CN102175238A - 一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法及装置。该方法利用信号相关性系数预估强度噪声抑制效果，然后根据预估结果，判决是否进行强度噪声抑制，当预估结果满足要求时，将干涉信号和强度噪声估计信号在FPGA芯片内编程完成信号相减，从而抑制干涉信号中强度噪声分量，否则提示改进光纤陀螺光路或电路，直至估计的强度噪声抑制效果满足要求方进行噪声相减。该方法可以在光纤陀螺的实际工作环境中实时进行，提高了光纤陀螺强度噪声抑制可靠性和有效性，避免了相减法强度噪声抑制中光纤陀螺噪声不降反升的情况，降低了随机游走系数，提高了陀螺精度。

Description

一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法及装置，属于光纤陀螺技术领域。

背景技术

陀螺是惯性技术领域重要的传感器，用于敏感载体角速率或角位移，被广泛用于惯性导航、惯性制导、载体姿态测量等。作为新型角速率传感器，干涉型光纤陀螺具有无运动部件、动态范围大、良好的抗冲击特性和过载能力强等优点，近年来成为机电陀螺和激光陀螺的有力竞争者，并获得广泛应用。光源是光纤陀螺中非常重要的一个器件，而光源产生的光信号是光纤陀螺实现角速度测量的基础，光信号的质量极大的影响着光纤陀螺所能达到的最高精度。为提高陀螺精度，中高精度光纤陀螺通常采用宽带光源，其噪声主要包括散粒噪声和强度噪声两类。散粒噪声是由光电流的不平滑和不连续引起的，可以表示为：

$<i_s^2>=2e<i>B---\left(1\right)$

式中：<i>为光电检测器上的平均光电流，e为电子电量，B为探测带宽。强度噪声是由光源宽光谱中的所有不相关频率分量之间的随机拍频而引起的附加噪声。对于线宽为Δv的宽带光源，强度噪声可以表示为：

$<i_I^2>={<i>}^{2}B/\mathrm{\&Delta;v}---\left(2\right)$

由光源引起的探测器端的总的噪声为：

由式(3)可以看出，强度噪声与光强平方成正比，而散粒噪声仅与光强成正比，当光强超过某个值时，强度噪声将超过散粒噪声成为主要的噪声源，限制了光纤陀螺极限探测精度。增加光强可以提高信噪比，但是当光强达到一定值时，信噪比将趋近于一个饱和值。计算表明，当检测带宽为1Hz时，光源强度噪声引起的角随机游走系数可以表示为

${\mathrm{RWC}}_{\mathrm{RIN}}=\frac{1}{K_{\mathrm{SF}}}\frac{<i_I^2>}{\sqrt{2}}\frac{1+{\cos \mathrm{\&phi;}}_0}{{\sin \mathrm{\&phi;}}_0}---\left(4\right)$

其中：RWC_RIN表示由光源强度噪声引起的角随机游走系数，K_SF为标度因数，φ₀为偏置调制相位。角随机游走系数表征了光纤陀螺噪声的大小，由式(4)不难看出，角随机游走系数与光源强度噪声成正比。因此在高精度光纤陀螺中，必须采取措施抑制光源强度噪声，减小光纤陀螺角随机游走系数，降低光纤陀螺噪声，从而提高光纤陀螺精度。

目前在研制高精度光纤陀螺的过程中，现有的光源强度噪声抑制往往直接采用相减法，如Darryl Busch等在美国专利编号为2009/0225323A1，名为“Method and apparatusfor monitoring angle random walk of a fiber optic gyroscope(监测光纤陀螺角随机游走的方法和装置)”中公开的强度噪声相减法，及公开发表的文献如Kevin Killian等在1994年发表的题为“High Performance fiber optic gyroscope with noise reduction(基于噪声相减的高精度光纤陀螺)”论文中采用的直接相减法等。然而当光纤陀螺干涉信号序列与耦合器空闲端强度噪声估计序列相关性较差时，相减法反而会增加光纤陀螺干涉信号噪声，达不到抑制噪声的效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种利用耦合器空闲端信号和陀螺干涉信号的相关性预估并最终抑制光纤陀螺强度噪声的方法和装置。在该方法和装置中，根据预估效果，调整光纤陀螺光路、电路直至满足要求，然后再进行强度噪声抑制，从而提高强度噪声抑制的可靠性和实用性，并最终提高光纤陀螺精度。

一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的装置，包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、起偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一滤波及前置放大器、第二滤波及前置放大器、第一A/D转换装置、第二A/D转换装置、FPGA芯片、报警装置、D/A转换和驱动放大电路；

光源发出的光源进入耦合器，耦合器将输入光均匀分为两束，其中一束输入Y波导，然后经过光纤环后发生干涉，返回耦合器中，通过耦合器进入第一光电检测器；另外一束进入起偏器，起偏后进入第二光电检测器；第一光电探测器的把光纤陀螺干涉光信号转换为电信号，输出至第一滤波及前置放大器，进行低频滤波和信号放大，第一滤波及前置放大器输出的模拟信号量输入至第一A/D转换装置，将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号至FPGA芯片；第二光电探测器检测光源信号及信号中包含的强度噪声，并将探测到的光信号转换为电信号，输出至第二滤波及前置放大器，进行低频滤波和信号放大，第二滤波及前置放大器输出的模拟信号输入至第二A/D转换装置，将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出至FPGA芯片；FPGA芯片对第一A/D转换装置输出的干涉信号数字序列和第二A/D转换装置输出的强度噪声估计数字序列进行信号相关性计算，得到互相关系数m和信号间延迟时间τ，若m小于设定值，表明两路信号相关性不满足要求，无法获得较好的光纤陀螺强度噪声抑制效果，系统输出报警信息至报警装置，提示重新装配光纤陀螺光路或电路；若m大于设定值，将第二A/D转换装置的输出信号经过FPGA芯片延迟时间τ，得到信号A，第一A/D转换装置的输出信号经FPGA芯片减去信号A，获得强度噪声相减抑制输出信号，经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换装置后，将数字信号转换为模拟信号，并通过驱动放大电路，放大模拟信号后输入给Y波导，对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在保偏光纤耦合器空闲端熔接一个起偏器，对起偏器输出信号和陀螺干涉信号同时利用光电检测器进行检测，并经过滤波、前置放大后用A/D转换芯片进行采样，获得光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)；

步骤二：将光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)在FPGA中做互相关运算，得到互相关系数m和序列间延迟时间τ；

步骤三：通过互相关系数m判断是否进行强度噪声相减抑制，设定一个相关系数预设值，互相关系数m大于预设值，则继续进行后续强度噪声相减抑制步骤，进入步骤四，否则，表明光纤陀螺输出信号与强度噪声估计信号相关性较差，不适合作强度噪声相减抑制法，系统输出报警信息，调整光纤陀螺光路或电路，返回步骤一；

步骤四：延迟强度噪声估计信号序列c(n)共τ时间，获得新的信号序列d(n)；从干涉信号序列中减去d(n)，获得降噪后干涉信号e(n)，即e(n)＝b(n)-d(n)；降噪后干涉信号e(n)经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换为模拟信号，放大后对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

本发明的优点在于：

(1)利用两路信号的相关性大小预估噪声相减实施的效果，若互相关系数大则可以实施噪声相减，若互相关系数小则不实施，并输出报警信息，提示调整光纤陀螺光路、电路，从而提高光纤陀螺强度噪声抑制方法的可靠性和实用性，避免了当信号相关性不强时，强度噪声相减抑制后噪声反而增加的间题；

(2)实施噪声相减后抑制了强度噪声，降低了角随机游走，提高了陀螺精度。

附图说明

图1是本发明一种抑制光纤陀螺光源强度噪声装置的结构示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明强度噪声估计信号与干涉信号相关性为0.28时的消噪效果仿真图；

图4是本发明强度噪声估计信号与干涉信号相关性为0.95时的消噪效果仿真图。

图中：

1-光源；2-耦合器；3-Y波导；4-光纤环；5-起偏器；6-第一光电探测器；7-第二光电探测器；8-第一滤波及前置放大器；9-第二滤波及前置放大器；10-第一A/D转换装置；11-第二A/D转换装置；12-FPGA芯片；13-报警装置；14-D/A转；15-换和驱动放大电路。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种抑制光纤陀螺光源强度噪声装置，如图1所示，包括光源1、耦合器2、Y波导3、光纤环4、起偏器5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一滤波及前置放大器8、第二滤波及前置放大器9、第一A/D转换装置10、第二A/D转换装置11、FPGA芯片12、报警装置13、D/A转换14和驱动放大电路15。

光源1为光纤陀螺的光源，光源1发出的光源进入耦合器2，耦合器2将输入光均匀分为两束，其中一束输入Y波导3，Y波导3的作用为分光、起偏和相位调制，然后经过光纤环4后发生干涉，返回耦合器2中，通过耦合器2进入第一光电检测器6；另外一束进入起偏器5，起偏后进入第二光电检测器7；第一光电探测器6的作用为把光纤陀螺干涉光信号转换为电信号，从而检测光纤陀螺干涉信号，第一光电探测器6输出的电信号输入至第一滤波及前置放大器8，滤掉低频直流信号，并将微弱信号放大。第一滤波及前置放大器8输出的模拟信号量输入至第一A/D转换装置10，将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号至FPGA芯片12；第二光电探测器7的作用为检测光源信号及信号中包含的强度噪声，并将探测到的光信号转换为电信号，输出的电信号输入至第二滤波及前置放大器9，第二滤波及前置放大器9的作用为低频滤波和信号放大，输出的模拟信号输入至第二A/D转换装置11，第二A/D转换装置11的作用为将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出至FPGA芯片12；FPGA芯片12对第一A/D转换装置10输出的干涉信号数字序列和第二A/D转换装置11输出的强度噪声估计数字序列进行信号相关性计算，得到互相关系数m和信号间延迟时间τ，若m小于设定值，表明两路信号相关性不满足要求，无法获得较好的光纤陀螺强度噪声抑制效果，系统输出报警信息至报警装置13，提示重新装配光纤陀螺光路或电路。若m大于设定值，将第二A/D转换装置11的输出信号经过FPGA芯片12延迟时间τ，得到信号A，第一A/D转换装置10的输出信号经FPGA芯片12减去信号A，获得强度噪声相减抑制输出信号，经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换装置14后，将数字信号转换为模拟信号，并通过驱动放大电路15，放大模拟信号后输入给Y波导3，对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

本发明的原理为：耦合器空闲端的信号直接来自光源，其噪声主要为光源的强度噪声，陀螺干涉信号中也包含强度噪声，对两路信号分别采样，并将采样信号作互相关运算。当互相关系数大时，说明两路信号的波动趋于一致，从空闲端信号中提取强度噪声，用干涉信号减去强度噪声即得降噪后的信号；若互相关系数小，则说明两路信号变化特征相差很大，噪声相减已失去其实际意义，说明光纤陀螺光路或电路需要进行检查和调整。

设干涉信号序列为b(n)，强度噪声为d(n)，降噪后的信号为e(n)，则e(n)＝b(n)-d(n)。因为干涉信号序列与强度噪声序列均已通过滤波器滤去直流分量，故序列均值均为零，即E{b(n)}＝0，E{d(n)}＝0，则E{e(n)}＝0。强度噪声在经过放大电路进行幅值调整后，其方差与干涉信号序列近似相等，记为Var{b(n)}＝Var{d(n)}＝V。假设干涉信号序列与强度噪声序列互相关系数为m，根据互相关系数定义有

$m=\frac{E\left\{b\left(n\right)d\left(n\right)\right\}}{\sqrt{\mathrm{Var}\left(b\left(n\right)\right)}\sqrt{\mathrm{Var}\left(d\left(n\right)\right)}}=\frac{E\left\{b\left(n\right)d\left(n\right)\right\}}{V}---\left(5\right)$

即

E{b(n)d(n)}＝mV

则降噪后信号方差可表示为

Var(E(n))

＝E{(e(n)-E{e(n)})²}

＝E{(e(n))²}

＝E{(b(n)-d(n))²}    (6)

＝E{(b(n)²}-2E{b(n)d(n)}+E{(d(n)²}

＝V-2mV+V

＝2V(1-m)

降噪前后干涉信号序列方差之比为

$\frac{\mathrm{Var}\left(b\left(n\right)\right)}{\mathrm{Var}\left(e\left(n\right)\right)}=\frac{V}{2V(1-m)}=\frac{1}{2(1-m)}---\left(7\right)$

对于干涉信号序列和降噪后干涉信号序列，其方差大小代表了噪声大小。m为互相关系数，其值取值范围为0-1。由式(6)不难看出，当m小于0.5时，降噪后信号方差将大于V，即大于光纤陀螺干涉信号方差，由式(7)可知，降噪前后干涉信号序列方差之比小于1，即噪声反而变大，降低了光纤陀螺精度。因此在光纤陀螺相减法噪声抑制中，先判断干涉信号序列与噪声估计信号序列的相关性是非常有必要的，可以预先估计强度噪声抑制效果。且相关性运算中通过判断相关性系数最大值在相关性序列中的位置，可以准确判断信号间延迟时间τ，提高强度噪声抑制效果。

本发明的一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法，流程如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤一：在保偏光纤耦合器2空闲端熔接一个起偏器5，对起偏器5输出信号和陀螺干涉信号同时利用光电检测器6、7进行检测，并经过滤波、前置放大后用A/D转换芯片进行采样，获得光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)；

步骤二：将光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)在FPGA中做互相关运算，得到互相关系数m和序列间延迟时间τ。

方法如下：首先选取信号序列窗口宽度N，计算光纤陀螺干涉信号序列b(1:N)的快速傅利叶变换值序列B(1:N)＝FFT(b(1:N))和强度噪声估计信号序列c(1:N)的快速傅利叶变换值C(1:N)＝FFT(c(1:N))；其次，计算互相关频谱序列Z(1:N)＝B(1:N)＊C(1:N)；然后通过反傅利叶变换计算互相关序列z(1:N)＝IFFT(Z(1:N))；最后，获取z(1:N)序列中最大值即为互相关系数m，最大值序号即为延迟时间τ。

步骤三：通过互相关系数m判断是否进行强度噪声相减抑制，设定一个相关系数预设值，互相关系数m大于预设值，则继续进行后续强度噪声相减抑制步骤，进入步骤四，否则，表明光纤陀螺输出信号与强度噪声估计信号相关性较差，不适合作强度噪声相减抑制法，系统输出报警信息，调整光纤陀螺光路或电路，返回步骤一；

步骤四：延迟强度噪声估计信号序列c(n)共τ时间，获得新的信号序列d(n)。从干涉信号序列中减去d(n)，获得降噪后干涉信号e(n)，即e(n)＝b(n)-d(n)。降噪后干涉信号e(n)经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换为模拟信号，放大后对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

实施例：

下面通过两个试验对本发明的有益效果说明如下：

(1)调整起偏器5输出信号和陀螺干涉信号的相关性为m＝0.28，如图3所示，当采用相减法降噪后信号与干涉信号方差之比为

说明光源强度噪声方差上升至以前的143.18％。理论计算噪声方差值为2(1-m)＝1.44，与试验结果符合。该试验表明，在互相关系数较小情况下，消噪后噪声反而上升，达不到噪声抑制效果。此时将输出报警，提示光纤陀螺光路或电路应检查调整。

(2)调整起偏器输出信号和陀螺干涉信号的相关性为m＝0.95，如图4所示，当采用相减法降噪后信号与干涉信号方差之比为

说明光源强度噪声方差降低至以前的10.18％。理论计算噪声方差值降为2(1-m)＝0.1，与试验结果符合。该试验表明，在互相关系数较大条件下，强度噪声抑制能达到非常好的效果。

Claims (3)

1.一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的装置，其特征在于，包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、起偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一滤波及前置放大器、第二滤波及前置放大器、第一A/D转换装置、第二A/D转换装置、FPGA芯片、报警装置、D/A转换和驱动放大电路；

光源发出的光源进入耦合器，耦合器将输入光均匀分为两束，其中一束输入Y波导，然后经过光纤环后发生干涉，返回耦合器中，通过耦合器进入第一光电检测器；另外一束进入起偏器，起偏后进入第二光电检测器；第一光电探测器的把光纤陀螺干涉光信号转换为电信号，输出至第一滤波及前置放大器，进行低频滤波和信号放大，第一滤波及前置放大器输出的模拟信号量输入至第一A/D转换装置，将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号至FPGA芯片；第二光电探测器检测光源信号及信号中包含的强度噪声，并将探测到的光信号转换为电信号，输出至第二滤波及前置放大器，进行低频滤波和信号放大，第二滤波及前置放大器输出的模拟信号输入至第二A/D转换装置，将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出至FPGA芯片；FPGA芯片对第一A/D转换装置输出的干涉信号数字序列和第二A/D转换装置输出的强度噪声估计数字序列进行信号相关性计算，得到互相关系数m和信号间延迟时间τ，若m小于设定值，表明两路信号相关性不满足要求，无法获得较好的光纤陀螺强度噪声抑制效果，系统输出报警信息至报警装置，提示重新装配光纤陀螺光路或电路；若m大于设定值，将第二A/D转换装置的输出信号经过FPGA芯片延迟时间τ，得到信号A，第一A/D转换装置的输出信号经FPGA芯片减去信号A，获得强度噪声相减抑制输出信号，经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换装置后，将数字信号转换为模拟信号，并通过驱动放大电路，放大模拟信号后输入给Y波导，对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

2.一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在保偏光纤耦合器空闲端熔接一个起偏器，对起偏器输出信号和陀螺干涉信号同时利用光电检测器进行检测，并经过滤波、前置放大后用A/D转换芯片进行采样，获得光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)；

步骤二：将光纤陀螺干涉信号序列b(n)和强度噪声估计信号序列c(n)在FPGA中做互相关运算，得到互相关系数m和序列间延迟时间τ；

步骤三：通过互相关系数m判断是否进行强度噪声相减抑制，设定一个相关系数预设值，互相关系数m大于预设值，则继续进行后续强度噪声相减抑制步骤，进入步骤四，否则，表明光纤陀螺输出信号与强度噪声估计信号相关性较差，不适合作强度噪声相减抑制法，系统输出报警信息，调整光纤陀螺光路或电路，返回步骤一；

步骤四：延迟强度噪声估计信号序列c(n)共τ时间，获得新的信号序列d(n)；从干涉信号序列中减去d(n)，获得降噪后干涉信号e(n)，即e(n)＝b(n)-d(n)；降噪后干涉信号e(n)经相位解调后作为陀螺信号输出，同时将陀螺输出信号作为阶梯波台阶高度形成阶梯波，与调制所用方波信号相加，经D/A转换为模拟信号，放大后对干涉光路进行相位调制，完成数字闭环回路。

3.根据权利要求2所述的一种抑制光纤陀螺光源强度噪声的方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：首先选取信号序列窗口宽度N，计算光纤陀螺干涉信号序列b(1:N)的快速傅利叶变换值序列B(1:N)＝FFT(b(1:N))和强度噪声估计信号序列c(1:N)的快速傅利叶变换值C(1:N)＝FFT(c(1:N))；其次，计算互相关频谱序列Z(1:N)＝B(1:N)＊C(1:N)；然后通过反傅利叶变换计算互相关序列z(1:N)＝IFFT(Z(1:N))；最后，获取z(1:N)序列中最大值即为互相关系数m，最大值序号即为延迟时间τ。

Images