專利名稱：一種基于交疊m帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于交疊M帶離散小波變換(Overlap M-band Discrete Wavelet Transform, OMDWT)的光纖陀螺信號(hào)去噪方法，屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖陀螺是以^gnac效應(yīng)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的新型全固態(tài)陀螺儀，受到世界各國的高度重視，已成為新一代中低精度捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)系統(tǒng)中的理想慣性器件。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是如何完全自主地實(shí)現(xiàn)快速初始對(duì)準(zhǔn)，即快速自主地確定載體的初始方位角和水平姿態(tài)角。影響方位對(duì)準(zhǔn)(尋北)精度的主要因素是陀螺漂移，有效地消除陀螺漂移是保證方位對(duì)準(zhǔn)精度的關(guān)鍵。
光纖陀螺漂移可分為系統(tǒng)性漂移和隨機(jī)漂移兩種類型。由于隨機(jī)漂移是弱非線性的、慢時(shí)變的，同時(shí)受外部環(huán)境等不確定性因素的影響，無法建立其精確系統(tǒng)模型，在慣導(dǎo)系統(tǒng)中不能用簡單的方法加以補(bǔ)償，因此隨機(jī)漂移成為衡量陀螺儀精度的重要指標(biāo)。為了提高初始對(duì)準(zhǔn)精度，必須采用有效的信號(hào)處理方法對(duì)陀螺信號(hào)處理，來抑制這些隨機(jī)漂移。 目前對(duì)陀螺信號(hào)的處理有兩種思想(1)建立陀螺隨機(jī)漂移模型，使用Kalman濾波、Wiener 濾波等方法進(jìn)行補(bǔ)償；( 直接對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行消噪處理。常用方法有數(shù)字低通濾波、 自適應(yīng)濾波和小波變換閾值濾波等。鑒于隨機(jī)漂移的特性，事先不可能得到精確的統(tǒng)計(jì)特性，需要采用直接濾波方法對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行去噪處理。
小波具有較好的時(shí)頻分辨特性，因此被應(yīng)用到光纖陀螺信號(hào)的去噪中?，F(xiàn)有的基于小波理論的光纖陀螺信號(hào)分析研究中，都是基于2帶小波的，去噪結(jié)果具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在兩方面一方面，隨著分解的進(jìn)行，小波系數(shù)的長度以2倍關(guān)系遞減，分解速度慢；另一方面，光纖陀螺信號(hào)循環(huán)移動(dòng)一定節(jié)拍后，其離散小波變換(Discrete Wavelet Transform, DffT)小波系數(shù)和尺度系數(shù)不能循環(huán)移動(dòng)同樣節(jié)拍，去噪效果差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是本發(fā)明的技術(shù)是針對(duì)已有的光纖陀螺信號(hào)分析方法中的不足，將交疊M帶離散小波變換引入陀螺信號(hào)去噪。一方面，克服了基于2帶小波的光纖陀螺信號(hào)處理分解速度慢的不足，M帶小波理論為小波基的選取提供了更廣泛的選擇余地；在分解子帶數(shù)相同條件下，M帶離散小波變換(M-band Discrete Wavelet Transform, MDWT)中信號(hào)是按多通道進(jìn)行分解的；另一方面，克服了基于2帶小波進(jìn)行光纖陀螺信號(hào)去噪時(shí)，光纖陀螺信號(hào)循環(huán)移動(dòng)一定節(jié)拍后，DWT小波和尺度系數(shù)不能循環(huán)移動(dòng)同樣節(jié)拍的不足。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提出了一種基于交疊M帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法，給出了計(jì)算有效的光纖陀螺信號(hào)分解、門限閾值處理和重構(gòu)算法。具體步驟如下
(1)建立光纖陀螺輸出信號(hào)模型
he ^(p+ St其中，Xt為光纖陀螺輸出信號(hào)；t = 0，. . .，N-l，N表示光纖陀螺輸出信號(hào)的長度； ie為地球自轉(zhuǎn)角速率，= 7. 27X10_5rad/S沙為測試點(diǎn)的地理緯度；￡ t為陀螺漂移， 陀螺漂移由常值分量、周期分量和白噪聲組成，即e t = e d+QdSin (2 Ji fd+ 0 0)+fft其中，￡ d為常值分量，短時(shí)間內(nèi)近似為一個(gè)常數(shù)；Qd為周期分量的幅值；fd為周 期分量的頻率；Qtl為初始相位；Wt為零均值高斯白噪聲。式中的QdSinO Jifd+Stl)和Wt 兩項(xiàng)構(gòu)成了光纖陀螺輸出的隨機(jī)漂移項(xiàng)。(2)對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)作OMDWT小波分解對(duì)步驟(1)得到的長度N的光纖陀螺輸出信號(hào)Xt作OMDWT變換，將OMDWT變換所 得到的第j尺度的OMDWT小波系數(shù)和尺度系數(shù)分別用N維矢量Wj和表示，則Wj對(duì)應(yīng)的元 素和義對(duì)應(yīng)的元素^分別為
權(quán)利要求
1. 一種基于交疊M帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)建立光纖陀螺輸出信號(hào)模型Xt = COie sin φ+ st( 1 )其中，Xt為光纖陀螺輸出信號(hào)；t = 0，. . .，N-l，N表示光纖陀螺輸出信號(hào)的長度； 為地球自轉(zhuǎn)角速率，"ie = 7. 27X10-5rad/s沙為測試點(diǎn)的地理緯度；ε t為陀螺漂移；(2)對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)作OMDWT小波分解首先，用·( ,丨和丨元」分別對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)Xt進(jìn)行濾波，得到第Jtl尺度上的小波系數(shù)和尺度系數(shù)；然后，對(duì)所得到的尺度系數(shù)用·{《,1和(Aj進(jìn)行濾波，得到第j尺度上 OMDffT的小波系數(shù)和尺度系數(shù)；依次計(jì)算，到尺度J，其中，1 = 1，. . .，L，L = 2M表示第Jtl尺度上MDWT濾波器的長度，M表示小波帶數(shù)，即M帶小波；i = 1,2,... ,M-I ； j = J0+l，· · ·，J，J0表示小波變換的初始尺度，J表示小波變換的終止尺度；·( 彳和丨元?！狗謩e為第Jci尺度上OMDWT的第i個(gè)小波濾波器系數(shù)和尺度濾波器系數(shù)，·(^j和(Ad分別為第j尺度上OMDWT 的第i個(gè)小波濾波器系數(shù)和尺度濾波器系數(shù)；Wj^NpIM^ ,Shl^gjj/M^'2(2)式中，和{gj.il分別表示第·]·尺度上MDWT的第i個(gè)小波濾波器系數(shù)和尺度濾波器系數(shù)表示M的j/2次方；第j尺度上濾波器·( ,}的長度是Lj ε (Mj-I) (L-I)+1 ；(3)對(duì)OMDWT小波系數(shù)作門限閾值處理對(duì)步驟(2)中光纖陀螺信號(hào)分解后得到的小波系數(shù)作門限閾值處理，利用門限閾值處理，將絕對(duì)值小于門限閾值的小波系數(shù)置零，但對(duì)絕對(duì)值大于門限閾值的小波系數(shù)作了收縮Wlt(WltJs) = I ο I」<7；(3)私+Ts, w;,<-Ts式中，t = 0,1,...，N-1，TS是門限閾值；表示在尺度j上經(jīng)過門限閾值處理后的第 i個(gè)小波系數(shù)；(4)對(duì)門限閾值處理后的光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行OMDWT小波重構(gòu)~L-IM-I ~ ~L-I^J-U — Σ Σ 長 ^J^Mj-HmodN + Σ 總 ^jMMj-HmodN^ ^ ^1=0 Z=I1=0式中，j = JQ，J0+. . .，J ;1 = 1，. . .，L，L = 2M表示第Jtl尺度上MDWT濾波器的長度，M表示小波帶數(shù)，即M帶小波；·{&>·(總j分別表示OMDWT的第i個(gè)小波濾波器系數(shù)和尺度濾波器系數(shù)；F^i表示第t時(shí)刻第j-Ι尺度的尺度系數(shù) ’W;，t+Mj~Hmod N 禾口 [，!+Mj-1I mod W 分力丨J 表示第t+MHlmodN時(shí)刻尺度j上門限閾值處理后的第i個(gè)小波系數(shù)和尺度系數(shù)；(5)利用公式(4)經(jīng)過計(jì)算，最后在第JO尺度上得到重構(gòu)的去噪后的光纖陀螺信號(hào)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交疊M帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法， 其特征在于所述步驟⑵對(duì)光纖陀螺信號(hào)作OMDWT小波分解時(shí)，得到第Jtl尺度上OMDWT的尺度系數(shù)義和小波系數(shù)錢Y..,’^"的實(shí)現(xiàn)過程如下
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于交疊M帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法，其特征在于所述Ts取值為10_5 < Ts < 10_3。
全文摘要
一種基于交疊M帶離散小波變換的光纖陀螺信號(hào)去噪方法，首先建立光纖陀螺輸出信號(hào)模型，再對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行OMDWT小波分解，然后對(duì)OMDWT小波系數(shù)進(jìn)行門限閾值處理，最后對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行OMDWT小波重構(gòu)，得到去噪后的陀螺信號(hào)。本發(fā)明在利用OMDWT對(duì)光纖陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行去噪處理時(shí)，OMDWT的小波系數(shù)和尺度系數(shù)隨著光纖陀螺信號(hào)循環(huán)移動(dòng)而循環(huán)移動(dòng)相應(yīng)的節(jié)拍；在變換過程中，陀螺信號(hào)按多通道進(jìn)行分解，按不同頻帶分解的速度較快，對(duì)陀螺信號(hào)有更細(xì)的頻帶劃分，去噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)小波去噪效果。本發(fā)明對(duì)于慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航性能的提高具有重要意義。
文檔編號(hào)G01C19/72GK102519449SQ20111042509
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月17日
發(fā)明者全偉, 崔培玲, 張會(huì)娟 申請人:北京航空航天大學(xué)