一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法及系统与流程

本发明属于光纤陀螺建模，具体涉及一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法及系统。

背景技术：

1、数字孪生是针对复杂产品的多物理、多尺度、多领域集成的高保真度仿真技术。自2003年概念提出，到如今近20年中，数字孪生在复杂产品与系统中的应用潜力得到越来越多的关注。作为建模与仿真技术的延伸，数字孪生使用数学模型构建虚拟产品，并通过传感器采集真实产品数据注入数学模型，实现物理系统向数学系统的映射，以辅助系统的全生命周期管理。数字孪生的广泛应用，展示了其在复杂产品设计、制造、维护等全生命周期各阶段的巨大潜力，通过产品数字孪生模型进行产品各方面性能的综合分析和虚拟验证，将极大提高产品的设计质量与效率。

2、光纤陀螺作为一种全固态角速率传感器，具有成本低、寿命长、动态范围大等优点，已被广泛应用于空间探索、航空航天、武器装备等领域的姿态定位、导航应用上。作为集光、机、电于一体的多元技术产品，光纤陀螺的组成较为复杂，通常分光路和电路两部分：光路部分由光源、耦合器、y波导、光纤环、探测器等组成；电路部分对探测器的输出信号进行放大、处理和输出，其基本原理如图1所示。由此可见影响光纤陀螺性能的光学因素众多而复杂，为更好提升光纤陀螺设计水平，进一步优化其性能，采用具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性和闭环性的光路数字孪生模型，实施在线数字仿真，对光纤陀螺状态进行感知、诊断和预测，对改进光纤陀螺设计至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法及系统，简化模型构建方法，提高建模操作性，便于在线数字仿真实施，对光纤陀螺状态进行感知、诊断和预测。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

3、一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法，包括如下步骤

4、将光纤陀螺分成光路、电路两部分；

5、将光纤陀螺光路部分依据基本构成形式，划分成集成光路、光纤环，二者通过连接光纤连接，分别构建集成光路、光纤环、连接光纤的琼斯矩阵；

6、将集成光路、光纤环、连接光纤的琼斯矩阵依次相乘作为光学模型的琼斯矩阵，获得光学模型，计算输出光强；

7、基于光学模型构建光纤陀螺数字孪生模型。

8、进一步地，光纤陀螺的数字孪生模型建模方法还包括如下步骤

9、构建光纤陀螺物理模型，开展数据测试；

10、采集光纤陀螺数字孪生模型的测试数据与物理模型测试数据进行数据融合，基于融合数据调整光纤陀螺数字孪生模型状态及参数；

11、构建光纤陀螺仿真模型，通过融合数据驱动光纤陀螺仿真模型，将光纤陀螺仿真模型输出数据反馈至光纤陀螺数字孪生模型；

12、对光纤陀螺仿真模型输出数据与融合数据进行分析，确定光纤陀螺产品参数设计范围。

13、进一步地，所述集成光路的琼斯矩阵为

14、

15、其中，ε为光在光纤中的衰减系数；l为集成光路保偏光纤长度；kα为传输矩阵，α＝1,2，分别对应集成光路中的快轴、慢轴，为本征频率，c为真空中的光速，nα为折射率。

16、进一步地，所述光纤环的琼斯矩阵为

17、

18、其中，tij为传递函数系数，i、j＝1、2，分别表示光纤环的起点、终点；l0为光纤环的光纤长度；nij为相对折射率，kij是相对传递矩阵。

19、进一步地，所述连接光纤的琼斯矩阵为

20、

21、其中，l1为连接光纤的长度，kα为传输矩阵，α＝3,4，分别对应连接光纤的快轴、慢轴，为本征频率，c为真空中的光速，nα为折射率。

22、进一步地，所述光纤陀螺顺时针传输琼斯矩阵为

23、j＝m·u·c·r(45°)·m

24、

25、本发明还提供了一种光纤陀螺的数字孪生模型建模系统，包括

26、光学模型，用于生成光纤陀螺光学模型；

27、数字孪生模型，用于根据光学模型生成数字孪生模型；

28、物理模型，为光纤陀螺硬件产品；

29、仿真模型，用于对光纤陀螺进行仿真模拟，输出数据修正数字孪生模型；

30、数据测试模块，用于采集光纤陀螺数字孪生模型的测试数据与物理模型测试数据；

31、数据融合模块，用于融合光纤陀螺数字孪生模型的测试数据与物理模型测试数据，调整光纤陀螺数字孪生模型状态及参数；

32、数据分析模块，用于分析仿真数据与融合数据，确定光纤陀螺产品参数设计范围。

33、本发明与现有技术相比的有益效果：

34、本发明将光纤陀螺光学部分简化为集成光路以及通过保偏光纤连接的光纤环，分别构建对应的琼斯矩阵，进而获得光纤陀螺光学部分的数学模型，以此为基础构建光纤陀螺数字孪生模型，简化模型构建方法，提高建模操作性，便于在线数字仿真实施，对光纤陀螺状态进行感知、诊断和预测。

35、本发明构建的光纤陀螺数字孪生模型，一方面结合光纤陀螺物理模型测试数据，获得融合数据，用于调整模型状态及参数，同时结合仿真模型，以虚实交互反馈手段，通过动态数据驱动仿真模型，提高数字孪生模型的准确性；另一方面通过数据融合分析手段，分析融合数据和仿真模型得到的数据，促进仿真模型的改进，从而使得数字孪生模型不断接近真实光纤陀螺状况，最终得到可兼顾所有领域模型的数字孪生集成体，实现跨部门、跨专业的协同设计与验证，为优化设计提供支撑。

36、本发明提出的面向数字孪生仿真的光纤陀螺模型建模方法，对于光纤陀螺在线数字仿真分析，优化光纤陀螺设计、提升光纤陀螺性能具有重要意义。

技术特征：

1.一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤

2.根据权利要求1所述的数字孪生模型建模方法，其特征在于，还包括如下步骤

3.根据权利要求2所述的数字孪生模型建模方法，其特征在于，所述集成光路的琼斯矩阵为

4.根据权利要求3所述的数字孪生模型建模方法，其特征在于，所述光纤环的琼斯矩阵为

5.根据权利要求4所述的数字孪生模型建模方法，其特征在于，所述连接光纤的琼斯矩阵为

6.根据权利要求5所述的数字孪生模型建模方法，其特征在于，所述光纤陀螺顺时针传输琼斯矩阵为

7.一种光纤陀螺的数字孪生模型建模系统，其特征在于，包括

技术总结
本发明提供了一种光纤陀螺的数字孪生模型建模方法及系统，该建模方法包括将光纤陀螺分成光路、电路两部分；将光纤陀螺光路部分依据基本构成形式，划分成集成光路、光纤环，二者通过连接光纤连接，分别构建集成光路、光纤环、连接光纤的琼斯矩阵；将集成光路、光纤环、连接光纤的琼斯矩阵依次相乘作为光学模型的琼斯矩阵，获得光学模型，计算输出光强；基于光学模型构建光纤陀螺数字孪生模型。本发明通过简化模型构建方法，提高建模操作性，便于在线数字仿真实施，对光纤陀螺状态进行感知、诊断和预测。

技术研发人员：杨怿,徐广海,王志,张贺凯
受保护的技术使用者：北京自动化控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15