一種干涉式光纖陀螺隨機游走故障診斷方法與流程
本發明涉及干涉式光纖陀螺技術領域，具體涉及一種基于空間應用環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：
干涉式光纖陀螺利用光纖環敏感待測角速度，產生相位差，具有高性能、低功耗、無運動部件、高可靠的優勢，可廣泛應用于航天領域。圖1是典型的干涉式光纖陀螺的結構示意圖，主要包括光源1、耦合器2、Y波導3、光纖環4、探測器5和信號處理裝置。空間環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度降低等問題，表現在隨機游走系數劣化、偏置漂移和標度因數誤差。隨機游走系數增大將導致陀螺精度降低，偏置漂移和標度因數誤差將導致陀螺輸出偏置改變。在實際工程應用中，針對干涉式數字閉環光纖陀螺的偏置漂移和標度因素誤差通常采用外部姿態傳感器進行空間校準，但空間校準無法降低陀螺的隨機游走系數，陀螺的精度隨空間工作時間的增長而不斷劣化，最終將無法滿足衛星系統對陀螺精度的要求，從而導致衛星失控，因此需要針對干涉式光纖陀螺進行冗余設計和故障診斷，使其能夠滿足空間輻射環境下衛星對其壽命、精度和可靠性的要求。
技術實現要素：
針對現有問題，本發明設計了一種不需要額外引入姿態測定信息，只采用干涉式光纖陀螺內部信息即可診斷陀螺隨機游走故障的方法。本發明方法基于空間應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測模型和實時估測模型，結合干涉式光纖陀螺結構，通過對三軸正交陀螺的隨機游走系數估計值和最大預測值進行比較，判斷陀螺是否故障，并針對陀螺的故障狀況采取相應的恢復處理措施，使空間用光纖陀螺在全壽命周期內滿足系統對陀螺可靠性的要求。
本發明提供的一種干涉式光纖陀螺隨機游走故障診斷方法，具體實現過程是：
首先，提供了一種改進的隨機游走系數預測模型，如下：
其中，RWC表示光纖陀螺的隨機游走系數，λ表示光波長，c表示光在真空中的傳播速度，L表示光纖環長度，D表示光纖環直徑，e表示電子電荷，Id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，T表示絕對溫度，Ac表示由光纖耦合器、集成光路和熔接部分所產生的全部光路損耗；q、b、f是常數，d是輻射劑量，r是輻射劑量率。
然后，根據改進的隨機游走系數預測模型，計算空間任務中隨機游走系數的預測值RWCp，其中整個空間任務中隨機游走系數預測值的最大值表示為Max(RWCp)。
最后，實時采集到達探測器的光電流，計算隨機游走系數估計值RWCe，通過比較最大預測值Max(RWCp)和實時估計值RWCe，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的實時估計值大于該陀螺的隨機游走系數的最大預測值。若不滿足故障條件，則判斷光纖陀螺為正常工作狀態，否則判斷光纖陀螺出現故障。
采用本發明的故障診斷方法對一種雙光源四軸干涉式光纖陀螺結構進行故障預測。所述的雙光源四軸干涉式光纖陀螺結構中，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，每路光分別經過耦合器b進入消偏光纖，消偏后的光波經Y波導起偏、分光后進入光纖環，干涉后的光信號經耦合器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。
相對于現有技術，本發明的優點和積極效果在于：
(1)本發明基于干涉式光纖陀螺的原有結構，不需要額外引入姿態測定信息，只采用干涉式光纖陀螺內部信息即可診斷陀螺隨機游走故障；
(2)本發明提出了一種新型隨機游走系數模型，并基于該模型，針對具體干涉式光纖陀螺結構的不同故障類型，采取相應的恢復處理方法，保證陀螺正常工作；
(3)本發明不需要添加額外的器件或系統，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構示意圖；
圖2是本發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構圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
采用方波調制的閉環干涉式光纖陀螺檢測到的光電流Ip可以表示為：
Ip＝I(1+cos(Δφ+φ)) (1)
其中，Δφ是Sagnac相位差，φ是調制相位，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表示探測器的響應度，A表示光纖環的輻射致衰減，L表示光纖環長度，Ac表示由光纖耦合器、集成光路和熔接等其他部分所產生的全部光路損耗。
采用π/2相位調制閉環干涉式光纖陀螺的隨機游走系數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表示光纖環直徑，e表示電子電荷，Δv表示光源頻譜帶寬，Id表示探測器暗電流，k表示波爾茲曼常數，T表示絕對溫度，R表示探測器跨阻。
已知光纖環中的輻照致衰減與輻射劑量d和輻射劑量率r之間關系如下：
A＝qrbdf (4)
其中，q、b、f是常數，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的影響。
設RWCp表示隨機游走系數預測值，將已知的光纖輻射敏感參數q、b、f和輻射環境參量r、d代入本發明中的公式(5)，即可得到陀螺在輻射環境下的隨機游走系數。其中，輻射環境參量r、d可根據軌道高度、有效放射時間和等效鋁球防護罩厚度估算得到。設Max(RWCp)表示整個空間任務中隨機游走系數預測值的最大值，需要滿足空間環境應用的要求。相對現有公式(3)，本發明提供的公式(5)，給出了干涉式光纖陀螺在空間應用環境下隨機游走系數的表達式，并可通過代入輻射環境參量，計算空間應用環境下隨機游走系數的預測值。
根據公式(2)可知，I可以表征整個系統的光功率值，是影響隨機游走系數的關鍵參數。將實時采集得到的軌道中I值代入公式(3)估算隨機游走系數估計值RWCe。RWCp只能反映輻射致光纖環損耗增加對陀螺隨機游走系數的影響，而RWCe則包含多種光學器件導致的隨機游走系數劣化。
本發明的故障診斷方法，如圖2所示，根據改進的隨機游走系數預測模型，計算獲取空間任務中隨機游走系數的最大預測值Max(RWCp)。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估計值RWCe，再與最大預測值Max(RWCp)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的實時估計值大于該陀螺的隨機游走系數的最大預測值。若不滿足故障條件，則判斷光纖陀螺為正常工作狀態，否則判斷光纖陀螺出現故障。
實施例
將本發明的故障診斷方法應用于如圖3所示的雙光源四軸干涉式光纖陀螺結構。如圖3所示，四軸陀螺X、Y、Z和S共用一個SLD光源，光源發出的光首先經耦合器a分光為四路，分別經過一個耦合器b后進入消偏光纖，消偏后的光波經Y波導起偏、分光后進入光纖環。干涉后的光信號經耦合器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中。光信號攜帶了轉動角速度信息，該光信號經光電探測器后轉變為電信號，光纖陀螺通過信號檢測電路對該電信號進行處理，解調出陀螺轉動角速度。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，當三軸正交陀螺中任一發生故障時，系統從S軸陀螺提供的數據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，使用雙路光源驅動，增加一路冷備份通道，當光源A故障時，系統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可靠性。
基于所述的空間應用環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預測模型，本發明基于空間應用環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估計值RWCe與隨機游走系數預測值RWCp均滿足RWCe≤Max(RWCp)，則判斷陀螺為正常工作狀態，無需切換冷備份光源B光源，當任一軸滿足故障條件RWCe＞Max(RWCp)時，說明該軸陀螺光學器件出現了性能衰減或故障等問題，執行步驟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估計值和預測值滿足故障條件，執行步驟2.1；如果三軸陀螺同時滿足故障條件，執行步驟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、光纖環或1×3耦合器出現故障，采用熱備份斜軸S軸，從S軸陀螺提供的數據中提取故障軸的角速度信息，代替故障軸繼續工作。
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軸陀螺提供的數據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處理的策略統計如下。
表1干涉式光纖陀螺故障診斷及恢復策略查詢表
本發明不需要添加額外的器件或系統，根據改進的隨機游走系數模型來獲取空間任務的隨機游走系數的最大預測值，經實驗證明，針對具體的干涉式光纖陀螺結構，能快速判斷故障處，且故障診斷結果準確率高，實現實時檢測干涉式光纖陀螺的工作狀態。
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