CN111238463B - 一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置 - Google Patents

一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置，该方法包括：基于A/D模数转换数据产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器，并根据调制状态发生器产生当前状态序列；构造第一调制状态选择器，将伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第一状态值；构造第二调制状态选择器，将第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；根据第一、第二调制状态选择器输出的状态值，形成所述数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。该方法目的在于解决因电子串扰引起的陀螺随机漂移及死区问题，提高光纤陀螺精度，保证光纤陀螺工作稳定性，具有较大的现实意义。

Description

一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置
技术领域
本发明属于光纤陀螺领域，特别是涉及一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置。
背景技术
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速率传感器，由于其成本低、工艺简单、可靠性高、抗冲击振动能力强，其应用前景备受重视，已经成为主流的传感器之一。目前数字闭环光纤陀螺因其Y波导相位调制信号与探测器输出信号之间存在电子串扰误差，导致陀螺存在随机漂移及死区现象。
目前，针对数字闭环光纤陀螺调制解调信号之间的电子串扰问题，主要采用随机相位跳变调制方法进行解决。随机相位跳变调制方法，采用与复位不相关的随机调制信号，使调制信号串扰与解调信号不相关，因此能够滤除电子串扰误差带来的随机漂移及死区现象。目前随机相位调制方法有基于四态马尔可夫链的光纤陀螺随机调制，其采用存储器存储伪随机序列作为随机数发生器，采用
Figure GDA0003224987920000011
作为调制相位，每相位持续时间为τ(τ为光纤陀螺渡越时间)。此方法由于光纤陀螺产品上存储器空间限制，会使存储器存储的伪随机序列的长度有限，采用
Figure GDA0003224987920000012
调制相位对光源强度噪声抑制较弱不利用高精度陀螺应用，每相位持续时间为τ不能进行2π电压的实时解调影响陀螺小角速度下的标度因数线性度指标。还有基于线性反馈移位寄存器LFSR伪随机数发生器的光纤陀螺随机调制方法，其采用线性反馈移位寄存器LFSR作为随机数发生器，采用
Figure GDA0003224987920000013
作为调制相位，每相位持续时间为
Figure GDA0003224987920000014
该方法由于线性反馈移位寄存器LFSR产生的为一定周期的伪随机数，理论上仍会存在串扰，采用的调制相位较大会导致前后向通道串扰耦合幅值增大，采用的完全随机四态调制会产生不可解调状态，导致一部分解调数据异常。因此上述两种随机调制方法均存在一定的局限性。
发明内容
针对数字闭环光纤陀螺调制解调信号之间电子串扰导致的陀螺随机漂移及死区问题，本发明在基于线性反馈移位寄存器LFSR随机四态调制方法基础上提出了一种新型的基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法及装置，目的在于解决该方法的上述缺陷，从而避免因电子串扰引起的陀螺随机漂移及死区问题，提高光纤陀螺精度，保证光纤陀螺工作稳定性，具有较大的现实意义。
本发明第一方面提供一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法，所述方法包括：
基于A/D模数转换数据产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器，并根据所述调制状态发生器产生当前状态序列；
构造第一调制状态选择器，从所述伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从所述当前状态序列中选取任一当前状态值，将所述伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第一状态值；
构造第二调制状态选择器，将所述第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；
根据所述第一、第二调制状态选择器输出的状态值，形成所述数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
进一步地，所述镜像映射关系为镜像映射。
进一步地，所述伪随机数序列是基于可编程逻辑器件通过A/D模数转换器以一定频率采集模拟信号的方式产生。
进一步地，所述当前状态序列为所述调制状态发生器根据随机四态调制相位值形成的最小循环调制序列；其中，所述随机四态调制相位值为
Figure GDA0003224987920000021
进一步地，所述第一、第二调制状态选择器输出状态值的间隔为
Figure GDA0003224987920000022
其中，τ为所述光纤陀螺的渡越时间。
进一步地，所述方法进一步地包括：
所述第一调制状态选择器包括第一调制状态选择单元和第二调制状态选择单元，所述第一、第二调制状态选择单元分别从所述伪随机数序列和当前状态序列中选取伪随机数值和当前状态值，通过第一映射关系进行状态转移输出第一调制状态值和第二调制状态值。
进一步地，所述方法进一步地包括：
所述第二调制状态选择器包括第三调制状态选择单元和第四调制状态选择单元，所述第三、第四调制状态选择单元分别将所述第一调制状态值和第二调制状态值根据映射关系进行状态转移输出第三调制状态值和第四调制状态值。
本发明第二方面提供一种可读存储介质，其上存储有运算程序，所述运算程序可被处理执行，以使实现如上述中任一项所述的调制方法。
本发明第三方面提供一种数字闭环光纤陀螺装置，包括上述的可读存储介质。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明A/D模数转换数据最低位产生随机数序列，该随机数序列的随机性强，该数据由闭环处理逻辑部分采集处理，不需要额外占用处理器资源。
(2)采用调制状态选择器和镜像调制状态选择器，避免了不可解调状态的产生。
(3)采用
Figure GDA0003224987920000031
的过调制技术，可以降低光源相对强度噪声的同时也减少了前后向通道的干扰幅值，有利于降低陀螺噪声等指标。
附图说明
图1为按照本发明实现的一种具体地数字闭环光纤陀螺调制方法的流程图；
图2为按照本发明实现的第一调制状态发生器的状态转移输出的流程图；
图3为按照本发明实现的一种更具体地数字闭环光纤陀螺调制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二\第三\第四”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三\第四”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三\第四”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。
本发明提出了基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法，本发明基于线性反馈移位寄存器LFSR随机四态调制方法基础上提出的一种新型调制方法，通过改进随机序列产生方式，改变调制相位，改进调制和解调方法实现。具体步骤为：基于A/D模数转换数据最低位产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器产生当前状态序列；构造调制状态选择器将当前状态序列根据伪随机数值进行状态转移输出；然后再构造镜像调制状态选择器对上述状态值进行逆向状态转移输出，分别输出的两种调制状态间隔
Figure GDA0003224987920000041
从而构成完全可解调的随机调制状态。本发明目的在于解决其它随机调制方法的缺陷，从而避免因电子串扰引起的陀螺随机漂移及死区问题，提高数字闭环光纤陀螺精度，同时保证工作稳定性。
如图1所示，本发明提供一种具体的实施方式，步骤如下：
步骤1：基于A/D模数转换数据产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器，并根据调制状态发生器产生当前状态序列；
步骤2：构造第一调制状态选择器，从所述伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从当前状态序列中选取任一当前状态值，将伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第一状态值；
步骤3：构造第二调制状态选择器，将第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；
步骤4：根据第一、第二调制状态选择器输出的状态值，形成所述数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
具体地，在步骤1中，伪随机数序列是基于可编程逻辑器件通过A/D模数转换器以一定频率采集模拟信号的方式产生的；当前状态序列为调制状态发生器根据随机四态调制相位值形成的最小循环调制序列；其中，随机四态调制相位值为
Figure GDA0003224987920000042
具体地，在步骤2中，第一调制状态选择器从伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从当前状态序列中选取任一当前状态值，然后将伪随机数值与当前状态值根据第一映射关系输出第一状态值。更具体地，如图2所示，该伪随机数序列和随机四态调制相位值具有一定的对应关系，例如伪随机数值为0时其对应的随机调制相位值为
Figure GDA0003224987920000051
伪随机数值为1时其对应的随机调制相位值为
Figure GDA0003224987920000052
其中，第一映射关系优选为相加，例如当前状态值为
Figure GDA0003224987920000053
时，通过伪随机数值0其对应的随机调制相位值
Figure GDA0003224987920000054
进行状态转移输出
Figure GDA0003224987920000055
其第一状态值为
Figure GDA0003224987920000056
当前状态值为
Figure GDA0003224987920000057
时，通过伪随机数值1其对应的随机调制相位值
Figure GDA0003224987920000058
进行状态转移输出
Figure GDA0003224987920000059
其第一状态值为
Figure GDA00032249879200000510
当选取的伪随机数值和当前状态值不同时，其输出的第一状态值不同。
其中，正如上所述，当前状态序列是根据随机四态调制相位值
Figure GDA00032249879200000511
确定能够产生该调制状态的最小循环调制序列，根据周期数值间隔2π完成一个循环周期，即当序列增大为2π就返回为
Figure GDA00032249879200000512
因此，该第一状态值不会产生无效数值；更具体地，当前状态序列中相邻的数值间隔
Figure GDA00032249879200000513
如图2所示，该数列优选为
Figure GDA00032249879200000514
通过伪随机数值0其对应的随机调制相位值
Figure GDA00032249879200000515
其第一状态值的序列输出为
Figure GDA00032249879200000516
通过伪随机数值1其对应的随机调制相位值
Figure GDA00032249879200000517
其第一状态值的序列输出为
Figure GDA00032249879200000518
其它序列情况以此类推。
具体地，在步骤3中，第二调制状态选择器，可以将第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；更具体地，镜像映射关系为镜像映射，第一状态值经过镜像形成逆向状态转移输出，例如当第一状态值为
Figure GDA00032249879200000519
第二状态值为
Figure GDA00032249879200000520
即当第一状态值的序列输出为
Figure GDA00032249879200000521
根据镜像映射关系第二状态值输出为
Figure GDA00032249879200000522
具体地，在步骤4中，根据上述两种调制状态选择器输出的第一状态值和第二状态值形成数字闭环光纤陀螺的随机调制状态，更具体地，第一、第二调制状态选择器输出间隔为
Figure GDA00032249879200000523
其中，τ为所述光纤陀螺的渡越时间。按每间隔输出的状态值形成数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
如图3所示，本发明提供一种更具体的实施方式，步骤如下：
步骤1：基于A/D模数转换数据产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器，并根据调制状态发生器产生当前状态序列；
步骤2：构造第一调制状态选择器，其中，第一调制状态选择器包括第一调制状态选择单元和第二调制状态选择单元：
步骤2-1：第一调制状态选择单元从所述伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从当前状态序列中选取任一当前状态值，将伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第一调制状态值；
步骤2-2：第二调制状态选择单元从所述伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从当前状态序列中选取任一当前状态值，将伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第二调制状态值；
步骤3：构造第二调制状态选择器，将第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；
构造第二调制状态选择器，其中，第二调制状态选择器包括第三调制状态选择单元和第四调制状态选择单元；
步骤3-1：第三调制状态选择单元将第一调制状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第三调制状态值；
步骤3-2：第四调制状态选择单元将第二调制状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第四调制状态值；
步骤4：根据第一、第二调制状态选择器输出的状态值，形成所述数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
具体地，根据上述两种调制状态选择器输出四种调制状态值形成数字闭环光纤陀螺的随机调制状态，更具体地，第一、第二调制状态选择器输出间隔为
Figure GDA0003224987920000061
其中，τ为所述光纤陀螺的渡越时间。四种调制状态值是可以同时输出的，其按每间隔输出的四种调制状态值形成数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
本发明提供了一种可读存储介质，其上存储有运算程序，该运算程序可被处理执行，以使实现上述的调制方法。
本发明提供了一种数字闭环光纤陀螺装置，包括上述的可读存储介质。
应当理解，本发明的方法、流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种基于随机序列数字闭环光纤陀螺的调制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于A/D模数转换数据产生伪随机数序列，同时建立调制状态发生器，并根据所述调制状态发生器产生当前状态序列；
构造第一调制状态选择器，从所述伪随机数序列中选取任一伪随机数值，同时从所述当前状态序列中选取任一当前状态值，将所述伪随机数值和当前状态值通过第一映射关系进行状态转移输出第一状态值；
构造第二调制状态选择器，将所述第一状态值通过镜像映射关系进行状态转移输出第二状态值；
根据所述第一、第二调制状态选择器输出的状态值，形成所述数字闭环光纤陀螺的随机调制状态。
2.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述伪随机数序列是基于可编程逻辑器件通过A/D模数转换器以一定频率采集模拟信号的方式产生。
3.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述当前状态序列为所述调制状态发生器根据随机四态调制相位值形成的最小循环调制序列；其中，所述随机四态调制相位值为
Figure FDA0003224987910000011
4.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述第一、第二调制状态选择器输出状态值的间隔为
Figure FDA0003224987910000012
其中，τ为所述光纤陀螺的渡越时间。
5.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，所述方法进一步地包括：
所述第一调制状态选择器包括第一调制状态选择单元和第二调制状态选择单元，所述第一、第二调制状态选择单元分别从所述伪随机数序列和当前状态序列中选取伪随机数值和当前状态值，通过第一映射关系进行状态转移输出第一调制状态值和第二调制状态值。
6.根据权利要求5所述的调制方法，其特征在于，所述方法进一步地包括：
所述第二调制状态选择器包括第三调制状态选择单元和第四调制状态选择单元，所述第三、第四调制状态选择单元分别将所述第一调制状态值和第二调制状态值根据映射关系进行状态转移输出第三调制状态值和第四调制状态值。
7.一种可读存储介质，其上存储有运算程序，其特征在于，所述运算程序可被处理执行，以使实现如权利要求1～6中任一项所述的调制方法。
8.一种数字闭环光纤陀螺装置，包括权利要求7所述的可读存储介质。
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