建立不等式約束條件提高三軸一體光纖陀螺裝配合格率

劉元元，馮文帥，李 青，高 天，王利超

(北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094)

0 引言

在多數(shù)導(dǎo)航或姿態(tài)控制系統(tǒng)中，測量載體繞三個正交軸的角運(yùn)動需要三個角速度傳感器。簡單的實(shí)現(xiàn)方案可采用三個單軸光纖陀螺進(jìn)行組合[1]，但組合后其體積、功耗和成本通常難以達(dá)到系統(tǒng)的要求。三軸一體光纖陀螺因其小型化、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)[2]，同時具備敏感三個正交方向的角運(yùn)動能力，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、車載導(dǎo)航、無人機(jī)等領(lǐng)域。

三軸一體光纖陀螺的實(shí)現(xiàn)方案有很多，如共用光源、時分復(fù)用、共用電路等[3-5]，都是從減小體積、降低功耗、節(jié)約成本等方面考慮。根據(jù)項(xiàng)目的研制要求，采用光源共用而Y波導(dǎo)、光纖環(huán)、探測器、電路獨(dú)立使用的方案。光源設(shè)計及評價[6-8]代表了三軸一體陀螺總的輸入光功率，光學(xué)器件及其熔接損耗決定了后端光路的功率損耗水平[9]。光纖環(huán)作為光纖陀螺的核心敏感元器件，其評價方法見參考文獻(xiàn)[10]。與單軸光纖陀螺相比，三軸一體光纖陀螺需要嚴(yán)格控制光源光功率、耦合器分光、每軸光路的參數(shù)，避免差異太大導(dǎo)致某軸探測器電壓無法達(dá)到規(guī)定值，而致調(diào)試失敗。因此，需要對三軸一體光纖陀螺進(jìn)行光路參數(shù)一致性研究。本文根據(jù)光源光功率與注入電流的關(guān)系以及現(xiàn)有的光學(xué)器件、熔接點(diǎn)等水平，建立了光路損耗不等式約束條件，給出了產(chǎn)品調(diào)試成功與否的區(qū)域。該控制方法可提高其裝配一致性，降低探測器電壓離散度，確保產(chǎn)品后續(xù)調(diào)測成功的合格率。過程中，引入了全光路檢測設(shè)備進(jìn)行光路參數(shù)檢測，可提早發(fā)現(xiàn)并解決光路損耗異常的部件。最后，利用此過程控制方法，三軸一體光纖陀螺的調(diào)試合格率由75%提高到98%，常溫下零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.005(°)／h(100s，1σ)，滿足任務(wù)要求。該控制方法可擴(kuò)展應(yīng)用在同類產(chǎn)品的過程裝配中。

1 三軸一體光纖陀螺總體方案

三軸一體光纖陀螺的三個光纖線圈采用同一個光源，其原理框圖如圖1所示。光源發(fā)出的光被1×3光纖耦合器分成三部分，分別進(jìn)入三個環(huán)形干涉儀。干涉儀由耦合器、Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件、光纖線圈和光電探測器組成。光通過耦合器后經(jīng)Y波導(dǎo)集成光學(xué)器件分為相向傳輸?shù)膬墒膺M(jìn)入光纖線圈，返回到Y(jié)波導(dǎo)后，光纖線圈法向的旋轉(zhuǎn)使兩束光之間產(chǎn)生Sagnac相位差φs， 其干涉信號經(jīng)過耦合器后由光電探測器檢測，光電探測器的輸出電流為

式(1)中，P為探測器接收到的光功率，Rf為探測器的響應(yīng)度。

圖1 三軸一體光纖陀螺組件方案圖Fig.1 Schematic diagram of three-axis integrated FOG

2 三軸光路參數(shù)

2.1 過程檢測點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)有光學(xué)器件、熔接損耗水平，計算1km光纖環(huán)的光路總損耗，其最大值為18.5dB。對各光學(xué)器件及熔接點(diǎn)的損耗進(jìn)行占比分析，結(jié)果如圖2所示。可以看出，Y波導(dǎo)損耗占比最大為54%，加入光纖環(huán)后占比為59%。因此，在光纖環(huán)連接Y波導(dǎo)后，需要對保偏光路進(jìn)行損耗檢測。

圖2 各光學(xué)器件及其熔接點(diǎn)的損耗占比Fig.2 Loss ratio of each opticaldevice and its fusion point

由于保偏光路對外只有一個熔接點(diǎn)，故只能通過特定的設(shè)備進(jìn)行測試。為此，研發(fā)了一種全光路檢測設(shè)備如圖3所示，內(nèi)含光源、光源驅(qū)動電路、耦合器、探測器、探測器接收電路。連接Y波導(dǎo)單端后，光路連接構(gòu)成回路，探測器接收到光功率并轉(zhuǎn)換為電壓，電壓值顯示在相應(yīng)的數(shù)字屏上。如果保偏光路損耗異常，轉(zhuǎn)換到的電壓值也會異常，需要進(jìn)行排查才能進(jìn)行后續(xù)連接，避免了帶隱患裝配，該過程可以對光纖環(huán)、Y波導(dǎo)進(jìn)行篩選。

圖3 全光路檢測設(shè)備實(shí)物圖及原理圖Fig.3 Physicaldiagram and schematic diagram of allopticalpath detection equipment

假設(shè)保偏光路檢測點(diǎn)為必檢點(diǎn)1，保偏光路檢測無誤后進(jìn)行耦合器裝配。在連接探測器前，需要對耦合器端進(jìn)行光功率檢測，為必檢點(diǎn)2。如圖4所示，該過程可以對光源、耦合器、熔接點(diǎn)進(jìn)行篩選。

圖4 每軸光路引入的必檢點(diǎn)1、必檢點(diǎn)2Fig.4 Diagram of the required inspection points 1 and 2 of each opticalpath

對三軸一體光纖陀螺的必檢點(diǎn)進(jìn)行光功率檢測，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯诠庠醋⑷腚娏鳛?00mA的情況下，到達(dá)必檢點(diǎn)2的光功率為85μW左右，僅為每路輸入光功率的2%。

表1 光路中必檢點(diǎn)1、必檢點(diǎn)2的測試結(jié)果Table 1 Test results of the required inspection points 1 and 2 in each optical path

2.2 過程約束條件

測試鉺源編號為E04-20007、E04-20008，不同注入電流下的輸出光功率如圖5所示。以E04-20007為例，光源輸出光功率與注入電流的關(guān)系如下

式(2)中，x為光源的注入電流，y為光源輸出的光功率。

圖5 鉺源的光功率與注入電流之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between light power and injection current of Erbium source

光源輸出的光功率增量與注入電流增量的關(guān)系為

式(3)中，Δx為光源的注入電流增量，Δy為光源輸出的光功率增量。由式(3)可知，注入電流以100mA為基準(zhǔn)點(diǎn)，注入電流每增加10mA，光源光功率增加1.89mW，探測器處光功率增加12.60μW，而電壓增加4.8mV。

結(jié)合現(xiàn)有光學(xué)器件、熔接點(diǎn)損耗等技術(shù)水平，建立的光路損耗不等式約束條件如下

式(4)中，x為注入電流，y為鉺源光功率，s1、s2、s3為1×3光纖耦合器輸出端的分光比，P1、P2、P3為1×3光纖耦合器輸出端的光功率，gs1、gs2、gs3為3軸光路的損耗，RD為探測器的跨阻，Rf為探測器的響應(yīng)度，Φs為光路調(diào)制深度，v1、v2、v3為3軸光路的探測器電壓。

由式(4)可知，小光功率光源對后端光路參數(shù)的要求較嚴(yán)格，而大光功率光源可承受后端光路參數(shù)一定范圍的波動。如編號E04-20007的鉺源，加調(diào)制后探測器電壓為50mV，注入電流為145mA；編號E04-20008的鉺源，加調(diào)制后探測器電壓為50mV，注入電流為130mA。因此，對于小光功率光源，需要嚴(yán)格檢測后端光路中各光學(xué)器件的損耗，防止損耗過大，注入電流超差。針對該三軸陀螺，調(diào)試結(jié)果如表2所示，規(guī)定注入電流不高于150mA，探測器電壓不低于50mV，則認(rèn)為陀螺調(diào)試成功，其他情況認(rèn)為陀螺調(diào)試失敗。

表2 三軸一體陀螺調(diào)試結(jié)果Table 2 Debugging results of three-axis integrated FOG

利用式(4)可得到兩鉺源裝配陀螺后調(diào)試成功的區(qū)域，如圖6所示。由于光學(xué)器件光損耗的波動范圍，每軸光路需要的光功率存在波動。當(dāng)光源提供的輸入光功率值大于需要的光功率時，陀螺可以調(diào)試成功；若光源提供的輸入光功率值小于需要的光功率時，陀螺不能調(diào)試成功。由于1×3光纖耦合器本身存在分光不均的情況，所以光源提供的輸入光功率存在最大值和最小值。由圖6可知，由于編號E04-20007的鉺源光功率小，存在不能調(diào)試成功和可能調(diào)試成功的區(qū)域，設(shè)計、操作等人員必須嚴(yán)格控制后端光路的損耗，避開這兩個區(qū)域。相反，E04-20008的鉺源光功率大，只有調(diào)試成功和可能調(diào)試成功的區(qū)域，且大部分區(qū)域?yàn)檎{(diào)試成功的區(qū)域。

圖6 陀螺調(diào)試成功區(qū)域圖Fig.6 Diagram of FOG debugging success zone

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對已經(jīng)裝配的14套三軸一體光纖陀螺進(jìn)行狀態(tài)梳理，其中4套未施加任何控制方法，探測器電壓的離散情況如圖7(a)所示；另外10套施加上述過程控制方法，探測器電壓的離散情況如圖7(b)所示。統(tǒng)計探測器電壓的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，如表3所示。可以看出，未加控制手段的陀螺其探測器電壓離散度(標(biāo)準(zhǔn)差)為11.00，最大值為82mV，最小值為48mV。第3號陀螺的Y軸探測器電壓低于50mV，此時注入電流為150mA，不滿足指標(biāo)要求，因此認(rèn)為調(diào)試不成功。所以，三軸一體陀螺裝配后的調(diào)試成功率為75%。加控制手段后的陀螺其探測器電壓離散度(標(biāo)準(zhǔn)差)為4.00，最大值為69mV，最小值為51mV，調(diào)試成功率基本為100%，但仍存在不確定性因素，如測試誤差，因此調(diào)試成功率為98%。

圖7 三軸一體光纖陀螺探測器電壓測試值Fig.7 Detector voltage test values of three-axis integrated FOG

表3 三軸一體光纖陀螺探測器電壓統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statisticaldata about detector voltage of three-axis integrated FOG

在10套產(chǎn)品中，隨機(jī)選取2套產(chǎn)品，一個是E04-20007小功率鉺源，一個是E04-20008大功率鉺源，裝配過程的測試結(jié)果如表4所示。由于必檢點(diǎn)1的測試結(jié)果最終反映在必檢點(diǎn)2的測試結(jié)果上，因此必檢點(diǎn)1的數(shù)據(jù)未列入表4中。由表4可知，小功率鉺源裝配后注入電流離規(guī)定值的余量較小，若光路裝配過程控制不嚴(yán)格，很可能造成注入電流超差，影響鉺源的可靠性及壽命。因此，提前測試鉺源光功率對陀螺裝配過程很重要，尤其是小功率鉺源。

表4 三軸一體光纖陀螺過程測試結(jié)果Table 4 Proceduraltest results of three-axis integrated FOG

對上述2套產(chǎn)品進(jìn)行常溫及全溫零偏穩(wěn)定性測試，結(jié)果如表5所示。由表5可知，常溫零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于0.005(°)／h(100s，1σ)，補(bǔ)償后全溫零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于0.01(°)／h(100s，1σ)，滿足常溫及全溫零偏穩(wěn)定性指標(biāo)要求。

表5 三軸一體光纖陀螺測試結(jié)果Table 5 Test results of three-axis integrated FOG

圖8 三軸一體光纖陀螺常溫測試曲線Fig.8 Test curves of three-axis integrated FOG at room temperature

圖9 三軸一體光纖陀螺全溫測試曲線Fig.9 Test curves of three-axis integrated FOG at fulltemperature

常溫測試時間為3h，陀螺及溫度傳感器的輸出頻率為1Hz。對陀螺零偏數(shù)據(jù)進(jìn)行百秒平滑，常溫測試曲線如圖8所示。由圖8可知，溫度隨測試時間逐漸上升并趨于穩(wěn)定值，陀螺零偏隨測試時間漂移并趨于穩(wěn)定值?？鄣羟捌谄撇糠郑勇萘闫€(wěn)定性均優(yōu)于0.004(°)／h(100s，1σ)。全溫測試曲線如圖9所示，溫度范圍為-40℃～+60℃，溫度變化率為1℃／min，高低溫保持時間為2h，補(bǔ)償后全溫零偏穩(wěn)定性最優(yōu)為0.0045(°)／h。

4 結(jié)論

本文對三軸一體光纖陀螺裝配一致性進(jìn)行了研究，為保證組合調(diào)試成功的合格率，引入了兩個過程必檢點(diǎn)，對必檢點(diǎn)進(jìn)行損耗估計，提前排除了損耗異常的元器件。其次，對光源進(jìn)行了多注入電流點(diǎn)測試，得到了光功率與注入電流的關(guān)系。最后，建立了光路參數(shù)約束不等式方程組，并根據(jù)約束條件得到了陀螺調(diào)試成功與否的區(qū)域。若存在非調(diào)試成功的區(qū)域，需要操作人員嚴(yán)格控制后端光路的損耗，避免落入此區(qū)域。通過上述過程控制方法，三軸一體光纖陀螺調(diào)試的成功率由原來的75%提高到98%，三軸光纖陀螺的常溫零偏穩(wěn)定性均優(yōu)于0.005(°)／h(100s，1σ)。該方法對同類產(chǎn)品的裝配具有重要的參考價值。