CN115143949A - 超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法 - Google Patents

超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法 Download PDF

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CN115143949A CN202211079083.9A CN202211079083A CN115143949A CN 115143949 A CN115143949 A CN 115143949A CN 202211079083 A CN202211079083 A CN 202211079083A CN 115143949 A CN115143949 A CN 115143949A
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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法，包括如下流程：将陀螺仪进行开环处理；温箱预热；Y波导与信号发生器连接，使信号发生器发出可变频率的方波信号，并使探测器输出尖峰脉冲；调整方波信号频率，使探测器输出的尖峰脉冲最窄；调整温箱温度，测量各个预定温度点下陀螺的本征频率并计算相应的系数；将陀螺仪闭环处理并将Y波导与信号发生器断开，温箱施温，调制解调电路查找本征频率或计算出本征频率，反馈给Y波导进行对陀螺输出进行频率补偿。本发明提供的方法可以保证超高精度光纤陀螺仪的精度要求，且能够对故障进行快速诊断与处理。

Description

超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法。
背景技术
典型的干涉光电分离式超高精度光纤陀螺仪包括C+L波段ASE宽谱光源、高消光比 大尺寸Y波导、大直径超长光纤环圈、保偏光纤耦合器、低噪声保偏光纤探测器，AD转换器、 FPGA调制解调电路及DA转换器等。光波在光纤陀螺光纤环圈中传播的时间称为渡越时间τ，它 是由光纤环长度决定的一个光纤陀螺特征量。τ倒数的二分一称为光纤陀螺的本征频率
Figure 868221DEST_PATH_IMAGE001
， 表达式为式（4）：
Figure 316520DEST_PATH_IMAGE002
（4）
其中：c为真空中光速，
Figure 174886DEST_PATH_IMAGE003
为光纤折射率，为光纤长度。
由于实际上光纤折射率
Figure 101254DEST_PATH_IMAGE003
受到温度、应力的影响不容易确定；光纤环圈含有绕环 胶、支撑结构实现对光纤的固定，光纤环圈中的光纤长度也受到温度、应力的影响也不容易 确定。因此上式计算出来的本征频率较真实值存在较大的误差。
目前，高精度光纤陀螺仪都采用全数字闭环方式进行调制解调，由AD转换器采集 角速率信息后，交由FPGA进行结算处理，FPGA将解调后的闭环反馈误差交由DA转换器进行 数模转换，转换后输入Y波导进行相位反馈，实现闭环。在上述处理方式中，FPGA中调制解调 的频率一般为一个固定光纤陀螺的本征频率或者本征频率的奇次倍频，这对精度为 0.001°/h以下的光纤陀螺来说，由于敏感环圈光纤长度(通常小于5000m)，环圈尺寸(通常 直接小于160mm)相对超高精度光纤陀螺来说相对较少，高低温导致的环圈形变影响光纤长 度和折射率变化带来的本征频率变化可接收，陀螺性能也满足工程实践需求。但是对于超 高精度光纤陀螺来说，其敏感环圈尺寸直径可达260mm，光纤长度可达20000m甚至更多，尤 其是目前公开报道的IXBLUE公司的巨型超高精度光纤陀螺仪设计尺寸可达5000cm，光纤长 度达到15km。超高精度光纤陀螺仪选用大尺寸长光纤设计是为了满足设计精度指标需求， 光纤陀螺检测的Sagnac相移
Figure 977943DEST_PATH_IMAGE004
和敏感到的转速
Figure 580831DEST_PATH_IMAGE005
的关系可表示为式（5）：
Figure 910182DEST_PATH_IMAGE006
（5）
式中，
Figure 905819DEST_PATH_IMAGE007
为光纤陀螺ASE光源的平均波长，L为光纤环长度，D为光纤环直径。增大LD 的乘积可以提高光纤陀螺仪敏感角速率的极限精度，如陀螺零偏稳定性和陀螺标度稳定 性，可将K=
Figure 856589DEST_PATH_IMAGE008
计为陀螺仪标度。
根据前述分析，超高精度光纤陀螺仪由于采用大尺寸长高光纤环圈，外界环境温 度的变化不可避免的会导致环圈尺寸和光纤长度的变化，该变化带来的误差量和外界输入 的转速
Figure 381111DEST_PATH_IMAGE009
不可分离，降低了超高精度光纤陀螺仪的精度；同时，该变化也引起光纤环圈中光 纤折射率和长度的变化，导致陀螺仪本征频率的变化，这种变化对超高精度光纤陀螺仪来 说是致命的。如果超高精度光纤陀螺仪调制解调频率依然为一固定值，则温度变化将极大 的降低光纤陀螺仪的精度，影响陀螺仪的使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法，通过温度本征频率的拟合，利用信号发生器产生超高精度光纤陀螺仪准确本征频率，并与陀螺输出信号一起经解调后反馈给Y波导，避免了原来不同温度情况下用同一个常温离线测试产生的本征频率调制时频率偏离导致的陀螺零偏、标度性能降低的问题，能够保证超高精度光纤陀螺仪的精度要求。本方案在不增加现有超高陀螺硬件处理方案的技术上，通过模型准确输出超高精度光纤陀螺调制频率，并分析频率周期内陀螺的解调数据，实现陀螺故障快速诊断及处理。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，超高精度光纤陀螺仪包括光源、Y波导、光纤环圈及耦合器，其补偿方法包括如下步骤：
S1:将由耦合器、Y波导及光纤环圈组成的敏感表头放入温箱，并将超高精度光纤陀螺仪进行开环处理；
S2: 温箱按预设的施温曲线进行温度激励至敏感表头内部稳定，温箱施加的温度与敏感表头温度一致且达到设定温度；
S3:光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，将Y波导与信号发生器连接，使信号发生器发出可变频率的方波信号，并使探测器输出尖峰脉冲；
S4:调整信号发生器产生的方波信号频率，使探测器输出的尖峰脉冲最窄，此时信号发生器显示的方波信号频率即为该设定温度下的超高精度光纤陀螺的本征频率；
S5:调整温箱温度到预定温度点，反复重复步骤S3、S4，测量各个预定温度点下超高精度光纤陀螺的本征频率，并将每次测量的预定温度与对应的本征频率值输送给调制解调电路写入查找表，调制解调电路并根据式（1）计算出本征频率的两个温度系数CT1及CT2；
Figure 932178DEST_PATH_IMAGE010
（1）
其中：
Figure 718125DEST_PATH_IMAGE011
为本征频率的函数，函数参数为平均波长λ及温度T，
Figure 772669DEST_PATH_IMAGE012
为平均波长λ为1550和温度T为60℃时的本征频率，CT1及CT2为本征频率的温度系数，分别为
Figure 733672DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 522767DEST_PATH_IMAGE014
。
S6: 将超高精度光纤陀螺仪进行闭环处理，并断开Y波导与信号发生器之间的连接，按预设的施温曲线进行温度激励，光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，经AD转换器转换成电信号后传输给调制解调电路，同时敏感表头将当前温度信号传输给调制解调电路，调制解调电路根据步骤S5写入查找表的数据找到相应温度下对应的本征频率值，若查找表中没有相应的温度及对应的本征频率值，则调制解调电路根据S5中计算出的本征频率的两个温度系数CT1及CT2及式（1）计算出相应温度下对应的本征频率后，将本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加到一起反馈给Y波导。
优化的，S4中探测器输出的尖峰脉冲通过示波器测量并显示。
优化的，S2中温箱进行温度激励的时长为四小时以上。
进一步，S6中本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加在一起先经过DA转换再经过运算放大器将信号放大后反馈给Y波导。
一种超高精度光纤陀螺仪快速故障诊断及处理方法，其包括如下步骤：
D1:超高精度光纤陀螺仪根据上述补偿方法进行本征频率补偿时，调制解调电路记录每个预定温度点下对应本征频率时的陀螺输出累加值F，并写入查找表；
D2:调制解调电路将每次预设温度下的敏感表头温度与预设范围进行比较，若超过预设范围则判定陀螺本征频率及补偿异常，按照S1-S6的步骤重新进行补偿；调制解调电路将D1中记录的陀螺输出累加值F与预设范围比较，若超出预设范围则判定陀螺为电路、光路或硬件异常，通过对电路、光路的检查及硬件的更换可以排除故障。
进一步，在信号发生器的一个方波信号周期内，D1中陀螺输出累加值F分为高电平期间的累加值F+和低电平期间的累加值F-，F若满足式（2）则判断超高精度光纤陀螺仪正常，若F值小于Fmin，则表明陀螺仪探测器端无光，陀螺光路存在问题；F值大于Fmax，则表明陀螺仪探测器端光强最大，Y波导端未施加偏置信号，陀螺调制解调存在问题，
Fmin≤F++F-=F≤Fmax （2）
其中Fmin是探测器无光时的数据累加值，Fmax是Y波导未被施加任何信号时的数据累加值。
进一步，调制解调电路根据式（3）计算出本征频率，并将计算出的本征频率与S6得到的本征频率值进行比较，若根据式（3）计算出本征频率与S6得到的本征频率之间的偏差超过预设范围，则判定陀螺仪发生故障，AD采样频率不是在该温度点对应本征频率的调制上进行数据采集；
f本征频率=AD采样频率 /(AD采样数量) （3）
其中，AD采样频率为模数转换器AD的采样频率，AD采样数量为方波周期内的模数转换器AD的采样数量。
发明的有益效果
本发明提供的超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法，具有如下优点：通过温度本征频率的拟合，利用信号发生器产生超高高精度光纤陀螺仪准确本征频率，并反馈给Y波导，避免了原来不同温度情况下用同一个常温离线测试产生的本征频率调制时频率偏离导致的陀螺零偏、标度性能降低的问题，从而保证超高精度光纤陀螺仪的精度要求。本方案在不增加现有超高陀螺硬件处理方案的技术上，通过模型准确输出超高精度光纤陀螺调制频率，并分析频率周期内陀螺的解调数据，实现陀螺故障快速诊断及处理。
附图说明
图1是本发明补偿系统原理框图；
图2是温箱施温曲线图。
具体实施方式
一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，超高精度光纤陀螺仪包括光源、Y波导、光纤环圈及耦合器，具体的补偿系统原理框图如附图1所示，其补偿方法包括如下步骤：
S1:将由耦合器、Y波导及光纤环圈组成的敏感表头放入温箱，并将超高精度光纤陀螺仪进行开环处理；这里的耦合器为保偏光纤耦合器，Y波导为高消光比大尺寸Y波导，光纤环圈为大直径超长光纤环圈，从而形成超高精度光纤陀螺仪。将超高精度光纤陀螺仪进行开环处理，主要是将Y波导与调制解调电路断开。
S2:温箱按预设的施温曲线进行温度激励至敏感表头内部稳定，温箱施加的温度与敏感表头温度一致且达到设定温度，保证补偿及故障诊断与处理的准确性，具体的温箱施温曲线可如附图2所示；
S3:光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，将Y波导与信号发生器连接，使信号发生器发出可变频率的方波信号，并使探测器输出尖峰脉冲；
S4:调整信号发生器产生的方波信号频率，使探测器输出的尖峰脉冲最窄，此时信号发生器显示的方波信号频率即为该设定温度下的超高精度光纤陀螺的本征频率；
S5:调整温箱温度到预定温度点，反复重复步骤S3、S4，测量各个预定温度点下超高精度光纤陀螺的本征频率，并将每次测量的预定温度与对应的本征频率值输送给调制解调电路写入查找表，调制解调电路并根据式（1）计算出本征频率的两个温度系数CT1及CT2；
Figure 860208DEST_PATH_IMAGE015
（1）
其中：
Figure 300416DEST_PATH_IMAGE011
为本征频率的函数，函数参数为平均波长λ及温度T，
Figure 416009DEST_PATH_IMAGE016
为平均波长λ为1550和温度T为60℃时的本征频率，CT1及CT2为本征频率的温度系数，分别为
Figure 676089DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 286062DEST_PATH_IMAGE014
。
S6:将超高精度光纤陀螺仪进行闭环处理，并断开Y波导与信号发生器之间的连接，按预设的施温曲线进行温度激励，光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，经AD转换器转换成电信号后传输给调制解调电路，同时敏感表头将当前温度信号传输给调制解调电路，调制解调电路根据步骤S5写入查找表的数据找到相应温度下对应的本征频率值，若查找表中没有相应的温度及对应的本征频率值，则调制解调电路根据S5中计算出的本征频率的两个温度系数CT1及CT2及式（1）计算出相应温度下对应的本征频率后，将本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加到一起反馈给Y波导。
经过S6步骤可以将不同温度点对应超高高精度光纤陀螺仪准确的本征频率，经解调后于陀螺输出信号一起反馈给Y波导进行本征频率的补偿，避免了原来不同温度情况下用同一个常温离线测试产生的本征频率调制时频率偏离导致的陀螺零偏、标度性能降低的问题，能够保证超高精度光纤陀螺仪的精度要求。
优化的，S4中探测器输出的尖峰脉冲通过示波器测量并显示。
优化的，S2中温箱进行温度激励的时长为四小时以上，使敏感表头内部稳定且温箱施加的温度与敏感表头温度一致，从而保证补偿及故障诊断与处理的准确性。
进一步，S6中本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加在一起先经过DA转换再经过运算放大器将信号放大后反馈给Y波导。
一种超高精度光纤陀螺仪快速故障诊断及处理方法，其包括如下步骤：
D1:超高精度光纤陀螺仪根据上述补偿方法进行本征频率补偿时，调制解调电路记录每个预定温度点下对应本征频率时的陀螺输出累加值F，并写入查找表；
D2: 调制解调电路将每次预设温度下的敏感表头温度与预设范围进行比较，若超过预设范围则判定陀螺本征频率及补偿异常，按照S1-S6的步骤重新进行补偿；调制解调电路将D1中记录的陀螺输出累加值F与预设范围比较，若超出预设范围则判定陀螺为电路、光路或硬件异常，通过对电路、光路的检查及硬件的更换可以排除故障；调制解调电路将D1中记录的陀螺输出累加值F与基准值进行比较，若超过基准值的设定范围，则判定为程序性故障，通过程序的调整可以排除故障。
通过上述步骤，在不增加现有超高陀螺硬件处理方案的技术上，通过模型准确输出超高精度光纤陀螺调制频率，并分析频率周期内陀螺的解调数据，实现了陀螺故障的快速诊断及处理。
进一步，在信号发生器的一个方波信号周期内，D1中陀螺输出累加值F分为高电平期间的累加值F+和低电平期间的累加值F-，F若满足式（2）则判断超高精度光纤陀螺仪正常，若F值小于Fmin，则表明陀螺仪探测器端无光，陀螺光路存在问题；F值大于Fmax，则表明陀螺仪探测器端光强最大，Y波导端未施加偏置信号，陀螺调制解调存在问题，
Fmin≤F++F-=F≤Fmax （2）
其中Fmin是探测器无光时的数据累加值，Fmax是Y波导未被施加任何信号时的数据累加值。
通过对陀螺输出累加值F的输出与判断，可以进一步判断陀螺仪故障发生的具体原因，方便故障的快速处理。
进一步，调制解调电路根据式（3）计算出本征频率，并将计算出的本征频率与S6得到的本征频率值进行比较，若根据式（3）计算出本征频率与S6得到的本征频率之间的偏差超过预设范围，则判定陀螺仪发生故障，AD采样频率不是在该温度点对应本征频率的调制上进行数据采集；
f本征频率=AD采样频率 /(AD采样数量) （3）
其中AD采样频率为模数转换器AD的采样频率，AD采样数量为方波周期内的模数转换器AD的采样数量。
通过将后期计算出的本征频率与补偿时的本征频率值进行比较，可以进一步缩小故障发生的范围，判断陀螺仪发生故障的原因，方便快速处理。
综上所述，本发明提出的超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿及故障诊断处理方法，通过温度本征频率的拟合，利用信号发生器产生超高高精度光纤陀螺仪准确本征频率，并反馈给Y波导，避免了原来不同温度情况下用同一个常温离线测试产生的本征频率调制时频率偏离导致的陀螺零偏、标度性能降低的问题，从而保证超高精度光纤陀螺仪的精度要求。本方案在不增加现有超高陀螺硬件处理方案的技术上，通过模型准确输出超高精度光纤陀螺调制频率，并分析频率周期内陀螺的解调数据，实现陀螺故障快速诊断及处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，超高精度光纤陀螺仪包括光源、Y波导、光纤环圈及耦合器，其特征在于，补偿方法包括如下步骤：
S1:将由耦合器、Y波导及光纤环圈组成的敏感表头放入温箱，并将超高精度光纤陀螺仪进行开环处理；
S2:温箱按预设的施温曲线进行温度激励至敏感表头内部稳定，温箱施加的温度与敏感表头温度一致且达到设定温度；
S3:光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，将Y波导与信号发生器连接，使信号发生器发出可变频率的方波信号，并使探测器输出尖峰脉冲；
S4:调整信号发生器产生的方波信号频率，使探测器输出的尖峰脉冲最窄，此时信号发生器显示的方波信号频率即为该设定温度下的超高精度光纤陀螺的本征频率；
S5:调整温箱温度到预定温度点，反复重复步骤S3、S4，测量各个预定温度点下超高精度光纤陀螺的本征频率，并将每次测量的预定温度与对应的本征频率值输送给调制解调电路写入查找表，调制解调电路并根据式（1）计算出本征频率的两个温度系数CT1及CT2；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为本征频率的函数，函数参数为平均波长λ及温度T，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为平 均波长λ为1550和温度T为60℃时的本征频率，CT1及CT2为本征频率的温度系数，分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
S6: 将超高精度光纤陀螺仪进行闭环处理，并将Y波导与信号发生器断开，按预设的施温曲线进行温度激励，光源发出的光经耦合器后进入Y波导， 经Y波导分成两束光，沿Y波导两个尾纤传输后再沿着光纤环圈环绕一周后返回Y波导进行干涉后回到耦合器，探测器探测耦合器的干涉光信号，经AD转换器转换成电信号后传输给调制解调电路，同时敏感表头将当前温度信号传输给调制解调电路，调制解调电路根据步骤S5写入查找表的数据找到相应温度下对应的本征频率值，若查找表中没有相应的温度及对应的本征频率值，则调制解调电路根据S5中计算出的本征频率的两个温度系数CT1及CT2及式（1）计算出相应温度下对应的本征频率后，将本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加到一起反馈给Y波导。
2.根据权利要求1所述的一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，其特征在于：S4中探测器输出的尖峰脉冲通过示波器测量并显示。
3.根据权利要求1所述的一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，其特征在于：S2中温箱进行温度激励的时长为四小时以上。
4.根据权利要求1所述的一种超高精度光纤陀螺仪本征频率补偿方法，其特征在于：S6中本征频率信号与探测器传输的干涉光信号调制解调后叠加在一起先经过DA转换再经过运算放大器将信号放大后反馈给Y波导。
5.一种超高精度光纤陀螺仪快速故障诊断及处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
D1:超高精度光纤陀螺仪根据权利要求1、2、3或4的补偿方法进行本征频率的补偿时，调制解调电路记录每个预定温度点下对应本征频率时的陀螺输出累加值F，并写入查找表；
D2: 调制解调电路将每次预设温度下的敏感表头温度与预设范围进行比较，若超过预设范围则判定陀螺本征频率及补偿异常，按照S1-S6的步骤重新进行补偿；调制解调电路将D1中记录的陀螺输出累加值F与预设范围比较，若超出预设范围则判定陀螺为电路、光路或硬件异常，通过对电路、光路的检查及硬件的更换可以排除故障。
6.根据权利要求5所述一种超高精度光纤陀螺仪快速故障诊断及处理方法，其特征在于，在信号发生器的一个方波信号周期内，D1中陀螺输出累加值F分为高电平期间的累加值F+和低电平期间的累加值F-，F若满足式（2）则判断超高精度光纤陀螺仪正常，若F值小于Fmin，则表明陀螺仪探测器端无光，陀螺光路存在问题；若F值大于Fmax，则表明陀螺仪探测器端光强最大，Y波导端未施加偏置信号，陀螺调制解调存在问题，
Fmin≤F++F-=F≤Fmax （2）
其中Fmin是探测器无光时的数据累加值，Fmax是Y波导未被施加任何信号时的数据累加值。
7.根据权利要求5所述一种超高精度光纤陀螺仪快速故障诊断及处理方法，其特征在于，调制解调电路根据式（3）计算出本征频率，并将计算出的本征频率与S6得到的本征频率值进行比较，若根据式（3）计算出本征频率与S6得到的本征频率之间的偏差超过预设范围，则判定陀螺仪发生故障，AD采样频率不是在该温度点对应本征频率的调制上进行数据采集；
f本征频率=AD采样频率 /(AD采样数量) （3）
其中，AD采样频率为模数转换器AD的采样频率，AD采样数量为方波周期内的模数转换器AD的采样数量。
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