一種干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法，用于干涉式光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先提供了一種改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，該模型中可通過代入輻射環(huán)境參量，直接計算空間輻射條件下的隨機游走系數(shù)；然后基于隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，在輻射條件下對光源功率、光纖長度、調(diào)制相位三個參數(shù)進行裕度設(shè)計，實現(xiàn)干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)的降低。本發(fā)明基于干涉式光纖陀螺的原有結(jié)構(gòu)，在不添加任何額外器件的條件下即可降低光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，使空間用光纖陀螺在全壽命周期內(nèi)滿足系統(tǒng)對陀螺隨機游走性能的要求，達到主動抗輻射的目的，具有較高的可靠性，并降低了干涉式光纖陀螺整體的體積和功耗。
【專利說明】
一種干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及干涉式光纖陀螺技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機游走系數(shù)預(yù)測模型 的干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉式光纖陀螺是一種低功耗、高可靠、高精度的光學(xué)測量儀器，利用光纖環(huán)敏感 待測角速度，產(chǎn)生相位差，具有無運動部件、動態(tài)范圍大、壽命長、抗沖擊、耐過載等優(yōu)點，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、耦合器、 Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器和信號處理裝置?？臻g環(huán)境中干涉式光纖陀螺受空間輻射影響較大， 造成光纖損耗增加、光源功率下降以及探測器響應(yīng)度降低，從而導(dǎo)致干涉式光纖陀螺性能 劣化，表現(xiàn)在陀螺隨機游走系數(shù)增大及輸出信號偏置漂移。雖然空間校準(zhǔn)可以對大部分的 長期偏置漂移進行補償，但無法降低陀螺的隨機游走系數(shù)，導(dǎo)致空間工作的光纖陀螺的精 度隨時間劣化，無法滿足空間輻射環(huán)境下衛(wèi)星對陀螺長壽命、高可靠性的需求，因此需要對 陀螺進行抗輻射及冗余設(shè)計。
[0003] 目前針對干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的抗輻射設(shè)計方法主要集中于摻雜雜質(zhì)離子 法、光褪色心法等光纖的被動加固技術(shù)，但在實際工程應(yīng)用中，加固技術(shù)存在成本高不利于 批量化生產(chǎn)、抗輻射能力弱不利于空間應(yīng)用，額外的器件造成干涉式光纖陀螺體積和功耗 升高，可靠性降低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有問題，本發(fā)明設(shè)計了一種不需要額外增加器件的干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀 螺的主動抗輻射設(shè)計方法。本發(fā)明方法基于隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，通過在輻射條件下對 光源功率、光纖長度、調(diào)制相位三個參數(shù)進行裕度設(shè)計，使空間用光纖陀螺在全壽命周期內(nèi) 滿足系統(tǒng)對陀螺隨機游走性能的要求。
[0005] 本發(fā)明提供的一種干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法，首先提供一種 改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，如下：
[0006]
[0007]其中，RWC表示光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，A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，巾表示方波調(diào)制相位，n表示探 測器的響應(yīng)度，Po表示耦合入光路的光源功率，A v表示光源頻譜帶寬，^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，&表示光纖環(huán)的內(nèi)部損耗，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。
[0008] 其次，在陀螺的生產(chǎn)過程中，針對參數(shù)光源功率Po、光纖環(huán)長度L及調(diào)制相位(i)進 行裕度設(shè)計，實現(xiàn)干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)的降低。
[0009] 根據(jù)空間輻照條件下光纖環(huán)長度L的函數(shù)表達式= LI0 1 1 M ，求解函 數(shù)極值對光纖環(huán)長度進行裕度設(shè)計，得到最優(yōu)光纖環(huán)長度UP。
[0010] 對光源功率和調(diào)制相位進行裕度設(shè)計，包括步驟(1)~步驟(4);
[0011]步驟（1)將計算得到的最優(yōu)光纖環(huán)長度UdP空間輻照參數(shù)r、d代入改進的隨機游 走系數(shù)預(yù)測模型，得到光源功率和調(diào)制相位關(guān)系表達式，并進行多項式擬合；
[0012] 步驟(2)將設(shè)定的光源功率Po的初始值代入擬合的多項式中，求解最優(yōu)調(diào)制相位；
[0013] 步驟（3)設(shè)Max (RWC)為當(dāng)前滿足空間任務(wù)的隨機游走系數(shù)的最大值，如果Max (RWC)大于或等于干涉式光纖陀螺正常運行所需隨機游走系數(shù)RWC q，執(zhí)行步驟(4);如果Max (RWC)小于RWCq，此時隨機游走系數(shù)滿足空間任務(wù)要求，結(jié)束本方法；
[0014] 步驟(4)增加光源功率，代入擬合的多項式中求解最優(yōu)調(diào)制相位，再進入步驟(3) 執(zhí)行。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0016] (1)本發(fā)明基于干涉式光纖陀螺的原有結(jié)構(gòu)，在不添加任何額外器件的條件下即 可降低光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，進而達到主動抗輻射的設(shè)計目的；
[0017] (2)提出了一種新型隨機游走系數(shù)模型，并基于該模型，通過參數(shù)裕度設(shè)計的方 法，滿足了光纖陀螺全壽命周期內(nèi)對隨機游走性能的要求；
[0018] (3)本發(fā)明不需要添加額外的抗輻照器件，既有較高的可靠性，也降低了干涉式光 纖陀螺整體的體積和功耗。
【附圖說明】
[0019] 圖1是典型的干涉式光纖陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明基于新型隨機游走系數(shù)模型的參數(shù)裕度設(shè)計流程圖；
[0021] 圖3是采用本發(fā)明主動抗輻射方法和未采用抗輻射方法的實驗用干涉式光纖陀螺 隨機游走系數(shù)對比圖。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0023] 光纖陀螺的隨機游走系數(shù)(RWC)由散粒噪聲、光源強度噪聲、探測器負(fù)載電阻的熱 噪聲以及探測器暗電流噪聲構(gòu)成，采用方波調(diào)制的干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺的隨機游走系 數(shù)RWC可以表示為：
[0025] 其中，k表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對溫度，e表示電子電荷，A v表示光源頻譜帶 寬，A表示光波長，c表示光在真空中的傳播速度，R表示探測器跨阻，Id表示探測器暗電流，L 表示光纖環(huán)長度，D表示光纖環(huán)直徑，巾表示方波調(diào)制相位，I為到達探測器的光電流，可以 表示為：
[0027] 其中，P〇表示耦合入光路的光源功率，n表示探測器的響應(yīng)度，A表示光纖環(huán)的輻射 致衰減，仏表示光纖環(huán)的內(nèi)部損耗，A。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。已知光纖環(huán)中的輻射致衰減與輻射劑量和輻射劑量率之間關(guān)系如下：
[0028] A = qrbdf (3)
[0029]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(3)代入式（1) 中，得到一種新型隨機游走系數(shù)模型，如公式(4)所示，該模型描述了干涉式光纖陀螺隨機 游走系數(shù)在輻射條件下的變化規(guī)律。
[0030]
[0031] 空間輻射對隨機游走系數(shù)的主要影響是增加光纖環(huán)損耗，因此將已知的光纖輻射 敏感參數(shù)q、b、f?和輻射環(huán)境參量r、d代入公式(4)，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。
[0032] 相對現(xiàn)有公式（1)，本發(fā)明提供的公式(4)，給出了干涉式光纖陀螺在空間輻射環(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，直接計算空間輻射條件下的隨 機游走系數(shù)。
[0033] 傳統(tǒng)的干涉式光纖陀螺主要受到散粒噪聲和光源強度噪聲的影響。空間輻射造成 光纖環(huán)損耗增加，從而引起散粒噪聲的增加，并最終導(dǎo)致光電探測器檢測到的光功率過小。 從式（1)可以看出，干涉式光纖陀螺中的光源強度噪聲與光纖損耗無關(guān)。因此，根據(jù)公式(4) 提出的新型隨機游走系數(shù)模型，空間輻照條件下干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)主要受參 數(shù)q、△ v、D、AP〇、L和巾的影響，其中在陀螺的生產(chǎn)過程中，針對參數(shù)光源功率PQ、光纖環(huán)長度 L及調(diào)制相位巾進行裕度設(shè)計，可實現(xiàn)干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)的降低。
[0034] 本發(fā)明提供的基于隨機游走系數(shù)預(yù)測模型的干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻 射設(shè)計方法，具體步驟如下：
[0035] 步驟1:光纖環(huán)長度裕度設(shè)計，具體是：
[0036] 根據(jù)新型隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，在空間輻射環(huán)境中，隨機游走系數(shù)主要受散粒 噪聲的影響，為簡化分析，忽略強度噪聲、暗電流噪聲以及熱噪聲的影響，隨機游走系數(shù)可 以表示為：
[0038]已知散粒噪聲與光纖環(huán)長度相關(guān)，公式（5)中關(guān)于光纖環(huán)長度L的函數(shù)可以表示 為：
[0040] 光纖環(huán)長度是公式(5)中的唯一變量，因此可以通過求F(L)最大值得到隨機噪聲 系數(shù)的最小值，最優(yōu)光纖環(huán)長度UP可以表示為：
[0042]最終結(jié)果可以表示為：
[0044]步驟2:調(diào)制相位數(shù)值解的裕度設(shè)計，具體是：
[0045] 步驟2.1，將步驟1計算得到的最優(yōu)光纖環(huán)長度，估算得到的空間輻射參數(shù)r、d以及 干涉式光纖陀螺其他已確定參數(shù)(n、八 ￥、〇、沖〇、1'、1?、1(14、134、仏和巾）代入公式(4)所示的 新型隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，得到光源功率和調(diào)制相位關(guān)系表達式，并擬合為一個四階多 項式。
[0046] 步驟2.2,設(shè)定的初始光源功率Po代入擬合四次多項式中，求解最優(yōu)調(diào)制相位。 [0047]步驟2.3,設(shè)Max(RWC)為當(dāng)前滿足空間任務(wù)的隨機游走系數(shù)的最大值，可根據(jù)空間 任務(wù)條件推算得到，如果隨機游走系數(shù)最大值Max(RWC)大于或等于RWC q，執(zhí)行步驟2.4;RWCq 表示干涉式光纖陀螺正常運行所需隨機游走系數(shù)的值。當(dāng)Max(RWC)小于RWCq時，隨機游走 系數(shù)滿足空間任務(wù)要求，結(jié)束裕度設(shè)計。
[0048] 步驟2.4,增加光源功率，再次代入擬合的四次多項式中，解算新的最優(yōu)調(diào)制相位， 然后進入步驟2.3執(zhí)行，直到隨機游走系數(shù)最大值Max(RWC)小于RWC q。
[0049] 如圖3所示，為采用主動抗輻射方法和未采用抗輻射方法條件下，實驗用干涉式光 纖陀螺隨機游走系數(shù)對比圖。圖3中橫坐標(biāo)表示輻射劑量，縱坐標(biāo)表示隨機游走系數(shù)RWC。從 圖中可以看出，通過采用本發(fā)明提供的主動抗輻射方法，對光纖長度、調(diào)制相位及光源功率 進行了裕度設(shè)計，降低了干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，進而可達到主動抗輻射的目的。
【主權(quán)項】
1. 一種干涉式數(shù)字閉環(huán)光纖陀螺主動抗輻射設(shè)計方法，其特征在于，實現(xiàn)步驟如下： (1) 提供一種改進的隨機游走系數(shù)預(yù)測模型，如下式所示：其中，RWC表示光纖陀螺的隨機游走系數(shù)，A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，巾表示方波調(diào)制相位，n表示探測器 的響應(yīng)度，Po表示耦合入光路的光源功率，A v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(shù)，T表示絕對溫度，R表示探測器跨阻;&表示光纖環(huán)的內(nèi)部損耗，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； (2) 在陀螺的生產(chǎn)過程中，針對參數(shù)光源功率PQ、光纖環(huán)長度L及調(diào)制相位巾進行裕度設(shè) 計，實現(xiàn)干涉式光纖陀螺的隨機游走系數(shù)的降低； 根據(jù)空間輻照條件下光纖環(huán)長度L的函數(shù)表達式= 求解函數(shù)極 值對光纖環(huán)長度進行裕度設(shè)計，得到最優(yōu)光纖環(huán)長度UP; 對光源功率和調(diào)制相位進行裕度設(shè)計，包括步驟(1)~步驟(4); 步驟（1)將計算得到的最優(yōu)光纖環(huán)長度UdP空間輻照參數(shù)r、d代入改進的隨機游走系 數(shù)預(yù)測模型，得到光源功率和調(diào)制相位關(guān)系表達式，并進行多項式擬合； 步驟(2)將設(shè)定的光源功率P〇的初始值代入擬合的多項式中，求解最優(yōu)調(diào)制相位； 步驟（3)設(shè)Ma x (R W C)為當(dāng)前滿足空間任務(wù)的隨機游走系數(shù)的最大值，如果Ma x (R W C)大 于或等于干涉式光纖陀螺正常運行所需隨機游走系數(shù)RWCq，執(zhí)行步驟(4);如果Max(RWC)小 于RWC q，此時隨機游走系數(shù)滿足空間任務(wù)要求，結(jié)束本方法； 步驟(4)增加光源功率，代入擬合的多項式中求解最優(yōu)調(diào)制相位，再進入步驟(3)執(zhí)行。
【文檔編號】G01C19/72GK106052670SQ201610363356
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】金靖, 馬坤, 滕飛, 宋凝芳, 徐小斌, 宋鏡明
【申請人】北京航空航天大學(xué)