技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光纤陀螺多物理场加速试验方法及装置，具体涉及光纤陀螺在
温度场和辐照场条件下的加速试验方法，属于惯性测量技术领域。
背景技术
[0002] 光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的惯性仪表，具有体积小、重量轻等特点，在空间领域已经得到广泛应用。与机械陀螺相比，光纤陀螺无活动部件的特点决定了它具有长寿命的特点，但由于空间环境的复杂性，对光纤陀螺长期工作的可靠性和性能指标均有影响，且目前光纤陀螺在轨应用时间较短，无法给出在轨长时间通电下的
精度保持指标。
[0003] 目前，光纤陀螺在轨长时间连续通电工作的精度退化
水平尚无明确指标，截至目前只进行过单物理场加速试验得到光纤陀螺的精度退化指标，由于加速应
力较为单一，与复杂的在轨空间环境相差较大，无法模拟真实空间环境对光纤陀螺寿命和精度的影响，不能得到光纤陀螺性能的真实退化水平，也不能在短时间内给出光纤陀螺在轨寿命及精度的退化趋势分析及验证。
发明内容
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服
现有技术的不足，提出一种光纤陀螺多物理场加速试验方法及装置，该方法能够在短时间内验证光纤陀螺寿命周期内的精度保持能力，为光纤陀螺的空间应用提供可靠性依据。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] 一种光纤陀螺多物理场加速试验方法，所述的光纤陀螺为光电分离式，其光路和
电路通过一根
电缆连接；光纤陀螺光路主要包括掺铒光纤
光源、
耦合器、Y
波导集成光学器件、光纤环和探测器五大光学器件，在温度和辐照试验作用下光纤陀螺的精度劣化主要由这些光路中的五大光学器件的光电特征参数的变化引起。
[0007] 该方法的步骤包括：
[0008] (1)根据光纤陀螺在轨空间环境对其零偏
稳定性和标度因数稳定性的影响，确定加速试验施加的
应力场为温度场和辐照场；
[0009] (2)准备光电分离式光纤陀螺，其数量不少于10个，所述的光电分离式光纤陀螺中的光学器件与在轨实际应用的光学器件一致；
[0010] (3)将步骤(2)中的光纤陀螺分为四组，分别为第一组、第二组、第三组和第四组；每组中至少包括两个光纤陀螺；
[0011] (4)对步骤(3)中的第一组中的光纤陀螺施加温度场，其温度为T1；对第二组中的光纤陀螺施加温度场，其温度为T2；对第三组中的光纤陀螺施加温度场和辐照场，其温度为T1，辐照总剂量为D，辐照
剂量率为R；对第四组中的光纤陀螺施加温度场和辐照场，其温度为T2，辐照总剂量为D，辐照剂量率为R；
[0012] (5)根据温度场对光纤陀螺中光路的影响建立了加速模型，如式(1)所示：
[0013]
[0014] 式中，f(T)表示光纤陀螺的零偏稳定性或标度因数稳定性对温度的退化函数；Λ为一常数；Ea为光纤陀螺的激活能；k为波尔兹曼常数(8.617×10-5ev/k)；T为绝对温度；
[0015] 其中，光纤陀螺的激活能Ea＝0.7eV；
[0016] (6)根据步骤(5)中建立的加速模型得到温度场条件下的加速系数AF，即得到加速温度Ta相对于使用温度Tu的加速系数，如式(2)所示：
[0017]
[0018] (7)根据公式(2)得到步骤(4)中第一组中的光纤陀螺在T1温度场条件下的加速系数AF1和第二组中的光纤陀螺在T2温度场条件下的加速系数AF2；
[0019] (8)根据步骤(4)中施加的辐照总剂量为D和辐照剂量率为R，得到第三组和第四组中的光纤陀螺在辐照场条件下的加速试验时间；
[0020] (9)根据步骤(7)得到的第一组的加速系数和第二组的加速系数得到第一组、第二组、第三组和第四组中光纤陀螺在温度场条件下的加速试验时间t， 其中，Y为光纤陀螺的在轨寿命(为设定值)。
[0021] 一种实现上述的试验方法的试验装置，该试验装置能够提供-20℃～80℃的均匀可变温度环境，通过串口采集光纤陀螺的输出数据并能够承受大于50krad(Si)的辐照总剂量；
[0022] 该试验装置包括供电配电测试控制机柜、冷
热气机及中转温箱、平台及保温箱；
[0023] 所述的供电配电测试控制机柜用于提供
人机交互界面，控制保温箱的温度、为光纤陀螺提供电源及
数据采集功能；
[0024] 所述的冷热气机及中转温箱用于为保温箱提供符合温度要求的空气；
[0025] 所述的保温箱放置在平台上，保温箱连同平台一起放置在带有
辐射源的辐照空间内；
[0026] 所述的保温箱与冷热气机及中转温箱通过电缆和管路连接，电缆用于传输电
信号，管路用于将冷热气机及中转温箱中产生的空气输送至保温箱内；
[0027] 所述的冷热气机及中转温箱与供电配电测试控制机柜通过电缆连接；
[0028] 所述的保温箱与冷热气机及中转温箱之间的电缆和管路、冷热气机及中转温箱与供电配电测试控制机柜之间的电缆的走向为“s”形，其目的是为了减少辐射源对供电配电测试控制机柜的辐射。
[0029] 有益效果
[0030] (1)本试验方法能够在短时间内验证光纤陀螺寿命周期内的精度保持能力，为光纤陀螺的空间应用提供可靠性依据；
[0031] (2)本发明的方法通过对光纤陀螺失效机理的分析和大量的光电器件试验获得了影响光纤陀螺性能的主要环境应力的种类，为光纤陀螺加速试验多物理场的确定奠定
基础；
[0032] (3)本发明的方法通过对光纤陀螺加速模型和激活能的确定，得到温度场条件下的加速因子，为光纤陀螺加速试验时间的确定奠定基础；
[0033] (4)本发明的方法通过高精度远距离的二级温控方式的多物理场试验装置的研制实现在辐照场条件下多物理场的环境
叠加，为光纤陀螺进行温度场和辐照场的耦合试验奠定基础，高还原度模拟了光纤陀螺在轨空间工作环境；
[0034] (5)本发明的方法通过对光纤陀螺进行不同的分组试验，可以验证温度场和辐照场对光纤陀螺的耦合作用效果。
附图说明
[0035] 图1是本发明中光纤陀螺的结构示意图；
[0036] 图2是多物理场试验装置的结构组成示意图；
[0037] 图3为本发明的多物理场试验装置的布局示意图。
具体实施方式
[0038] 一种光纤陀螺多物理场加速试验方法包括对光纤陀螺在多物理场作用下性能劣化机理分析和多物理场加速模型的建立并在此基础上进行加速试验的设计。
[0039] 本发明中的光纤陀螺组合采用光电分离式设计，光路和电路通过一根电缆连接。光纤陀螺光路主要包括掺铒光纤光源、耦合器、Y波导集成光学器件、光纤环和探测器五大光学器件，在温度和辐照试验作用下光纤陀螺的精度劣化主要由这些光路关键器件及其光电特征参数的变化引起。
[0040] 温度场作用下光纤陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性指标劣化机理为：
[0041] (1)高温长时间作用下掺铒光纤光源
发光效率下降导致陀螺信号
信噪比下降(
泵浦
激光器InGaAs/AlGaAs材料以及掺铒光纤材料的物理变化引起)，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0042] (2)高温长时间作用下探测器响应度下降(探测器InGaAs材料的物理变化引起)以及探测器内部的耦合位移导致陀螺信号信噪比下降，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0043] (3)高温长时间作用下Y波导集成光学器件、耦合器和光纤环插入损耗增加导致陀螺信号信噪比下降(光纤纤芯材料以及涂敷层材料的物理变化)，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0044] (4)高温下光纤环的非互易性误差导致陀螺零偏变化，进而影响全温零偏稳定性变化；
[0045] (5)高温长时间作用下Y波导集成光学器件消光比、光纤环的偏振串音(光纤纤芯材料的物理变化)变化导致陀螺零偏稳定性变化；
[0046] (6)高温长时间作用下光纤环的
固化胶物理和化学变化导致分布式光路的应力变化导致陀螺零偏稳定性指标变化；
[0047] (7)高温长时间作用下掺铒光纤材料变化导致掺铒光纤光源
光谱宽度变化，引起光源相对强度噪声变化，进而使陀螺零偏稳定性变化。
[0048] (8)高温长时间作用下Y波导集成光学器件、耦合器、光纤环谱损耗变化导致陀螺标度因数稳定性指标劣化(铌酸锂材料、光纤纤芯材料以及涂敷层材料的物理变化)；
[0049] (9)高温长时间作用下掺铒光纤材料物理变化导致掺铒光纤光源平均
波长变化导致陀螺标度因数稳定性指标劣化；
[0050] (10)高温长时间作用下光纤环的固化胶物理和化学变化导致光纤环直径和长度变化导致陀螺标度因数稳定性指标劣化。
[0051] 辐照作用下光纤陀螺零偏稳定性和标度因数稳定性指标劣化机理为：
[0052] (1)辐照作用下掺铒光纤光源发光效率下降导致陀螺信号信噪比下降(掺铒光纤以及其他器件尾纤的辐照感生损耗增加)，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0053] (2)辐照作用下探测器响应度下降导致陀螺信号信噪比下降(探测器InGaAs材料的物理和化学变化引起)，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0054] (3)辐照作用下Y波导集成光学器件、耦合器、光纤环的插入损耗增加导致陀螺信号信噪比下降(光纤纤芯材料的色心沉积效应)，进而使零偏稳定性指标劣化；
[0055] (4)辐照作用下掺铒光纤材料变化导致掺铒光纤光源光谱宽度变化，引起光源相对强度噪声变化，进而使陀螺零偏稳定性变化；
[0056] (5)辐照作用下光纤折射率变化(
石英以及掺杂材料受辐照影响)，引起光纤环有效长度变化，进而使陀螺零偏稳定性变化。
[0057] (6)辐照作用下掺铒光纤材料物理和化学变化导致掺铒光纤光源平均波长演变，进而使陀螺标度因数稳定性指标劣化；
[0058] (7)辐照作用下Y波导集成光学器件、耦合器、光纤环谱损耗变化导致陀螺标度因数稳定性指标劣化(光纤纤芯材料以及涂敷层材料的物理和化学变化)。
[0059] 根据温度场对光路的影响建立了如下加速模型：
[0060]
[0061] 式中，f(T)表示光纤陀螺的零偏稳定性或标度因数稳定性对温度的退化函数；Λ为一常数；Ea为光纤陀螺的激活能；k为波尔兹曼常数(8.617×10-5ev/k)；T为绝对温度；
[0062] 在恒定剂量率下，光纤陀螺光功率衰减与辐照总剂量以及温度的关系如下：
[0063]
[0064] 式中，A≈4×10-9，E0＝0.0218eV，a＝2，t0＝8.46×104。t0是与辐照后
退火效应有关的参数，D-辐照计量，R-辐照剂量率；
[0065] 激活能的确定依据以下原则：
[0066] 整机激活能一般由关键组件和薄弱环节确定，通过相关试验可知对光纤陀螺在空间环境下长期连续通电工作性能影响较大且可靠性相对较薄弱的器件为掺铒光纤光源，在空间辐照环境作用下掺铒光纤光源的平均波长会产生变化，对陀螺的标度因数性能产生影响，在长时间加速寿命试验情况下，掺铒光纤光源的发光效率、光功率也会发生变化，引起光纤陀螺的零偏稳定性指标退化。同时掺铒光纤光源作为陀螺的有源光学器件，其内部存在多个关键器件以及影响光源可靠性的光纤结合部位，是光纤陀螺光路可靠性的相对较薄弱环节。
[0067] 掺铒光纤光源由泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、反射镜、隔离器和熔接点组成，其中泵浦激光器为掺铒光纤光源的唯一有源器件，其性能对掺铒光纤光源的性能影响最大，薄弱环节包括发光芯片性能退化和耦合封装移位等，其激活能与泵浦激光器的失效模式和失效机理有关，并可以通过大量试验样本和试验时间来得到。鉴于本发明使用的980nm泵浦激光器属于InGaAs/AlGaAs lasers，因此光纤陀螺选取掺饵光纤光源泵浦激光器的激活能0.7eV作为整机的加速试验激活能。
[0068] 本发明在开展光纤陀螺的加速试验方法研究过程中，通过对光纤陀螺的失效机理研究建立了光纤陀螺多物理场耦合加速模型，确定了加速试验的主要加速应力、激活能和加速系数；通过加速试验子样合理分组解决了试验子样少的难题；通过多物理场试验平台的研究解决了温度场和辐照场难以同时施加的难题。根据该多物理场加速试验方法的研究结果，开展并完成了光纤陀螺多物理场加速试验，在较短时间内验证了光纤陀螺寿命周期内的精度保持能力。
[0070] 如图1所示，一种光纤陀螺多物理场加速试验方法，所述的光纤陀螺为光电分离式，其光路和电路通过一根电缆连接；光纤陀螺光路主要包括掺铒光纤光源、耦合器、Y波导集成光学器件、光纤环和探测器五大光学器件，在温度和辐照试验作用下光纤陀螺的精度劣化主要由这些光路中的五大光学器件的光电特征参数的变化引起。
[0071] (1)根据光纤陀螺在轨空间环境对其零偏稳定性和标度因数稳定性的影响，确定加速试验施加的应力场为温度场和辐照场；
[0072] (2)根据加速应力的分类和试验子样的充分性，投入10个加速子样：FG01～FG10，子样使用元器件均与在轨实际状态一致；
[0073] (3)根据子样数量和应力种类将10个子样分为四组，其中第一组：FG-01、FG-02、FG-03、第二组：FG-04、FG-05、第三组：FG-06、FG-07、FG-08、第四组：FG-09、FG-10；
[0074] (4)根据光纤陀螺在轨实际工况，并为了比较不同加速试验条件下光纤陀螺的性能退化趋势，制定加速应力试验条件如下：
[0075] 温度场：55±1℃和65±1℃；
[0076] 辐照场：Co60γ射线电离辐照试验，剂量率0.07rad/s，总剂量20krad(Si)。
[0077] (5)根据子样分组情况和试验条件对试验对象进行如下分配：
[0078] 第一组：温度场55±1℃，使用样本FG-01、FG-02、FG-03；
[0079] 第二组：温度场65±1℃，使用样本FG-04、FG-05；
[0080] 第三组：辐照场Co60γ射线电离辐照剂量率0.07rad/s，总剂量20krad(Si)，温度场55±1℃，使用样本FG-06、FG-07、FG-08；
[0081] 第四组：辐照场Co60γ射线电离辐照剂量率0.07rad/s，总剂量20krad(Si)，温度场65±1℃，使用样本FG-09、FG-10；
[0082] (6)根据加速模型得到加速系数计算公式如下：
[0083] 根据加速模型可以得到加速温度Ta相对使用温度Tu的加速系数为：
[0084]
[0085] 根据已知激活能取0.7eV，根据加速系数计算公式可以得到55℃和65℃相对使用温度的加速系数分别为19.27和40.09；
[0086] (7)根据各组子样的加速系数计算加速试验时间分别为：第一组：152天；第二组：73天；第三组：152天；第四组：73天；
[0087] (8)根据加速应力的种类研制多物理场试验平台，组成和作用如下：
[0088] 该平台包括：供电配电测试控制机柜、冷热气机及中转温箱、光纤陀螺承载设备及保温结构，结构组成见图2。该平台能够提供-20℃～80℃的均匀可变温度环境，通过串口采集光纤陀螺的输出数据并能够承受大于50krad(Si)的辐照总剂量；
[0089] 如图2和图3所示，该试验装置包括供电配电测试控制机柜、冷热气机及中转温箱、平台及保温箱；
[0090] 所述的供电配电测试控制机柜用于提供人机交互界面，控制保温箱的温度、为光纤陀螺提供电源及数据采集功能；
[0091] 所述的冷热气机及中转温箱用于为保温箱提供符合温度要求的空气；
[0092] 所述的保温箱放置在平台上，保温箱连同平台一起放置在带有辐射源的辐照空间内；
[0093] 所述的保温箱与冷热气机及中转温箱通过电缆和管路连接，电缆用于传输
电信号，管路用于将冷热气机及中转温箱中产生的空气输送至保温箱内；
[0094] 所述的冷热气机及中转温箱与供电配电测试控制机柜通过电缆连接；
[0095] 所述的保温箱与冷热气机及中转温箱之间的电缆和管路、冷热气机及中转温箱与供电配电测试控制机柜之间的电缆的走向为“s”形，其目的是为了减少辐射源对供电配电测试控制机柜的辐射；
[0096] (9)使用多物理场试验装置进行第三组子样的温度场和辐照场耦合加速试验，试验时间为79小时，由于加速试验对象为光纤陀螺的光路部分，因此试验时使用铅砖对光纤陀螺的电路部分进行遮挡，使电路部分不受辐照影响；
[0097] (10)使用多物理场试验装置进行第四组子样的温度场和辐照场耦合加速试验，试验时间为79小时，由于加速试验对象为光纤陀螺的光路部分，因此试验时使用铅砖对光纤陀螺的电路部分进行遮挡，使电路部分不受辐照影响；
[0098] (11)使用两台温箱分别进行四组子样的温度场加速试验，其中第一组和第三组所在温箱温度设置为55℃，第二组和第四组所在温箱温度设置为65℃；
[0099] (12)性能测试：
[0100] 根据加速试验数据分析的需要，周期性能测试项目为零偏稳定性和标度因数稳定性。将前四组子样的周期测试间隔时间设为相同值，在验证光纤陀螺精度保持指标的同时验证多物理场的耦合系数，设定周期测试时间如下：
[0101]子样 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次
第一组 79小时 21天 42天 63天 84天 105天 126天
第二组 79小时 21天 42天 63天 / / /
第三组 79小时 21天 42天 63天 84天 105天 126天
第四组 79小时 21天 42天 63天 / / /
[0102] (13)试验结果：
[0103] 对10个光纤陀螺子样进行了多物理场加速试验结果表明：
[0104] (1)试验结束后光纤陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性指标全部满足要求，无失效样本和性能劣化趋势，证明光纤陀螺的寿命满足8年并且在寿命周期内无性能退化。
[0105] 使用相同的试验方法将Y的设定值改为12年时也可以得到光纤陀螺寿命是否满足12年的结论。
[0106] (2)在进行温度场和辐照场加速寿命试验时，若两种应力均有加速特性，则两种应力作用下光纤陀螺的性能参数变化量与单一应力加速寿命试验得到结果必然存在差异。假设光纤陀螺性能退变化量与温度和辐照剂量率的关系函数为f(T,R)，则在温度和辐照耦合作用下，不同光纤陀螺样本在相同时间内性能参数变化量的差量表示为
[0107] Δf(T,R)＝Δf(T)+Δf(R)+ξ(T,R) (6)
[0108] 其中，Δf(T)为第一组和第二组光纤陀螺性能参数变化量差量，Δf(R)为第一组和第三组光纤陀螺性能参数变化量差量，Δf(T,R)为第一组和第四组光纤陀螺性能参数变化量差量，每次试验结束后可以通过测量的方式得到Δf(T)、Δf(R)和Δf(T,R)的值；ξ(T,R)为与温度和辐照有关的耦合作用量。通过光纤陀螺加速试验结果表明零偏稳定性在温度和辐照作用下表现为负耦合，耦合系数在-2％以内。对标度因数稳定性的耦合作用也表现为负耦合，耦合系数在-1％～-13％左右。
