基于矢量空间分析的光纤陀螺仪及信号处理方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。 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。 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： φ s = 4 ωA c 2 Ω ]]>等式(1) 其中ω为光的频率,c为真空中光速,A是光路所围的面积，Ω为载体转动角速度。萨格纳克相位的正负通过参考相位实现判断。在干涉式光纤陀螺仪(IFOG)中，需要将较长的光纤(几百米到几公里不等)绕制成多匝陀螺线圈。在这种情况下，萨格纳克效应可以表示为： φ s = 2 π LD λc Ω ]]>    等式(2) 其中L为光纤的长度，D为光纤线圈直径，λ为光波的波长。 根据干涉理论，光纤陀螺仪的响应函数为余弦函数I0[1+cos(φs)]。为了解决余弦响应的不敏感问题，通常在光纤陀螺中引入正弦相位调制。通过在光线线圈的一段加上相位调制器，如压电效应调制器或LiNo3Y波导，如图2所示，其中Y波导器件包含了起偏器的功能。通过在光纤线圈(即光纤环)的一端加上相位调制器形成实现两路光信号的非互易调制。Y波导相位调制器使两束光波在不同时间受到不同的相位调制φm(t)，这里以正弦调制为例，方波调制同理，并不限于正弦调制。产生一个相位差，如下 △φ(t)＝φCCW(t)-φCW(t)＝φm(t)-φm(t-τ) ＝φ0sin(ωmt)-φ0sin[ωm(t-τ/2)]    等式(3) ＝2φ0sin(ωmτ/2)cos[ωm(t-τ/2)] ＝φbcos[ωm(t-τ/2)] 其中φ0为调制信号幅度，φb为调制深度。τ＝neffL/c表示光通过整个光纤线圈长度的传输时间，neff是光纤的有效折射率。这样，施加调制后，余弦型干涉光强信号变为 Iout＝I0{1+cos[φS+△φ(t)]本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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1)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1)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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永啸，王子南，彭超，李正斌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11