基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法

2023-07-06 05:02:11 3

專利名稱：：基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法
技術領域：
：本發明涉及一種適用於光纖陀螺的調製方法，更特別地說，是指一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法。技術背景請參見圖1所示，數字閉環光纖陀螺是一種用於測量角速率的傳感器。數字閉環光纖陀螺的硬體至少包括有光源、耦合器、集成光學調製器、光纖環、光電探測器和信號處理裝置，所述的信號處理裝置包括用於檢測光電探測器輸出的光功率信號的放大濾波器、A/D轉換器、中心處理器、D/A轉換器。光纖陀螺對角速度^的測量是通過在光纖環中傳播的兩束相向的光在光纖陀螺自身的轉動中，引起的非互易相位差的大小來表徵的。光纖陀螺是敏感相對於慣性空間角運動的裝置。它作為一種重要的慣性敏感器，用於測量運載體的姿態角和角速度，是構成慣性系統的核心器件。應用在飛行器導航、艦船導航和陸用導航中。數字閉環光纖陀螺的調製串擾誤差主要表現為死區、周期噪聲、小角速度漂移等，它將影響陀螺的閾值、零偏穩定性、小角速度線性度等指標。產生調製串擾誤差有兩個必要條件，一是存在調製信號耦合到光電探測器的串擾通道；二是調製信號與解調信號具有相關性。由於從電路結構上徹底阻斷串擾通道難於實現消除調製信號與解調信號的相關性，故本發明專利申請旨在通過基於四態馬爾可夫鏈的隨機調製方法來解決該缺陷。
發明內容本發明的目的是提出一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，該方法能夠使不同狀態下的調製信號&(")和解調信號&(")成為相互獨立的隨機序列，從解調環節消除了調製串擾。釆用該隨機調製方法性能優良，結構簡單，非常方便在數字閉環光纖陀螺的控制單元的中心處理器中通過編程實現。本發明的一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，有下列隨機調製步驟第一步系統上電後，由隨機調製模塊的偽隨機數發生器將產生的解調序列信號&(")分別輸出給狀態計數器、延時器；所述解調序列信號&。(")經延時器後輸出解調信號&(");所述延時器對解調序列信號&。(")的延時為一個光纖渡越時間r加上調製信號加載至集成光學調製器上的所需時間T;所述解調序列信號&。(n)是包含+l或一l的數字值；第二步狀態計數器對接收的解調序列信號&。(")進行循環累加計數後輸出碼值信號M。給狀態解碼器；所述碼值信號M。為0，1，2，3;第三步狀態解碼器對接收的所述碼值信號M。進行解碼後輸出解碼信息給多路選擇器；所述解碼信息&(")包括有表徵A狀態存儲器輸出的解碼記為&,表徵B狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵C狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵D狀態存儲器輸出的解碼記為SD;第四步多路選擇器對接收的解碼信息對四路狀態依據狀態轉移規則戶進行選取，並輸出調製序列信號&(w);第五步所述調製信號&(")經D/A轉換器後加載在集成光學調製器上，從而實現一個周期的基於四態馬爾可夫鏈的隨機調製。本發明的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法優點在於通過在中心處理器中內嵌隨機調製模塊(編輯軟體設計)實現了通過硬體電路結構實現的調製方式；通過隨機調製模塊使得調製串擾信號衰減1X10S倍，基本消除了調製串擾誤差對陀螺偏置、零偏穩定性、死區等指標的影響;採用軟體設計有效地降低了搭建硬體電路的試驗成本。圖1是數字閉環光纖陀螺的硬體結構框圖。圖2是本發明基於四態馬爾可夫鏈的隨機調製信號產生的結構框圖。圖3是本發明基於四態馬爾可夫鏈的調製信號狀態轉移圖。圖4是本發明經隨機調製後的波形示意圖。具體實施方式下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。本發明是一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，所述隨機調製模塊內嵌在中心處理器中，該中心處理器可選擇為FPGA處理器晶片、DSP處理器晶片、或者是單片機。在數字閉環光纖陀螺中，光電探測器用於輸出敏感到的光強電壓信號/。，該光強電壓信號/。經放大濾波器、A/D轉換器後輸出數字量電壓信號/;給中心處理器；中心處理器對接收的數字量電壓信號y;進行解調後輸出解調信號5。,(")經D/A轉換器轉換後加載在集成光學調製器上。隨機調製模塊的調製基理採用了四態馬爾可夫鏈，該四態馬爾可夫鏈的狀態轉移規則戶利用調製信號狀態轉移方向的隨機性和三角函數的周期性，使隨機調製後的調製信號序列&(")和解調信號序列&(")相互獨立，且解調信號序列&(")的均值為零，則調製信號序列&(")和解調信號序列相關解調的結果為零。所述狀態轉移規則屍為01/201/2—1/201/20='01/201/2'。1/201/20在本發明中，隨機調製模塊包括有偽隨機數發生器、延時器、狀態計數器、狀態解碼器、多路選擇器以及四個狀態存儲器(即A狀態存儲器、B狀態存儲器、C狀態存儲器、D狀態存儲器)，參見圖2所示。A狀態存儲器內編譯有輸出電壓為0的數字量，B狀態存儲器內編譯有輸出電壓為&/2的數字量，c狀態存儲器內編譯有輸出電壓為^;的數字量，D狀態存儲器內編譯有輸出電壓為K^的數字量。本發明是一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法,包括有下列隨機調製步驟第一步系統上電後，由隨機調製模塊的偽隨機數發生器將產生的解調序列信號6,'(")分別輸出給狀態計數器、延時器；所述解調序列信號&。(")經延時器後輸出解調信號&(");所述延時器對解調序列信號&。(")的延時為一個光纖渡越時間r加上調製信號&(")加載至集成光學調製器上的所需時間r;所述解調序列信號&。(")是包含+l或一l的數字值；第二步狀態計數器對接收的解調序列信號&(")進行循環累加計數後輸出碼值信號M。給狀態解碼器；所述碼值信號M。為0,1，2,3;第三步狀態解碼器對接收的所述碼值信號M。進行解碼後輸出解碼信息&(w)給多路選擇器；所述解碼信息&(")包括有表徵A狀態存儲器輸出的解碼記為&,表徵B狀態存儲器輸出的解碼記為Sfl，表徵C狀態存儲器輸出的解碼記為Sc，表徵D狀態存儲器輸出的解碼記為&;第四步多路選擇器對接收的解碼信息&(")對四路狀態依據狀態轉移規則戶進行選取，並輸出調製序列信號&(");第五步所述調製信號&(n)經D/A轉換器後加載在集成光學調製器上，從而實現一個周期的基於四態馬爾可夫鏈的隨機調製。在本發明中，偽隨機數發生器輸出等概率取值一l、1的零均值隨機序列，該序列一方面作為解調信號輸出值，另一方面進入狀態計數器進行循環累加以產生狀態碼。在本發明中，狀態計數器的循環累加滿足公式為formulaseeoriginaldocumentpage7，式中Cs。表示當前狀態計數器的計數值，Cs表示狀態碼，/表示在一個調製周期中的第/個狀態，Cs(Z-l)表示前一個調製周期z'的狀態計數值，表示本次調製周期z'中偽隨機數發生器產生的值。狀態碼經解碼後按照圖3所示各狀態的取值確定碼值信號M。的輸出值。偽隨機數發生器中存儲的隨機序列是循環使用的，並且存儲長度要大於式(2)、式(4)中的相關長度W。在數字閉環光纖陀螺中，調製信號電壓峰峰值可高達幾伏特，而光電探測器輸出的電流峰值卻可低至10—13安培，因此，光電探測器的輸出極易受到調製串擾信號的影響。如果光纖陀螺的主要參數如表1所示，則輸入角速度為0.1。/h時對應的Sagnac相移為①=2;rZZ)Q/(;iC)=2.73x10-7rad;若在光纖陀螺外部附加一個7t/2的相位偏置，則光電探測器輸出的電流幅值為/=屍及咖(-7i/2)=5.02xl(r13A。由以上分析可知，在2.5^的光渡越周期T內，只要調製信號串擾耦合到光電探測器10個電子，就可能使光纖陀螺輸出產生0.1。/h量級的誤差。tableseeoriginaldocumentpage8數字閉環光纖陀螺多釆用方波偏置調製和方波解調，則有調製信號序列&(")與解調信號序列&(")存在的關係為&(")=棒丄(")-仏("-1)](1)式中，^為調製係數，且V^^^tt/2,V^表示偏置相位為;r/2時所需的調製幅值，每個序列值的延遲時間為光纖環渡越時間t。若調製信號序列&(")=0時、偏置相位V^周期更替的序列，則解調信號序列&(")為一1、l周期更替的序列，對&(")、Sd(")進行解調得到k附)=，Hx(")&("-附)=|^2/2(附為偶數)(2)式中，m表示狀態劃分&(")的四個狀態，四個狀態的數學表達為{1，2,3,4}，"表示一個調製周期序號，W表示相關長度。由式(2)可知，調製信號序列&(")與解調信號序列&(")是周期相關的，因此，調製信號串擾到光電探測器會被解調信號檢測出，從而產生調製串擾誤差。對於該調製串擾誤差本發明釆用基於四態馬爾可夫鏈的調製方式進行隨機調製。隨機調製的思路是，利用調製信號狀態轉移方向的隨機性和三角函數的周期性，使調製信號序列&(")和解調信號序列&(")相互獨立，且解調信號序列&(")的均值為零，則調製信號序列Sm(")和解調信號序列相關解調的結果為零。在本發明中，解碼信息&(")包括有表徵A狀態存儲器輸出的解碼記為S,，表徵B狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵C狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵D狀態存儲器輸出的解碼記為SD。將A狀態、B狀態、C狀態和D狀態的四個狀態{1，2，3,4}的馬氏鏈引入調製信號序列&(")，Sm(")在每個狀態的取值分別為(0，V^H山調製信號狀態轉移如圖3所示。由圖3可知，調製信號在任何狀態只能等概率地向相鄰狀態轉移，且狀態轉移呈現周期性{1,3卜{2,4"{1,3"{2,4}—，其一步狀態轉移規則為若、formulaseeoriginaldocumentpage9，聯立式(1)、式(3)可知，解調信號序列&W為等概率取值一1、l的零均值隨機序列，而且由狀態轉移的周期性可得，解調信號序列&(")的取值僅由&(n)狀態轉移方向決定，而與調製信號序列&(n)所處的狀態無關，即解調信號序列&(")與調製信號序列&(")相互獨立。隨機調製信號與解調信號關係如圖4所示。由於解調信號序列&(")為零均值隨機序列，且解調信號序列&(")、調製信號序列&(")相互統計獨立，所以得到調製信號序列&(")和解調信號序列&(")的解調結果為可見，若隨機調製信號串擾到光電探測器，則通過基於四態馬爾可夫鏈的調製方式可以消除其影響。本發明提出了基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，該方法不但可以有效地在解調環節抑制調製串擾誤差，而且結構簡單易於在FPGA處理器中實現。仿真和實驗結果表明隨機調製使調製串擾信號衰減1X10S倍，基本消除了調製串擾誤差對陀螺偏置、零偏穩定性、死區等指標的影響。權利要求1、一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於包括有下列隨機調製步驟第一步系統上電後，由隨機調製模塊的偽隨機數發生器將產生的解調序列信號Sd0(n)分別輸出給狀態計數器、延時器；所述解調序列信號Sd0(n)經延時器後輸出解調信號Sd(n)；所述延時器對解調序列信號Sd0(n)的延時為一個光纖渡越時間τ加上調製信號Sm(n)加載至集成光學調製器上的所需時間T；所述解調序列信號Sd0(n)是包含+1或-1的數字值；第二步狀態計數器對接收的解調序列信號Sd0(n)進行循環累加計數後輸出碼值信號M0給狀態解碼器；所述碼值信號M0為0，1，2，3；第三步狀態解碼器對接收的所述碼值信號M0進行解碼後輸出解碼信息SN(n)給多路選擇器；所述解碼信息SN(n)包括有表徵A狀態存儲器輸出的解碼記為SA，表徵B狀態存儲器輸出的解碼記為SB，表徵C狀態存儲器輸出的解碼記為SC，表徵D狀態存儲器輸出的解碼記為SD；第四步多路選擇器對接收的解碼信息SN(n)對四路狀態依據狀態轉移規則P進行選取，並輸出調製序列信號Sm(n)；第五步所述調製信號Sm(n)經D/A轉換器後加載在集成光學調製器上，從而實現一個周期的基於四態馬爾可夫鏈的隨機調製。2、根據權利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於狀態計數器的循環累加滿足公式為cs(o(其他)1(W-1)=4'&(0=1),且Cs(O):l，式中Cs(/)表示當前4(CS(Z—1)=1,1)Cs('.),—l)+&《)=狀態計數器的計數值，c,表示狀態碼，/表示在一個調製周期中的第/個狀態，cs(/-1)表示前一個調製周期/的狀態計數值，表示本次調製周期/中偽隨機數發生器產生的值。3、根據^(利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於狀態轉移規則P=formulaseeoriginaldocumentpage04、根據權利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於:所述延時器對解調序列信號&(")的延時為一個光纖渡越時間r加上調製信號&(")加載至集成光學調製器上的所需時間r。5、根據權利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於所述解調序列信號&。(")是包含+1或一l的數字值。6、根據權利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於所述狀態碼q取值為0,1,2,3。7、根據權利要求1所述的基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，其特徵在於所述解碼信息&(")包括有表徵A狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵B狀態存儲器輸出的解碼記為&，表徵C狀態存儲器輸出的解碼記為Sc，表徵D狀態存儲器輸出的解碼記為&。全文摘要本發明公開了一種基於四態馬爾可夫鏈的數字閉環光纖陀螺隨機調製方法，所述隨機調製模塊內嵌在中心處理器中。該隨機調製模塊包括有偽隨機數發生器、延時器、狀態計數器、狀態解碼器、多路選擇器以及四個狀態存儲器。為了消除調製串擾信號的影響，本發明將一個四狀態馬爾可夫鏈引入到隨機調製中，該馬爾可夫鏈利用正弦函數的周期性和狀態轉移方向的等概率性，產生出了相互統計獨立的調製信號Sm(n)和解調信號Sd(n)，由於解調信號Sd(n)為等概率取值-1、1的零均值隨機序列，所以經本發明的隨機調製後電串擾信號和解調信號相關的結果為零，其調製串擾信號的抑制可達1×103倍，消除了調製串擾信號對陀螺零偏穩定性、死區和線性度等指標的影響。文檔編號G01C19/72GK101246009SQ20081010122公開日2008年8月20日申請日期2008年2月29日優先權日2008年2月29日發明者宋凝芳,張金保,敏李,雄潘,靖金申請人:北京航空航天大學