CN102175237A - 一种激光陀螺抖动剥除装置 - Google Patents

Abstract

一种激光陀螺抖动剥除装置，采用基于LMS算法的自适应对消技术进行激光陀螺抖动信号剥除。剥除装置采样频率为抖动频率的整数倍，剥除用到的正、余弦参考信号对由一路采样差分信号经简单数字延迟得到，系统输入输出响应近似时不变，可改善抖动剥除效果。

Description

一种激光陀螺抖动剥除装置

技术领域

本发明涉及一种激光陀螺抖动信号剥除装置，用于实时消除陀螺输出中的抖动成份。

背景技术

环形激光陀螺具有动态范围宽、比例因子线性度好、启动迅速、对加速度不敏感等一系列优点，是捷联惯性系统的理想元件，广泛应用于航海、航空、航天和陆地等领域。

激光陀螺存在着闭锁现象，为了克服闭锁需要人为地给激光陀螺加一偏置角速率，使其工作点全部或大部分从锁区偏置出来，机械抖动偏频是目前最常使用的偏频技术。对于机械抖动偏频激光陀螺，其输出信号中不仅包含了相对惯性空间的角运动信息，还包含了机械抖动角运动信息。抖动剥除方法可用于消除陀螺输出中的抖动成份，它通过将反映抖动运动的抖动参考正弦信号经适当的误差修正算法修正后，与陀螺输出相减得到相对于惯性空间的角运动信息。抖动剥除方法输出是实时的，可用于要求低时延的制导或姿态控制系统系统中。

抖动参考信号中的误差包括幅度误差、相位误差等，这些误差会随环境、时间变化，因此需要采取合适的误差修正算法来补偿抖动参考信号的幅度和相位。张庆华给出了一种基于LMS算法的激光陀螺抖动剥除方法(详见：张庆华，“高集成度激光陀螺小型化高压电源与抖动剥除技术的研究”，工学博士学位论文，2010，pp.92～94)。给出的抖动剥除方法组成基本结构框图如图1所示。

陀螺输出计数脉冲由读出电路11处理后得到的计数值N由代表陀螺基座角运动的N_b和代表机械抖动角运动的N_d组成，即N＝N_b+N_d。以固定频率f_s＝1/T采样(采样时钟由同步采样时钟20提供)对N，采样值经差分运算12得到增量：

ΔN(k)＝N(k)-N(k-1)＝ΔN_b(k)+ΔN_d(k)        (1)

其中，ΔN_b(k)、ΔN_d(k)分别代表第k个采样周期内的基座角运动变化和机械抖动角运动变化。

采用抖动剥除技术时，需要从陀螺引出一个代表陀螺抖动运动的抖动拾取信号或抖动参考信号α，α由抖动拾取电路13得到。α经同步采样后由差分运算14得到增量：

Δα₁(k)＝α(k)-α(k-1)                     (2)

Δα₁(k)经数字延迟运算15延迟后得到Δα₂(k)，即Δα₂(k)＝Δα₁(k-Δ)，延迟量Δ通常为整数。现有技术中，Δ＝1，即Δα₂(k)由Δα₁(k)延迟一采样周期得到。

抖动参考信号可看做是幅度、相位缓变的正弦波，抖动估计器16采用2个权系数对ΔN_d进行估计得到

其中W₁(k)、W₂(k)为第k个采样周期的权系数，它们由权系数更新算法19确定。

基于LMS的权系数更新算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_1(k+1)=W_1\left(k\right)+2\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\Δ\α}}_1\left(k\right)\·\mathrm{\ϵ}\left(k\right)\\ W_2(k+1)=W_2\left(k\right)+2\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\Δ\α}}_2\left(k\right)\·\mathrm{\ϵ}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

增量ΔN(k)与抖动估计

经求和运算17得到抖动剥除输出：

抖动剥除输出ΔN_net为陀螺基座角运动增量ΔN_b的近似。

为防止低频或恒定的陀螺基座角运动影响权系数更新和抖动剥除效果，现有技术利用差分或高通滤波器18消除陀螺基座角运动后再用于权系数更新。对于差分运算：

ε(k)＝ΔN_net(k)-ΔN_net(k-1)                            (6)

简单的差分运算对于低频基座角运动衰减不够，同时差分或高通滤波器会放大高频噪声，导致权系数波动。

根据自适应对消的相关理论，当Δα₁、Δα₂之间相位差不等于90度时，抖动剥除输入ΔN到抖动剥除输出ΔN_NET的响应既有时不变部分，也有时变部分。时变响应部分会使输出误差变大，降低抖动剥除的效果。而当Δα₁、Δα₂之间相位差等于90度，即Δα₁、Δα₂为一正、余弦对时，响应近似为时不变，可得到最佳抖动剥除效果。由于不同的陀螺抖动频率不同，同一陀螺的抖动频率也随环境、时间变化，因此当采样频率fs＝1/T固定时，对不同频率的抖动参考信号进行数字延迟无法保证Δα₁、Δα₂之间相位差等于90度。即使采用数字滤波等移相方法也难以满足要求。在有些技术中，Δα₂由抖动参考信号α经模拟移相(理想移相为90度)后再取样、差分得到，这种技术同样难以保证不同的陀螺在不同的环境下Δα₁、Δα₂之间相位差等于90度。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术存在的技术问题，提供一种激光陀螺抖动剥除装置，该装置基于LMS算法的自适应正弦对消技术，且能保证对于不同的陀螺在不同的环境下抖动剥除所需要的参考输入信号Δα₁、Δα₂之间相位差始终等于90度，可改善抖动剥除性能。

为实现本发明而采用的技术解决方案是：

一种激光陀螺抖动剥除装置，包括：

陀螺输出计数脉冲经采样、差分后得到包含陀螺基座角运动和机械抖动角运动的脉冲增量ΔN；抖动参考信号经采样、差分后得到增量信号Δα₁；Δα₁经数字移相后得到与Δα₁相差90度的增量信号Δα₂；由抖动估计器得到抖动角运动增量的估计

并与ΔN相减得到惯性角运动增量ΔN_NET；ΔN_NET经带通滤波器后采用LMS算法更新权系数W₁、W₂。

抖动参考信号经数字锁相环4M倍频后得到与抖动参考信号同步的采样时钟对陀螺输出、抖动参考信号采样。Δα₁经简单的M个采样延迟后得到与Δα₁相差90度的增量信号Δα₂，这样抖动剥除输入ΔN到抖动剥除输出ΔN_NET的响应近似时不变，可得到较佳抖动剥除效果。

本发明的优点在于：

1、无论陀螺抖动频率如何变化，采样频率始终为抖动频率的整数倍，抖动剥除所需要的相差90度的正、余弦参考输入对可由一路经简单的数字相移得到，抖动剥除输入到抖动剥除输出的响应近似时不变，可改善抖动剥除效果。

2、采用带通滤波器同时改善了剥除装置的低频和高频响应，可进一步提高抖动剥除效果。

附图说明

图1是现有的基于LMS算法的抖动剥除方案组成结构框图

图2是本发明激光陀螺抖动信号剥除装置的组成结构框图

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明激光陀螺抖动剥除装置主要包括陀螺读出电路1、差分运算2、抖动拾取电路3、差分运算4、数字延迟/移相器5，抖动估计器6、求和运算7、带通滤波器8、LMS权系数更新算法9、数字锁相环10

抖动拾取电路3输出正弦抖动参考信号α，抖动参考信号一路经采样、差分后作为抖动剥除的参考信号，另一路经数字锁相环10进行4M倍频后得到与抖动参考信号同步的采样时钟，采样时钟频率为4Mf_d(M为大于等于1的整数，一个优选例为4M＝16，f_d为陀螺抖动频率)。抖动剥除装置以4Mf_d的采样频率对陀螺输出、抖动参考信号采样。

陀螺输出计数脉冲由读出电路1处理，其采样值经差分运算2得到增量：

ΔN(k)＝N(k)-N(k-1)＝ΔN_b(k)+ΔN_d(k)                  (7)

其中，ΔN_b(k)、ΔN_d(k)分别代表第k个采样周期内的基座角运动变化和机械抖动角运动变化。

抖动参考信号α由抖动拾取电路3给出。α经同步采样后由差分运算4得到增量：

Δα₁(k)＝α(k)-α(k-1)                               (8)

Δα₁(k)经数字延迟运算5延迟后得到Δα₂(k)：

Δα₂(k)＝Δα₁(k-M)                                  (9)

由于采样频率为4Mf_d，因此无论陀螺抖动频率f_d如何变化，Δα₁、Δα₂之间相位差始终等于90度，相应地抖动剥除输入到抖动剥除输出的响应近似时不变，可改善抖动剥除效果。

抖动估计器6对ΔN_d进行估计得到

其中W₁(k)、W₂(k)为第k个采样周期的权系数，它们由权系数更新算法9确定。

基于LMS的权系数更新算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_1(k+1)=W_1\left(k\right)+2\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\Δ\α}}_1\left(k\right)\·\mathrm{\ϵ}\left(k\right)\\ W_2(k+1)=W_2\left(k\right)+2\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\Δ\α}}_2\left(k\right)\·\mathrm{\ϵ}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

增量ΔN(k)与抖动估计

经求和运算7得到抖动剥除输出：

抖动剥除输出ΔN_net为陀螺基座角运动增量ΔN_b的近似。

为防止低频或恒定的陀螺基座角运动影响权系数更新和抖动剥除效果，ΔN_NET经带通滤波器8消除陀螺基座角运动后再用于权系数更新。一个简单的带通滤波器算法如下：

ε(k)＝-ΔN_net(k)+ΔN_net(k-1)+ΔN_net(k-2)-ΔN_net(k-3)        (13)

公式(13)所示的带通滤波器相比现有技术中的差分/高通滤波器可同时改善剥除装置的低频和高频响应，从而进一步提高抖动剥除效果。

本发明完整的抖动剥除算法为：

ΔN(k)＝N(k)-N(k-1)

Δα₁(k)＝α(k)-α(k-1)

Δα₂(k)＝Δα₁(k-M)

(14)

ε(k)＝-ΔN_net(k)+ΔN_net(k-1)+ΔN_net(k-2)-ΔN_net(k-3)

W₁(k+1)＝W₁(k)+2μ·Δα₁(k)·ε(k)

W₂(k+1)＝W₂(k)+2μ·Δα₂(k)·ε(k)

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光陀螺抖动剥除装置，其特征在于：包括：

陀螺读出电路(1)、差分运算(2)、抖动拾取电路(3)、差分运算(4)、数字延迟/移相器(5)，抖动估计器(6)、求和运算(7)、带通滤波器(8)、LMS权系数更新算法(9)、数字锁相环(10)。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺抖动剥除装置，其特征在于：

所述数字锁相环10对抖动参考信号进行整数倍频得到采样时钟对陀螺输出计数脉冲、抖动参考信号采样。

3.根据权利要求1或2所述的激光陀螺抖动剥除装置，其特征在于：

抖动剥除用到的正、余弦信号参考信号对由一路采样信号经所述数字延迟移相器5延迟得到。

4.根据权利要求1所述的激光陀螺抖动剥除装置，其特征在于：

采用所述带通滤波器8对抖动剥除输出滤波，滤波结果用于权系数更新。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的激光陀螺抖动剥除装置，其特征在于：抖动剥除算法为：

ΔN(k)＝N(k)-N(k-1)

Δα₁(k)＝α(k)-α(k-1)

Δα₂(k)＝Δα₁(k-M)

ε(k)＝-ΔN_net(k)+ΔN_net(k-1)+ΔN_net(k-2)-ΔN_net(k-3)

W₁(k+1)＝W₁(k)+2μ·Δα₁(k)·ε(k)

W₂(k+1)＝W₂(k)+2μ·Δα₂(k)·ε(k)。 

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