[发明专利]一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法

摘要

一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于滤波器包括带阻部分和低通部分；首先根据机抖激光陀螺机抖噪声特点设计线性相位IIR数字滤波器带阻部分；然后在时域内采用带遗忘因子的最小二乘参数估计使线性相位IIR数字滤波器低通部分逼近线性相位FIR低通滤波器，获得近似线性相位；最后建立频域内线性相位IIR数字滤波器低通部分目标函数，利用DFP法优化目标函数，修正时域设计结果，使线性相位IIR数字滤波器低通部分具有所期望的频率特性。其优点是相位近似线性，运算量低，群延时小；降低了滤波器对IMU硬件的要求，提高了IMU测量实时性，保证了时延补偿精度，为IMU高精度实时测量奠定了基础。

主权项

一种机抖激光陀螺惯性测量单元数字滤波器设计方法，其特征在于包括下列步骤：(1)根据机抖激光陀螺惯性测量单元性能要求，确定线性相位IIR数字带阻部分和低通部分的指标参数，所述指标参数包括：带阻部分阻带衰减参数Astop1，中心频率f0；低通部分阻带衰减参数Astop2，低通部分通带纹波Apass2，低通部分群延时波动Gdw；线性相位IIR数字滤波器整体阻带衰减参数Astop；并确定机抖激光陀螺抖动噪声峰值频率fn和强度An以及机抖激光陀螺抖频波动范围frange；(2)采用通带最平坦准则，以中心频率f0＝fn，设计线性相位IIR数字滤波器带阻部分，获得其传递函数分子系数as1，as2，…，asn和分母系数bs0，bs1，bs2，…，bsn，其传递函数 H s ( z ) = b s 0 + b s 1 z - 1 + b s 2 z - 2 + . . . + b sn z - n 1 + a s 1 z - 1 + a s 2 z - 2 + . . . + a sn z - n ; (3)在机抖激光陀螺的抖频调节范围为3frange～5frange的情况下测试Hs(z)，采集经Hs(z)滤波后的信号进行功率谱分析，如果抖动噪声峰值低于0.7An，调节Hs(z)的中心频率f0重新进行步骤(2)、步骤(3)；(4)在时域内，以线性相位FIR低通滤波器与线性相位IIR数字滤波器低通部分Hl(z)的误差为量测误差，利用最小二乘估计使Hl(z)相位线性化，获得Hl(z)初始分子系数a1(0)，a2(0)，…，an(0)和分母系数b0(0)，b1(0)…bn(0)，即初始 H l ( z ) = b 0 ( 0 ) + b 1 ( 0 ) z - 1 + b 2 ( 0 ) z - 2 + . . . + b n ( 0 ) z - n 1 + a 1 ( 0 ) z - 1 + a 2 ( 0 ) z - 2 + . . . + a n ( 0 ) z - n ; (5)在频域内，建立优化Hl(z)的目标函数J，J的相频误差评价函数权系数为Kp，幅频过渡带和阻带误差评价函数权系数为KM2，KM3；以a1(0)，a2(0)，…，an(0)，b0(0)，b1(0)…bn(0)为初值，采用DFP法对J进行优化，获得频域优化后的Hl(z)的分子和分母系数al1(n)，al2(n)，…，aln(n)，bl0(n)，bl1(n)…bln(n)；(6)通过单位冲激响应测试法，测试频域优化后的Hl(z)，并采集经Hl(z)滤波后机抖激光陀螺信号，进行功率谱分析，如果Hl(z)的通带纹波大于Apass2，同时减小Kp，KM2，KM3，如果Hl(z)的群延时波动大于Gdw，增大权系数Kp，如果机抖激光陀螺抖动噪声衰减低于Astop1，增大权系数KM3，重新进行步骤(6)；(7)利用公式H(z)＝Hs(z)Hl(z)求线性相位IIR数字滤波器传递函数H(z)，并采集滤波后信号进行功率谱分析，如果H(z)阻带内噪声衰减低于Astop，增大Astop1、Astop2，重新进行步骤(2)‑步骤(7)，求得H(z)的分子系数b0(n)，b1(n)，b2(n)…bn(n)和分母系数a1(n)，a2(n)，…，an(n)，最终获得线性相位IIR数字滤波器传递函数 H ( z ) = b 0 ( n ) + b 1 ( n ) z - 1 + b 2 ( n ) z - 2 + . . . + b n ( n ) z - n 1 + a 1 ( n ) z - 1 + a 2 ( n ) z - 2 + . . . + a n ( n ) z - n , 完成了线性相位IIR数字滤波器设计。