CN104570142B - 一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，其主要技术特点是：获取转速测量信号和等角位置脉冲序列；获取同周期相位超前90°的方波信号和脉冲触发时间脉冲序列；将等角位置脉冲序列通过计数方式产生周期为2π的二个方波信号和周期为π的二个方波信号；将加速度计组件输出信号分为两路，分别解调得到信息C、信息A、B、e1(Txx‑Tyy)、e2Txy。本发明采用等角位置间隔输出脉冲序列和等时间间隔脉冲系列的双重基准解调方法，对重力梯度敏感器加速度计组件输出信号进行解调从而获得有用信息A、B、C、e1(Txx‑Tyy)、e2Txy，并采用DSP进行自动处理，具有精度高、易于实现等特点。

Description

一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法
技术领域
本发明属于重力梯度仪领域，尤其是一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法。
背景技术
重力梯度仪可以用来测量重力梯度张量(重力加速度矢量的空间梯度)，重力梯度张量有五个独立项，即完全确定空间任意点的重力梯度张量需要五个独立量的测量。旋转加速度计重力梯度仪由安装在惯性稳定平台上正交的三套重力梯度敏感器组成，重力梯度敏感器是一个单轴旋转装置，其旋转台体上安装一组(四个)加速度计，四个加速度计A1、A2、A3、A4在台体上的安装方式如图1所示，四个加速度计均布安装在以旋转轴为中心的圆周上，加速度计敏感轴方向沿圆周切向，通过对加速度计组件输出信号(A1+A3-A2-A4)解调可得到旋转台体所在平面的重力梯度张量分量信号。重力梯度敏感器旋转台体旋转方式为均速旋转叠加小幅正弦抖动，即转速ω＝ωC+ωBsin2πfBt，其中ωC、ωB、fB均为预设的常值，t为时间。重力梯度敏感器进行重力梯度测量时，加速度计组件测量输出信号为：
A1-A2+A3-A4＝Asinωt+Bcosωt+Ccos2πfBt
+e1(Txx-Tyy)sin2ωt+e2Txycos2ωt
其中e1、e2为由机械参数决定的常数，Txx、Tyy、Txy为旋转台体所在平台内的三个重力梯度张量分量。(A1+A3-A2-A4)信号中包含多个有效频率成分：转速一倍频幅值A、B和转速抖动频率幅值C中包含四个加速度计之间标度因数不一致信息，用作加速度计标度因数调整回路的反馈信号；转速二倍频幅值则包含重力梯度张量分量信息，即为所需的重力梯度测量信号。考虑带入转速ω＝ωC+ωBsin2πfBt，加速度计组件测量输出信号变为：
A1-A2+A3-A4＝AsinωC+ωBsin2πfBtt
+Bcos(ωC+ωBsin2πfBt)t
+Ccos2πfBt
+e1(Txx-Tyy)sin2(ωC+ωBsin2πfBt)t
+e2Txycos2(ωC+ωBsin2πfBt)t
其中有用信息A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy不再对应某个频率的幅值，获取这些信息将变得十分复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理且能够方便获得加速度计组件测量信息的重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，解决了获取A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy等加速度计组件测量信息不便的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，包括以下步骤：
步骤1、获取转速测量信号和等角位置脉冲序列；
步骤2、将转速测量信号去除常值并转化为同周期相位超前90°的方波信号，同时，该方波信号发出触发脉冲触发时间脉冲序列；
步骤3、将等角位置脉冲序列通过计数方式产生周期为2π的二个方波信号和周期为π的二个方波信号；
步骤4、将加速度计组件输出信号分为两路，一路信号以时间脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到第一路数字信号，该数字信号以步骤2得到的同周期相位超前90°的方波信号为解调基准信号解调得到信息C；另一路信号以角位置脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到第二路数字信号，该数字信号分别以步骤3得到的四个方波信号为解调基准信号解调得到信息A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy；
所述信息A、B分别为转速一倍频幅值，所述信息C为转速抖动频率幅值；所述e1(Txx-Tyy)为重力梯度张量分量Txx、Tyy之差的常数，所述的e2Txy为重力梯度张量分量Txy的常数。
而且，所述步骤1的具体方法为：旋转台体采用光栅测角模块，经过电子细分线路输出信号到轴运动控制器，由轴运动控制器输出转速测量信号和等角位置脉冲序列。
本发明的优点和积极效果是：
本发明采用等角位置间隔输出脉冲序列和等时间间隔脉冲系列的双重基准解调方法，对重力梯度敏感器加速度计组件输出信号进行解调从而获得有用信息A、B、C、e1(Txx-Tyy)、e2Txy，并采用DSP进行自动处理，具有精度高、易于实现等特点。
附图说明
图1是加速度计组件在旋转台体上的布置图；
图2是时间解调基准信号的生成示意图；
图3是位置解调基准信号的生成示意图；
图4是本发明的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，是基于等角位置间隔输出脉冲序列和等时间间隔脉冲系列的双重基准解调方案用于对重力梯度敏感器加速度计组件输出信号进行解调从而获得有用信息A、B、C、e1(Txx-Tyy)、e2Txy。其实现原理为：
设：重力梯度敏感器旋转台体角位置为θ，则
θ＝ωt＝ωC+ωBsin2πfBtt
则加速度计组件输出模拟信号(A1+A3-A2-A4)为
A1-A2+A3-A4＝Ccos2πfBt+
sinθ+Bcosθ+e1(Txx-Tyy)sin2θ+e2Txycos2θ
加速度计组件输出模拟信号分为两部分，Ccos2πfBt项视为时间t的函数，Asinθ+Bcosθ+e1(Txx-Tyy)sin2θ+e2Txycos2θ项则视为旋转台体角位置θ的函数。因此，对加速度计组件输出模拟信号同时以两种方式进行数据采集：第一种方式采用时间基准采样信号，即采样信号为等时间间隔脉冲序列进行数据采集，实现模数转换，得到数字信号1；第二种方式采用位置基准采样信号，即采用旋转台体等角位置间隔脉冲序列进行数据采集，由测角模块根据设定的位置间隔输出等位置间隔的脉冲序列，实现模数转换，得到数字信号2。即加速度计组件输出模拟信号(A1+A3-A2-A4)通过两路基准采样信号转换为两路数字信号。
旋转台体转速测量信号去除常值后的正弦周期信号转换为同频率的相位超前90°的方波信号E作为解调基准信号，如图2所示，对数字信号1解调得到Ccos2πfBt项的幅值信息C。
由重力梯度敏感器测角模块输出的等位置间隔脉冲信号获得四路方波信号F1、F2、F3、F4，如图3所示，分别作为Asinθ、Bcosθ、e1(Txx-Tyy)sin2θ、e2Txycos2θ项的解调基准信号，对数字信号2进行解调得到幅值信息A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy。
本发明的具体实现方法包括以下步骤：
步骤1、旋转台体采用光栅测角模块，经过电子细分线路输出信号到轴运动控制器，由轴运动控制器输出转速测量信号和等角位置脉冲序列。
在本步骤中，轴运动控制器输出的等角位置脉冲序列的周期应可被π4整除。
步骤2、将转速测量信号去除常值并转化为同周期相位超前90°的方波信号E，如图2所示；同时方波信号E发出触发脉冲触发时间脉冲序列。
步骤3、将等角位置脉冲序列通过计数方式产生周期为2π的方波信号F1、F2和周期为π的方波信号F3、F4，如图3所示。
步骤4、加速度计组件输出信号(A1+A3-A2-A4)分为两路，加速度计组件输出的一路信号以时间脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到数字信号1，该数字信号以信号E为解调基准信号解调得到信息C。加速度计组件输出的另一路信号以角位置脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到数字信号2，数字信号2分别以信号F1、F2、F3、F4为解调基准信号解调得到信息A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy。如图4所示，该图给出的是利用DSP芯片实现数字信号解调功能，但是数字信号解调功能并不仅限于DSP芯片实现，利用其他微处理器也可以实现数字信号解调功能。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、获取转速测量信号和等角位置脉冲序列；
步骤2、将转速测量信号去除常值并转化为同周期相位超前90°的方波信号，同时，该方波信号发出触发脉冲触发时间脉冲序列；
步骤3、将等角位置脉冲序列通过计数方式产生周期为2π的二个方波信号和周期为π的二个方波信号；
步骤4、将加速度计组件输出信号分为两路，一路信号以时间脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到第一路数字信号，该数字信号以步骤2得到的同周期相位超前90°的方波信号为解调基准信号解调得到信息C；另一路信号以角位置脉冲信号为采样基准信号进行A/D转换，得到第二路数字信号，该数字信号分别以步骤3得到的四个方波信号为解调基准信号解调得到信息A、B、e1(Txx-Tyy)、e2Txy；
所述信息A、B分别为转速一倍频幅值，所述信息C为转速抖动频率幅值；所述e1(Txx-Tyy)为重力梯度张量分量Txx、Tyy之差的常数，所述的e2Txy为重力梯度张量分量Txy的常数。
2.根据权利要求1所述的一种重力梯度仪重力梯度测量信号的解调方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：旋转台体采用光栅测角模块，经过电子细分线路输出信号到轴运动控制器，由轴运动控制器输出转速测量信号和等角位置脉冲序列。
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