小波分析在光纤加速度计信号检测中的应用

　　0　引言

　　作为一种新型惯性系统,光纤加速度计具有精度高、灵敏度高、响应速度快、动态范围大和抗电磁干扰能力强等诸多优点,与传统的加速度计相比,光纤加速度计在惯性导航领域中显现出很大的优势,因此已广泛应用于航空、航天和航海的导航与制导系统中。

　　尽管如此,光纤加速度计的输出仍然受干扰因素的影响,其中包括光路噪声、探测器噪声、电路噪声以及环境变化引起的大量噪声,这些噪声大大影响了光纤加速度计的精度。在以往的方法中,大多是从硬件滤波的角度出发来抑制干扰噪声的,但是通常情况下这种抑制作用是有限的。本文分析了光纤加速度计测试系统中几种主要噪声,从软件滤波的角度着手,将小波包分析的方法应用于飞机加速度信号的检测中,经过仿真实验验证,这种方法具有可行性。

　　1　系统中存在的几种主要噪声

　　1·1　激光光源引入的噪声

　　在加速度计系统中,激光光源中的很多因素会导致输出的光功率发生随机变化,将一定的强度噪声引入系统,其中包括量子噪声、光模跳变噪声和光反馈引入噪声等[1]。强度噪声会影响信号检测的灵敏度,致使输出信号发生随机抖动[2]。经过光电转换后,抖动使得输出的电流信号不稳定。因强度噪声具有1/f特性,所以在低频时影响程度大。

　　在激光光源中,该噪声随注入电流而变,并且在一定条件下会有不同程度的放大。

　　1·2　光电探测器引入的噪声

　　光电探测器在完成光电转换的过程中,无用的噪声信号(如热噪声、暗电流噪声、散粒噪声等)也“污染”了被测对象的有用信号。这些无用的噪声信号使探测器的探测性能和系统的信噪比大大降低。光电转换过程中,主要的噪声来源是热噪声和散粒噪声,其中热噪声对探测能力影响最大。

　　热噪声存在于任何导体和半导体中,它来源于电阻内部的自由电子或电荷载流子的不规则热运动。当没有外场时,导体中的电子做无规则的热运动,无定向的迁移,因而没有电流,但由于涨落,向两个相反方向运动的电子数并不完全相等,因此在导体和半导体中产生随机涨落电势(噪声电压),并引起涨落电流。噪声电压均方值U2T取决于材料的温度,并有如下关系:

　　热噪声与测量仪器的电子带宽成正比,而与频率无关,表明热噪声的频谱无限宽,噪声功率谱密度(4KTR)是常数,类比白光是各种频率光的合成,故热噪声亦称“白噪声”[4]。由于光、电载流子形成和流动密度的涨落造成的噪声称为电路的散粒噪声。同样,散粒噪声在很宽的频率范围内,功率谱也是均匀的[5]。