本發(fā)明涉及干涉式光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間應(yīng)用環(huán)境的新型干涉式光纖陀螺的隨機游走故障診斷方法。

背景技術(shù)：

干涉式光纖陀螺利用光纖環(huán)敏感待測角速度，產(chǎn)生相位差，具有高性能、低功耗、無運動部件、高可靠的優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。圖1是典型的干涉式光纖陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括光源1、耦合器2、Y波導(dǎo)3、光纖環(huán)4、探測器5和信號處理裝置?？臻g環(huán)境中各種輻射對干涉式光纖陀螺的影響是一個長期漸進的過程，會造成干涉式光纖陀螺光纖損耗增加、光源功率下降以及探測器響應(yīng)度降低等問題，表現(xiàn)在隨機游走系數(shù)劣化、偏置漂移和標(biāo)度因數(shù)誤差。隨機游走系數(shù)增大將導(dǎo)致陀螺精度降低，偏置漂移和標(biāo)度因數(shù)誤差將導(dǎo)致陀螺輸出偏置改變。在實際工程應(yīng)用中，針對干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的偏置漂移和標(biāo)度因素誤差通常采用外部姿態(tài)傳感器進行空間校準(zhǔn)，但空間校準(zhǔn)無法降低陀螺的隨機游走系數(shù)，陀螺的精度隨空間工作時間的增長而不斷劣化，最終將無法滿足衛(wèi)星系統(tǒng)對陀螺精度的要求，從而導(dǎo)致衛(wèi)星失控，因此需要針對干涉式光纖陀螺進行冗余設(shè)計和故障診斷，使其能夠滿足空間輻射環(huán)境下衛(wèi)星對其壽命、精度和可靠性的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有問題，本發(fā)明設(shè)計了一種不需要額外引入姿態(tài)測定信息，只采用干涉式光纖陀螺內(nèi)部信息即可診斷陀螺隨機游走故障的方法。本發(fā)明方法基于空間應(yīng)用新型雙光源四軸干涉式光纖陀螺，建立了陀螺隨機游走預(yù)測模型和實時估測模型，結(jié)合干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)，通過對三軸正交陀螺的隨機游走系數(shù)估計值和最大預(yù)測值進行比較，判斷陀螺是否故障，并針對陀螺的故障狀況采取相應(yīng)的恢復(fù)處理措施，使空間用光纖陀螺在全壽命周期內(nèi)滿足系統(tǒng)對陀螺可靠性的要求。

本發(fā)明提供的一種干涉式光纖陀螺隨機游走故障診斷方法，具體實現(xiàn)過程是：

首先，提供了一種改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，如下：

其中，RWC表示光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，λ表示光波長，c表示光在真空中的傳播速度，L表示光纖環(huán)長度，D表示光纖環(huán)直徑，e表示電子電荷，I_d表示探測器暗電流，R表示探測器跨阻，η表示探測器的響應(yīng)度，P₀表示耦合入光路的光源功率，Δv表示光源頻譜帶寬，k表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對溫度，A_c表示由光纖耦合器、集成光路和熔接部分所產(chǎn)生的全部光路損耗；q、b、f是常數(shù)，d是輻射劑量，r是輻射劑量率。

然后，根據(jù)改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，計算空間任務(wù)中隨機游走系數(shù)的預(yù)測值RWC_p，其中整個空間任務(wù)中隨機游走系數(shù)預(yù)測值的最大值表示為Max(RWC_p)。

最后，實時采集到達探測器的光電流，計算隨機游走系數(shù)估計值RWC_e，通過比較最大預(yù)測值Max(RWC_p)和實時估計值RWC_e，判斷干涉式光纖陀螺是否故障。故障條件是：該陀螺的隨機游走系數(shù)的實時估計值大于該陀螺的隨機游走系數(shù)的最大預(yù)測值。若不滿足故障條件，則判斷光纖陀螺為正常工作狀態(tài)，否則判斷光纖陀螺出現(xiàn)故障。

采用本發(fā)明的故障診斷方法對一種雙光源四軸干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)進行故障預(yù)測。所述的雙光源四軸干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)中，包括主備兩個光源、四軸陀螺X、Y、Z和S。四軸陀螺中X、Y、Z三軸陀螺相互正交。S軸陀螺斜置，S軸為其他三軸的熱備份。每個光源通過耦合器a分光為四路，每路光分別經(jīng)過耦合器b進入消偏光纖，消偏后的光波經(jīng)Y波導(dǎo)起偏、分光后進入光纖環(huán)，干涉后的光信號經(jīng)耦合器b進入光電探測器。耦合器b為1×3耦合器，主備兩個光源的光分別通過1×3耦合器的兩個輸入端進入光纖。

采用本發(fā)明的故障診斷方法對所述的雙光源四軸干涉式光纖陀螺進行故障判斷：

(1)每軸陀螺都滿足所述的故障條件時，判斷為光源故障或耦合器a故障；

(2)當(dāng)只有其中的一軸陀螺滿足所述的故障條件時，判斷為該軸陀螺故障；

(3)當(dāng)其中的兩軸陀螺滿足所述的故障條件時，判斷為該兩軸陀螺故障或者耦合器a故障。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

(1)本發(fā)明基于干涉式光纖陀螺的原有結(jié)構(gòu)，不需要額外引入姿態(tài)測定信息，只采用干涉式光纖陀螺內(nèi)部信息即可診斷陀螺隨機游走故障；

(2)本發(fā)明提出了一種新型隨機游走系數(shù)模型，并基于該模型，針對具體干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)的不同故障類型，采取相應(yīng)的恢復(fù)處理方法，保證陀螺正常工作；

(3)本發(fā)明不需要添加額外的器件或系統(tǒng)，保證高可靠性的同時，降低了干涉式光纖陀螺整體的體積和功耗。

附圖說明

圖1是典型的干涉式光纖陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的干涉式光纖陀螺隨機游走故障診斷方法的流程圖；

圖3是一種新型的雙光源四軸干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

采用方波調(diào)制的閉環(huán)干涉式光纖陀螺檢測到的光電流I_p可以表示為：

I_p＝I(1+cos(Δφ+φ)) (1)

其中，Δφ是Sagnac相位差，φ是調(diào)制相位，I是到達探測器的光電流，可以表示為：

其中，P₀表示耦合入光路的光源功率，η表示探測器的響應(yīng)度，A表示光纖環(huán)的輻射致衰減，L表示光纖環(huán)長度，A_c表示由光纖耦合器、集成光路和熔接等其他部分所產(chǎn)生的全部光路損耗。

采用π/2相位調(diào)制閉環(huán)干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)RWC可以表示為：

其中，λ表示光波長，c表示光在真空中的傳播速度，D表示光纖環(huán)直徑，e表示電子電荷，Δv表示光源頻譜帶寬，I_d表示探測器暗電流，k表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對溫度，R表示探測器跨阻。

已知光纖環(huán)中的輻照致衰減與輻射劑量d和輻射劑量率r之間關(guān)系如下：

A＝qr^bd^f (4)

其中，q、b、f是常數(shù)，d是輻射劑量，r是輻射劑量率。將表達式(2)和(4)代入式(3)中，可得到一種新型隨機游走系數(shù)模型，如公式(5)，該模型描述了輻射劑量和輻射劑量率對隨機游走系數(shù)的影響。

設(shè)RWC_p表示隨機游走系數(shù)預(yù)測值，將已知的光纖輻射敏感參數(shù)q、b、f和輻射環(huán)境參量r、d代入本發(fā)明中的公式(5)，即可得到陀螺在輻射環(huán)境下的隨機游走系數(shù)。其中，輻射環(huán)境參量r、d可根據(jù)軌道高度、有效放射時間和等效鋁球防護罩厚度估算得到。設(shè)Max(RWC_p)表示整個空間任務(wù)中隨機游走系數(shù)預(yù)測值的最大值，需要滿足空間環(huán)境應(yīng)用的要求。相對現(xiàn)有公式(3)，本發(fā)明提供的公式(5)，給出了干涉式光纖陀螺在空間應(yīng)用環(huán)境下隨機游走系數(shù)的表達式，并可通過代入輻射環(huán)境參量，計算空間應(yīng)用環(huán)境下隨機游走系數(shù)的預(yù)測值。

根據(jù)公式(2)可知，I可以表征整個系統(tǒng)的光功率值，是影響隨機游走系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。將實時采集得到的軌道中I值代入公式(3)估算隨機游走系數(shù)估計值RWC_e。RWC_p只能反映輻射致光纖環(huán)損耗增加對陀螺隨機游走系數(shù)的影響，而RWC_e則包含多種光學(xué)器件導(dǎo)致的隨機游走系數(shù)劣化。

本發(fā)明的故障診斷方法，如圖2所示，根據(jù)改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，計算獲取空間任務(wù)中隨機游走系數(shù)的最大預(yù)測值Max(RWC_p)。然后實時采集到達探測器的光電流，計算獲取實時的隨機游走系數(shù)估計值RWC_e，再與最大預(yù)測值Max(RWC_p)比較，來判斷干涉式光纖陀螺是否故障。故障條件是：該陀螺的隨機游走系數(shù)的實時估計值大于該陀螺的隨機游走系數(shù)的最大預(yù)測值。若不滿足故障條件，則判斷光纖陀螺為正常工作狀態(tài)，否則判斷光纖陀螺出現(xiàn)故障。

實施例

將本發(fā)明的故障診斷方法應(yīng)用于如圖3所示的雙光源四軸干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)。如圖3所示，四軸陀螺X、Y、Z和S共用一個SLD光源，光源發(fā)出的光首先經(jīng)耦合器a分光為四路，分別經(jīng)過一個耦合器b后進入消偏光纖，消偏后的光波經(jīng)Y波導(dǎo)起偏、分光后進入光纖環(huán)。干涉后的光信號經(jīng)耦合器b進入光電探測器。其中耦合器a為1個1×4耦合器，耦合器b為1×3耦合器。因為1×3耦合器具有兩個輸入端，所以主備兩個光源的光都可以進入光纖環(huán)中。光信號攜帶了轉(zhuǎn)動角速度信息，該光信號經(jīng)光電探測器后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，光纖陀螺通過信號檢測電路對該電信號進行處理，解調(diào)出陀螺轉(zhuǎn)動角速度。四軸陀螺中X、Y、Z三軸陀螺相互正交，S軸陀螺斜置，作為其他三軸的熱備份，當(dāng)三軸正交陀螺中任一發(fā)生故障時，系統(tǒng)從S軸陀螺提供的數(shù)據(jù)中提取故障軸的角速度信息。光路采用雙光源(光源A、B)冗余方案，使用雙路光源驅(qū)動，增加一路冷備份通道，當(dāng)光源A故障時，系統(tǒng)能夠自動切換為光源B，保障了陀螺的正常工作，提高了干涉式光纖陀螺的系統(tǒng)可靠性。

基于所述的空間應(yīng)用環(huán)境的雙光源四軸干涉式光纖陀螺和所提供的新型隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，本發(fā)明基于空間應(yīng)用環(huán)境的新型干涉式光纖陀螺隨機游走故障診斷方法，具體步驟如下：

步驟1：判斷干涉式光纖陀螺是否故障，具體是：

對于X、Y、Z軸，如果每軸陀螺的隨機游走系數(shù)估計值RWC_e與隨機游走系數(shù)預(yù)測值RWC_p均滿足RWC_e≤Max(RWC_p)，則判斷陀螺為正常工作狀態(tài)，無需切換冷備份光源B光源，當(dāng)任一軸滿足故障條件RWC_e＞Max(RWC_p)時，說明該軸陀螺光學(xué)器件出現(xiàn)了性能衰減或故障等問題，執(zhí)行步驟2。

步驟2：判斷干涉式光纖陀螺故障類型，具體是：

如果X、Y、Z三軸陀螺中只存在一軸陀螺的隨機游走系數(shù)估計值和預(yù)測值滿足故障條件，執(zhí)行步驟2.1；如果三軸陀螺同時滿足故障條件，執(zhí)行步驟2.2；如果X、Y、Z三軸陀螺中有兩軸滿足故障條件，執(zhí)行步驟2.3。

步驟2.1：陀螺故障類型為該軸的探測器、集成光路、電子器件、光纖環(huán)或1×3耦合器出現(xiàn)故障，采用熱備份斜軸S軸，從S軸陀螺提供的數(shù)據(jù)中提取故障軸的角速度信息，代替故障軸繼續(xù)工作。

步驟2.2：陀螺故障類型為光源A故障或耦合器a故障，切換冷備份光源B代替光源A繼續(xù)工作。

步驟2.3：陀螺故障類型為耦合器a故障或滿足故障條件的兩軸陀螺均出現(xiàn)故障，采用熱備份斜軸S軸代替故障軸，從S軸陀螺提供的數(shù)據(jù)中提取故障軸的角速度信息，同時切換光源B代替光源A繼續(xù)工作。

下面表1將對所述的雙光源四軸干涉式光纖陀螺進行故障診斷及恢復(fù)處理的策略統(tǒng)計如下。

表1干涉式光纖陀螺故障診斷及恢復(fù)策略查詢表

本發(fā)明不需要添加額外的器件或系統(tǒng)，根據(jù)改進的隨機游走系數(shù)模型來獲取空間任務(wù)的隨機游走系數(shù)的最大預(yù)測值，經(jīng)實驗證明，針對具體的干涉式光纖陀螺結(jié)構(gòu)，能快速判斷故障處，且故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確率高，實現(xiàn)實時檢測干涉式光纖陀螺的工作狀態(tài)。