专利名称：：基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法
技术领域：
：本发明涉及一种适用于光纤陀螺的调制方法，更特别地说，是指一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法。技术背景请参见图1所示，数字闭环光纤陀螺是一种用于测量角速率的传感器。数字闭环光纤陀螺的硬件至少包括有光源、耦合器、集成光学调制器、光纤环、光电探测器和信号处理装置，所述的信号处理装置包括用于检测光电探测器输出的光功率信号的放大滤波器、A/D转换器、中心处理器、D/A转换器。光纤陀螺对角速度^的测量是通过在光纤环中传播的两束相向的光在光纤陀螺自身的转动中，引起的非互易相位差的大小来表征的。光纤陀螺是敏感相对于惯性空间角运动的装置。它作为一种重要的惯性敏感器，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。应用在飞行器导航、舰船导航和陆用导航中。数字闭环光纤陀螺的调制串扰误差主要表现为死区、周期噪声、小角速度漂移等，它将影响陀螺的阈值、零偏稳定性、小角速度线性度等指标。产生调制串扰误差有两个必要条件，一是存在调制信号耦合到光电探测器的串扰通道；二是调制信号与解调信号具有相关性。由于从电路结构上彻底阻断串扰通道难于实现消除调制信号与解调信号的相关性，故本发明专利申请旨在通过基于四态马尔可夫链的随机调制方法来解决该缺陷。
发明内容本发明的目的是提出一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，该方法能够使不同状态下的调制信号&(")和解调信号&(")成为相互独立的随机序列，从解调环节消除了调制串扰。釆用该随机调制方法性能优良，结构简单，非常方便在数字闭环光纤陀螺的控制单元的中心处理器中通过编程实现。本发明的一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，有下列随机调制步骤第一步系统上电后，由随机调制模块的伪随机数发生器将产生的解调序列信号&(")分别输出给状态计数器、延时器；所述解调序列信号&。(")经延时器后输出解调信号&(");所述延时器对解调序列信号&。(")的延时为一个光纤渡越时间r加上调制信号加载至集成光学调制器上的所需时间T;所述解调序列信号&。(n)是包含+l或一l的数字值；第二步状态计数器对接收的解调序列信号&。(")进行循环累加计数后输出码值信号M。给状态译码器；所述码值信号M。为0，1，2，3;第三步状态译码器对接收的所述码值信号M。进行译码后输出译码信息给多路选择器；所述译码信息&(")包括有表征A状态存储器输出的译码记为&,表征B状态存储器输出的译码记为&，表征C状态存储器输出的译码记为&，表征D状态存储器输出的译码记为SD;第四步多路选择器对接收的译码信息对四路状态依据状态转移规则户进行选取，并输出调制序列信号&(w);第五步所述调制信号&(")经D/A转换器后加载在集成光学调制器上，从而实现一个周期的基于四态马尔可夫链的随机调制。本发明的数字闭环光纤陀螺随机调制方法优点在于通过在中心处理器中内嵌随机调制模块(编辑软件设计)实现了通过硬件电路结构实现的调制方式；通过随机调制模块使得调制串扰信号衰减1X10S倍，基本消除了调制串扰误差对陀螺偏置、零偏稳定性、死区等指标的影响;采用软件设计有效地降低了搭建硬件电路的试验成本。图1是数字闭环光纤陀螺的硬件结构框图。图2是本发明基于四态马尔可夫链的随机调制信号产生的结构框图。图3是本发明基于四态马尔可夫链的调制信号状态转移图。图4是本发明经随机调制后的波形示意图。具体实施方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。本发明是一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，所述随机调制模块内嵌在中心处理器中，该中心处理器可选择为FPGA处理器芯片、DSP处理器芯片、或者是单片机。在数字闭环光纤陀螺中，光电探测器用于输出敏感到的光强电压信号/。，该光强电压信号/。经放大滤波器、A/D转换器后输出数字量电压信号/;给中心处理器；中心处理器对接收的数字量电压信号y;进行解调后输出解调信号5。,(")经D/A转换器转换后加载在集成光学调制器上。随机调制模块的调制基理采用了四态马尔可夫链，该四态马尔可夫链的状态转移规则户利用调制信号状态转移方向的随机性和三角函数的周期性，使随机调制后的调制信号序列&(")和解调信号序列&(")相互独立，且解调信号序列&(")的均值为零，则调制信号序列&(")和解调信号序列相关解调的结果为零。所述状态转移规则尸为01/201/2—1/201/20='01/201/2'。1/201/20在本发明中，随机调制模块包括有伪随机数发生器、延时器、状态计数器、状态译码器、多路选择器以及四个状态存储器(即A状态存储器、B状态存储器、C状态存储器、D状态存储器)，参见图2所示。A状态存储器内编译有输出电压为0的数字量，B状态存储器内编译有输出电压为&/2的数字量，c状态存储器内编译有输出电压为^;的数字量，D状态存储器内编译有输出电压为K^的数字量。本发明是一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法,包括有下列随机调制步骤第一步系统上电后，由随机调制模块的伪随机数发生器将产生的解调序列信号6,'(")分别输出给状态计数器、延时器；所述解调序列信号&。(")经延时器后输出解调信号&(");所述延时器对解调序列信号&。(")的延时为一个光纤渡越时间r加上调制信号&(")加载至集成光学调制器上的所需时间r;所述解调序列信号&。(")是包含+l或一l的数字值；第二步状态计数器对接收的解调序列信号&(")进行循环累加计数后输出码值信号M。给状态译码器；所述码值信号M。为0,1，2,3;第三步状态译码器对接收的所述码值信号M。进行译码后输出译码信息&(w)给多路选择器；所述译码信息&(")包括有表征A状态存储器输出的译码记为&,表征B状态存储器输出的译码记为Sfl，表征C状态存储器输出的译码记为Sc，表征D状态存储器输出的译码记为&;第四步多路选择器对接收的译码信息&(")对四路状态依据状态转移规则户进行选取，并输出调制序列信号&(");第五步所述调制信号&(n)经D/A转换器后加载在集成光学调制器上，从而实现一个周期的基于四态马尔可夫链的随机调制。在本发明中，伪随机数发生器输出等概率取值一l、1的零均值随机序列，该序列一方面作为解调信号输出值，另一方面进入状态计数器进行循环累加以产生状态码。在本发明中，状态计数器的循环累加满足公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>，式中Cs。表示当前状态计数器的计数值，Cs表示状态码，/表示在一个调制周期中的第/个状态，Cs(Z-l)表示前一个调制周期z'的状态计数值，表示本次调制周期z'中伪随机数发生器产生的值。状态码经译码后按照图3所示各状态的取值确定码值信号M。的输出值。伪随机数发生器中存储的随机序列是循环使用的，并且存储长度要大于式(2)、式(4)中的相关长度W。在数字闭环光纤陀螺中，调制信号电压峰峰值可高达几伏特，而光电探测器输出的电流峰值却可低至10—13安培，因此，光电探测器的输出极易受到调制串扰信号的影响。如果光纤陀螺的主要参数如表1所示，则输入角速度为0.1。/h时对应的Sagnac相移为①=2;rZZ)Q/(;iC)=2.73x10-7rad;若在光纤陀螺外部附加一个7t/2的相位偏置，则光电探测器输出的电流幅值为/=尸及咖(<1>-7i/2)=5.02xl(r13A。由以上分析可知，在2.5^的光渡越周期T内，只要调制信号串扰耦合到光电探测器10个电子，就可能使光纤陀螺输出产生0.1。/h量级的误差。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>数字闭环光纤陀螺多釆用方波偏置调制和方波解调，则有调制信号序列&(")与解调信号序列&(")存在的关系为&(")=棒丄(")-仏("-1)](1)式中，^为调制系数，且V^^^tt/2,V^表示偏置相位为;r/2时所需的调制幅值，每个序列值的延迟时间为光纤环渡越时间t。若调制信号序列&(")=0时、偏置相位V^周期更替的序列，则解调信号序列&(")为一1、l周期更替的序列，对&(")、Sd(")进行解调得到k附)=，Hx(")&("-附)=|^2/2(附为偶数)(2)式中，m表示状态划分&(")的四个状态，四个状态的数学表达为{1，2,3,4}，"表示一个调制周期序号，W表示相关长度。由式(2)可知，调制信号序列&(")与解调信号序列&(")是周期相关的，因此，调制信号串扰到光电探测器会被解调信号检测出，从而产生调制串扰误差。对于该调制串扰误差本发明釆用基于四态马尔可夫链的调制方式进行随机调制。随机调制的思路是，利用调制信号状态转移方向的随机性和三角函数的周期性，使调制信号序列&(")和解调信号序列&(")相互独立，且解调信号序列&(")的均值为零，则调制信号序列Sm(")和解调信号序列相关解调的结果为零。在本发明中，译码信息&(")包括有表征A状态存储器输出的译码记为S,，表征B状态存储器输出的译码记为&，表征C状态存储器输出的译码记为&，表征D状态存储器输出的译码记为SD。将A状态、B状态、C状态和D状态的四个状态{1，2，3,4}的马氏链引入调制信号序列&(")，Sm(")在每个状态的取值分别为(0，V^H山调制信号状态转移如图3所示。由图3可知，调制信号在任何状态只能等概率地向相邻状态转移，且状态转移呈现周期性{1,3卜{2,4"{1,3"{2,4}—，其一步状态转移规则为若、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>，联立式(1)、式(3)可知，解调信号序列&W为等概率取值一1、l的零均值随机序列，而且由状态转移的周期性可得，解调信号序列&(")的取值仅由&(n)状态转移方向决定，而与调制信号序列&(n)所处的状态无关，即解调信号序列&(")与调制信号序列&(")相互独立。随机调制信号与解调信号关系如图4所示。由于解调信号序列&(")为零均值随机序列，且解调信号序列&(")、调制信号序列&(")相互统计独立，所以得到调制信号序列&(")和解调信号序列&(")的解调结果为可见，若随机调制信号串扰到光电探测器，则通过基于四态马尔可夫链的调制方式可以消除其影响。本发明提出了基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，该方法不但可以有效地在解调环节抑制调制串扰误差，而且结构简单易于在FPGA处理器中实现。仿真和实验结果表明随机调制使调制串扰信号衰减1X10S倍，基本消除了调制串扰误差对陀螺偏置、零偏稳定性、死区等指标的影响。权利要求1、一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于包括有下列随机调制步骤第一步系统上电后，由随机调制模块的伪随机数发生器将产生的解调序列信号Sd0(n)分别输出给状态计数器、延时器；所述解调序列信号Sd0(n)经延时器后输出解调信号Sd(n)；所述延时器对解调序列信号Sd0(n)的延时为一个光纤渡越时间τ加上调制信号Sm(n)加载至集成光学调制器上的所需时间T；所述解调序列信号Sd0(n)是包含+1或-1的数字值；第二步状态计数器对接收的解调序列信号Sd0(n)进行循环累加计数后输出码值信号M0给状态译码器；所述码值信号M0为0，1，2，3；第三步状态译码器对接收的所述码值信号M0进行译码后输出译码信息SN(n)给多路选择器；所述译码信息SN(n)包括有表征A状态存储器输出的译码记为SA，表征B状态存储器输出的译码记为SB，表征C状态存储器输出的译码记为SC，表征D状态存储器输出的译码记为SD；第四步多路选择器对接收的译码信息SN(n)对四路状态依据状态转移规则P进行选取，并输出调制序列信号Sm(n)；第五步所述调制信号Sm(n)经D/A转换器后加载在集成光学调制器上，从而实现一个周期的基于四态马尔可夫链的随机调制。2、根据权利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于状态计数器的循环累加满足公式为cs(o(其他)1(W-1)=4'&(0=1),且Cs(O):l，式中Cs(/)表示当前4(CS(Z—1)=1,1)Cs('.),—l)+&《)=状态计数器的计数值，c,表示状态码，/表示在一个调制周期中的第/个状态，cs(/-1)表示前一个调制周期/的状态计数值，表示本次调制周期/中伪随机数发生器产生的值。3、根据^(利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于状态转移规则P=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>4、根据权利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于:所述延时器对解调序列信号&(")的延时为一个光纤渡越时间r加上调制信号&(")加载至集成光学调制器上的所需时间r。5、根据权利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于所述解调序列信号&。(")是包含+1或一l的数字值。6、根据权利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于所述状态码q取值为0,1,2,3。7、根据权利要求1所述的基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，其特征在于所述译码信息&(")包括有表征A状态存储器输出的译码记为&，表征B状态存储器输出的译码记为&，表征C状态存储器输出的译码记为Sc，表征D状态存储器输出的译码记为&。全文摘要本发明公开了一种基于四态马尔可夫链的数字闭环光纤陀螺随机调制方法，所述随机调制模块内嵌在中心处理器中。该随机调制模块包括有伪随机数发生器、延时器、状态计数器、状态译码器、多路选择器以及四个状态存储器。为了消除调制串扰信号的影响，本发明将一个四状态马尔可夫链引入到随机调制中，该马尔可夫链利用正弦函数的周期性和状态转移方向的等概率性，产生出了相互统计独立的调制信号S<sub>m</sub>(n)和解调信号S<sub>d</sub>(n)，由于解调信号S<sub>d</sub>(n)为等概率取值-1、1的零均值随机序列，所以经本发明的随机调制后电串扰信号和解调信号相关的结果为零，其调制串扰信号的抑制可达1×10<sup>3</sup>倍，消除了调制串扰信号对陀螺零偏稳定性、死区和线性度等指标的影响。文档编号G01C19/72GK101246009SQ20081010122公开日2008年8月20日申请日期2008年2月29日优先权日2008年2月29日发明者宋凝芳,张金保,敏李,雄潘,靖金申请人:北京航空航天大学