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

在多數導航或姿態控制系統中，測量載體繞三個正交軸的角運動需要三個角速度傳感器。簡單的實現方案可采用三個單軸光纖陀螺進行組合[1]，但組合后其體積、功耗和成本通常難以達到系統的要求。三軸一體光纖陀螺因其小型化、低功耗、低成本等優點[2]，同時具備敏感三個正交方向的角運動能力，廣泛應用于導彈制導、車載導航、無人機等領域。

三軸一體光纖陀螺的實現方案有很多，如共用光源、時分復用、共用電路等[3-5]，都是從減小體積、降低功耗、節約成本等方面考慮。根據項目的研制要求，采用光源共用而Y波導、光纖環、探測器、電路獨立使用的方案。光源設計及評價[6-8]代表了三軸一體陀螺總的輸入光功率，光學器件及其熔接損耗決定了后端光路的功率損耗水平[9]。光纖環作為光纖陀螺的核心敏感元器件，其評價方法見參考文獻[10]。與單軸光纖陀螺相比，三軸一體光纖陀螺需要嚴格控制光源光功率、耦合器分光、每軸光路的參數，避免差異太大導致某軸探測器電壓無法達到規定值，而致調試失敗。因此，需要對三軸一體光纖陀螺進行光路參數一致性研究。本文根據光源光功率與注入電流的關系以及現有的光學器件、熔接點等水平，建立了光路損耗不等式約束條件，給出了產品調試成功與否的區域。該控制方法可提高其裝配一致性，降低探測器電壓離散度，確保產品后續調測成功的合格率。過程中，引入了全光路檢測設備進行光路參數檢測，可提早發現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試合格率由75%提高到98%，常溫下零偏穩定性優于0.005(°)／h(100s，1σ)，滿足任務要求。該控制方法可擴展應用在同類產品的過程裝配中。

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。光源發出的光被1×3光纖耦合器分成三部分，分別進入三個環形干涉儀。干涉儀由耦合器、Y波導集成光學器件、光纖線圈和光電探測器組成。光通過耦合器后經Y波導集成光學器件分為相向傳輸的兩束光進入光纖線圈，返回到Y波導后，光纖線圈法向的旋轉使兩束光之間產生Sagnac相位差φs， 其干涉信號經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

2.1 過程檢測點

根據現有光學器件、熔接損耗水平，計算1km光纖環的光路總損耗，其最大值為18.5dB。對各光學器件及熔接點的損耗進行占比分析，結果如圖2所示。可以看出，Y波導損耗占比最大為54%，加入光纖環后占比為59%。因此，在光纖環連接Y波導后，需要對保偏光路進行損耗檢測。

圖2 各光學器件及其熔接點的損耗占比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，故只能通過特定的設備進行測試。為此，研發了一種全光路檢測設備如圖3所示，內含光源、光源驅動電路、耦合器、探測器、探測器接收電路。連接Y波導單端后，光路連接構成回路，探測器接收到光功率并轉換為電壓，電壓值顯示在相應的數字屏上。如果保偏光路損耗異常，轉換到的電壓值也會異常，需要進行排查才能進行后續連接，避免了帶隱患裝配，該過程可以對光纖環、Y波導進行篩選。

圖3 全光路檢測設備實物圖及原理圖Fig.3 Physicaldiagram and schematic diagram of allopticalpath detection equipment

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

圖4 每軸光路引入的必檢點1、必檢點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進行光功率檢測，結果如表1所示。可以看出，在光源注入電流為100mA的情況下，到達必檢點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1、必檢點2的測試結果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為基準點，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。

結合現有光學器件、熔接點損耗等技術水平，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為探測器的響應度，Φs為光路調制深度，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的要求較嚴格，而大光功率光源可承受后端光路參數一定范圍的波動。如編號E04-20007的鉺源，加調制后探測器電壓為50mV，注入電流為145mA；編號E04-20008的鉺源，加調制后探測器電壓為50mV，注入電流為130mA。因此，對于小光功率光源，需要嚴格檢測后端光路中各光學器件的損耗，防止損耗過大，注入電流超差。針對該三軸陀螺，調試結果如表2所示，規定注入電流不高于150mA，探測器電壓不低于50mV，則認為陀螺調試成功，其他情況認為陀螺調試失敗。

表2 三軸一體陀螺調試結果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試成功的區域，如圖6所示。由于光學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，存在不能調試成功和可能調試成功的區域，設計、操作等人員必須嚴格控制后端光路的損耗，避開這兩個區域。相反，E04-20008的鉺源光功率大，只有調試成功和可能調試成功的區域，且大部分區域為調試成功的區域。

圖6 陀螺調試成功區域圖Fig.6 Diagram of FOG debugging success zone

3 實驗結果與分析

對已經裝配的14套三軸一體光纖陀螺進行狀態梳理，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。統計探測器電壓的最大值、最小值、平均值、標準差，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(標準差)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，不滿足指標要求，因此認為調試不成功。所以，三軸一體陀螺裝配后的調試成功率為75%。加控制手段后的陀螺其探測器電壓離散度(標準差)為4.00，最大值為69mV，最小值為51mV，調試成功率基本為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計數據Table 3 Statisticaldata about detector voltage of three-axis integrated FOG

在10套產品中，隨機選取2套產品，一個是E04-20007小功率鉺源，一個是E04-20008大功率鉺源，裝配過程的測試結果如表4所示。由于必檢點1的測試結果最終反映在必檢點2的測試結果上，因此必檢點1的數據未列入表4中。由表4可知，小功率鉺源裝配后注入電流離規定值的余量較小，若光路裝配過程控制不嚴格，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果Table 4 Proceduraltest results of three-axis integrated FOG

對上述2套產品進行常溫及全溫零偏穩定性測試，結果如表5所示。由表5可知，常溫零偏穩定性均優于0.005(°)／h(100s，1σ)，補償后全溫零偏穩定性均優于0.01(°)／h(100s，1σ)，滿足常溫及全溫零偏穩定性指標要求。

表5 三軸一體光纖陀螺測試結果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。對陀螺零偏數據進行百秒平滑，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定值，陀螺零偏隨測試時間漂移并趨于穩定值。扣掉前期漂移部分，陀螺零偏穩定性均優于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，補償后全溫零偏穩定性最優為0.0045(°)／h。

4 結論

本文對三軸一體光纖陀螺裝配一致性進行了研究，為保證組合調試成功的合格率，引入了兩個過程必檢點，對必檢點進行損耗估計，提前排除了損耗異常的元器件。其次，對光源進行了多注入電流點測試，得到了光功率與注入電流的關系。最后，建立了光路參數約束不等式方程組，并根據約束條件得到了陀螺調試成功與否的區域。若存在非調試成功的區域，需要操作人員嚴格控制后端光路的損耗，避免落入此區域。通過上述過程控制方法，三軸一體光纖陀螺調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定性均優于0.005(°)／h(100s，1σ)。該方法對同類產品的裝配具有重要的參考價值。