CN114838720A - 一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光陀螺的校正技术，提出一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，包括：从激光陀螺的抖动反馈机构获得抖动信号X1(n)；使用相同的权系数对抖动信号X1(n)和激光陀螺的输出增量X2(n)信号进行滤波，得到输入信号X(n)和参考信号D(n)；基于所述输入信号X(n)和参考信号D(n)产生权系数信号W(z)；基于所述权系数信号W(z)调整所述抖动信号X1(n)信号，得到抖动噪声估计信号S(n)；用所述输出增量X2(n)信号减去所述抖动噪声估计信号S(n)。本发明还对应提出一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置。本发明的方法能够使得输出结果与实际测量数据相位差小、延迟小。
Description
技术领域
本发明涉及激光陀螺的校正技术，更具体地，涉及一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法和装置。
背景技术
激光陀螺是基于Sagnac效应制造的一种敏感惯性角速度的光学器件，它相对于其它类型的陀螺具有精度高、抗恶劣环境能力强、动态范围大以及可靠性高等特点。机械抖动激光陀螺(简称机抖激光陀螺)作为最早进入实用、也是应用最为广泛的激光陀螺，已经在惯性导航、角度测量等重要领域取得了广泛应用。
由于激光陀螺存在闭锁效应，为了克服锁区的影响，机抖陀螺中引入了交变的正弦偏频，因此其读出信号中不仅包含了待测转速引起的脉冲数，还包含机抖偏频量。必须通过某种途径将引入的抖动信号去除，才能得到被测信号，即对陀螺输出信号进行解调。
为了提高信号的实时性，抖动剥除的核心思想是通过适当的幅相调节方法，使抖动参考信号与陀螺计数信号中的抖动成分一致，这样就可以直接将其扣除。大体可以分为两类：时域对应法和自适应滤波算法。时域对应法是通过对相位、幅度及非线性分别进行修正，这种方法实现较为复杂；自适应滤波算法是采用递归最小二乘(RLS)或者最小均方误差(LMS)算法实现幅度相位的同时修正，这种算法实现简单，跟踪精度高，可以达到较为理想的精度。
现有的抖动剥除技术(例如：樊振方，罗辉，胡绍民，“二频机抖陀螺的自锁相抖动剥除”，中国激光，2011年4月，第38卷第4期)，基本是以陀螺光电管的两路正弦信号经过正交解调作为参考信号，用自适应滤波器直接对陀螺的抖动反馈信号采样结果进行滤波得到抖动量，再从陀螺输出中减去已知的抖动量，即得到陀螺的输入角速度。直接使用自适应滤波器得到的抖动量，因为没有对两个采集信号中的噪声进行处理，在剥除的过程中受到量化误差、外界角速度参数以及ADC的噪声等影响，使得抖动估计量误差较大，导致陀螺输出非线性度增大。其缺点显而易见。
发明专利“一种激光陀螺抖动剥除装置”(CN102175237A，谢元平等)中对陀螺的抖动信号进行了剥除处理。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。该发明利用锁相环对参考信号整数倍频得到采样时钟，其精度难以保证，不能实现同步输出；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，该过程使得信噪比降低，从而自适应滤波器的权系数更新精度降低；将抖动剥除后的信号经过带通滤波器进行滤波，用于权系数更新，这个过程会产生相位误差，使得抖动信号不能完全相消。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，包括：使用相同的权系数对从激光陀螺的抖动反馈机构获得的抖动信号X1(n)和激光陀螺的输出增量X2(n)信号进行滤波，得到输入信号X(n)和参考信号D(n)；基于所述输入信号X(n)和参考信号D(n)产生权系数信号W(z)；基于所述权系数信号W(z)调整所述抖动信号X1(n)信号，得到抖动噪声估计信号S(n)；将所述输出增量X2(n)信号减去所述抖动噪声估计信号S(n)。
可选地，本发明的方法还包括：通过对激光陀螺产生的两路正余弦信号进行正交解码，得到机抖激光陀螺的所述输出增量X2(n)。
可选地，本发明的方法还包括：将抖动信号X1(n)和激光陀螺的输出增量X2(n)输入到双通道带通FIR滤波器，得到所述输入信号X(n)和所述参考信号D(n)；
可选地，本发明的方法还包括：将所述输入信号X(n)和参考信号D(n)输入到自适应FIR滤波器来得到所述系数信号W(z)。
可选地，本发明的方法还包括：将所述抖动信号X1(n)和系数信号W(z)输入到FIR滤波器来得到所述抖动噪声估计信号S(n)。
可选地，本发明的方法还包括：将从激光陀螺的抖动反馈机构获得的信号依次通过信号调制、ADC采集和带通IIR滤波器来得到所述抖动信号X1(n)。
本发明提出一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置，包括：以相同权系数对两路信号进行滤波的第一滤波器，其输入为从激光陀螺获得的输出增量X2(n)以及从激光陀螺的抖动反馈机构获得的抖动信号X1(n)，得到两个输出信号：输入信号和X(n)参考信号D(n)；第二滤波器，其输入信号为输入信号和X(n)参考信号D(n)，输出信号为权系数信号W(z)；第三滤波器，其输入为所述权系数信号W(z)和所述抖动信号X1(n)，输出为噪声估计信号S(n)；减法器，其输入为所述输出增量X2(n)和所述噪声估计信号S(n)。
可选地，所述第一滤波器为双通道FIR滤波器，所述第二滤波器为自适应FIR滤波器，所述第三滤波器为FIR滤波器。
可选地，本发明的装置还包括：正交解码器，其对激光陀螺输出的信号进行正交解码以获得所述输出增量X2(n)。
可选地，本发明的装置还包括：信号调制器，其接收机抖激光陀螺的抖动反馈机构输出的抖动信号X1(n)，并进行调制；ADC采集器，其对信号调制器输出的抖动信号X1(n)进行采集；带通IIR滤波器，其接收ADC采集器采集的抖动信X1(n)号，去除直流噪声和高次谐波。
本发明的有益效果包括：
1、使用双通道FIR滤波器，保持了两路输入信号X1(n)和X2(n)的原有相位关系。
2、自适应滤波器只用于更新FIR的加权系数，不对激光陀螺的输出信号进行处理。
3、输出结果是用正交解码的结果与抖动信息相减，输出结果与实际测量数据相位差小、延迟小，系统的精度高。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1为本发明方法的一个实施例的示意图。
图2为本发明方法的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。
如图1所示，本发明的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法包括步骤S1-S6。
S1，从机抖激光陀螺的抖动反馈机构获得抖动信号X1(n)。
S2，针对机抖激光陀螺产生的两路正余弦信号，进行正交解码，得到机抖激光陀螺的输出增量X2(n)。
S3，将抖动信号X1(n)和输出增量X2(n)经过双通道带通FIR滤波器，使用相同的权系数对两路信号进行滤波，得到两路输出信号，其中第一路信号X(n)作为后续的自适应FIR滤波器的输入信号X(n)，第二路信号D(n)作为所述自适应FIR滤波器的参考信号D(n)。
双通道带通FIR滤波器保持了两路输入信号X1(n)和X2(n)的原有相位关系，不会产生相位畸变。同时还去除了环路中存在的直流噪声、量化噪声、ADC电路噪声等，使得自适应FIR滤波器(在下面详述)的权系数更新更加准确。
S4，输入信号X(n)和参考信号D(n)输入到自适应FIR滤波器，自适应FIR滤波器的输出作为权系数信号W(z)，权系数信号W(z)根据输入信号X(n)和参考信号D(n)实时更新，权系数W(z)输出给FIR滤波器。
S5，抖动信号X1(n)和系数信号W(z)输入到FIR滤波器，其中权系数信号W(z)用来实时调整X1(n)信号的幅度和相位，得到机抖激光陀螺的抖动噪声估计信号S(n)。
S6，用正交解码的输出增量X2(n)信号减去抖动噪声估计信号S(n)，得到机抖激光陀螺无抖动的输出角速率。
在另一个实施例中，如图2所示，本发明的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法包括：
S1，从机抖激光陀螺的抖动反馈机构获得抖动信号，通过信号调制后，用ADC采集的信号经过带通IIR滤波器(去除直流噪声和高次谐波)，得到抖动信号X1(n)。
采集的抖动信号由IIR滤波器滤除直流分量和噪声后，再经过系数可更新的FIR滤波器，即可得到抖动信息。通过带通IIR滤波器滤除了信号中存在的直流噪声、量化噪声、ADC电路噪声等，使得自适应FIR滤波器的权系数更新更加准确，抖动剥除的效果更好。
S2，针对机抖激光陀螺产生的两路正余弦信号，进行正交解码，得到机抖激光陀螺的输出增量X2(n)。
S3，将抖动信号X1(n)和输出增量X2(n)经过双通道带通FIR滤波器，得到信号X(n)和参考信号D(n)。
双通道带通FIR滤波器保持了两路输入信号X1(n)和X2(n)的原有相位关系，同时还去除了环路中存在的直流噪声、量化噪声、ADC电路噪声等，使得自适应FIR滤波器(在下面详述)的权系数更新更加准确。
S4，输入信号X(n)和参考信号D(n)输入到自适应FIR滤波器，自适应FIR滤波器的输出作为权系数信号W(z)，权系数信号W(z)根据输入信号X(n)和参考信号D(n)实时更新，权系数W(z)输出给FIR滤波器。
S5，抖动信号X1(n)和权系数信号W(z)输入到FIR滤波器，其中权系数信号W(z)用来实时调整X1(n)信号的幅度和相位，得到机抖激光陀螺的抖动噪声估计信号S(n)。
S6，用正交解码的输出增量X2(n)信号减去抖动噪声估计信号S(n)，得到机抖激光陀螺无抖动的输出角速率。
在本发明中，由抖动信号X1(n)信号而不是X(n)信号得到机抖激光陀螺的抖动噪声估计S(n)，最大限度减小了相位误差。使得抖动剥除输出中残余的机抖偏频量很小。
在本发明中，正交解码的输出不进行FIR滤波处理，直接与抖动信号相减得到的输出结果，抖动剥除输出没有延时。
在本发明中，使用自适应FIR滤波器对FIR滤波器的权系数进行更新，测量的信号没有带宽限制。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，包括：
使用相同的权系数对激光陀螺的抖动反馈机构获得的抖动信号X1(n)和激光陀螺的输出增量X2(n)信号进行滤波，得到输入信号X(n)和参考信号D(n)；
基于所述输入信号X(n)和参考信号D(n)产生权系数信号W(z)；
基于所述权系数信号W(z)调整所述抖动信号X1(n)信号，得到抖动噪声估计信号S(n)；
将所述输出增量X2(n)信号减去所述抖动噪声估计信号S(n)。
2.根据权利要求1所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，
通过对激光陀螺产生的两路正余弦信号进行正交解码，得到机抖激光陀螺的所述输出增量X2(n)。
3.根据权利要求1所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，
将抖动信号X1(n)和激光陀螺的输出增量X2(n)输入到双通道带通FIR滤波器，得到所述输入信号X(n)和所述参考信号D(n)。
4.根据权利要求1所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，
将所述输入信号X(n)和参考信号D(n)输入到自适应FIR滤波器来得到所述权系数信号W(z)。
5.根据权利要求1所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，
将所述抖动信号X1(n)和权系数信号W(z)输入到FIR滤波器来得到所述抖动噪声估计信号S(n)。
6.根据权利要求1所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除方法，其特征在于，还包括：
将从激光陀螺的抖动反馈机构获得的信号依次通过信号调制、ADC采集和带通IIR滤波器来得到所述抖动信号X1(n)。
7.一种用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置，其特征在于，包括：
以相同权系数对两路信号进行滤波的第一滤波器，其输入为从激光陀螺获得的输出增量X2(n)以及从激光陀螺的抖动反馈机构获得的抖动信号X1(n)，得到两个输出信号：输入信号和X(n)参考信号D(n)；
第二滤波器，其输入信号为输入信号和X(n)参考信号D(n)，输出信号为权系数信号W(z)；
第三滤波器，其输入为所述权系数信号W(z)和所述抖动信号X1(n)，输出为噪声估计信号S(n)；
减法器，其输入为所述输出增量X2(n)和所述噪声估计信号S(n)。
8.根据权利要求7所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置，其特征在于，所述第一滤波器为双通道FIR滤波器，所述第二滤波器为自适应FIR滤波器，所述第三滤波器为FIR滤波器。
9.根据权利要求8所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置，其特征在于，还包括：
正交解码器，其对激光陀螺输出的信号进行正交解码以获得所述输出增量X2(n)。
10.根据权利要求8所述的用于激光陀螺的自适应抖动剥除装置，其特征在于，还包括：
信号调制器，其接收机抖激光陀螺的抖动反馈机构输出的抖动信号X1(n)，并进行调制；
ADC采集器，其对信号调制器输出的抖动信号X1(n)进行采集；
带通IIR滤波器，其接收ADC采集器采集的抖动信X1(n)号，去除直流噪声和高次谐波。
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