本发明公开了一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法。光纤陀螺死端不接入光纤延时环，对信号通道模数转换器和光源通道模数转换器输出的数字信号计算获得未接入下两个数字信号方差和归一化互相关函数在零时刻的值；光纤陀螺的死端接入光纤延时环，再次对信号通道模数转换器和光源通道模数转换器输出的数字信号计算获得接入下两个数字信号方差和归一化互相关函数在零时刻的值；运算得到光源和电子噪声互相关函数在零时刻比值，进而可以分别求得光源噪声和电子噪声各自的归一化互相关函数。本发明能够准确评价两检测通道中光源噪声相关性强弱，而不受电子噪声干扰，从而准确评价双探测器型光纤陀螺通过相减法对光源噪声的抑制作用。
1.一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，双探测器型光纤陀螺包括光源(1)、光纤耦合器(2)、Y波导(3)、光纤敏感环(4)、信号探测器(6)、信号通道模数转换器(7)和数字信号处理器(8)，其特征在于：步骤一、在双探测器型光纤陀螺的死端依次经光源探测器(9)、光源通道模数转换器(10)后连接到数字信号处理器(8)，分别通过信号通道模数转换器(7)和光源通道模数转换器(10)输出各自的数字信号，在数字信号处理器(8)中计算获得未接入光纤延时环下两个通道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA(t)]和Var[nB(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值 Var[nA(t)]表示信号探测器的数字信号的方差，Var[nB(t)]表示光源探测器的数字信号的方差；
步骤二、在双探测器型光纤陀螺的死端依次经光纤延时环(11)、光源探测器(9)、光源通道模数转换器(10)后连接到数字信号处理器(8)，再次分别通过信号通道模数转换器(7)和光源通道模数转换器(10)输出各自的数字信号，在数字信号处理器(8)中计算获得接入光纤延时环下两个通道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值步骤三、关闭光源供电，此时信号通道的信号探测器输出电信号仅包含电子噪声而不包含光源噪声，通过信号通道模数转换器(7)输出的数字信号ne(t)，在数字信号处理器(8)中计算获得关闭光源下信号通道模数转换器(7)输出数字信号的方差Var[ne(t)]；
步骤四、用未接入光纤延时环下两个通道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA(t)]和Var[nB(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值 接入光纤延时环下两个通道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值 进行运算，得到光源噪声互相关函数在零时刻比值Ropt(0)和电子噪声互相关函数在零时刻比值Rele(0)，两者比值k＝Ropt(0)/Rele(0)；
步骤五、用上述所得的方差、归一化互相关函数值和比值k进行运算，分别得到光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe。
2.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述的双探测器型光纤陀螺是在由光源(1)、光纤耦合器(2)、Y波导(3)、光纤敏感环(4)、信号探测器(6)、信号通道模数转换器(7)和数字信号处理器(8)组成的光纤陀螺最小互易系统基础上，在光纤耦合器死端(5)连接光纤延时环(11)、光源探测器(9)和光源通道模数转换器(10)形成。
3.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述光纤耦合器死端(5)为在双探测器型光纤陀螺最小互易系统中光纤耦合器(2)不使用的端口，光纤耦合器死端(5)第一步骤采集数字信号时不与光纤延时环连接，光纤耦合器死端(5)第二步骤采集数字信号时与光纤延时环连接。
4.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述光纤延时环(11)和光纤敏感环(4)长度相同。
5.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，即未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值 和接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值 分别采用以下公式计算：
其中， 和 分别表示未接入光纤延时环时和接入光纤延时环时的
6.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述的光源噪声互相关函数在零时刻比值Ropt(0)和电子噪声互相关函数在零时刻比值Rele(0)分别采用以下公式计算：两者比值k采用以下公式计算：
其中， 表示未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，
表示接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值。
7.根据权利要求1所述的一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法，其特征在于：所述的光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe分别采用以下公式计算：其中， 表示未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，
表示接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，Var[nA(t)]和Var[nB(t)]分别表示未接入光纤延时环下信号通道和光源通道的模数转换器输出数字信号的方差，Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]分别表示接入光纤延时环下信号通道和光源通道的模数转换器输出数字信号的方差，Var[ne(t)]表示关闭光源下信号通道模数转换器(7)输出数字信号的方差。
分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及了信号相关性检测技术，特别是涉及了一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法。
背景技术
[0002] 光纤陀螺光源采用宽谱光源，光源出光中不同频率分量之间发生随机拍频产生了相对强度噪声。为了降光纤陀螺光源相对强度噪声常采用双探测器型光纤陀螺。双探测器型光纤陀螺是在光纤陀螺最小互易系统的死端增加了光纤延时环和探测器，通过两探测器信号相减降低光源相对强度噪声，其效果取决于两路信号中光源噪声相关性。文献《Pre-estimate Relative Intensity Noise Subtraction Performance of FOG by Using Signal Cross-Correlation》(Zhang Yonggang)中提到在两路信号中光源噪声归一化相关系数小于0.5的时候，相减法不但不能减小噪声，反而会将光源噪声放大。测量两通道检测信号相关性对于评价双探测器型光纤陀螺通过相减法对光源相对强度噪声的抑制作用，以及确定不同光纤陀螺设计方案中两检测通道采样信号相关性的主要来源为光源噪声或电子噪声具有重要意义。
[0003] 实际情况是两检测通道检测信号中除光源噪声外，还包括了电子噪声。光源噪声和电子噪声共同构成了检测信号的噪声，光源噪声相关性由于受到电子噪声相关性干扰无法单独测量，限制了对双探测器型光纤陀螺降噪效果的期望值准确性，也限制了双探测器型光纤陀螺进一步优化设计。
发明内容
[0004] 针对传统双探测器型光纤陀螺无法排除电子噪声干扰，从而对光源噪声相关性单独测量的现状，本发明提出了一种分离双探测器型光纤陀螺光源和电子噪声相关性计算方法可以分别获得光源噪声归一化互相关函数和电子噪声归一化互相关函数。使得光源噪声归一化互相关函数的测量不受电子噪声干扰，从而准确评价双探测器型光纤陀螺通过相减法对光源噪声的抑制作用。
[0005] 本发明采用的技术方案：
[0006] 步骤一、在双探测器型光纤陀螺的死端(即光纤耦合器的光源信号输出端)依次经光源探测器、光源通道模数转换器后连接到数字信号处理器，光纤耦合器的光源通道连接光源探测器，此时不接入光纤延时环，分别通过信号通道模数转换器和光源通道模数转换器输出各自的数字信号，在数字信号处理器中计算获得未接入光纤延时环下两个通S道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA(t)]和Var[nB(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值 Var[nA(t)]表示信号探测器的数字信号的方差，Var[nB(t)]表示光源探测器的数字信号的方差；
[0007] 步骤二、在双探测器型光纤陀螺的死端依次经光纤延时环、光源探测器、光源通道模数转换器后连接到数字信号处理器，再次分别通过信号通道模数转换器和光源通道模数转换器输出各自的数字信号，在数字信号处理器中计算获得接入光纤延时环下两个通道模数转换器输出数字信号的方差Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]以及归一化互相关函数在零时刻的值
[0008] 步骤三、关闭光源供电，此时信号通道的信号探测器输出电信号仅包含电子噪声而不包含光源噪声，通过信号通道模数转换器输出的数字信号ne(t)，在数字信号处理器中计算获得关闭光源下信号通道模数转换器输出数字信号的方差Var[ne(t)]，Var[ne(t)]实质为电子噪声方差；
[0009] 步骤四、用上述所得的方差和归一化互相关函数值进行运算，得到光源噪声互相关函数在零时刻比值Ropt(0)和电子噪声互相关函数在零时刻比值Rele(0)，两者比值k＝Ropt(0)/Rele(0)；
[0010] 步骤五、用上述所得的方差、归一化互相关函数值和比值k进行运算，分别得到光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe，作为光源噪声和电子噪声各自的相关性。
[0011] 光源噪声和电子噪声相关性是指电子噪声和光源噪声对两检测通道采样信号相关性贡献大小的比值。
[0012] 归一化互相关函数是指采集时刻的两个通道模数转换器输出数字信号之间的互相关。
[0013] 所述nA(t)、nA′(t)、ne(t)、nB(t)和nB′(t)表示对应通道输出信号的噪声。因为光纤陀螺系统处于稳定状态，噪声表现为直流信号上的交流分量，将检测通道的输出信号进行隔直滤波得到噪声信号。
[0014] 所述的双探测器型光纤陀螺是在由光源、光纤耦合器、Y波导、光纤敏感环、信号探测器、信号通道模数转换器和数字信号处理器组成的光纤陀螺最小互易系统基础上，在光纤耦合器死端连接光纤延时环、光源探测器和光源通道模数转换器形成。
[0015] 所述光纤耦合器死端为在双探测器型光纤陀螺最小互易系统中光纤耦合器不使用的端口，光纤耦合器死端第一步骤采集数字信号时不与光纤延时环连接，光纤耦合器死端第二步骤采集数字信号时与光纤延时环连接。
[0016] 所述光纤延时环和光纤敏感环长度相同。
[0017] 所述步骤一和步骤二中的归一化相关函数采用以下公式计算，即未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值 和接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值 分别采用以下公式计算：
[0018]
[0019]
[0020] 其中， 和 分别表示未接入光纤延时环时和接入光纤延时环时的两个探测器输出信号中噪声的互相关函数。
[0021] 所述的光源噪声互相关函数在零时刻比值Ropt(0)和电子噪声互相关函数在零时刻比值Rele(0)分别采用以下公式计算：
[0022]
[0023]
[0024] 两者比值k采用以下公式计算：
[0025]
[0026] 其中， 表示未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，表示接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值。
[0027] 所述的光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe分别采用以下公式计算：
[0028]
[0029]
[0030] 其中， 表示未接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，表示接入光纤延时环时的归一化互相关函数在零时刻的值，Var[nA(t)]和Var[nB(t)]分别表示未接入光纤延时环下信号通道和光源通道的模数转换器输出数字信号的方差，Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]分别表示接入光纤延时环下信号通道和光源通道的模数转换器输出数字信号的方差，Var[ne(t)]表示关闭光源下信号通道模数转换器输出数字信号的方差。
[0031] 本发明的有益效果：
[0032] 本发明针对传统双探测器型光纤陀螺无法单独测量光源噪声相关性，从而无法准确评价相减法降噪效果的不足和问题，提出了一种新的方法，能够准确获得两检测通道中光源噪声归一化互相关函数和电子噪声归一化互相关函数。使得光源噪声归一化互相关函数的测量不受电子噪声干扰，从而准确评价双探测器型光纤陀螺通过相减法对光源噪声的抑制作用。
附图说明
[0033] 图1是本发明涉及的光纤陀螺最小互易系统。
[0034] 图2是本发明的双探测器型光纤陀螺未加光纤延时环步骤时系统框图。
[0035] 图3是本发明的双探测器型光纤陀螺加入光纤延时环步骤时系统框图。
[0036] 图中：光源1、光纤耦合器2、Y波导3、光纤敏感环4、光纤耦合器死端5、信号探测器6、信号通道模数转换器7、数字信号处理器8、光源探测器9和光源通道模数转换器10、光纤延时环11。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038] 如图1所示，本发明的双探测器型光纤陀螺包括光源1、光纤耦合器2、Y波导3、光纤敏感环4、信号探测器6、信号通道模数转换器7和数字信号处理器8，光纤耦合器2的信号通道连接信号探测器6，上述构成了光纤陀螺最小互易系统。
[0039] 光纤耦合器死端5为在双探测器型光纤陀螺最小互易系统中光纤耦合器2不使用的端口，具体实验计算相关性时，在光纤耦合器死端5选择性的连接光纤延时环11或者光源探测器9。具体地，如图2所示，光纤耦合器死端5第一步骤采集数字信号时不与光纤延时环连接；如图3所示，光纤耦合器死端5第二步骤采集数字信号时与光纤延时环连接。
[0040] 本发明的工作原理和工作过程是：
[0041] 双探测器型光纤陀螺是在由光源、光纤耦合器、Y波导、光纤敏感环、信号探测器、信号通道模数转换器和数字信号处理器组成的光纤陀螺最小互易系统的基础上，在光纤耦合器死端增加光纤延时环、光源探测器和光源通道模数转换器构成。光源出光经光纤耦合器分为两光束，分别记为A光束和B光束。A光束经Y波导分为反向传输的两束光进入光纤敏感环，然后再次经Y波导合束后通过光纤耦合器进入信号探测器。死端不接入光纤延时环时，B光束经光纤耦合器直接进入光源探测器，此时A、B两通道同时对两探测器采样，采样信号噪声中包含同时刻的电子噪声和有时延的光源噪声，时延为光纤敏感环渡越时间。死端接入光纤延时环时，B光束经光纤耦合器进入光纤延时环，然后进入光源探测器，光纤延时环与光纤敏感环长度相同，故同时对两探测器采样时采样信号噪声中包含同时刻的光源噪声和相同时刻的电子噪声。
[0042] 不接入光纤延时环时，A路通道检测信号中光源噪声和电子噪声分为记为noA(t)和neA(t)，总噪声记为nA(t)。B路通道检测信号中光源噪声和电子噪声分为记为noB(t)和neB(t)，总噪声记为nB(t)。接入光纤延时环时，A路通道检测信号中光源噪声和电子噪声分为记为noA′(t)和neA′(t)，总噪声记为nA′(t)。B路通道检测信号中光源噪声和电子噪声分为记为noB′(t)和neB′(t)，总噪声记为nB′(t)。光纤延时环对光源噪声衰减可忽略不计。各噪声满足如下等式关系：
[0043] nA(t)＝noA(t)+neA(t)
[0044] nB(t)＝noB(t)+neB(t)
[0045] nA′(t)＝noA′(t)+neA′(t)
[0046] nB′(t)＝noB′(t)+neB′(t)
[0047] 其中，t表示时间。
[0048] 所有噪音均为白噪声，均值为0，即：
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 计算B路通道在未接入光纤延时环时，A、B两通道检测信号的归一化互相关函数[0054]
[0055] 其中，τ表示归一化相关函数自变量，是归一化相关函数计算过程中两个时间序列之间的时延。
[0056] 因为光源噪声和电子噪声互相独立，结合所有噪声信号均值为0， 在τ＝0时的值：
[0057]
[0058] 此时由于光源出光在不同时刻到达两探测器，所以量探测器检测信号中光源噪声相关函数为0，即：
[0059] E[noA(t)noB(t)]＝0
[0060] 所以 能化简为：
[0061]
[0062] 同样方法计算B路通道在接入光纤延时环时，A、B两通道检测信号的归一化互相关函数在τ＝0时的值
[0063]
[0064] 信号探测器和光源探测器检测信号中电子噪声在加入光纤延时环和不加入延时环两种情况下相同，即：
[0065] E[neA′(t)neB′(t)]＝E[neA(t)neB(t)]
[0066] 因此， 变为：
[0067]
[0068] 由此，光源噪声和电子噪声相关性k采用以下公式计算：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe分别采用以下公式计算：
[0073]
[0074]
[0075] 本发明的实施例及其实施过程如下：
[0076] 实施例通过仿真实验验证，实验初始条件如下：两通道光源噪声方差均为400，归一化互相关函数在零时刻的值为0.7；两通道光源噪声方差均为200，归一化互相关函数在零时刻的值为0.9，光纤延时环的作用通过上位机仿真实现。
[0077] 首先，按照图2所示连接系统，此时光纤延时环未接入。对信号探测器和光源探测器同时采样，采样序列为{nA(t)}和{nB(t)}，计算其方差Var[nA(t)]和Var[nB(t)]为：
[0078]
[0079]
[0080] 并计算信号探测器和光源探测器采样数据归一化相关函数为 为：
[0081]
[0082] 接着，如图3所示，加入光纤延时环，采样序列为{nA′(t)}和{nB′(t)}，计算其方差Var[nA′(t)]和Var[nB′(t)]为：
[0083]
[0084]
[0085] 并计算信号探测器和光源探测器采样数据归一化相关函数为 为：
[0086]
[0087] 电子噪声和光源噪声相关性k为：
[0088]
[0089] 光源噪声归一化互相关函数ρo和电子噪声归一化互相关函数ρe分别采用以下公式计算：
[0090]
[0091]
[0092] 实施例结果与仿真预先设定的设定值0.7和0.9相比，在计算精度内能够认为相等，由此可说明本发明方法准确性高。
[0093] 而此时如果直接用加入光纤环时采集到的数据计算两通道检测信号相关性为其中包含了电子噪声和光源噪声共同作用，无法分别获得光源噪声和电子噪声各自的归一化互相关函数。由此可见，本发明能够准确获取两检测通道中光源噪声相关性强弱，而不受电子噪声干扰，准确获得双探测器型光纤陀螺通过相减法对光源噪声的抑制作用。
