基于矢量空间分析的光纤陀螺仪及信号处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于矢量空间分析的光纤陀螺仪及信号处理方法。首先采用对开环检测的光纤陀螺仪进行正交均衡本地信号解调，得到两路正交信号，同时采用普通方法得到一路期望信号；然后对得到的两路正交信号与期望信号进行预定的自适应滤波，对自适应滤波器输出的误差信号进行主成分分析处理，对自适应滤波器输出的响应信号进行线性组合，得到光纤环路转动角速度；最后对误差信号和响应信号进行基于信噪比的准卡尔曼滤波，得到优化后的最终角速度。本发明能够克服现有的光纤陀螺中为了抑制检测噪声而引入的滤波器时延和模型参数难以设定等问题，实现对光纤陀螺仪系统的相关噪声抑制及信号同步优化。
【专利说明】基于矢量空间分析的光纤陀螺仪及信号处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于矢量信号检测及信号空间分析的新型开环光纤陀螺仪及光纤陀螺信号估计方法。
【背景技术】
[0002]陀螺仪是一种惯性角速度测量传感器，用于测定载体相对惯性参考系的转动速率。陀螺仪被广泛应用于制导与姿态控制领域，以及时空精密测量如引力波探测等科学领域。目前应用的陀螺仪主要有五种类型:机械陀螺仪，静电陀螺仪，激光陀螺仪，光纤陀螺仪(Fiber-optic gyroscope, FOG),以及量子陀螺仪。基于Sagnac效应的光学类陀螺仪为激光陀螺仪与光纤陀螺仪。其中光纤陀螺仪具有工艺复杂度较低，结构紧凑，体积小，可以捷联组合，维护费用低等显著优点，所以惯性测量领域一直存在对光纤陀螺仪的需求。同时随着光电器件工艺水平的改善，光学陀螺仪的各项性能参数在不断提高，市场占有率也在不断提高。然而，光纤波导内的光传播以及光电检测引入了相对传统陀螺较大的短时噪声与长时零偏，所以光纤陀螺的游走系数和零位偏移稳定性不及一些机械陀螺及量子陀螺。
[0003]光学陀螺仪的光学结构基础是萨格纳克型干涉仪，该结构需要满足偏振互易，模式互易，分束器互易等互易性条件。互易性可以最大程度保证顺时针光和逆时针光的传播状态与传输路径一致，起到“共模抑制”的作用，来消除非互易引入的噪声。图1示出了光纤陀螺仪的最小互易结构。
[0004]光学陀螺仪的检测原理是基于相对论理论的萨格纳克效应(Sagnac effect)。在光学陀螺仪的闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)传输的两束光发生干涉，通过对干涉条纹变化的检测，实现对惯性空间参考系的环路旋转角速度的测量。萨格纳克效应表达式如下:
[0005]
【权利要求】
1.一种基于矢量空间分析的光纤陀螺信号处理方法，其步骤包括: 1)采用对开环检测的光纤陀螺仪进行正交均衡本地信号解调，得到两路正交信号，同时采用普通方法得到一路期望信号； 2)对得到的两路正交信号与期望信号进行预定的自适应滤波，对自适应滤波器输出的误差信号进行主成分分析处理，对自适应滤波器输出的响应信号进行线性组合，得到光纤环路转动角速度； 3)对误差信号和响应信号进行基于信噪比的准卡尔曼滤波，得到优化后的最终角速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤I)对本地正交正弦余弦信号与方波调制的或正弦波调制的光纤陀螺输出信号进行处理，得到所述两路正交信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤I)采用正交解调方法得到I，Q两路检测信号，分别作为输入端输入到两台自适应滤波器中，同时按照传统方法得到一路参考信号作为期望信号输入到两台自适应滤波器的期望端。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于:步骤2)对于自适应滤波器输出的两路响应信号和两路误差信号，分别进行平均处理和主成分分析处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于:进行步骤2)所述主成分分析的协方差矩阵采用陀螺仪的多次测试的统计结果，或者在一次实验中通过实时寄存器进行实时更新。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于:步骤3)将响应信号作为预测信号，将误差信号作为新息，利用卡尔曼滤波原理实现优化估计。
7.一种采用权利要求1所述方法的光纤陀螺仪，包括依次连接的光源、耦合器、相位调制器和光纤环，所述耦合器还连接光电探测器，所述相位调制器还连接信号发生器，其特征在于，还包括连接所述光电探测器和所述相位调制器的采集卡，以及连接所述采集卡和所述信号发生器的数字信号处理器，所述数字信号处理器包括: 正交解调模块，用于进行正交均衡本地信号解调，得到两路正交信号，同时采用普通方法得到一路期望信号； 自适应滤波模块，连接正交解调模块，用于对两路正交信号与期望信号进行预定的自适应滤波； 主成分分析模块，连接自适应滤波模块，用于对自适应滤波器输出的误差信号进行主成分分析处理； 卡尔曼滤波模块，连接主成分分析模块与自适应滤波模块，用于对误差信号和响应信号进行基于信噪比的准卡尔曼滤波，以得到优化后的最终角速度。
8.如权利要求7所述的光纤陀螺仪，其特征在于:所述光源为宽谱光源，所述相位调制器为LiNo3Y型波导或者压电效应调制器。
【文档编号】G01C19/72GK103983261SQ201410174900
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】李永啸, 王子南, 彭超, 李正斌 申请人:北京大学