CN110319826A - 基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法 - Google Patents

基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，利用陀螺输出误差与波导驱动信号的相关性抑制阶梯波串扰误差，同时针对电路串扰信号的强度和相位会随外界条件的变化而改变的问题，引入自适应滤波算法，自主确定输出误差与波导驱动信号间的幅值与相位差，从而进行实时的抑制。本方法简单，不需人为调整滤波参数，具有较好的工程应用前景。

Description

基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法
技术领域
本发明涉及一种基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，能够实现光纤陀螺阶梯波串扰的抑制，属于光纤陀螺技术领域。
背景技术
光纤陀螺以其全固态、高可靠、高精度等特点，目前已在空间系统中广泛应用。目前空间用光纤陀螺主要分为两大类，一类是小型化光纤陀螺，其精度在0.01°/h～1°/h之间，满足卫星等航天器姿态稳定和轨道控制需求，另一类是高精度光纤陀螺，其精度优于0.001°/h，采样率大于500Hz，用于卫星控制系统“超静、超稳、超快”平台的微振动测量，实现卫星平台微振动的抑制，进而为星上成像载荷提供稳定的平台环境，提高其成像精度。高精度光纤陀螺在高速采集下的时域和频域输出如图1和图2所示。由于精度和采样率的提高，陀螺输出中存在明显的阶梯波形状误差，同时频域输出中存在明显的基频及谐波误差信号。
造成输出误差的原因是光纤陀螺阶梯波驱动对探测器输出信号的串扰。光纤陀螺基本原理框图如图3所示。根据光纤陀螺通用的闭环检测方案，探测器将光信号转换为电信号，经前置放大器放大后输入现场可编程门阵列(FPGA)芯片中进行数字处理后产生阶梯波形状的驱动信号，经波导驱动电路处理后驱动光电调制器完成转速的闭环检测。由于探测器输出电信号为微伏量级，而用于闭环的波导驱动信号为伏量级，且由于尺寸的限制，在检测电路中探测器输出信号与波导驱动信号间的距离较近，因此，在检测电路中存在一个串扰通道，使得波导驱动信号会对探测器输出信号产生干扰，同时波导驱动信号与探测器输出信号具有相关性，从而在陀螺输出中引入与波导驱动信号形状相似的误差。现有的针对波导驱动信号串扰的抑制方法一方面通过优化电路设计，尽可能的将探测器输出信号和波导驱动信号隔离开，以减少串扰强度。另一方面是在数字信号处理程序中引入随机调制，降低波导驱动信号与探测器输出信号的相关性，以抑制波导驱动的串扰。但由于实际中探测器输出信号和波导驱动信号无法完全隔离开，同时两者的强度量级相差较大，串扰信号无法被彻底的抑制，在高精度光纤陀螺中，残余的串扰还是会在陀螺输出中造成较大的误差，影响其实际应用。而通过随机调制的方式可以在一定程度上抑制波导驱动信号串扰，但在抑制串扰的同时，会使陀螺的精度降低，也会影响其实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，利用陀螺输出误差与波导驱动信号的相关性抑制阶梯波串扰误差，同时针对电路串扰信号的强度和相位会随外界条件的变化而改变的问题，引入自适应滤波算法，自主确定输出误差与波导驱动信号间的幅值与相位差，从而进行实时的抑制。本方法简单，不需人为调整滤波参数，具有较好的工程应用前景。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，包括如下步骤：
S1、将k时刻光纤陀螺的原始输出信号x(k)输出给k-1时刻的参数可变滤波器；所述k-1时刻的参数可变滤波器将滤波后的信号d′(k)与k时刻阶梯波驱动信号d(k)求差作为k时刻光纤陀螺的最终输出信号e(k)；
S2、计算k时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值SD(k)，利用所述功率谱密度估计值SD(k)和S1中的最终输出信号e(k)，确定k+1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵，然后转入S1。
上述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，对于任一k时刻，参数可变滤波器的参数矩阵w(k)为：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k)
式中，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
上述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，S1中所述的滤波后的信号d′(k)为：
d′(k)＝xT(k)w(k-1)
式中，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
上述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，S2中所述的功率谱密度估计值SD(k)为：
式中，λ为自适应滤波遗忘因子，SD(k-1)为k-1时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行实现上述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法的步骤。
一种自适应滤波的光纤陀螺，包括光源、耦合器、光电调制器、光纤环、光电探测器、前置放大器、FPGA、波导驱动电路、自适应滤波模块；
光源输出的光信号经耦合器后分为两路，其中一路依次经光电调制器、光纤环后返回光电调制器，光电调制器输出的光信号经耦合器达到光电探测器；
探测器将光信号转换为电信号，所述电信号经前置放大器放大后输出给FPGA，所述FPGA采用数字闭环解调方法将所述电信号进行数字处理后产生原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)；所述FPGA将x(k)输出给自适应滤波模块，并将d(k)同时输出给自适应滤波模块和波导驱动电路，所述波导驱动电路将d(k)转换为模拟信号后输出给所述光电调制器；
基于原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)，所述自适应滤波模块采用权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法获得光纤陀螺最终输出信号e(k)。
上述自适应滤波的光纤陀螺，对于任一k时刻，参数可变滤波器的参数矩阵w(k)为：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k)
式中，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
上述自适应滤波的光纤陀螺，S1中所述的滤波后的信号d′(k)为：
d′(k)＝xT(k)w(k-1)
式中，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
上述自适应滤波的光纤陀螺，S2中所述的功率谱密度估计值SD(k)为：
式中，λ为自适应滤波遗忘因子，SD(k-1)为k-1时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵。
上述自适应滤波的光纤陀螺，所述光源为ASE光源。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
现有技术使用固定系数滤波器对陀螺输出数据进行处理，仅能针对固定频率滤波，但阶梯波调制干扰随陀螺转速变化，固定系数滤波器无法用于抑制光纤陀螺阶梯波调制串扰。本发明通过使用自适应滤波器，并以阶梯波调制信号作为期望信号对光纤陀螺输出信号进行滤波，可以实时根据阶梯波调制信号与阶梯波调制误差的幅值与相位差调整滤波器参数，实现对阶梯波调制误差的有效滤波。
附图说明
图1为光子晶体光纤陀螺光路时域输出示意图；
图2为光子晶体光纤陀螺光路频域输出示意图；
图3为光纤陀螺基本原理框图；
图4为含自适应滤波的光纤陀螺原理框图；
图5为自适应滤波流程图；
图6为自适应滤波前后数据对比图，其中(6a)为滤波后输出的信号图，(6b)为滤波前输出的信号图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，包括如下步骤：
S1、将k时刻光纤陀螺的原始输出信号x(k)输出给k-1时刻的参数可变滤波器；所述k-1时刻的参数可变滤波器将滤波后的信号d′(k)与k时刻阶梯波驱动信号d(k)求差作为k时刻光纤陀螺的最终输出信号e(k)。
S1中所述的滤波后的信号d′(k)为：
d′(k)＝xT(k)w(k-1)
式中，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
对于任一k时刻，参数可变滤波器的参数矩阵w(k)为：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k)
式中，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
S2、计算k时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值SD(k)，利用所述功率谱密度估计值SD(k)和S1中的最终输出信号e(k)，确定k+1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵，然后转入S1。
S2中所述的功率谱密度估计值SD(k)为：
式中，λ为自适应滤波遗忘因子，SD(k-1)为k-1时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行实现上述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法的步骤。
一种自适应滤波的光纤陀螺，包括光源、耦合器、光电调制器、光纤环、光电探测器、前置放大器、FPGA、波导驱动电路、自适应滤波模块；
光源输出的光信号经耦合器后分为两路，其中一路依次经光电调制器、光纤环后返回光电调制器，光电调制器输出的光信号经耦合器达到光电探测器；
探测器将光信号转换为电信号，所述电信号经前置放大器放大后输出给FPGA，所述FPGA采用数字闭环解调方法将所述电信号进行数字处理后产生原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)，其中x(k)是原始输出角速度信号，d(k)是数字量信号；所述FPGA将x(k)输出给自适应滤波模块，并将d(k)同时输出给自适应滤波模块和波导驱动电路；所述波导驱动电路将d(k)转换为模拟信号并调整其幅值与光电调制器半波电压相匹配后，驱动光电调制器完成光纤陀螺转速闭环。
基于原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)，所述自适应滤波模块采用权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法获得光纤陀螺最终输出信号e(k)。
实施例：
基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，设计了用于光纤陀螺阶梯波串扰抑制的自适应滤波器，将光纤陀螺原始输出信号经过一个参数可调的滤波器后与光纤陀螺阶梯波调制信号求差，得到的误差信号即为将光纤陀螺输出中包含的阶梯波调制串扰信号滤除后的最终输出。考虑到光纤陀螺输出中包含的阶梯波串扰信号与阶梯波驱动信号的幅值与相位差是不确定的，设计了更新策略对所用滤波器的滤波参数进行实时更新。通过求取滤波前原始输出信号的功率谱密度、滤波后信号与阶梯波驱动信号之差，并根据给出的滤波器参数更新策略，实时更新滤波器参数，保证对阶梯波串扰误差的实时滤除。本发明通过设计参数可变的滤波器并给出参数更新策略，可以解决阶梯波串扰幅值、频率随机改变导致传统固定参数滤波器无法对其进行有效抑制的问题，实现阶梯波串扰误差的有效抑制，方法简单，误差抑制效果好。
本发明的自适应滤波器原理框图如图4所示，其中x(k)为k时刻光纤陀螺的原始输出信号；d(k)为k时刻阶梯波驱动信号；d′(k)为k-1时刻的参数可变滤波器将滤波后的信号；e(k)为滤波器输出信号与同一时刻光纤陀螺阶梯波调制信号之差，即k时刻光纤陀螺的最终输出信号e(k)；w(k)为k时刻参数可变滤波器的参数矩阵。
k时刻参数可变滤波器的参数矩阵w(k)的计算方法如下，如图5所示：
(1)将光纤陀螺原始输出待滤波信号经过可变参数滤波器，得到滤波输出：
d′(k)＝xT(k)w(k-1) (1)
(2)求取滤波输出与同一时刻阶梯波调制信号之差：
e(k)＝d(k)-d′(k) (2)
(3)提取e(k)为k时刻光纤陀螺输出值，此输出值为滤除阶梯波干扰信号后的理想输出。
(4)求取光纤陀螺原始输出待滤波信号功率谱估计值：
式中SD(k)为k时刻光纤陀螺原始输出待滤波信号功率谱估计值。
(5)更新可变参数滤波器参数矩阵：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k) (4)
(6)使用更新参数后的滤波器处理k+1时刻光纤陀螺原始输出待滤波信号，重复步骤(1)～(5)，实现滤波器参数的实时自适应更新。
使用本发明提出的自适应滤波算法对陀螺输出数据进行滤波，滤波前后的数据对比如图6所示，其中(6a)为滤波后输出的信号图，(6b)为滤波前输出的信号图。从图中可以看出，本发明提出的算法可以对光纤陀螺阶梯波串扰误差进行有效的抑制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将k时刻光纤陀螺的原始输出信号x(k)输出给k-1时刻的参数可变滤波器；所述k-1时刻的参数可变滤波器将滤波后的信号d′(k)与k时刻阶梯波驱动信号d(k)求差作为k时刻光纤陀螺的最终输出信号e(k)；
S2、计算k时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值SD(k)，利用所述功率谱密度估计值SD(k)和S1中的最终输出信号e(k)，确定k+1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵，然后转入S1。
2.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，其特征在于，对于任一k时刻，参数可变滤波器的参数矩阵w(k)为：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k)
式中，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，其特征在于，S1中所述的滤波后的信号d′(k)为：
d′(k)＝xT(k)w(k-1)
式中，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法，其特征在于，S2中所述的功率谱密度估计值SD(k)为：
式中，λ为自适应滤波遗忘因子，SD(k-1)为k-1时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行实现权利要求1～4之一所述基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法的步骤。
6.一种自适应滤波的光纤陀螺，其特征在于：包括光源、耦合器、光电调制器、光纤环、光电探测器、前置放大器、FPGA、波导驱动电路、自适应滤波模块；
光源输出的光信号经耦合器后分为两路，其中一路依次经光电调制器、光纤环后返回光电调制器，光电调制器输出的光信号经耦合器达到光电探测器；
探测器将光信号转换为电信号，所述电信号经前置放大器放大后输出给FPGA，所述FPGA采用数字闭环解调方法将所述电信号进行数字处理后产生原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)；所述FPGA将x(k)输出给自适应滤波模块，并将d(k)同时输出给自适应滤波模块和波导驱动电路，所述波导驱动电路将d(k)转换为模拟信号后输出给所述光电调制器；
基于原始输出信号x(k)和阶梯波驱动信号d(k)，所述自适应滤波模块采用权利要求1所述的基于自适应滤波的光纤陀螺阶梯波串扰抑制方法获得光纤陀螺最终输出信号e(k)。
7.根据权利要求6所述的一种自适应滤波的光纤陀螺，其特征在于，对于任一k时刻，参数可变滤波器的参数矩阵w(k)为：
w(k)＝w(k-1)+e(k)SD(k)x(k)
式中，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
8.根据权利要求6所述的一种自适应滤波的光纤陀螺，其特征在于，S1中所述的滤波后的信号d′(k)为：
d′(k)＝xT(k)w(k-1)
式中，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵，w(k-1)为k-1时刻的参数可变滤波器的参数矩阵。
9.根据权利要求6所述的一种自适应滤波的光纤陀螺，其特征在于，S2中所述的功率谱密度估计值SD(k)为：
式中，λ为自适应滤波遗忘因子，SD(k-1)为k-1时刻光纤陀螺的原始输出信号的功率谱密度估计值，xT(k)为k时刻原始输出信号的转置矩阵。
10.根据权利要求6所述的一种自适应滤波的光纤陀螺，其特征在于，所述光源为ASE光源。
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