本發(fā)明涉及了信號(hào)相關(guān)性檢測技術(shù)，特別是涉及了一種分離雙探測器型光纖陀螺光源和電子噪聲相關(guān)性計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

光纖陀螺光源采用寬譜光源，光源出光中不同頻率分量之間發(fā)生隨機(jī)拍頻產(chǎn)生了相對強(qiáng)度噪聲。為了降光纖陀螺光源相對強(qiáng)度噪聲常采用雙探測器型光纖陀螺。雙探測器型光纖陀螺是在光纖陀螺最小互易系統(tǒng)的死端增加了光纖延時(shí)環(huán)和探測器，通過兩探測器信號(hào)相減降低光源相對強(qiáng)度噪聲，其效果取決于兩路信號(hào)中光源噪聲相關(guān)性。文獻(xiàn)《Pre-estimate Relative Intensity Noise Subtraction Performance of FOG by Using Signal Cross-Correlation》(Zhang Yonggang)中提到在兩路信號(hào)中光源噪聲歸一化相關(guān)系數(shù)小于0.5的時(shí)候，相減法不但不能減小噪聲，反而會(huì)將光源噪聲放大。測量兩通道檢測信號(hào)相關(guān)性對于評(píng)價(jià)雙探測器型光纖陀螺通過相減法對光源相對強(qiáng)度噪聲的抑制作用，以及確定不同光纖陀螺設(shè)計(jì)方案中兩檢測通道采樣信號(hào)相關(guān)性的主要來源為光源噪聲或電子噪聲具有重要意義。

實(shí)際情況是兩檢測通道檢測信號(hào)中除光源噪聲外，還包括了電子噪聲。光源噪聲和電子噪聲共同構(gòu)成了檢測信號(hào)的噪聲，光源噪聲相關(guān)性由于受到電子噪聲相關(guān)性干擾無法單獨(dú)測量，限制了對雙探測器型光纖陀螺降噪效果的期望值準(zhǔn)確性，也限制了雙探測器型光纖陀螺進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)雙探測器型光纖陀螺無法排除電子噪聲干擾，從而對光源噪聲相關(guān)性單獨(dú)測量的現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種分離雙探測器型光纖陀螺光源和電子噪聲相關(guān)性計(jì)算方法可以分別獲得光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)。使得光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)的測量不受電子噪聲干擾，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雙探測器型光纖陀螺通過相減法對光源噪聲的抑制作用。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：

步驟一、在雙探測器型光纖陀螺的死端(即光纖耦合器的光源信號(hào)輸出端)依次經(jīng)光源探測器、光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器后連接到數(shù)字信號(hào)處理器，光纖耦合器的光源通道連接光源探測器，此時(shí)不接入光纖延時(shí)環(huán)，分別通過信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出各自的數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理器中計(jì)算獲得未接入光纖延時(shí)環(huán)下兩個(gè)通S道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差Var[n_A(t)]和Var[n_B(t)]以及歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值Var[n_A(t)]表示信號(hào)探測器的數(shù)字信號(hào)的方差，Var[n_B(t)]表示光源探測器的數(shù)字信號(hào)的方差；

步驟二、在雙探測器型光纖陀螺的死端依次經(jīng)光纖延時(shí)環(huán)、光源探測器、光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器后連接到數(shù)字信號(hào)處理器，再次分別通過信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出各自的數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理器中計(jì)算獲得接入光纖延時(shí)環(huán)下兩個(gè)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差Var[n_A′(t)]和Var[n_B′(t)]以及歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值

步驟三、關(guān)閉光源供電，此時(shí)信號(hào)通道的信號(hào)探測器輸出電信號(hào)僅包含電子噪聲而不包含光源噪聲，通過信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)n_e(t)，在數(shù)字信號(hào)處理器中計(jì)算獲得關(guān)閉光源下信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差Var[n_e(t)]，Var[n_e(t)]實(shí)質(zhì)為電子噪聲方差；

步驟四、用上述所得的方差和歸一化互相關(guān)函數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算，得到光源噪聲互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻比值R_opt(0)和電子噪聲互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻比值R_ele(0)，兩者比值k＝R_opt(0)/R_ele(0)；

步驟五、用上述所得的方差、歸一化互相關(guān)函數(shù)值和比值k進(jìn)行運(yùn)算，分別得到光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_o和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_e，作為光源噪聲和電子噪聲各自的相關(guān)性。

光源噪聲和電子噪聲相關(guān)性是指電子噪聲和光源噪聲對兩檢測通道采樣信號(hào)相關(guān)性貢獻(xiàn)大小的比值。

歸一化互相關(guān)函數(shù)是指采集時(shí)刻的兩個(gè)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)之間的互相關(guān)。

所述n_A(t)、n_A′(t)、n_e(t)、n_B(t)和n_B′(t)表示對應(yīng)通道輸出信號(hào)的噪聲。因?yàn)楣饫w陀螺系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，噪聲表現(xiàn)為直流信號(hào)上的交流分量，將檢測通道的輸出信號(hào)進(jìn)行隔直濾波得到噪聲信號(hào)。

所述的雙探測器型光纖陀螺是在由光源、光纖耦合器、Y波導(dǎo)、光纖敏感環(huán)、信號(hào)探測器、信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器組成的光纖陀螺最小互易系統(tǒng)基礎(chǔ)上，在光纖耦合器死端連接光纖延時(shí)環(huán)、光源探測器和光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成。

所述光纖耦合器死端為在雙探測器型光纖陀螺最小互易系統(tǒng)中光纖耦合器不使用的端口，光纖耦合器死端第一步驟采集數(shù)字信號(hào)時(shí)不與光纖延時(shí)環(huán)連接，光纖耦合器死端第二步驟采集數(shù)字信號(hào)時(shí)與光纖延時(shí)環(huán)連接。

所述光纖延時(shí)環(huán)和光纖敏感環(huán)長度相同。

所述步驟一和步驟二中的歸一化相關(guān)函數(shù)采用以下公式計(jì)算，即未接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值和接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值分別采用以下公式計(jì)算：

其中，和分別表示未接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)和接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的兩個(gè)探測器輸出信號(hào)中噪聲的互相關(guān)函數(shù)。

所述的光源噪聲互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻比值R_opt(0)和電子噪聲互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻比值R_ele(0)分別采用以下公式計(jì)算：

兩者比值k采用以下公式計(jì)算：

其中，表示未接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值，表示接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值。

所述的光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_o和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_e分別采用以下公式計(jì)算：

其中，表示未接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值，表示接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值，Var[n_A(t)]和Var[n_B(t)]分別表示未接入光纖延時(shí)環(huán)下信號(hào)通道和光源通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差，Var[n_A′(t)]和Var[n_B′(t)]分別表示接入光纖延時(shí)環(huán)下信號(hào)通道和光源通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差，Var[n_e(t)]表示關(guān)閉光源下信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)的方差。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明針對傳統(tǒng)雙探測器型光纖陀螺無法單獨(dú)測量光源噪聲相關(guān)性，從而無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)相減法降噪效果的不足和問題，提出了一種新的方法，能夠準(zhǔn)確獲得兩檢測通道中光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)。使得光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)的測量不受電子噪聲干擾，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雙探測器型光纖陀螺通過相減法對光源噪聲的抑制作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明涉及的光纖陀螺最小互易系統(tǒng)。

圖2是本發(fā)明的雙探測器型光纖陀螺未加光纖延時(shí)環(huán)步驟時(shí)系統(tǒng)框圖。

圖3是本發(fā)明的雙探測器型光纖陀螺加入光纖延時(shí)環(huán)步驟時(shí)系統(tǒng)框圖。

圖中：光源1、光纖耦合器2、Y波導(dǎo)3、光纖敏感環(huán)4、光纖耦合器死端5、信號(hào)探測器6、信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器7、數(shù)字信號(hào)處理器8、光源探測器9和光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器10、光纖延時(shí)環(huán)11。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的雙探測器型光纖陀螺包括光源1、光纖耦合器2、Y波導(dǎo)3、光纖敏感環(huán)4、信號(hào)探測器6、信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器7和數(shù)字信號(hào)處理器8，光纖耦合器2的信號(hào)通道連接信號(hào)探測器6，上述構(gòu)成了光纖陀螺最小互易系統(tǒng)。

光纖耦合器死端5為在雙探測器型光纖陀螺最小互易系統(tǒng)中光纖耦合器2不使用的端口，具體實(shí)驗(yàn)計(jì)算相關(guān)性時(shí)，在光纖耦合器死端5選擇性的連接光纖延時(shí)環(huán)11或者光源探測器9。具體地，如圖2所示，光纖耦合器死端5第一步驟采集數(shù)字信號(hào)時(shí)不與光纖延時(shí)環(huán)連接；如圖3所示，光纖耦合器死端5第二步驟采集數(shù)字信號(hào)時(shí)與光纖延時(shí)環(huán)連接。

本發(fā)明的工作原理和工作過程是：

雙探測器型光纖陀螺是在由光源、光纖耦合器、Y波導(dǎo)、光纖敏感環(huán)、信號(hào)探測器、信號(hào)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器組成的光纖陀螺最小互易系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在光纖耦合器死端增加光纖延時(shí)環(huán)、光源探測器和光源通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。光源出光經(jīng)光纖耦合器分為兩光束，分別記為A光束和B光束。A光束經(jīng)Y波導(dǎo)分為反向傳輸?shù)膬墒膺M(jìn)入光纖敏感環(huán)，然后再次經(jīng)Y波導(dǎo)合束后通過光纖耦合器進(jìn)入信號(hào)探測器。死端不接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，B光束經(jīng)光纖耦合器直接進(jìn)入光源探測器，此時(shí)A、B兩通道同時(shí)對兩探測器采樣，采樣信號(hào)噪聲中包含同時(shí)刻的電子噪聲和有時(shí)延的光源噪聲，時(shí)延為光纖敏感環(huán)渡越時(shí)間。死端接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，B光束經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入光纖延時(shí)環(huán)，然后進(jìn)入光源探測器，光纖延時(shí)環(huán)與光纖敏感環(huán)長度相同，故同時(shí)對兩探測器采樣時(shí)采樣信號(hào)噪聲中包含同時(shí)刻的光源噪聲和相同時(shí)刻的電子噪聲。

不接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，A路通道檢測信號(hào)中光源噪聲和電子噪聲分為記為n_oA(t)和n_eA(t)，總噪聲記為n_A(t)。B路通道檢測信號(hào)中光源噪聲和電子噪聲分為記為n_oB(t)和n_eB(t)，總噪聲記為n_B(t)。接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，A路通道檢測信號(hào)中光源噪聲和電子噪聲分為記為n_oA′(t)和n_eA′(t)，總噪聲記為n_A′(t)。B路通道檢測信號(hào)中光源噪聲和電子噪聲分為記為n_oB′(t)和n_eB′(t)，總噪聲記為n_B′(t)。光纖延時(shí)環(huán)對光源噪聲衰減可忽略不計(jì)。各噪聲滿足如下等式關(guān)系：

n_A(t)＝n_oA(t)+n_eA(t)

n_B(t)＝n_oB(t)+n_eB(t)

n_A′(t)＝n_oA′(t)+n_eA′(t)

n_B′(t)＝n_oB′(t)+n_eB′(t)

其中，t表示時(shí)間。

所有噪音均為白噪聲，均值為0，即：

計(jì)算B路通道在未接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，A、B兩通道檢測信號(hào)的歸一化互相關(guān)函數(shù)

其中，τ表示歸一化相關(guān)函數(shù)自變量，是歸一化相關(guān)函數(shù)計(jì)算過程中兩個(gè)時(shí)間序列之間的時(shí)延。

因?yàn)楣庠丛肼暫碗娮釉肼暬ハ嗒?dú)立，結(jié)合所有噪聲信號(hào)均值為0，在τ＝0時(shí)的值：

此時(shí)由于光源出光在不同時(shí)刻到達(dá)兩探測器，所以量探測器檢測信號(hào)中光源噪聲相關(guān)函數(shù)為0，即：

E[n_oA(t)n_oB(t)]＝0

所以能化簡為：

同樣方法計(jì)算B路通道在接入光纖延時(shí)環(huán)時(shí)，A、B兩通道檢測信號(hào)的歸一化互相關(guān)函數(shù)在τ＝0時(shí)的值

信號(hào)探測器和光源探測器檢測信號(hào)中電子噪聲在加入光纖延時(shí)環(huán)和不加入延時(shí)環(huán)兩種情況下相同，即：

E[n_eA′(t)n_eB′(t)]＝E[n_eA(t)n_eB(t)]

因此，變?yōu)椋?/p>

由此，光源噪聲和電子噪聲相關(guān)性k采用以下公式計(jì)算：

光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_o和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_e分別采用以下公式計(jì)算：

本發(fā)明的實(shí)施例及其實(shí)施過程如下：

實(shí)施例通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)初始條件如下：兩通道光源噪聲方差均為400，歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值為0.7；兩通道光源噪聲方差均為200，歸一化互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻的值為0.9，光纖延時(shí)環(huán)的作用通過上位機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)。

首先，按照圖2所示連接系統(tǒng)，此時(shí)光纖延時(shí)環(huán)未接入。對信號(hào)探測器和光源探測器同時(shí)采樣，采樣序列為{n_A(t)}和{n_B(t)}，計(jì)算其方差Var[n_A(t)]和Var[n_B(t)]為：

并計(jì)算信號(hào)探測器和光源探測器采樣數(shù)據(jù)歸一化相關(guān)函數(shù)為為：

接著，如圖3所示，加入光纖延時(shí)環(huán)，采樣序列為{n_A′(t)}和{n_B′(t)}，計(jì)算其方差Var[n_A′(t)]和Var[n_B′(t)]為：

并計(jì)算信號(hào)探測器和光源探測器采樣數(shù)據(jù)歸一化相關(guān)函數(shù)為為：

電子噪聲和光源噪聲相關(guān)性k為：

光源噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_o和電子噪聲歸一化互相關(guān)函數(shù)ρ_e分別采用以下公式計(jì)算：

實(shí)施例結(jié)果與仿真預(yù)先設(shè)定的設(shè)定值0.7和0.9相比，在計(jì)算精度內(nèi)能夠認(rèn)為相等，由此可說明本發(fā)明方法準(zhǔn)確性高。

而此時(shí)如果直接用加入光纖環(huán)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算兩通道檢測信號(hào)相關(guān)性為其中包含了電子噪聲和光源噪聲共同作用，無法分別獲得光源噪聲和電子噪聲各自的歸一化互相關(guān)函數(shù)。由此可見，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確獲取兩檢測通道中光源噪聲相關(guān)性強(qiáng)弱，而不受電子噪聲干擾，準(zhǔn)確獲得雙探測器型光纖陀螺通過相減法對光源噪聲的抑制作用。