CN110135071A - 基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，包括：对光纤陀螺零偏退化量和标度因数退化量进行退化建模：构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型；构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型；构造光纤陀螺的零偏和标度因数退化失效联合分布函数；计算得到光纤陀螺的可靠度综合模型，输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。本发明还公开了一种实施基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法的系统。本发明通过光纤陀螺可靠性检测系统获取所需试验数据，计算光纤陀螺可靠度综合函数，得到当前对应的被测光纤陀螺可靠性指标，直观评价当前被测光纤陀螺可靠性水平，为光纤陀螺的生产或设计，提供产品改进的技术支撑。

Description

基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法及系统

技术领域

本发明涉及可靠性分析及检测技术领域，尤其是基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法及系统。

背景技术

随着我国工业生产的快速发展和装备的改进，对产品的质量和可靠性要求越来越高。光纤陀螺是惯性导航系统的关键部件，广泛应用于海陆空等军事、民用领域，具有长期贮存、一次使用、退化失效等特点。按结构分，光纤陀螺分为单轴和多轴光纤陀螺，其中单轴光纤陀螺应用最为广泛，因此对单轴光纤陀螺的性能检测、有效评估单轴光纤陀螺的可靠性水平显得尤为重要。如何通过有效的方法来检测单轴光纤陀螺的可靠性水平，不仅可以在要求进一步提高其性能水平时，指出改进设计的途径，而且在准确的了解了单轴光纤陀螺的性能水平后，可以有效的评定整个惯性系统工作的性能。

目前针对单轴光纤陀螺的参数采集与检测系统，如基于RS232的检测系统，大多存在自动化程度低，硬件电路较复杂，测试数据的记录、处理分析等均由人工完成，耗时大，而且不能避免人为误差等；同时，在进行单轴光纤陀螺的可靠性分析时，大多针对单轴光纤陀螺的单一性能进行退化分析，而目前考虑多元性能退化进行分析的方法主要有两种：(1)假设多个性能退化过程之间相互独立或者服从多元正态分布，具有简单快速的优点，但分析不过全面，结果误差较大；(2)考虑多元性能参数之间的相关关系，如利用联合概率密度发和状态空间法，其优点是充分考虑了多元性能退化过程之间的相关性，但存在建模困难和计算量大的问题。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种有效描述了多元性能退化量之间的相关关系，并且计算简单，外推性好的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：该方法包括以下顺序的步骤：

(1)对光纤陀螺零偏退化量X₁(t)和标度因数退化量X₂(t)进行退化建模：

(2)构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型；

(3)构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型；

(4)基于Frank Copula函数构造光纤陀螺的零偏和标度因数退化失效联合分布函数；

(5)计算得到光纤陀螺的可靠度综合模型，由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

所述步骤(1)具体是指：

X₁(t)＝μ₁t+σ₁B(t)、X₂(t)＝μ₂t+σ₂B(t)，式中，B(t)为标准布朗运动形式，μ₁,σ₁分别表示零偏退化率和零偏扩散系数，μ₂,σ₂分别表示标度因数退化率和标度因数扩散系数，由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值

所述步骤(2)具体是指：

计算零偏退化失效分布函数其中分别为零偏退化率和零偏扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₁表示零偏退化失效阈值，构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型

所述步骤(3)具体是指：

计算标度因数退化失效分布函数其中分别为标度因数退化率和标度因数扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₂表示标度因数退化失效阈值，构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型

所述步骤(4)具体是指：

其中，C(·)为具有边缘分布函数F₁(t)、F₂(t)的二元Copula函数，F₁(t)为零偏退化量的失效分布函数，F₂(t)为标度因数退化量的失效分布函数，为光纤陀螺零偏退化量和标度因数退化量之间的相关系数估计值，值由贝叶斯参数估计法得到；

所述值由贝叶斯参数估计法得到具体是指：

由零偏退化量的失效分布函数F₁(t)、标度因数退化量的失效分布函数F₂(t)计算出t_j时刻函数值(F₁(t_j),F₂(t_j))，Copula函数的对数似然函数为进一步利用贝叶斯参数估计法得到相关系数估计值对应的贝叶斯公式为：P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))∝π(α)·L(F₁(t_j),F₂(t_j)|α)，式中P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))为参数α的后验分布，π(α)为无信息先验分布。

所述步骤(5)具体是指：

式中R₁(t)表示零偏性能退化量的可靠度函数，R₂(t)表示标度因数性能退化量的可靠度函数，为零偏和标度因数退化失效联合分布函数；由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

所述由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值包括以下步骤：

(1a)光纤陀螺零偏退化数据形式为：

标度因数退化数据形式为：

其中i＝1,...,n,j＝1,...,m，n为样本总数，m为测量时刻总数，初始时刻数据退化量为0，由公式Δx_1,i(t_j)＝x_1,i(t_j)-x_1,i(t_j-1)，Δx_2,i(t_j)＝x_2,i(t_j)-x_2,i(t_j-1)分别计算得到相邻测量时刻间零偏退化增量：

和标度因数退化增量：

(1b)根据极大似然估计法，由零偏退化增量ΔX_1,i(t_j)得到零偏退化率和零偏扩散系数估计值：由标度因数退化增量ΔX_2,i(t_j)得到标度因数退化率和标度因数扩散系数估计值：

本发明的另一目的在于提供一种实施基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法的系统，包括：

供电单元，保护光纤陀螺同时满足其工作所需+5V电压要求；

检测平台，提供光纤陀螺的检测环境，实现光纤陀螺的性能检测；

数据采集模块，实现光纤陀螺输出数据的采集并传送到计算机；

计算机，对经数据采集模块传送过来的数据进行处理分析，完成光纤陀螺性能参数的标定，实现数据的显示和存储；

所述检测平台包括温控箱和单轴一体化转台，光纤陀螺放置于温控箱内；

所述数据采集模块包括：

A/D转换器，将光纤陀螺输出的电压信号或电流信号转换为计算机能够识别的等效数字信号；

数据缓冲模块，起到数据缓冲的作用，连接在A/D转换器和主机之间，A/D转换器产生的数据先存储在缓冲器中，当缓冲器中数据存满后由计算机取走数据；

控制电路，实现对光纤陀螺输出信号的转换以及计算机数据读取的控制；

USB接口电路，实现数据的传输，将采集数据传送到计算机。

所述控制电路包括：

USB控制器，控制数据的传输以及所有USB接口和接口上设备的正常运行；

逻辑控制电路，接收USB控制器发出的控制信号，产生三态缓冲电路和时钟电路的控制信号；

三态缓冲电路，为高阻态时实现光纤陀螺数据由AD9225芯片传输到静态RAM，为高、低电平态时实现静态RAM和USB控制器之间的数据传输；

时钟电路，通过控制时序逻辑电路来产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号以及调整A/D转换器与静态RAM之间的时钟同步，保证电路的时序正确；

时序逻辑电路，由时钟电路控制产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号；

地址发生器，由计数器实现，提供静态RAM的读写地址信号；

AD9225芯片，提供12位精度、25Msps的高速模数转换；

静态RAM，为数据缓冲器，起到数据缓冲的作用。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本系统与基于RS232的检测系统相比，本系统由于采用了高速A/D芯片和USB接口，解决了传输速率慢、单位时间数据吞吐量低的问题，其数据量提高了十几个百分点；第二，同时实现了数据的的采集与存储以及基本处理功能，避免了以人工方式完成的繁琐，保证了效率；第三，本方法在进行可靠性分析时充分考虑了多元性能退化量之间的相关关系，并利用Frank Copula函数对光纤陀螺多元性能退化量进行有效耦合，与目前大多数使用的的联合概率密度法和状态空间法相比具有建模方便、计算简单的优点。

附图说明

图1为本系统的组成框图；

图2为控制电路的电路原理框图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为零偏退化数据曲线图；

图5为标度因数退化数据曲线图；

图6为零偏与标度因数退化量关系图；

图7为贝叶斯参数估计思想流程图；

图8为可靠度曲线图。

具体实施方式

如图3所示，一种基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，该方法包括以下顺序的步骤：

(1)对光纤陀螺零偏退化量X₁(t)和标度因数退化量X₂(t)进行退化建模：

(2)构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型；

(3)构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型；

(4)基于Frank Copula函数构造光纤陀螺的零偏和标度因数退化失效联合分布函数；

(5)计算得到光纤陀螺的可靠度综合模型，由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

所述步骤(1)具体是指：

X₁(t)＝μ₁t+σ₁B(t)、X₂(t)＝μ₂t+σ₂B(t)，式中，B(t)为标准布朗运动形式，μ₁,σ₁分别表示零偏退化率和零偏扩散系数，μ₂,σ₂分别表示标度因数退化率和标度因数扩散系数，由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值

所述步骤(2)具体是指：

计算零偏退化失效分布函数其中分别为零偏退化率和零偏扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₁表示零偏退化失效阈值，构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型

所述步骤(3)具体是指：

计算标度因数退化失效分布函数其中分别为标度因数退化率和标度因数扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₂表示标度因数退化失效阈值，构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型

如图6所示，所述步骤(4)具体是指：

其中，C(·)为具有边缘分布函数F₁(t)、F₂(t)的二元Copula函数，F₁(t)为零偏退化量的失效分布函数，F₂(t)为标度因数退化量的失效分布函数，为光纤陀螺零偏退化量和标度因数退化量之间的相关系数估计值，值由贝叶斯参数估计法得到；

如图7所示，所述值由贝叶斯参数估计法得到具体是指：

由零偏退化量的失效分布函数F₁(t)、标度因数退化量的失效分布函数F₂(t)计算出t_j时刻函数值(F₁(t_j),F₂(t_j))，Copula函数的对数似然函数为进一步利用贝叶斯参数估计法得到相关系数估计值对应的贝叶斯公式为：P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))∝π(α)·L(F₁(t_j),F₂(t_j)|α)，式中P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))为参数α的后验分布，π(α)为无信息先验分布。

所述步骤(5)具体是指：

式中R₁(t)表示零偏性能退化量的可靠度函数，R₂(t)表示标度因数性能退化量的可靠度函数，为零偏和标度因数退化失效联合分布函数；由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

所述由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值包括以下步骤：

(1a)光纤陀螺零偏退化数据形式为：

标度因数退化数据形式为：

其中i＝1,...,n,j＝1,...,m，n为样本总数，m为测量时刻总数，初始时刻数据退化量为0，由公式Δx_1,i(t_j)＝x_1,i(t_j)-x_1,i(t_j-1)，Δx_2,i(t_j)＝x_2,i(t_j)-x_2,i(t_j-1)分别计算得到相邻测量时刻间零偏退化增量：和标度因数退化增量：

(1b)根据极大似然估计法，由零偏退化增量ΔX_1,i(t_j)得到零偏退化率和零偏扩散系数估计值：由标度因数退化增量ΔX_2,i(t_j)得到标度因数退化率和标度因数扩散系数估计值：

如图1所示，本系统包括：

供电单元，保护光纤陀螺同时满足其工作所需+5V电压要求；

检测平台，提供光纤陀螺的检测环境，实现光纤陀螺的性能检测；

数据采集模块，实现光纤陀螺输出数据的采集并传送到计算机；

计算机，对经数据采集模块传送过来的数据进行处理分析，完成光纤陀螺性能参数的标定，实现数据的显示和存储；

所述检测平台包括温控箱和单轴一体化转台，光纤陀螺放置于温控箱内；

所述数据采集模块包括：

A/D转换器，将光纤陀螺输出的电压信号或电流信号转换为计算机能够识别的等效数字信号；

数据缓冲模块，起到数据缓冲的作用，连接在A/D转换器和主机之间，A/D转换器产生的数据先存储在缓冲器中，当缓冲器中数据存满后由计算机取走数据；

控制电路，实现对光纤陀螺输出信号的转换以及计算机数据读取的控制；

USB接口电路，实现数据的传输，将采集数据传送到计算机。

如图2所示，所述控制电路包括：

USB控制器，控制数据的传输以及所有USB接口和接口上设备的正常运行；

逻辑控制电路，接收USB控制器发出的控制信号，产生三态缓冲电路和时钟电路的控制信号；

三态缓冲电路，为高阻态时实现光纤陀螺数据由AD9225芯片传输到静态RAM，为高、低电平态时实现静态RAM和USB控制器之间的数据传输；

时钟电路，通过控制时序逻辑电路来产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号以及调整A/D转换器与静态RAM之间的时钟同步，保证电路的时序正确；

时序逻辑电路，由时钟电路控制产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号；

地址发生器，由计数器实现，提供静态RAM的读写地址信号；

AD9225芯片，提供12位精度、25Msps的高速模数转换；

静态RAM，为数据缓冲器，起到数据缓冲的作用。

以下结合图1至8对本发明作进一步的说明。

如图1所示，光纤陀螺被置于温控箱中，通过定位夹进行固定，并保持光纤陀螺的输入基准轴IRA的方向垂直于单轴一体化转台的平台面，单轴一体化转台和温控箱为光纤陀螺提供试验环境，供电单元提供光纤陀螺工作所需的+5V的电压，光纤陀螺的输出信号经过A/D转换器进行转换，转换后的数据先存储在数据缓冲器中，当数据缓冲器的数据存满后，由计算机读取数据，控制电路控制光纤陀螺输出信号的转换以及计算机数据的读取，计算机采集到数据后进行分析处理，实现光纤陀螺零偏和标度因数的标定，并实现数据的绘图和显示。

选择3只同一批次的单轴光纤陀螺试验样本进行试验分析，温控箱温度控制60℃并稳定1h进行预热，然后接通光纤陀螺电源，以固定时间间隔168h测量输出值，共测量25次，光纤陀螺输出信号经计算机采集并分析处理，对其零偏和标度因数进行标定后得到其零偏和标度因数退化数据如表1、表2所示，并分别作出退化曲线如图4、图5所示，由图4、图5可看出3只光纤陀螺试验样本零偏和标度因数均有明显退化趋势。

表1零偏退化数据(°\h)

表2标度因数退化数据(10e-6)

由表1、表2数据，计算得到零偏退化增量、标度因数退化增量数据如表3、表4所示；

表3零偏退化增量

表4标度因数退化增量

光纤陀螺综合可靠度函数曲线如图8所示，其横坐标表示时间，单位为h，纵坐标为对应时间的可靠度，根据上述可靠度函数进行寿命分析，分析结果如表5所示：在31175h后，光纤陀螺的可靠度为0.97；在31941h后，光纤陀螺可靠度为0.95；在34693h后，光纤陀螺可靠度为0.8；在39939h后，光纤陀螺可靠度为0.3。

表5

综上所述，本发明综合考虑零偏和标度因数性能对光纤陀螺的可靠性影响，通过光纤陀螺可靠性检测系统获取所需试验数据，计算光纤陀螺可靠度综合函数，得到当前对应的被测光纤陀螺可靠性指标，直观评价当前被测光纤陀螺可靠性水平，为光纤陀螺的生产或设计，提供产品改进的技术支撑。

Claims (9)

1.一种基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：该方法包括以下顺序的步骤：

(1)对光纤陀螺零偏退化量X₁(t)和标度因数退化量X₂(t)进行退化建模：

(2)构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型；

(3)构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型；

(4)基于Frank Copula函数构造光纤陀螺的零偏和标度因数退化失效联合分布函数；

(5)计算得到光纤陀螺的可靠度综合模型，由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

2.根据权利要求1所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是指：

X₁(t)＝μ₁t+σ₁B(t)、X₂(t)＝μ₂t+σ₂B(t)，式中，B(t)为标准布朗运动形式，μ₁,σ₁分别表示零偏退化率和零偏扩散系数，μ₂,σ₂分别表示标度因数退化率和标度因数扩散系数，由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值

3.根据权利要求1所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：

计算零偏退化失效分布函数其中分别为零偏退化率和零偏扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₁表示零偏退化失效阈值，构建光纤陀螺零偏性能可靠度模型

4.根据权利要求1所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是指：

计算标度因数退化失效分布函数

其中分别为标度因数退化率和标度因数扩散系数的估计值，Φ(·)为标准正态分布函数，w₂表示标度因数退化失效阈值，构建光纤陀螺标度因数可靠度函数模型

5.根据权利要求1所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤(4)具体是指：

其中，C(·)为具有边缘分布函数F₁(t)、F₂(t)的二元Copula函数，F₁(t)为零偏退化量的失效分布函数，F₂(t)为标度因数退化量的失效分布函数，为光纤陀螺零偏退化量和标度因数退化量之间的相关系数估计值，值由贝叶斯参数估计法得到；

所述值由贝叶斯参数估计法得到具体是指：

由零偏退化量的失效分布函数F₁(t)、标度因数退化量的失效分布函数F₂(t)计算出t_j时刻函数值(F₁(t_j),F₂(t_j))，Copula函数的对数似然函数为进一步利用贝叶斯参数估计法得到相关系数估计值对应的贝叶斯公式为：P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))∝π(α)·L(F₁(t_j),F₂(t_j)|α)，式中P(α|(F₁(t_j),F₂(t_j)))为参数α的后验分布，π(α)为无信息先验分布。

6.根据权利要求1所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指：

式中R₁(t)表示零偏性能退化量的可靠度函数，R₂(t)表示标度因数性能退化量的可靠度函数，为零偏和标度因数退化失效联合分布函数；由光纤陀螺可靠性综合模型生成并输出包括光纤陀螺可靠性信息的检测数据。

7.根据权利要求2所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法，其特征在于：所述由极大似然估计法得到μ₁,σ₁,μ₂,σ₂的估计值包括以下步骤：

(1a)光纤陀螺零偏退化数据形式为：

标度因数退化数据形式为：

其中i＝1,...,n,j＝1,...,m，n为样本总数，m为测量时刻总数，初始时刻数据退化量为0，由公式Δx_1,i(t_j)＝x_1,i(t_j)-x_1,i(t_j-1)，Δx_2,i(t_j)＝x_2,i(t_j)-x_2,i(t_j-1)分别计算得到相邻测量时刻间零偏退化增量：

和标度因数退化增量：

(1b)根据极大似然估计法，由零偏退化增量ΔX_1,i(t_j)得到零偏退化率和零偏扩散系数估计值：由标度因数退化增量ΔX_2,i(t_j)得到标度因数退化率和标度因数扩散系数估计值：

8.实施权利要求1至7中任一项所述的基于多元性能退化的单轴光纤陀螺可靠性检测方法的系统，其特征在于：包括：

供电单元，保护光纤陀螺同时满足其工作所需+5V电压要求；

检测平台，提供光纤陀螺的检测环境，实现光纤陀螺的性能检测；

数据采集模块，实现光纤陀螺输出数据的采集并传送到计算机；

计算机，对经数据采集模块传送过来的数据进行处理分析，完成光纤陀螺性能参数的标定，实现数据的显示和存储；

所述检测平台包括温控箱和单轴一体化转台，光纤陀螺放置于温控箱内；

所述数据采集模块包括：

A/D转换器，将光纤陀螺输出的电压信号或电流信号转换为计算机能够识别的等效数字信号；

数据缓冲模块，起到数据缓冲的作用，连接在A/D转换器和主机之间，A/D转换器产生的数据先存储在缓冲器中，当缓冲器中数据存满后由计算机取走数据；

控制电路，实现对光纤陀螺输出信号的转换以及计算机数据读取的控制；

USB接口电路，实现数据的传输，将采集数据传送到计算机。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述控制电路包括：

USB控制器，控制数据的传输以及所有USB接口和接口上设备的正常运行；

逻辑控制电路，接收USB控制器发出的控制信号，产生三态缓冲电路和时钟电路的控制信号；

三态缓冲电路，为高阻态时实现光纤陀螺数据由AD9225芯片传输到静态RAM，为高、低电平态时实现静态RAM和USB控制器之间的数据传输；

时钟电路，通过控制时序逻辑电路来产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号以及调整A/D转换器与静态RAM之间的时钟同步，保证电路的时序正确；

时序逻辑电路，由时钟电路控制产生AD9225芯片的时钟信号和转换开始信号、地址发生器的时钟信号；

地址发生器，由计数器实现，提供静态RAM的读写地址信号；

AD9225芯片，提供12位精度、25Msps的高速模数转换；

静态RAM，为数据缓冲器，起到数据缓冲的作用。