基于矢量空間分析的光纖陀螺儀及信號(hào)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于矢量空間分析的光纖陀螺儀及信號(hào)處理方法。首先采用對(duì)開(kāi)環(huán)檢測(cè)的光纖陀螺儀進(jìn)行正交均衡本地信號(hào)解調(diào)，得到兩路正交信號(hào)，同時(shí)采用普通方法得到一路期望信號(hào)；然后對(duì)得到的兩路正交信號(hào)與期望信號(hào)進(jìn)行預(yù)定的自適應(yīng)濾波，對(duì)自適應(yīng)濾波器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行主成分分析處理，對(duì)自適應(yīng)濾波器輸出的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到光纖環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；最后對(duì)誤差信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行基于信噪比的準(zhǔn)卡爾曼濾波，得到優(yōu)化后的最終角速度。本發(fā)明能夠克服現(xiàn)有的光纖陀螺中為了抑制檢測(cè)噪聲而引入的濾波器時(shí)延和模型參數(shù)難以設(shè)定等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺儀系統(tǒng)的相關(guān)噪聲抑制及信號(hào)同步優(yōu)化。
【專利說(shuō)明】基于矢量空間分析的光纖陀螺儀及信號(hào)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于矢量信號(hào)檢測(cè)及信號(hào)空間分析的新型開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀及光纖陀螺信號(hào)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種慣性角速度測(cè)量傳感器，用于測(cè)定載體相對(duì)慣性參考系的轉(zhuǎn)動(dòng)速率。陀螺儀被廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)與姿態(tài)控制領(lǐng)域，以及時(shí)空精密測(cè)量如引力波探測(cè)等科學(xué)領(lǐng)域。目前應(yīng)用的陀螺儀主要有五種類型:機(jī)械陀螺儀，靜電陀螺儀，激光陀螺儀，光纖陀螺儀(Fiber-optic gyroscope, FOG),以及量子陀螺儀。基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)類陀螺儀為激光陀螺儀與光纖陀螺儀。其中光纖陀螺儀具有工藝復(fù)雜度較低，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可以捷聯(lián)組合，維護(hù)費(fèi)用低等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以慣性測(cè)量領(lǐng)域一直存在對(duì)光纖陀螺儀的需求。同時(shí)隨著光電器件工藝水平的改善，光學(xué)陀螺儀的各項(xiàng)性能參數(shù)在不斷提高，市場(chǎng)占有率也在不斷提高。然而，光纖波導(dǎo)內(nèi)的光傳播以及光電檢測(cè)引入了相對(duì)傳統(tǒng)陀螺較大的短時(shí)噪聲與長(zhǎng)時(shí)零偏，所以光纖陀螺的游走系數(shù)和零位偏移穩(wěn)定性不及一些機(jī)械陀螺及量子陀螺。
[0003]光學(xué)陀螺儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是薩格納克型干涉儀，該結(jié)構(gòu)需要滿足偏振互易，模式互易，分束器互易等互易性條件?；ヒ仔钥梢宰畲蟪潭缺ＷC順時(shí)針光和逆時(shí)針光的傳播狀態(tài)與傳輸路徑一致，起到“共模抑制”的作用，來(lái)消除非互易引入的噪聲。圖1示出了光纖陀螺儀的最小互易結(jié)構(gòu)。
[0004]光學(xué)陀螺儀的檢測(cè)原理是基于相對(duì)論理論的薩格納克效應(yīng)(Sagnac effect)。在光學(xué)陀螺儀的閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針?lè)较?CW)和逆時(shí)針?lè)较?CCW)傳輸?shù)膬墒獍l(fā)生干涉，通過(guò)對(duì)干涉條紋變化的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性空間參考系的環(huán)路旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量。薩格納克效應(yīng)表達(dá)式如下:
[0005]
【權(quán)利要求】
1.一種基于矢量空間分析的光纖陀螺信號(hào)處理方法，其步驟包括: 1)采用對(duì)開(kāi)環(huán)檢測(cè)的光纖陀螺儀進(jìn)行正交均衡本地信號(hào)解調(diào)，得到兩路正交信號(hào)，同時(shí)采用普通方法得到一路期望信號(hào)； 2)對(duì)得到的兩路正交信號(hào)與期望信號(hào)進(jìn)行預(yù)定的自適應(yīng)濾波，對(duì)自適應(yīng)濾波器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行主成分分析處理，對(duì)自適應(yīng)濾波器輸出的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行線性組合，得到光纖環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)角速度； 3)對(duì)誤差信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行基于信噪比的準(zhǔn)卡爾曼濾波，得到優(yōu)化后的最終角速度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)對(duì)本地正交正弦余弦信號(hào)與方波調(diào)制的或正弦波調(diào)制的光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行處理，得到所述兩路正交信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)采用正交解調(diào)方法得到I，Q兩路檢測(cè)信號(hào)，分別作為輸入端輸入到兩臺(tái)自適應(yīng)濾波器中，同時(shí)按照傳統(tǒng)方法得到一路參考信號(hào)作為期望信號(hào)輸入到兩臺(tái)自適應(yīng)濾波器的期望端。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:步驟2)對(duì)于自適應(yīng)濾波器輸出的兩路響應(yīng)信號(hào)和兩路誤差信號(hào)，分別進(jìn)行平均處理和主成分分析處理。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:進(jìn)行步驟2)所述主成分分析的協(xié)方差矩陣采用陀螺儀的多次測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，或者在一次實(shí)驗(yàn)中通過(guò)實(shí)時(shí)寄存器進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟3)將響應(yīng)信號(hào)作為預(yù)測(cè)信號(hào)，將誤差信號(hào)作為新息，利用卡爾曼濾波原理實(shí)現(xiàn)優(yōu)化估計(jì)。
7.一種采用權(quán)利要求1所述方法的光纖陀螺儀，包括依次連接的光源、耦合器、相位調(diào)制器和光纖環(huán)，所述耦合器還連接光電探測(cè)器，所述相位調(diào)制器還連接信號(hào)發(fā)生器，其特征在于，還包括連接所述光電探測(cè)器和所述相位調(diào)制器的采集卡，以及連接所述采集卡和所述信號(hào)發(fā)生器的數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器包括: 正交解調(diào)模塊，用于進(jìn)行正交均衡本地信號(hào)解調(diào)，得到兩路正交信號(hào)，同時(shí)采用普通方法得到一路期望信號(hào)； 自適應(yīng)濾波模塊，連接正交解調(diào)模塊，用于對(duì)兩路正交信號(hào)與期望信號(hào)進(jìn)行預(yù)定的自適應(yīng)濾波； 主成分分析模塊，連接自適應(yīng)濾波模塊，用于對(duì)自適應(yīng)濾波器輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行主成分分析處理； 卡爾曼濾波模塊，連接主成分分析模塊與自適應(yīng)濾波模塊，用于對(duì)誤差信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行基于信噪比的準(zhǔn)卡爾曼濾波，以得到優(yōu)化后的最終角速度。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖陀螺儀，其特征在于:所述光源為寬譜光源，所述相位調(diào)制器為L(zhǎng)iNo3Y型波導(dǎo)或者壓電效應(yīng)調(diào)制器。
【文檔編號(hào)】G01C19/72GK103983261SQ201410174900
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】李永嘯, 王子南, 彭超, 李正斌 申請(qǐng)人:北京大學(xué)