光纤陀螺干扰信号探测

( 7)
称 x ( t) 在 t0 处具有李氏指数α。 函数在某一点的李氏指数表征了改点的奇异 性大小 。若 x ( t) 在 t0 处的导数阶次越高 , 相应的 李氏指数α越大 , 反应在信号的特性上 x ( t) 在此处
。
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衣昌明等 : 光纤陀螺干扰信号探测
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越平滑 。若 x ( t) 在 t0 处的李氏指数小于 1 , 则信号 在该点是不可微的 , 或是奇异的 。因此 , 李氏指数 α可作为信号在某一点 , 或某一区间的规则性 ( 或 奇异性) 程度的一个度量 。特别的 , 对于脉冲函数 , α= - 1 ; 对于白噪声 ,α= - 0 . 5 - ε, (ε> 0 ) ; 对于斜 坡函数 ,α= 1 ; 对于阶跃函数 ,α= 0 。
3. 1 连续小波变换
1 定义 1 设函数 ψ( t) ∈L 2 ( R) ∩ L ( R) , 并且 ψ ^
+∞
( 0) = 0 , 即
ψ( t) dt = 0 , 则称 ψ( t) 为一个基本小 ∫
- ∞
波或母小波 。对母小波 ψ( t) 做伸缩和平移得 ψ a , b ( t) =
1 ψ t - b , a , b ∈R , a ≠ 0 a | a|
5 实验分析
本系统搭建好后 ,可以进行光纤陀螺的数据采 集和干扰实验 。光纤陀螺受干扰的信号如图 7 上
4. 2 数据采集系统
方所示 ,运用小波去噪 , 选用 db4 小波进行 5 层分 解 ,去噪后的信号如图 7 下方所示 , 小波可以有效 地对均匀分布的白噪声信号进行滤波 ,但是对于局
continuous wavelet t ransfo rm by use of act ual measured FO G interference signal and t he analysis of modulus maxima line , a method of FO G interference signal detection based o n wavelet modulus maxima met hod was p ropo sed. Experimental verifica2 tio n was carried out . It can be concluded t hat wavelet modulus maxima met hod detect s and locates effectively t he FO G inter2 ference signal.
Detection of FO G Interference Signal
Yi Cha ngmi ng Ya ng D ongs he ng Zha n L ei
( First Aeronautical Instit ute of Air Fo rce , Xinyang 464000)
Abs t rac t A met hod of FO G interference signal detection by using wavelet modulus maxima is int roduced. Through
影响光纤陀螺的输出信号 , 从而影响了测试精度 , 因此 ,为精确定向 ,确保碎部点的测量精度 ,必须消 除光纤陀螺的偏移和噪声 ,提高抗干扰能力 。 各种外界干扰的来源和作用机理各不相同 ,对 定向结果的影响也不同 。目前对光纤陀螺干扰信 号滤波方法 ( 低通滤波 、 五点三次滤波 、 数字滤波 、 小波阈值滤波 、 卡尔曼滤波 、 粒子滤波等 ) , 大都是 对输出数据整体进行分析的 ,这对局部干扰的处理 效果不是很明显 。不能够有针对性的分析干扰 ,例 如采集 1 分钟的陀螺输出数据 , 而只有 10 秒钟的 数据受到外界干扰 ,如果对所有的陀螺数据都进行 处理 ,效果不是很好 。为此 , 对待光纤陀螺的输出 信号 ,可以首先判断信号有无外界干扰 , 若有则判 断出外界干扰的时间段 , 进行分析 , 分析干扰时间 段信号与未干扰时间段信号的差异 ,最后选择相应
( 1)
C υ=
∫
-
)| 2 |ψ ^ (ω ω< + ∞ d |ω | ∞
( 3)
则称 ψ为允许小波 , 式 ( 2) 称为允许条件 。 定义 3 设 ψ( t) 是基本小波 ,ψ a , b ( t) 是由式 ( 2 ) 定义的连续小波函数 。对于 f ( t) ∈L 2 ( R) , 其连续 小波变换定义为
[4 ]
p t0 ( t) =
k=0
∑
x
( k)
( t0 ) ( t - t0 ) k k!
( 6)
定义 5 给定信号 x ( t) , 存在常数 K > 0 及 n = |α | 阶的多项式 p t0 ( t) , 使得
α | x ( t) - p t0 ( t) | Φ K| t - t0 | , Π t
定义 4 若点 ( a0 , b0 ) 满足 5 W T f ( a0 , b0 ) 5t
t = t0
=0
( 5)
) , 有| 则称点 ( a0 , b0 ) 为局部极值点 , 若 Π t ∈( t0 ,δ W T f ( a0 , t) Φ | W T f ( a0 , t0 ) | 成立 , 则称点 ( a0 , b0 )
测试平台的硬件设备主要有光纤陀螺仪一个 , 犛 犕犜 ２１三轴转台一个 , 三轴转台有外框 、 中框 和内框 , 光纤陀螺装在 内框中 ,计算机两台 ,一
图1 光纤陀螺测试平台 的原理框图
台控制转台转动 , 一台 进行数据采集和存储 ,
D H1715A25 型 直 流 电
源一台 ,为光纤陀螺仪提供 5V 直流电 , 采集卡 1 片 ,采集卡符合 PC2104 协议 , 数据线若干 , 光纤陀 螺测试平台的原理框图如图 1 所示 。三轴转台实 物图如图 2 所示 。转台控制柜如图 3 所示 。两台 计算机如图 4 所示 ,左侧计算机可控制转台在空间 转动 ,拥有 6 个自由度 ,其控制界面如图 5 所示 ,右 侧计算机进行光纤陀螺数据的采集和存储 。
3
收稿日期 :2010 年 3 月 12 日 ,修回日期 :2010 年 4 月 10 日 作者简介 : 衣昌明 ,硕士 ,讲师 ,研究方向 : 导航及导航信息处理 ,寻北定向等 。
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舰船电子工程
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的滤波方法对信号进行处理 。因此 ,光纤陀螺扰动 信号起止时刻的精确确定 ,则是进行滤波首先要解 决的问题 。正是在这一前提下 ,本文提出了一种利 用小波模极大值检测光纤陀螺干扰信号的方法 。 目前 ,光纤陀螺全站仪的组合设备正在试制 中 ,为了进行实验分析 , 本文采用三轴转台模拟全 站仪 ,将光纤陀螺置于转台内框中来进行数据采 集。
( 2)
称ψ a , b ( t) 为小波函数 , 简称小波 。其中 , a 为尺度 因子 , b 为平移因子 。变量 a 反映函数的尺度 ( 或 宽度) , 变量 b 检测小波函数在 t 轴上的平移位置 。 2 1 定义 2 设ψ( t) ∈ L ( R) ∩ L ( R) , 且满足条件
+∞
2 光纤陀螺输出信号
光纤陀螺 ( FO G) 是基于 Sagnac 效应的新型全 固态陀螺仪 ,是一种无机械转动部件的惯性测量元 件 ,通过敏感地球自转角速度在北向的分量可以实 现寻北定向的功能 。目前 ,中低精度等级的光纤陀 螺已产品化 ,并在众多领域得到应用 。 光纤陀螺的输出信号是 Sagnac 相移 。在理想 状态时 ,其输出信号和 Sagnac 相移成正弦关系 ; 在 低转速时几乎呈线性关系 。然而实际的光纤陀螺 元器件特性不可能是理想的 ,光纤由于瑞利散射将 引起背向散射 ,环境的变化 ( 如振动 、 温度 、 磁场的 变化) 都将导致信号中存在噪声和漂移等因素 , 这 些都将影响到光纤陀螺的零偏稳定性 [ 2 ] 。另外 ,光 纤陀螺工作的外部环境 , ( 如阵风 、 人员走动 、 车辆 振动等干扰) 也会影响光纤陀螺的测量精度 。本文 主要讨论外界干扰的影响 。 在静基座上 , 如果光纤陀螺的测量轴位于水平 面内 , 则陀螺的输出信号为 ω( t) = ωN co s K +ε ( t) +σ d +ε n ( t)
n- 1
3 小波变换与模极大值理论
小波分析 ( Wavelet A nalysis) 是上世纪 80 年 代后期发展起来的一个新的数学分支 , 它被认为是 傅里叶分析发展史上的里程碑 。小波变换作为一 种最新的时 — 频分析工具 , 它具有时间域和频率域 的良好的局部化性质 ( 即具有良好的时 2频定位功 能) , 被誉为数学显微镜
为模极大值 。
3. 3 李氏指数 ( Lip schitz Expo nent )
李氏指数在数学上是一种表征函数局部特征 的度量 , 信号突变点的李氏指数决定小波变换系数 模极大值的幅值随着尺度的变化规律 。信号 x ( t) 在某一点 t0 的一个邻域 [ t0 - h , t0 + h ] 的泰勒级数 是
Ke y W ords wavelet t ransform , modulus maximum , fiber optical gyro scope ( FO G) , detection , location Clas s N u m ber U666. 1
1 引言
全站仪在地籍调查工作中 ,需要两点间通视 ,然 而 ,城镇建筑物密集 、 行人车辆较多 ,严重影响控制 点间通视 ,给控制点布设和后期的碎部点测量定向 都带来诸多不便。这直接影响了工程进度 ,数据库 难以及时更新 ,造成 “老帐未清又添新帐” 的局面 。 文献 [ 1 ] 提出了光纤陀螺/ 全站仪组合定向的 方法 ,用光纤陀螺和全站仪进行组合 , 不需要两点 间通视 ,只需一个控制点就可以进行碎部测量 , 实 现自动寻北 。光纤陀螺通过敏感地球自转角速度 自主地提供载体固定轴与真北方向的夹角 ,从而完 成定向功能 ,为全站仪提供方位基准 。 在地籍调查现场 , 工作环境比较恶劣 , 存在着 外界干扰 ( 例如人员走动 、 阵风 、 车辆振动等) ,严重
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舰船电子工程 Ship Elect ronic Engineering
Vol. 30 No . 7 70
光纤陀螺干扰信号探测
衣昌明 杨东升 詹 磊
( 空军第一航空学院 信阳 464000)
3
摘 要 介绍了一种利用小波模极大值检测光纤陀螺干扰信号的方法 。对实测的光纤陀螺干扰信号采用连续小波变 换 ,通过分析小波变换模极大值线的特点 ,提出了光纤陀螺扰动信号探测的小波模极大值线方法 ,并进行了实验验证 。结果 表明 : 小波模极大值方法能够有效的对光纤陀螺干扰信号进行检测和定位 。 关键词 小波变换 ; 模极大值 ; 光纤陀螺 ; 检测 ; 定位 中图分类号 U666. 1
式中 :ω( t) 是光纤陀螺输出的角速度信号 ;ωN 的值 为ωe co s < 是地球自转角速度 ωe 的北向分量 , < 是 地理纬度 ; K 是陀螺测量轴与地理北向之间的夹 角 ;ε d 是陀螺的常值误差项 , 一般与陀螺的本身设 计有关系 , 短期内可以用陀螺的零偏来代替 ;ε( t) 是陀螺的随机游走 ;σ n ( t ) 是零均值的白噪声项 ,σ 为噪声方差 [ 3 ] 。
W T f ( a , b) =
+∞
1 | a|
f ( t)ψ ∫
- ∞
3
t- b dt = < f ,ψ a, b > a ( 4)
其中 , a ≠ 0 , b , t 均为连续变量 , < > 为平方可积函 数空间的内积 ,ψ3 ( t) 表示 ψ( t) 的共轭 。
3. 2 模极大值的定义
字节 。采样频率为 200 Hz , 陀螺输出为脉冲信号 。 该软件可以实现光纤陀螺数据的实时采集和存储 , 通过 PC 机自带的 RS232 串口采集实验数据 ,并将 结果保存到指定文件存储数据为 t xt 文件 [ 7 ] 。数 据采集软件界面如图 6 所示 。
4 测试平台构建
4. 1 硬件组成