CN106885565B - 一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，涉及干涉式光纤陀螺技术领域，主要包括脉冲干扰恢复模块以及脉冲干扰检测与抑制模块。脉冲干扰恢复模块采用滑动平均方式的多点信号平均算法，对检测信号进行N次累加，用中值滤波器将周期性脉冲干扰去除，再进行相干解调，最后对相干解调后的检测信号进行K/N次累加。脉冲干扰检测与抑制模块采用卷积形式，检测模块判断受到脉冲干扰的采样点，抑制模块采用快速中值滤波算法滤除检测信号中的干扰。本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构，从检测信号中剔除周期性脉冲信号干扰，减小输出信号中包含的附加零偏，不会产生信号处理的附加延时，同时保证对随机噪声的抑制能力。

Description

一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑 制方法

技术领域

本发明涉及干涉式光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法。

背景技术

干涉式光纤陀螺是一种高可靠、高精度的惯性角速度传感器，通过光纤环敏感待测角速度，产生非互易相位差，具有动态范围大、无运动部件、抗冲击等优点，可广泛应用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的核心器件。

干涉式光纤陀螺的结构主要包括光源、耦合器、Y波导、光纤环、探测器和信号处理装置。干涉式光纤陀螺中，调制、解调技术是解决陀螺检测灵敏度和旋转方向问题，提高陀螺精度，改善陀螺抗干扰能力的重要手段。

目前大多数光纤陀螺采用方波调制的数字闭环方案，通过D/A输出的方波信号，可以给干涉式光纤陀螺施加一个偏置相位，使陀螺工作在响应灵敏度最大或不为零的点上，再采用信号处理装置对探测器输出的检测信号进行解调。常用的干涉式光纤陀螺调制解调流程为：先直接对检测信号使用相干解调得到检测信号中包含的角速度信息，再使用K次累加器将K个周期的解调结果累加为一个输出值来抑制由随机噪声引起的输出误差。

检测信号中包含的周期性脉冲干扰主要分为检测信号的奇次倍频干扰和偶次倍频干扰，通常使用的相干解调方法，可以有效地抑制信号中随机脉冲干扰和偶次倍频干扰，但对于信号中的奇次倍频干扰处理方法有限，导致光纤陀螺输出信号中包含附加零偏，进而造成光纤陀螺的精度随时间劣化，无法满足陀螺的高可靠性、高精度的要求。

发明内容

针对现有问题，本发明提出了一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，通过在传统的相干检测环节前增加数字式逐点累加器和中值滤波器，剔除了检测信号中包含的周期性脉冲干扰，实现了对干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的有效抑制。

本发明提供的基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，包括脉冲干扰恢复模块以及脉冲干扰检测与抑制模块。

脉冲干扰恢复模块采用多点信号平均算法恢复包含周期性脉冲干扰的检测信号，多点信号平均算法采用滑动平均的方式，实现过程为：

(1.1)采用数字式逐点累加器将检测信号以周期为单位进行N次累加，N为正整数；

(1.2)对累加得到的检测信号采用中值滤波器将周期性脉冲干扰去除，再进行相干解调；

(1.3)对相干解调后的检测信号采用数字式逐点式累加器进行K/N次累加，K为正整数。

对检测信号而言，N次和K/N次两个累加器共同作用等效于一个K次累加器。

脉冲干扰检测与抑制模块采用卷积形式，对脉冲干扰恢复模块输出的检测信号去除周期性脉冲干扰；脉冲干扰检测与抑制模块包括检测模块和抑制模块。检测模块用来判断受到脉冲干扰的采样点，抑制模块采用快速中值滤波算法将干扰从检测信号中滤除。

脉冲干扰检测与抑制模块对检测信号进行处理的过程为：

(2.1)对恢复脉冲干扰后的检测信号初始周期一个窗口内的采样点进行滤波，获得无污染的采样值；

(2.2)将窗口依次移动，得到每一个采样点对应的卷积和，在检测模块中当卷积和的绝对值大于阈值时，判定该采样点受到脉冲干扰污染；

(2.3)在抑制模块中，对各个窗口内每一个受到污染的采样点采用快速中值滤波算法进行替换，得到去除周期性脉冲干扰的检测信号。

本发明的优点及有益效果在于：

(1)本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构，在不添加任何额外的仪器或电路的条件下即可有效的从检测信号中剔除周期性脉冲信号干扰；

(2)本发明能够从检测信号中有效去除周期性脉冲干扰，减小光纤陀螺输出信号中包含的附加零偏；

(3)本发明在实现抑制检测信号附加零偏的同时，不会产生信号处理的附加延时，也不会降低信号处理过程对随机噪声的抑制能力。

附图说明

图1是本发明附加零偏抑制的方法框图；

图2是本发明提出的干涉式光纤陀螺调制解调方法流程图；

图3(a)为干涉式光纤陀螺的方波调制信号；

图3(b)为N次累加后的检测信号；

图3(c)为恢复了周期性脉冲干扰的检测信号；

图3(d)为去除了周期性脉冲干扰的检测信号；

图4是本发明数字式逐点累加器FPGA实现框图。

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。

本发明所述的一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，如图1所示，主要包括两部分：脉冲干扰恢复模块以及脉冲干扰检测与抑制模块。

脉冲干扰恢复模块采用多点信号平均算法，以周期为单位对信号进行累加的方式产生的检测信号加入闭环后会导致反馈周期的延长，影响陀螺闭环反馈速度，因此本发明的多点信号平均算法采用滑动平均的方式，恢复包含周期性脉冲干扰的检测信号，提高检测信号信噪比。

多点信号平均算法的流程如图2所示，具体为：

首先，对检测信号A采用N次数字式逐点累加器将检测信号以周期为单位进行N次累加，得到N次累加后的检测信号B；N为正整数。假设干扰是同频干扰，检测信号经过了N次累加后，周期性脉冲干扰的幅度由A_i变为NA_i，随机噪声的幅度由A_n变为

当

的时候，周期性脉冲干扰会从底噪中凸显出来。

然后，采用中值滤波器将检测信号B的周期性脉冲干扰去除，得到检测信号C。目的是减小干涉式光纤陀螺输出信号的附加零偏，再对检测信号C进行相干解调。

最后，对相干解调后的检测信号采用数字式逐点式累加器进行K/N次累加，得到输出信号；K为正整数。

对检测信号而言，N次和K/N次两个累加器共同作用等效于一个K次累加器，因此该方案不会在数字信号处理过程中产生附加延时，也不会降低数字信号处理过程对随机噪声的抑制能力。

脉冲干扰检测与抑制模块采用卷积形式，分为检测模块和抑制模块，检测模块用来判断受到脉冲干扰的采样点，抑制模块采用快速中值滤波算法将干扰从检测信号中滤除。

若对全部检测信号均采用中值滤波算法，则需采用流水线技术实现实时处理，对于N个时钟的滤波算法需要N级流水线，资源开销较大，应用在陀螺片上系统的可行性较小，因此在附加零偏的抑制方案中加入检测机制。

具体流程为：

首先，对恢复脉冲干扰后的检测信号的初始周期一个窗口内的采样点进行滤波，获得无污染的采样值；

然后，将窗口依次移动，得到每一个采样点对应的卷积和，在检测模块中当卷积和的绝对值大于阈值时，判定该采样点受到脉冲干扰污染；

最后，在抑制模块中，对滑动窗口内每一个受到污染的采样点采用快速中值滤波算法将干扰从检测信号中滤除，实现对检测信号的替换。假设A_n为底噪幅值，则阈值选取3A_n左右时可达到最佳滤波效果。

本发明提供的一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，具体实施步骤如下：

步骤1：使用数字式逐点累加器从检测信号的噪声中恢复周期性脉冲干扰，如图4所示，具体是：

步骤1.1：对检测信号按周期执行存入采样寄存单元、送入数字逐点累加器并清空采样寄存单元的操作；

干涉式光纤陀螺的方波调制信号如图3(a)所示，对探测器输出的检测信号进行解调时，先将第一个检测信号周期内采样点的采样值A₁[0]，A₂[0]，…，A_M[0]经过比较器，储存在相应的采样寄存单元；然后将采样寄存单元中的值送入相应的数字式逐点累加器后，清空采样寄存单元；再对下一个周期检测信号的采样值A₁[1]，A₂[1]，…，A_M[1]执行存入采样寄存单元、送入数字式逐点累加器并清空采样寄存单元的操作。直到对第N个周期的检测信号执行完上述操作。

步骤1.2：数字式逐点累加器分别对M个采样寄存单元中N个周期检测信号中的采样值进行累加，得到的检测信号如图3(b)所示。得到每个采样寄存器中存储的N个采样值累加和，分别为并将N次累加和分别存入对应的累加和寄存器B₁～B_M。

步骤1.3：移位寄存器对接收到的寄存器B₁～B_M中的M个累加和分别进行移位，得到M个采样值。

步骤1.4：多路选择单元依据顺时方式对步骤1.3中得到的M个采样值进行通道选通，即可获得包含从底噪中凸显出来周期性脉冲干扰的检测信号，如图3(c)所示。

步骤2：对步骤1得到的恢复了周期性脉冲干扰的检测信号使用中值滤波单元对脉冲干扰进行抑制，具体是：

步骤2.1：对初始周期一个窗口内采样点进行滤波，获得无污染的采样值；

步骤2.2：将窗口依次移动，得到每一个采样点对应的卷积和，当卷积和的绝对值大于阈值3A_n时，判定该采样点受到脉冲干扰污染；

步骤2.3：对滑动窗口内每一个受到污染的采样点进行替换，得到去除周期性脉冲干扰的检测信号，如图3(d)所示。

步骤3：将去除周期性脉冲干扰的检测信号进行相干解调，在FPGA中对相干解调后的检测信号采用数字式逐点式累加器进行K/N次累加。

本发明基于干涉式光纤陀螺的原有结构，有效的从检测信号中剔除周期性脉冲信号干扰，减小光纤陀螺输出信号中包含的附加零偏；同时，不会产生信号处理的附加延时，也不会降低信号处理过程对随机噪声的抑制能力。

Claims (1)

1.一种基于中值滤波的干涉式光纤陀螺输出信号附加零偏的抑制方法，其特征在于，包括脉冲干扰恢复模块以及脉冲干扰检测与抑制模块；

所述脉冲干扰恢复模块采用多点信号平均算法恢复包含周期性脉冲干扰的检测信号，多点信号平均算法采用滑动平均的方式，实现过程为：

(1.1)采用数字式逐点累加器将检测信号以周期为单位进行N次累加；

(1.2)对累加得到的检测信号采用中值滤波器将周期性脉冲干扰去除，再进行相干解调；

(1.3)对相干解调后的检测信号采用数字式逐点式累加器进行K/N次累加；

其中N和K均为正整数；

所述的采用多点信号平均算法恢复包含周期性脉冲干扰的检测信号的步骤包括：

步骤1.1：对检测信号的第1～N周期按顺序执行存入采样寄存单元、送入数字逐点累加器并清空采样寄存单元的操作；

步骤1.2：数字式逐点累加器分别对M个采样寄存单元中N个周期检测信号的采样值进行N次累加，得到M个N次累加和，分别为

并将M个N次累加和分别存入对应的累加和寄存器B₁～B_M；

步骤1.3：移位寄存器对接收到的寄存器B₁～B_M中的M个累加和分别进行移位，得到M个采样值；

步骤1.4：多路选择单元依据顺时方式对步骤1.3中得到的M个采样值进行通道选通，获得包含周期性脉冲干扰的检测信号；

所述脉冲干扰检测与抑制模块采用卷积形式，对脉冲干扰恢复模块输出的检测信号去除周期性脉冲干扰；所述的脉冲干扰检测与抑制模块包括检测模块和抑制模块；

所述脉冲干扰检测与抑制模块对检测信号进行处理的方法是：

(2.1)对检测信号初始周期一个窗口内的采样点进行滤波，获得无污染的采样值；

(2.2)将窗口依次移动，得到每一个采样点对应的卷积和，在检测模块中当卷积和的绝对值大于设定的阈值3A_n时，A_n为底噪幅值，判定该采样点受到脉冲干扰污染；

(2.3)在抑制模块中，对各个窗口内每一个受到污染的采样点采用快速中值滤波算法进行替换，得到去除周期性脉冲干扰的检测信号。

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