本發(fā)明涉及干涉式光纖陀螺技術領域，具體涉及一種基于中值濾波的干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的抑制方法。

背景技術：

干涉式光纖陀螺是一種高可靠、高精度的慣性角速度傳感器，通過光纖環(huán)敏感待測角速度，產(chǎn)生非互易相位差，具有動態(tài)范圍大、無運動部件、抗沖擊等優(yōu)點，可廣泛應用于測量運載體的姿態(tài)角和角速度，是構成慣性系統(tǒng)的核心器件。

干涉式光纖陀螺的結構主要包括光源、耦合器、Y波導、光纖環(huán)、探測器和信號處理裝置。干涉式光纖陀螺中，調(diào)制、解調(diào)技術是解決陀螺檢測靈敏度和旋轉方向問題，提高陀螺精度，改善陀螺抗干擾能力的重要手段。

目前大多數(shù)光纖陀螺采用方波調(diào)制的數(shù)字閉環(huán)方案，通過D/A輸出的方波信號，可以給干涉式光纖陀螺施加一個偏置相位，使陀螺工作在響應靈敏度最大或不為零的點上，再采用信號處理裝置對探測器輸出的檢測信號進行解調(diào)。常用的干涉式光纖陀螺調(diào)制解調(diào)流程為：先直接對檢測信號使用相干解調(diào)得到檢測信號中包含的角速度信息，再使用K次累加器將K個周期的解調(diào)結果累加為一個輸出值來抑制由隨機噪聲引起的輸出誤差。

檢測信號中包含的周期性脈沖干擾主要分為檢測信號的奇次倍頻干擾和偶次倍頻干擾，通常使用的相干解調(diào)方法，可以有效地抑制信號中隨機脈沖干擾和偶次倍頻干擾，但對于信號中的奇次倍頻干擾處理方法有限，導致光纖陀螺輸出信號中包含附加零偏，進而造成光纖陀螺的精度隨時間劣化，無法滿足陀螺的高可靠性、高精度的要求。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有問題，本發(fā)明提出了一種基于中值濾波的干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的抑制方法，通過在傳統(tǒng)的相干檢測環(huán)節(jié)前增加數(shù)字式逐點累加器和中值濾波器，剔除了檢測信號中包含的周期性脈沖干擾，實現(xiàn)了對干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的有效抑制。

本發(fā)明提供的基于中值濾波的干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的抑制方法，包括脈沖干擾恢復模塊以及脈沖干擾檢測與抑制模塊。

脈沖干擾恢復模塊采用多點信號平均算法恢復包含周期性脈沖干擾的檢測信號，多點信號平均算法采用滑動平均的方式，實現(xiàn)過程為：

(1.1)采用數(shù)字式逐點累加器將檢測信號以周期為單位進行N次累加，N為正整數(shù)；

(1.2)對累加得到的檢測信號采用中值濾波器將周期性脈沖干擾去除，再進行相干解調(diào)；

(1.3)對相干解調(diào)后的檢測信號采用數(shù)字式逐點式累加器進行K/N次累加，K為正整數(shù)。

對檢測信號而言，N次和K/N次兩個累加器共同作用等效于一個K次累加器。

脈沖干擾檢測與抑制模塊采用卷積形式，對脈沖干擾恢復模塊輸出的檢測信號去除周期性脈沖干擾；脈沖干擾檢測與抑制模塊包括檢測模塊和抑制模塊。檢測模塊用來判斷受到脈沖干擾的采樣點，抑制模塊采用快速中值濾波算法將干擾從檢測信號中濾除。

脈沖干擾檢測與抑制模塊對檢測信號進行處理的過程為：

(2.1)對恢復脈沖干擾后的檢測信號初始周期一個窗口內(nèi)的采樣點進行濾波，獲得無污染的采樣值；

(2.2)將窗口依次移動，得到每一個采樣點對應的卷積和，在檢測模塊中當卷積和的絕對值大于閾值時，判定該采樣點受到脈沖干擾污染；

(2.3)在抑制模塊中，對各個窗口內(nèi)每一個受到污染的采樣點采用快速中值濾波算法進行替換，得到去除周期性脈沖干擾的檢測信號。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果在于：

(1)本發(fā)明基于干涉式光纖陀螺的原有結構，在不添加任何額外的儀器或電路的條件下即可有效的從檢測信號中剔除周期性脈沖信號干擾；

(2)本發(fā)明能夠從檢測信號中有效去除周期性脈沖干擾，減小光纖陀螺輸出信號中包含的附加零偏；

(3)本發(fā)明在實現(xiàn)抑制檢測信號附加零偏的同時，不會產(chǎn)生信號處理的附加延時，也不會降低信號處理過程對隨機噪聲的抑制能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明附加零偏抑制的方法框圖；

圖2是本發(fā)明提出的干涉式光纖陀螺調(diào)制解調(diào)方法流程圖；

圖3(a)為干涉式光纖陀螺的方波調(diào)制信號；

圖3(b)為N次累加后的檢測信號；

圖3(c)為恢復了周期性脈沖干擾的檢測信號；

圖3(d)為去除了周期性脈沖干擾的檢測信號；

圖4是本發(fā)明數(shù)字式逐點累加器FPGA實現(xiàn)框圖。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明所述的一種基于中值濾波的干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的抑制方法，如圖1所示，主要包括兩部分：脈沖干擾恢復模塊以及脈沖干擾檢測與抑制模塊。

脈沖干擾恢復模塊采用多點信號平均算法，以周期為單位對信號進行累加的方式產(chǎn)生的檢測信號加入閉環(huán)后會導致反饋周期的延長，影響陀螺閉環(huán)反饋速度，因此本發(fā)明的多點信號平均算法采用滑動平均的方式，恢復包含周期性脈沖干擾的檢測信號，提高檢測信號信噪比。

多點信號平均算法的流程如圖2所示，具體為：

首先，對檢測信號A采用N次數(shù)字式逐點累加器將檢測信號以周期為單位進行N次累加，得到N次累加后的檢測信號B；N為正整數(shù)。假設干擾是同頻干擾，檢測信號經(jīng)過了N次累加后，周期性脈沖干擾的幅度由A_i變?yōu)镹A_i，隨機噪聲的幅度由A_n變?yōu)楫數(shù)臅r候，周期性脈沖干擾會從底噪中凸顯出來。

然后，采用中值濾波器將檢測信號B的周期性脈沖干擾去除，得到檢測信號C。目的是減小干涉式光纖陀螺輸出信號的附加零偏，再對檢測信號C進行相干解調(diào)。

最后，對相干解調(diào)后的檢測信號采用數(shù)字式逐點式累加器進行K/N次累加，得到輸出信號；K為正整數(shù)。

對檢測信號而言，N次和K/N次兩個累加器共同作用等效于一個K次累加器，因此該方案不會在數(shù)字信號處理過程中產(chǎn)生附加延時，也不會降低數(shù)字信號處理過程對隨機噪聲的抑制能力。

脈沖干擾檢測與抑制模塊采用卷積形式，分為檢測模塊和抑制模塊，檢測模塊用來判斷受到脈沖干擾的采樣點，抑制模塊采用快速中值濾波算法將干擾從檢測信號中濾除。

若對全部檢測信號均采用中值濾波算法，則需采用流水線技術實現(xiàn)實時處理，對于N個時鐘的濾波算法需要N級流水線，資源開銷較大，應用在陀螺片上系統(tǒng)的可行性較小，因此在附加零偏的抑制方案中加入檢測機制。

具體流程為：

首先，對恢復脈沖干擾后的檢測信號的初始周期一個窗口內(nèi)的采樣點進行濾波，獲得無污染的采樣值；

然后，將窗口依次移動，得到每一個采樣點對應的卷積和，在檢測模塊中當卷積和的絕對值大于閾值時，判定該采樣點受到脈沖干擾污染；

最后，在抑制模塊中，對滑動窗口內(nèi)每一個受到污染的采樣點采用快速中值濾波算法將干擾從檢測信號中濾除，實現(xiàn)對檢測信號的替換。假設A_n為底噪幅值，則閾值選取3A_n左右時可達到最佳濾波效果。

本發(fā)明提供的一種基于中值濾波的干涉式光纖陀螺輸出信號附加零偏的抑制方法，具體實施步驟如下：

步驟1：使用數(shù)字式逐點累加器從檢測信號的噪聲中恢復周期性脈沖干擾，如圖4所示，具體是：

步驟1.1：對檢測信號按周期執(zhí)行存入采樣寄存單元、送入數(shù)字逐點累加器并清空采樣寄存單元的操作；

干涉式光纖陀螺的方波調(diào)制信號如圖3(a)所示，對探測器輸出的檢測信號進行解調(diào)時，先將第一個檢測信號周期內(nèi)采樣點的采樣值A₁[0]，A₂[0]，…，A_M[0]經(jīng)過比較器，儲存在相應的采樣寄存單元；然后將采樣寄存單元中的值送入相應的數(shù)字式逐點累加器后，清空采樣寄存單元；再對下一個周期檢測信號的采樣值A₁[1]，A₂[1]，…，A_M[1]執(zhí)行存入采樣寄存單元、送入數(shù)字式逐點累加器并清空采樣寄存單元的操作。直到對第N個周期的檢測信號執(zhí)行完上述操作。

步驟1.2：數(shù)字式逐點累加器分別對M個采樣寄存單元中N個周期檢測信號中的采樣值進行累加，得到的檢測信號如圖3(b)所示。得到每個采樣寄存器中存儲的N個采樣值累加和，分別為并將N次累加和分別存入對應的累加和寄存器B₁～B_M。

步驟1.3：移位寄存器對接收到的寄存器B₁～B_M中的M個累加和分別進行移位，得到M個采樣值。

步驟1.4：多路選擇單元依據(jù)順時方式對步驟1.3中得到的M個采樣值進行通道選通，即可獲得包含從底噪中凸顯出來周期性脈沖干擾的檢測信號，如圖3(c)所示。

步驟2：對步驟1得到的恢復了周期性脈沖干擾的檢測信號使用中值濾波單元對脈沖干擾進行抑制，具體是：

步驟2.1：對初始周期一個窗口內(nèi)采樣點進行濾波，獲得無污染的采樣值；

步驟2.2：將窗口依次移動，得到每一個采樣點對應的卷積和，當卷積和的絕對值大于閾值3A_n時，判定該采樣點受到脈沖干擾污染；

步驟2.3：對滑動窗口內(nèi)每一個受到污染的采樣點進行替換，得到去除周期性脈沖干擾的檢測信號，如圖3(d)所示。

步驟3：將去除周期性脈沖干擾的檢測信號進行相干解調(diào)，在FPGA中對相干解調(diào)后的檢測信號采用數(shù)字式逐點式累加器進行K/N次累加。

本發(fā)明基于干涉式光纖陀螺的原有結構，有效的從檢測信號中剔除周期性脈沖信號干擾，減小光纖陀螺輸出信號中包含的附加零偏；同時，不會產(chǎn)生信號處理的附加延時，也不會降低信號處理過程對隨機噪聲的抑制能力。