CN109581524B - 一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法 - Google Patents

一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号进行离散采样；步骤2、通过解调参考信号sin2ωt和cos2ωt将敏感器原始输出信号进行频谱搬移；步骤3、对步骤2得到的信号进行降采样；步骤4、将m组不同相位的信号(Γxx‑Γyy)gk和(Γxy)gk分别进行低通滤波；步骤5、将m组信号(Γxx‑Γyy)fk和(Γxy)fk的每点数据进行等权重融合。本发明可有效抑制系统输出信号中与位置无关的噪声，提高系统动态测量精度。

Description

一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法
技术领域
本发明属于重力梯度敏感器技术领域，涉及重力梯度敏感器动态测量解调方法，尤其是一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法。
背景技术
重力梯度仪是用于测量重力场分布梯度的精密设备，基于Bell Aerospace 公司提出的旋转加速度计测量原理的重力梯度仪是迄今唯一实用的近地表动态测量重力梯度仪。碍于重力梯度信号的微弱和加速度计性能的限制，梯度仪输出信号的信噪比极低，需通过解调、滤波等数据处理手段进一步提高测量精度。
如图2所示，旋转加速度计式重力梯度仪基于加速度计位置差分测量原理，通过机械旋转的方式将重力梯度张量分量调制到系统旋转频率的二倍频处，加速度计输出与重力梯度张量分量之间的关系可表示为：
(a1+a3)-(a2+a4)＝2R[(Γxx-Γyy)sin(2ωt+θ)-2Γxycos(2ωt+θ)]
式中，ω为圆盘旋转速率；R为加速度计中心到圆盘中心的距离；θ为初始相位。最后，加速度计组合信号通过2ω频率解调得到最终的重力梯度张量测量信号Γxx-Γyy和Γxy。
传统的重力梯度敏感器解调方法基于整周期的正弦解调方法，在数字系统中其解调原理公式为：
Figure BDA0001877477310000011
Figure BDA0001877477310000012
式中Aout(i)是经位置同步的加速度计输出采样值，N是重力梯度仪圆盘旋转半周时采样数据个数，ts是梯度仪的采样时间间隔，2是将解调值转化为幅值的比例系数。
上述方法虽可准确解调出重力梯度信号的零频成分，但其滚动平滑滤波的特性对重力梯度动态测量有效频段内会随着频率的增加会不同程度的衰减，滚动平滑滤波幅频响应如图3所示，在航空重力梯度测量关心的0.01-0.1Hz 有效频带内，可存在0.5dB的衰减，这在高精度动态重力梯度测量中是不可接受的。同时在有效测量频带外，该解调方式又无法满足重力梯度测量对动态噪声抑制比的要求，需在数据处理环节中增加低通滤波以满足系统要求。
因此，传统的解调方法并不适合重力梯度动态测量，需设计一种适应动态测量的旋转加速度计式重力梯度敏感器解调方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量的解调方法，在保证重力梯度有效测量频带内的信号不受衰减的前提下最大程度抑制系统原始输出信号重力梯度调制频率附近的不相关噪声，提高系统动态测量精度。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，包括以下步骤：
步骤1、对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号进行离散采样；
步骤2、通过解调参考信号sin2ωt和cos2ωt将敏感器原始输出信号进行频谱搬移，得到两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci；
步骤3、对步骤2得到的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci进行降采样；
步骤4、将m组不同相位的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk分别进行低通滤波；
步骤5、将m组信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk的每点数据进行等权重融合，得到解调后的重力梯度敏感器输出重力梯度信号(Γxx-Γyy)j和(Γxy)j， j＝1,2,3……，N/m；
而且，所述步骤1的具体方法为：对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号从初始相位角为0的时刻开始进行离散采样，采样时间间隔为Δt，得到敏感器原始输出信号Aout(i)和与之对应的时间ti，其中i＝1,2,3，……N；
而且，所述步骤2的两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci的计算公式为：
(Γxx-Γyy)ci＝Aout(i)·sin(2ω·ti)
(Γxy)ci＝Aout(i)·cos(2ω·ti)
而且，所述步骤3的具体步骤包括：
(1)降采样比例为m(应保证降采样后的信号采样频率大于1即m≤fs)，所用低通滤波器参数为：通带上限频率
Figure BDA0001877477310000031
阻带下限频率
Figure BDA0001877477310000032
通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法；其中fs为原始信号采样频率；
(2)将两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci经过上述低通滤波器，得到信号(Γxx-Γyy)di和(Γxy)di，对两路信号等间隔抽样，抽样间隔为m，得到m 组不同的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk，其中抽样相位k的取值为[0,m-1]；
而且，所述步骤4的具体方法为：
所用低通滤波器参数为：通带上限频率wp＝0.1Hz，阻带下限频率 ws＝0.12Hz，通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法，得到m组低通滤波后的信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk；
而且，所述步骤5的计算公式为：
Figure BDA0001877477310000041
Figure BDA0001877477310000042
本发明的优点和有益效果：
1、本发明在低通滤波器设计环节中采用雷米兹交替算法，通过对通带容限的参数设定可有效保证在动态重力梯度有效测量频带(0.01-0.1Hz)内，重力梯度信号衰减程度小于0.005dB；
2、本发明在降采样环节中采用等间隔抽样的方式建立多组数据，并将其等权重融合的方法可有效抑制系统输出信号中与位置无关的噪声，提高系统动态测量精度。
附图说明
图1为本发明的处理流程图；
图2为本发明的旋转加速度计式重力梯度敏感器原理示意图；
图3为本发明的滚动平滑滤波幅频响应结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号进行离散采样；
所述步骤1的具体方法为：对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号从初始相位角为0的时刻开始进行离散采样，采样时间间隔为Δt，得到敏感器原始输出信号Aout(i)和与之对应的时间ti，其中i＝1,2,3，……N；
步骤2、通过解调参考信号sin2ωt和cos2ωt将敏感器原始输出信号进行频谱搬移，得到两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci；
所述步骤2的两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci的计算公式为：
(Γxx-Γyy)ci＝Aout(i)·sin(2ω·ti)
(Γxy)ci＝Aout(i)·cos(2ω·ti)
步骤3、对步骤2得到的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci进行降采样；
所述步骤3的具体步骤包括：
(1)降采样比例为m(应保证降采样后的信号采样频率大于1即m≤fs)，所用低通滤波器参数为：通带上限频率
Figure BDA0001877477310000051
阻带下限频率
Figure BDA0001877477310000052
通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法；其中fs为原始信号采样频率；
(2)将两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci经过上述低通滤波器，得到信号(Γxx-Γyy)di和(Γxy)di，对两路信号等间隔抽样，抽样间隔为m，得到m 组不同的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk，其中抽样相位k的取值为[0,m-1]；
步骤4、将m组不同相位的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk分别进行低通滤波；
所述步骤4的具体方法为：
所用低通滤波器参数为：通带上限频率wp＝0.1Hz，阻带下限频率 ws＝0.12Hz，通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法，得到m组低通滤波后的信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk；
步骤5、将m组信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk的每点数据进行等权重融合，得到解调后的重力梯度敏感器输出重力梯度信号(Γxx-Γyy)j和(Γxy)j， j＝1,2,3……，N/m；
所述步骤5的计算公式为：
Figure BDA0001877477310000061
Figure BDA0001877477310000062
本发明的工作原理是：
基于同步解调的原理，将传统的时域平滑改为低通滤波，在滤波器算法采用雷米兹交替方法，通过对通带容限的约束保证重力梯度动态测量下信号衰减小于0.005dB。并在低通滤波前增加降采样环节，并在抽取过程中依据相位的不同抽取成多组只与位置有关的数据，同时低通滤波成多组重力梯度量测信号，将上述多组量测信号等权重融合成最后输出结果以抑制与位置无关的噪声，提高系统动态测量精度。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，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 (6)

1.一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号进行离散采样；
步骤2、通过解调参考信号sin2ωt和cos2ωt将敏感器原始输出信号进行频谱搬移，得到两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci；
步骤3、对步骤2得到的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci进行降采样；
步骤4、将m组不同相位的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk分别进行低通滤波；
步骤5、将m组信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk的每点数据进行等权重融合，得到解调后的重力梯度敏感器输出重力梯度信号(Γxx-Γyy)j和(Γxy)j，j＝1,2,3……，N/m。
2.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：对工作中的旋转加速度计式重力梯度敏感器中加速度计组合输出模拟信号从初始相位角为0的时刻开始进行离散采样，采样时间间隔为Δt，得到敏感器原始输出信号Aout(i)和与之对应的时间ti，其中i＝1,2,3，……N。
3.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：所述步骤2的两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci的计算公式为：
(Γxx-Γyy)ci＝Aout(i)·sin(2ω·ti)
(Γxy)ci＝Aout(i)·cos(2ω·ti)。
4.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：
(1)降采样比例为m，应保证降采样后的信号采样频率大于1即m≤fs，所用低通滤波器参数为：通带上限频率
Figure FDA0002450077900000021
阻带下限频率
Figure FDA0002450077900000022
通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法；其中fs为原始信号采样频率；
(2)将两组相位正交的信号(Γxx-Γyy)ci和(Γxy)ci经过上述低通滤波器，得到信号(Γxx-Γyy)di和(Γxy)di，对两路信号等间隔抽样，降采样比例为m，得到m组不同的信号(Γxx-Γyy)gk和(Γxy)gk，其中抽样相位k的取值为[0,m-1]。
5.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
所用低通滤波器参数为：通带上限频率wp＝0.1Hz，阻带下限频率ws＝0.12Hz，通带容限ap＝0.001dB，阻带容限as＝60dB，滤波器算法为雷米兹交替算法，得到m组低通滤波后的信号(Γxx-Γyy)fk和(Γxy)fk。
6.根据权利要求1所述的一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法，其特征在于：所述步骤5的计算公式为：
Figure FDA0002450077900000023
Figure FDA0002450077900000024
。
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