对具体干涉式光纤陀螺结构的不同故障类型，采取相应的恢复处理方法，保证陀螺正常工作；

(3)本发明不需要添加额外的器件或系统，保证高可靠性的同时，降低了干涉式光纤陀螺整体的体积和功耗。

附图说明

图1是典型的干涉式光纤陀螺的结构示意图；

图2是本发明提供的干涉式光纤陀螺随机游走故障诊断方法的流程图；

图3是一种新型的双光源四轴干涉式光纤陀螺结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

采用方波调制的闭环干涉式光纤陀螺检测到的光电流I_p可以表示为：

I_p＝I(1+cos(Δφ+φ)) (1)

其中，Δφ是Sagnac相位差，φ是调制相位，I是到达探测器的光电流，可以表示为：

其中，P₀表示耦合入光路的光源功率，η表示探测器的响应度，A表示光纤环的辐射致衰减，L表示光纤环长度，A_c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。

采用π/2相位调制闭环干涉式光纤陀螺的随机游走系数RWC可以表示为：

其中，λ表示光波长，c表示光在真空中的传播速度，D表示光纤环直径，e表示电子电荷，Δv表示光源频谱带宽，I_d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。

已知光纤环中的辐照致衰减与辐射剂量d和辐射剂量率r之间关系如下：

A＝qr^bd^f (4)

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(4)代入式(3)中，可得到一种新型随机游走系数模型，如公式(5)，该模型描述了辐射剂量和辐射剂量率对随机游走系数的影响。

设RWC_p表示随机游走系数预测值，将已知的光纤辐射敏感参数q、b、f和辐射环境参量r、d代入本发明中的公式(5)，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。设Max(RWC_p)表示整个空间任务中随机游走系数预测值的最大值，需要满足空间环境应用的要求。相对现有公式(3)，本发明提供的公式(5)，给出了干涉式光纤陀螺在空间应用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，计算空间应用环境下随机游走系数的预测值。

根据公式(2)可知，I可以表征整个系统的光功率值，是影响随机游走系数的关键参数。将实时采集得到的轨道中I值代入公式(3)估算随机游走系数估计值RWC_e。RWC_p只能反映辐射致光纤环损耗增加对陀螺随机游走系数的影响，而RWC_e则包含多种光学器件导致的随机游走系数劣化。

本发明的故障诊断方法，如图2所示，根据改进的随机游走系数预测模型，计算获取空间任务中随机游走系数的最大预测值Max(RWC_p)。然后实时采集到达探测器的光电流，计算获取实时的随机游走系数估计值RWC_e，再与最大预测值Max(RWC_p)比较，来判断干涉式光纤陀螺是否故障。故障条件是：该陀螺的随机游走系数的实时估计值大于该陀螺的随机游走系数的最大预测值。若不满足故障条件，则判断光纤陀螺为正常工作状态，否则判断光纤陀螺出现故障。

实施例

将本发明的故障诊断方法应用于如图3所示的双光源四轴干涉式光纤陀螺结构。如图3所示，四轴陀螺X、Y、Z和S共用一个SLD光源，光源发出的光首先经耦合器a分光为四路，分别经过一个耦合器b后进入消偏光纤，消偏后的光波经Y波导起偏、分光后进入光纤环。干涉后的光信号经耦合器b进入光电探测器。其中耦合器a为1个1×4耦合器，耦合器b为1×3耦合器。因为1×3耦合器具有两个输入端，所以主备两个光源的光都可以进入光纤环中。光信号携带了转动角速度信息，该光信号经光电探测器后转变为电信号，光纤陀螺通过信号检测电路对该电信号进行处理，解调出陀螺转动角速度。四轴陀螺中X、Y、Z三轴陀螺相互正交，S轴陀螺斜置，作为其他三轴的热备份，当三轴正交陀螺中任一发生故障时，系统从S轴陀螺提供的数据中提取故障轴的角速度信息。光路采用双光源(光源A、B)冗余方案，使用双路光源驱动，增加一路冷备份通道，当光源A故障时，系统能够自动切换为光源B，保障了陀螺的正常工作，提高了干涉式光纤陀螺的系统可靠性。

基于所述的空间应用环境的双光源四轴干涉式光纤陀螺和所提供的新型随机游走系数预测模型，本发明基于空间应用环境的新型干涉式光纤陀螺随机游走故障诊断方法，具体步骤如下：

步骤1：判断干涉式光纤陀螺是否故障，具体是：

对于X、Y、Z轴，如果每轴陀螺的随机游走系数估计值RWC_e与随机游走系数预测值RWC_p均满足RWC_e≤Max(RWC_p)，则判断陀螺为正常工作状态，无需切换冷备份光源B光源，当任一轴满足故障条件RWC_e＞Max(RWC_p)时，说明该轴陀螺光学器件出现了性能衰减或故障等问题，执行步骤2。

步骤2：判断干涉式光纤陀螺故障类型，具体是：

如果X、Y、Z三轴陀螺中只存在一轴陀螺的随机游走系数估计值和预测值满足故障条件，执行步骤2.1；如果三轴陀螺同时满足故障条件，执行步骤2.2；如果X、Y、Z三轴陀螺中有两轴满足故障条件，执行步骤2.3。

步骤2.1：陀螺故障类型为该轴的探测器、集成光路、电子器件、光纤环或1×3耦合器出现故障，采用热备份斜轴S轴，从S轴陀螺提供的数据中提取故障轴的角速度信息，代替故障轴继续工作。

步骤2.2：陀螺故障类型为光源A故障或耦合器a故障，切换冷备份光源B代替光源A继续工作。

步骤2.3：陀螺故障类型为耦合器a故障或满足故障条件的两轴陀螺均出现故障，采用热备份斜轴S轴代替故障轴，从S轴陀螺提供的数据中提取故障轴的角速度信息，同时切换光源B代替光源A继续工作。

下面表1将对所述的双光源四轴干涉式光纤陀螺进行故障诊断及恢复处理的策略统计如下。

表1干涉式光纤陀螺故障诊断及恢复策略查询表

本发明不需要添加额外的器件或系统，根据改进的随机游走系数模型来获取空间任务的随机游走系数的最大预测值，经实验证明，针对具体的干涉式光纤陀螺结构，能快速判断故障处，且故障诊断结果准确率高，实现实时检测干涉式光纤陀螺的工作状态。