CN112595340A - 一种光纤陀螺仪在线故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，由于光强信息对光纤丝的损伤更敏感，通过光强信息，可以更容易发现光纤丝断裂的情形；因此，本发明通过对Y波导施加过调制信号

进行解调，解调后的信号经累加求和平滑后输出，即在不增加任何硬件成本的情况下，就获得了光强信息；然后，本发明通过实时检测光强来判断生产过程中光纤丝是否存在划伤等隐患，以及光纤丝熔接是否正常；同时，在整机温度循环过程中，可以实时监测光强变化，通过检测微弱的光强变化，即可判断光纤陀螺是否存在质量隐患；也就是说，本发明通过在线检测各陀螺仪的光强信号，可以实时判断各陀螺仪的质量状况，为专家系统选择哪个陀螺仪提供参考信息。

Description

一种光纤陀螺仪在线故障检测方法

技术领域

本发明属于故障探测技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺仪在线故障检测方法。

背景技术

惯性技术是海陆空天各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿态稳定以及过载传感器等的核心技术，是同时具备自主性好、信息全面、实时连续、抗干扰强等特性的载体运动信息感知技术。惯性技术在国防和民用领域发挥着越来越大的作用。

陀螺仪是惯性系统的核心部件，用于敏感运动载体相对惯性空间的角运动，测量载体的角位移和角速度，对惯性系统的性能起着关键作用，是惯性技术研究的重点内容之一。

光纤陀螺仪是以近代物理学效应为基础发展起来的光电类陀螺，相比较传统的机电类陀螺仪，光纤陀螺具有结构简单、体积小、可靠性高及精度高等优点，近二十年，光纤陀螺仪技术得到迅猛发展。光纤陀螺基于Sagnac效应，即沿闭合光路相向传播的光波返回到起点干涉后，干涉信号的相位差正比于闭合光路敏感轴的输入角速度。

典型的干涉型光纤陀螺的基本原理如图1所示。其中光路部分包括：光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、探测器5构成；信号处理电路部分主要包含A/D转换器6、FPAG逻辑控制器7、D/A转换器8。

如图1所示，探测器5检测到的光信号强度为

其中，I₀为输入光强，

为陀螺输入角速度引起的Sagnac相位差，在闭环光纤陀螺中，该项可理解为Sagnac相位差与反馈相位之和，为小量。当相位差

时，

即光纤陀螺输出的灵敏度很差，接近于0；零位，由于响应曲线(余弦函数)的对称性，无法直接确定光纤陀螺的旋转方向。

为了获得最大的输出信号灵敏度，并能分辨角速度的方向，通常对Sagnac干涉仪进行

相位偏置，偏置后的响应公式为：

在光纤陀螺仪信号检测电路中，为了检测高频信息，通常把输入信号进行隔直处理，滤除信号中的直流分量，则响应公式可以简化为

其中，I_D为光强信号的探测值，同理，当对Sagnac干涉仪进行

相位偏置，偏置后的响应公式为

两个响应公式相减得到

因为闭环光纤陀螺中，

为Sagnac相位差与反馈相位之和，为小量，因此上述公式可以简化成线性模型。偏置后，探测器接收到的光功率随

的变化为正弦函数，因而在零输入附近具有最大的灵敏度，同时通过

调制解调后，可以很方便求得该误差角。

从图1可以看出，光纤陀螺结构相对简单，目前光学器件和信号处理电路都非常成熟，因此，相对于机电陀螺仪，光纤陀螺具有体积小、可靠性高等优点。因为光纤陀螺的精度与光纤丝长度密切相关，在高精度应用场合，厂家都希望尽量增加光纤丝长度，但是，光纤丝长度增加，势必会带来体积的增大，为了减小体积而不损失精度，只能减小光纤丝的直径。目前常用的光纤丝直径包括125μm、80μm、60μm等，光纤丝非常细，因此在陀螺仪装配、光纤丝熔接过程中，光纤丝非常容易划伤，另外，根据目前工艺情况，陀螺仪装配、光纤丝熔接过程中还无法做到自动化操作，人为的因素导致光纤丝断裂成了影响光纤陀螺可靠性的短板。

为了提高可靠性，目前常用的方法是在光纤陀螺装配完成后进行多次温度循环试验，使得有缺陷的产品在温度应力下彻底损坏，通过后续测试剔除有缺陷产品。在高可靠性应用场合，通常采取冗余方案，利用多个陀螺仪同时敏感同一角度信息，通过专家系统，选择合格的陀螺仪。

现有技术通过增加温度循环试验剔除早期失效的方案，通过温度应力把有损伤的光纤丝拉断，这样既浪费大量的测试时间，却只能剔除损伤比较严重的产品，对应轻微划伤或者熔接不良的产品，经过多次温度循环后并没有彻底断裂，因此在后续测试中无法甄别出来，从而把有隐患的产品应用在系统中，造成质量隐患。另外，采用双陀螺仪冗余方案，由于没有参考源，很难判断究竟哪个陀螺工作正常，利用多个陀螺仪虽然能提高可靠性，但是体积、成本都相应增大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，通过实时测量光强信息判断光纤陀螺仪是否工作正常，能够尽早剔除有缺陷产品，提高交付产品的可靠性。

一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，所述光纤陀螺仪包括光源、Y波导以及光纤环，所述方法包括以下步骤：

S1：调节Y波导的控制电压，使得Y波导将光源出射的信号光分成两路相位相差

的子波束，其中，

S2：两路子波束在旋转的光纤环中反向传播后，返回Y波导合成一路干涉信号；

S3：分别采用

对干涉信号进行调制，得到正向调制信号

和反向调制信号

其中，I₀为信号光的光强探测值，

为旋转的光纤环导致的两路子波束之间的Sagnac相位差；

S4：将正向调制信号

和反向调制信号

相加，得到求和信号sumI_D：

S5：基于

为与0的差值小于设定值的小量，得到

进而得到信号光的光强I₀；

S6：重复步骤S1～S5，直到达到设定重复次数，得到多个光强I₀进行累加求和，得到光强平滑值；

S7：判断光强平滑值与信号光的光强理论值的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

进一步地，所述方法还包括以下步骤：

S8：将正向调制信号

和反向调制信号

作差，得到误差角信号ΔI_D：

S9：重复执行多次步骤S1～S3得到正向调制信号

和反向调制信号

再按照步骤S8得到多个误差角信号ΔI_D进行累加求和，直到达到设定重复次数，得到误差角平滑值；

S10：判断误差角平滑值与光纤环角速率的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

有益效果：

1、本发明提供一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，由于光强信息对光纤丝的损伤更敏感，通过光强信息，可以更容易发现光纤丝断裂的情形；因此，本发明通过对Y波导施加过调制信号

进行解调，解调后的信号经累加求和平滑后输出，即在不增加任何硬件成本的情况下，就获得了光强信息；然后，本发明通过实时检测光强来判断生产过程中光纤丝是否存在划伤等隐患，以及光纤丝熔接是否正常；同时，在整机温度循环过程中，可以实时监测光强变化，通过检测微弱的光强变化，即可判断光纤陀螺是否存在质量隐患；也就是说，本发明只需要一个温度循环，即可剔除早期有隐患产品，大大提高产品可靠性；此外，在高可靠性应用场合，采用多陀螺仪冗余方案，通过在线检测各陀螺仪的光强信号，可以实时判断各陀螺仪的质量状况，为专家系统选择哪个陀螺仪提供参考信息。

2、本发明提供一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，可以同时得到误差角信息和光强信息，相比于误差角信息，光强信息对光纤丝的损伤更敏感，因此在光纤陀螺的生产过程中，可以将两者结合，采用误差角信息进行粗判断，光强信息进行精判断；然后通过温度循环试验，分析温度循环过程中光强信息的变化可以更直接的发现潜在的质量隐患，从而能尽早剔除有缺陷产品，提高交付产品的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的干涉式光纤陀螺主要工作模块示意图；

图2为本发明一种光纤陀螺仪在线故障检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

光纤陀螺工作时，光源发出的光波在光纤丝中传播，在正常情况下，光波在传播过程中的损耗是相对固定的，当光纤丝熔接不良或有划伤时，光波在传播过程中损耗明显增大，最恶劣的情形，当光纤丝断裂后，光波在光纤中无法传播，因此通过检测输出的光强信号，即可实时判断光纤丝是否有损伤或者有质量隐患。

在现有公式

中含有光强信息I₀，但是由于

为Sagnac相位差与反馈相位之和，为小量，光强信息被屏蔽，无法精确测量。为了精确测量光强信息，通常需要增加专用探测器，将探测器输出的电流信号进行I/V变换，转换成电压信号，然后才有A/D转换器，转换成数字量进行读取。另外，由于光波在闭环回路中传播，新增的探测器很难接入到现有光路中。因此有必要寻求一种新的方案，在不增加硬件成本的情况下，仅通过算法计算出光强信息。

目前光纤陀螺仪一般采用

调制方案，通过解调，可以得到可以很方便求得该误差角。但是采用该调制方案无法得到光强信息。为了得到光强信息，可以采用过调制方案

(其中，

)。

如图2所示，一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，所述光纤陀螺仪包括光源、Y波导以及光纤环，所述方法包括以下步骤：

S1：调节Y波导的控制电压，使得Y波导将光源出射的信号光分成两路相位相差

的子波束，其中，

S2：两路子波束在旋转的光纤环中反向传播后，返回Y波导合成一路干涉信号；

S3：分别采用

对干涉信号进行调制，得到正向调制信号

和反向调制信号

其中，I₀为信号光的光强探测值，

为旋转的光纤环导致的两路子波束之间的Sagnac相位差；

S4：将正向调制信号

和反向调制信号

相加，得到求和信号sumI_D：

S5：基于

为与0的差值小于设定值的小量，得到

进而得到信号光的光强I₀；

S6：重复步骤S1～S5，直到达到设定重复次数，得到多个光强I₀进行累加求和，得到光强平滑值；

S7：判断光强平滑值与信号光的光强理论值的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

也就是说，在实际应用过程中，根据光纤陀螺仪调制机理，

总是成对出现，故对AD采集到奇偶两次数据相加，即可解调出光强信息，通过多个解调数据进行累加求和，可以对光强信息进行平滑，将该信息通过串口输出，即可得到和光强成正比的数字量。

此外，本发明除了可以根据信号光的光强I₀判断光纤陀螺仪是否发生故障，还可以根据误差角信号判断光纤陀螺仪是否发生故障，具体包括以下步骤：

S8：将正向调制信号

和反向调制信号

作差，得到误差角信号ΔI_D：

S9：重复执行多次步骤S1～S3得到正向调制信号

和反向调制信号

再按照步骤S8得到多个误差角信号ΔI_D进行累加求和，直到达到设定重复次数，得到误差角平滑值；

S10：判断误差角平滑值与光纤环角速率的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

需要说明的是，

与光纤环的角速率成正比，则误差角信号ΔI_D也正比于光纤环的角速率。

由此可见，利用现有技术，光纤陀螺只输出被测角速率信息，由于角速率信息是被测量，具体值无法事先知道，因此无法利用该信息实时判断光纤陀螺的好坏，除非是在实验室中利用速率转台提供角速率基准，才能判断光纤陀螺好坏；或者是光纤陀螺彻底失效，无法测量角速率信息时，才能判断出产品好坏。

另外，光纤丝是光纤陀螺最薄弱的环节，光纤丝熔接不良或划伤、断裂等情形是导致光纤陀螺失效的最大原因。对应类似问题，利用现有技术，只能通过光纤陀螺输出的角速率信息进行判断，但是，通过判断角速率信息，只能发现光纤丝断裂等最坏情形，对于光纤丝熔接不良或划伤等隐形故障，则很难发现。在现有技术下，为提高光纤陀螺可靠性，在生产过程中，往往利用多次温度循环试验，通过温度应力，把存在光纤丝熔接不良或划伤等隐形故障的光纤丝彻底拉断，才能剔除早期失效产品，为此，往往需要十多次甚至几十次温度循环试验，导致试验周期、试验成本大大增加，且很难把有质量隐患的产品剔除干净。

与现有技术相比，采用本专利技术，在不增加任何硬件成本的情况下增加了光强信息，在输出信息中同时包含了角速率信息和光强信息。光强信息反映的是光纤陀螺自身的信息，与输入的角速度无关，因此仅通过光强信息本身即可判断光纤陀螺质量状况。这在多陀螺融合情况下，尤其重要，通过对光强信息的判断，可以为专家系统决策提供参考信息。

与角速率信息相比，光强信息对光纤丝的损伤更敏感，通过光强信息，不但很容易发现光纤丝断裂的情形，对于光纤丝熔接不良或划伤等隐形故障，也较容易发现。因此，在光纤陀螺生产过程中，利用温度循环试验，通过分析温度循环过程中光强信息的变化情况，可以较容易的发现光纤丝存在的质量隐患，与现有技术相比，采用本专利技术，利用一次温度循环试验即可剔除早期质量隐患的产品，大大减少试验周期，从而大大降低试验成本。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，所述光纤陀螺仪包括光源、Y波导以及光纤环，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：调节Y波导的控制电压，使得Y波导将光源出射的信号光分成两路相位相差

的子波束，其中，

S2：两路子波束在旋转的光纤环中反向传播后，返回Y波导合成一路干涉信号；

S3：分别采用

对干涉信号进行调制，得到正向调制信号

和反向调制信号

其中，I₀为信号光的光强探测值，

为旋转的光纤环导致的两路子波束之间的Sagnac相位差；

S4：将正向调制信号

和反向调制信号

相加，得到求和信号sumI_D：

S5：基于

为与0的差值小于设定值的小量，得到

进而得到信号光的光强I₀；

S6：重复步骤S1～S5，直到达到设定重复次数，得到多个光强I₀进行累加求和，得到光强平滑值；

S7：判断光强平滑值与信号光的光强理论值的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

2.如权利要求1所述的一种光纤陀螺仪在线故障检测方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S8：将正向调制信号

和反向调制信号

作差，得到误差角信号ΔI_D：

S9：重复执行多次步骤S1～S3得到正向调制信号

和反向调制信号

再按照步骤S8得到多个误差角信号ΔI_D进行累加求和，直到达到设定重复次数，得到误差角平滑值；

S10：判断误差角平滑值与光纤环角速率的比值是否在设定范围，若不在，则光纤陀螺仪发生故障。

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