CN104729540A - 一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法，为实现飞行器力学环境参数的高精度测量，本方法首先对输入信号进行调理，选用Sigma Delta型AD变换器对调理后信号进行过采样和噪声整形，通过FIR数字滤波滤出高频噪声，最后通过抽取技术保证数据输出速率要求，实现了飞行器力学环境参数的高精度测量。

Description

一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法，属于信号采集与处理技术领域。

背景技术

测量精度是飞行器测量系统(以下简称测量系统)追求的最重要的指标之一，因此如何在有限条件下提高精度是测量系统设计的重点。测量系统信号传输环节多，最终的测量精度受多种因素影响，其中AD转换器是很重要的一个环节。

测量系统设计过程中，传感器产生的连续信号，要经过当前无线信道的传输，必须转化为数字信号，任何模拟到数字的转换必然造成信号的失真。如何保证有限频带内信号极低失真的恢复是数据采集的核心问题。

现有的数据采集方法由于硬件水平的限制，选用奈奎斯特型AD转换器，应用最多的是逐次逼近型AD转换器，简单的遵循采样定理而采集。传统奈奎斯特型AD转换器采样率有限，对于信号频率较高的力学环境参数往往难以满足采样定理的要求，信号出现混叠，因此现有测量系统力学参数采集部分通常在AD转换器之前加抗混叠滤波器进行低通滤波。抗混叠滤波器是一种模拟低通滤波器，受模拟元器件的精度限制，其阻带衰减难以做到很高，信号仍会出现一定程度的混叠。

理论分析与历次测量数据一致表明，传统奈奎斯特型AD与抗混叠滤波器的组合已经无法满足飞行器测量系统对力学环境参数高精度测量的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法，突破现有的奈奎斯特型AD与抗混叠滤波器的组合框架，用性能指标远远高于模拟滤波器的数字滤波器代替模拟滤波器，将数字滤波与过采样和噪声整形相结合，滤除大部分高频噪声，提高精度。

本发明解决的技术方案为：一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统，包括多个信号采集通路，每个信号采集通路包括信号调理电路、SigmaDelta型AD转换器、FIR数字滤波器、抽取模块；

信号调理电路，从飞行器的传感器及变换器接收一路力学环境参数模拟信号，该路力学环境参数模拟信号是振动参数或噪声参数或冲击参数，该路力学环境参数模拟信号的最高频率fc，将该路力学环境参数模拟信号的幅度范围调整至Sigma Delta型AD转换器所需要的输入范围，送至Sigma Delta型AD转换器；

Sigma Delta型AD转换器对该路信号调理电路调整后的力学环境参数模拟信号进行R倍过采样，传统的测量方法是通过乃奎斯特型AD转换器进行采样，该乃奎斯特型AD转换器的采样频率fs大于等于两倍的信号最高频率fc，过采样频率为R×fs，过采样后，Sigma Delta型AD转换器采用SigmaDelta调制技术对该路信号进行噪声整形，输出该路力学环境参数数字信号，该力学环境参数数字信号的量化噪声不均匀地分布在0到R×fs/2间的频率范围；

FIR数字滤波器，对Sigma Delta型AD转换器噪声整形后的该路力学环境参数数字信号进行数字低通滤波，滤除高频噪声；

抽取模块设定M因子，M因子即抽取比例，抽取模块按照M因子对FIR数字滤波器进行数字低通滤波后的该路力学环境参数数字信号进行抽取，以减低数据输出速率，所述M因子的选择范围为根据M因子抽取后数据输出速率大于等于两倍的信号最高频率fc。

所述的信号调理电路包括电压跟随器电路、差动转换电路；

电压跟随器电路包括第一运算放大器；差动转换电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二运算放大器、第三运算放大器；第一运算放大器的输入正端作为信号输入，第一运算放大器的输入负端连接第一运算放大器的输出端，第四电阻R4的一端连接第一运算放大器的输出端，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器的输入负端，第六电阻R6的一端连接第二运算放大器的输入负端，第六电阻R6的另一端连接第二运算放大器的输出端，并作为输出信号的负端；

第二运算放大器的正端通过第五电阻R5接地；

第二运算放大器的输出端通过第一电阻R1连接第三运算放大器的输入负端，第三运算放大器的输入正端通过第二电阻R2接地，第三电阻R3的一端连接第三运算放大器的输入负端，第三电阻R3的另一端连接第三运算放大器的输出端，并作为输出信号的正端。

一种飞行器力学环境参数高精度测量的方法，包括步骤如下：

(1)信号调理电路，从飞行器的传感器及变换器接收一路力学环境参数模拟信号，该路力学环境参数模拟信号是振动参数或噪声参数或冲击参数，该路力学环境参数模拟信号的最高频率fc，将该路力学环境参数模拟信号的幅度范围调整至Sigma Delta型AD转换器所需要的输入范围，送至Sigma Delta型AD转换器；

(2)Sigma Delta型AD转换器对该路步骤(1)信号调理电路调整后的力学环境参数模拟信号进行R倍过采样，传统的测量方法是通过乃奎斯特型AD转换器进行采样，该乃奎斯特型AD转换器的采样频率fs大于等于两倍的信号最高频率fc，过采样频率为R×fs，过采样后，Sigma Delta型AD转换器采用Sigma Delta调制技术对该路信号进行噪声整形，输出该路力学环境参数数字信号，该力学环境参数数字信号的量化噪声不均匀地分布在0到R×fs/2间的频率范围；

(3)FIR数字滤波器对步骤(2)Sigma Delta型AD转换器噪声整形后的该路力学环境参数数字信号进行数字低通滤波，滤除高频噪声；

(4)抽取模块设定M因子，M因子即抽取比例，抽取模块按照M因子对步骤(3)FIR数字滤波器进行数字低通滤波后的该路力学环境参数数字信号进行抽取，以减低数据输出速率，所述M因子的选择范围为根据M因子抽取后数据输出速率大于等于两倍的信号最高频率fc。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明用性能指标远远高于模拟滤波器的数字滤波器代替模拟滤波器，滤除大部分高频噪声，提高测量精度。

(2)对于信号频率较高的飞行器力学环境参数，Sigma Delta型AD转换器通过过采样降低了抗混叠滤波器的要求甚至不使用抗混叠滤波器也仍满足采样定理；Sigma Delta型AD转换器通过过采样与噪声整形将大部分噪声搬移至高频段，使数字滤波效果更好。

(3)本发明在AD转换器之前先对信号进行调理，用于阻抗变换和单端信号到差动信号的转换，并可根据选取不同电阻值适应不同输入信号范围。

附图说明

图1为本发明力学环境参数高精度测量系统各信号采集通路组成框图；

图2为本发明各信号采集通路信号调理电路原理图；

图3为传统测量方法测量结果；

图4为本发明某个信号采集通路测量结果。

具体实施方式

本发明的基本思路为：针对传统奈奎斯特型AD与抗混叠滤波器的组合无法满足飞行器测量系统对力学环境参数高精度测量要求的现状，提供一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统及方法，系统包括多个信号采集通路，各信号采集通路包括信号调理电路、Sigma Delta型AD转换器、FIR数字滤波器、抽取模块。各采集通路通过Sigma Delta型AD变换器对调理后的信号进行过采样和噪声整形，之后用FIR数字滤波滤除高频噪声，最后通过抽取技术保证数据输出速率要求，实现了该路信号的高精度测量，整个系统实现多路飞行器力学环境参数的高精度测量。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，如图1所示，每个信号采集通路包括信号调理电路、Sigma Delta型AD转换器、FIR数字滤波器、抽取模块。过采样技术大大降低了对前端抗混叠滤波器的要求，本方案中可不再使用抗混叠滤波器或者在信号调理电路前使用简单的一阶RC低通滤波器。先通过调理电路将被测信号范围调整至AD所需要的范围；采用Sigma Delta型AD进行过采样并实现噪声整形，即通过过采样和噪声整形技术将大部分量化噪声分布在频率更高的频段；之后通过数字低通滤波器滤除高频段的噪声，提高信噪比；最后通过数据抽取得到需要的数据输出速率。

如图2所示，信号调理电路的主要功能是为完成单端模拟信号到差动模拟信号的转换，来适应Sigma Delta型AD转换器的差分输入需求。在输入信号和差动转换电路之间通过电压跟随器进行阻抗匹配，电压跟随器的输出电压等于该路力学环境参数模拟信号输入电压Vin，第一运算放大器选择高输入阻抗的运算放大器。差动转换电路通过两个反向比例运算电路来实现，Vo-为信号调理电路输出的差动信号的负端，Vo+为信号调理电路输出的差动信号的正端，实现了单端模拟信号到差动模拟信号的转换。可以根据输入信号范围对电阻阻值进行调整来得到适合Sigma Delta型AD转换器的输入范围。本系统某一信号采集通路输入信号电压范围为0～5V时，选择R1＝R3＝20K，R2＝10K，R5＝R6＝3K，R4＝12K，则将输入信号转化为-1.25V～1.25V的差动电压信号。还可以在在输入信号与电压跟随器之间加一阶RC低通滤波器，来滤除高频噪声。一阶RC低通滤波器包括第七电阻R7和第一电容C1。第七电阻R7一端接输入信号，另一端接电压跟随器的输入正端，电压跟随器的输入正端通过第一电容C1接地。本系统各信号采集通路根据该路输入信号最高频率fc选择合适的一阶RC低通滤波器通带截止频率，为5×fc～10×fc。

本系统选用16位或24位的Sigma Delta型AD变换器来实现过采样与Sigma Delta调制，将噪声最大程度搬移至高频段。AD转换必须满足采样定理的要求，即采样频率fs大于等于两倍的信号最高频率fc。将采样频率提高到R×fs，R为过采样倍数(R≥1)，即可实现过采样，R为过采样倍数。本系统中，过采样倍数可以是32、64、128，可自由选择配置，本系统具体应用时选择128倍过采样。通常过采样在提高一倍采样频率的情况下可以将信噪比提高3dB。Sigma Delta调制技术可以改变量化噪声在频谱上的能量分布，使其尽可能集中在高频段，使后续数字滤波收到更好的效果。

FIR数字滤波器为线性相位，不会因为数字信号处理造成额外的相位失真，故本系统选用了FIR数字低通滤波器。良好的相位特性使它可以最大限度地将数字滤波后的频域信号恢复为时域信号。优良的性能指标保证FIR数字低通滤波器可以准确、有效地滤除高频噪声，提高信噪比。本方案选择的FIR数字滤波器阻带衰减为-120dB，群延时时间177μs。

在本系统中，经过128倍过采样之后，数据输出速率变为传统采样的128倍。由于后续数据传输码率的限制，本系统对数据输出速率有一定要求，数据输出速率通过抽取来满足。数字滤波之后，通过保留某些采样而丢弃其余采样来减低数据输出速率，也就是按M因子"抽取"。M因子为抽取比例，可以是任何整数值。选择抽取因子时要保证输出数据速率高于两倍的信号带宽。这样，如果以R×fs的频率对输入信号进行过采样，按M因子进行抽取，则抽取后的输出数据速率可降低至R×fs/M。本系统采用抽取因子与过采样倍数一样，为128，这样在采样位数相同情况下，即可保证与传统采样方式相同的输出数据速率。

飞行器力学环境参数高精度测量系统已经在某些型号上得以应用，其测量精度相比传统采样方式有很大改善，收到了很好的效果。如图3和图4所示，A曲线为现有测量方法对某一力学环境参数的测量结果，B曲线为本测量对此参数的测量结果。可以看出，曲线A中含有大量噪声，一部分有用信号被淹没在噪声中，曲线B则较好地对信号进行了恢复，测量精度高。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统，其特征在于：包括多个信号采集通路，每个信号采集通路包括信号调理电路、Sigma Delta型AD转换器、FIR数字滤波器、抽取模块；

信号调理电路，从飞行器的传感器及变换器接收一路力学环境参数模拟信号，该路力学环境参数模拟信号是振动参数或噪声参数或冲击参数，该路力学环境参数模拟信号的最高频率fc，将该路力学环境参数模拟信号的幅度范围调整至Sigma Delta型AD转换器所需要的输入范围，送至Sigma Delta型AD转换器；

Sigma Delta型AD转换器对该路信号调理电路调整后的力学环境参数模拟信号进行R倍过采样，传统的测量方法是通过乃奎斯特型AD转换器进行采样，该乃奎斯特型AD转换器的采样频率fs大于等于两倍的信号最高频率fc，过采样频率为R×fs，过采样后，Sigma Delta型AD转换器采用SigmaDelta调制技术对该路信号进行噪声整形，输出该路力学环境参数数字信号，该力学环境参数数字信号的量化噪声不均匀地分布在0到R×fs/2间的频率范围；

FIR数字滤波器，对Sigma Delta型AD转换器噪声整形后的该路力学环境参数数字信号进行数字低通滤波，滤除高频噪声；

抽取模块设定M因子，M因子即抽取比例，抽取模块按照M因子对FIR数字滤波器进行数字低通滤波后的该路力学环境参数数字信号进行抽取，以减低数据输出速率，所述M因子的选择范围为根据M因子抽取后数据输出速率大于等于两倍的信号最高频率fc。

2.一种飞行器力学环境参数高精度测量的系统，其特征在于：所述的信号调理电路包括电压跟随器电路、差动转换电路；

电压跟随器电路包括第一运算放大器；差动转换电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二运算放大器、第三运算放大器；第一运算放大器的输入正端作为信号输入，第一运算放大器的输入负端连接第一运算放大器的输出端，第四电阻R4的一端连接第一运算放大器的输出端，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器的输入负端，第六电阻R6的一端连接第二运算放大器的输入负端，第六电阻R6的另一端连接第二运算放大器的输出端，并作为输出信号的负端；

第二运算放大器的正端通过第五电阻R5接地；

第二运算放大器的输出端通过第一电阻R1连接第三运算放大器的输入负端，第三运算放大器的输入正端通过第二电阻R2接地，第三电阻R3的一端连接第三运算放大器的输入负端，第三电阻R3的另一端连接第三运算放大器的输出端，并作为输出信号的正端。

3.一种飞行器力学环境参数高精度测量的方法，其特征在于：包括步骤如下：

(1)信号调理电路，从飞行器的传感器及变换器接收一路力学环境参数模拟信号，该路力学环境参数模拟信号是振动参数或噪声参数或冲击参数，该路力学环境参数模拟信号的最高频率fc，将该路力学环境参数模拟信号的幅度范围调整至Sigma Delta型AD转换器所需要的输入范围，送至Sigma Delta型AD转换器；

(2)Sigma Delta型AD转换器对该路步骤(1)信号调理电路调整后的力学环境参数模拟信号进行R倍过采样，传统的测量方法是通过乃奎斯特型AD转换器进行采样，该乃奎斯特型AD转换器的采样频率fs大于等于两倍的信号最高频率fc，过采样频率为R×fs，过采样后，Sigma Delta型AD转换器采用Sigma Delta调制技术对该路信号进行噪声整形，输出该路力学环境参数数字信号，该力学环境参数数字信号的量化噪声不均匀地分布在0到R×fs/2间的频率范围；

(3)FIR数字滤波器对步骤(2)Sigma Delta型AD转换器噪声整形后的该路力学环境参数数字信号进行数字低通滤波，滤除高频噪声；

(4)抽取模块设定M因子，M因子即抽取比例，抽取模块按照M因子对步骤(3)FIR数字滤波器进行数字低通滤波后的该路力学环境参数数字信号进行抽取，以减低数据输出速率，所述M因子的选择范围为根据M因子抽取后数据输出速率大于等于两倍的信号最高频率fc。