CN110658053A - 一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法，通过Haar连续小波变换来制定卫星组件冲击试验条件，能够较好处理瞬时非稳态信号，准确反映卫星组件实际承受的冲击载荷量级；针对当前应用冲击响应谱表征卫星组件冲击试验条件容易造成过试验或者欠试验的情况，解决了制定卫星组件冲击试验条件时难以准确确定动力放大系数带来的试验条件量级不准确的问题。

Description

一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法，属于航天器力学环境试验领域。

背景技术

航天器结构及有效载荷可能会在火工冲击力学环境中损伤或失效，这将影响甚至提前终止航天任务。火工品冲击载荷对航天器主结构通常不会构成破坏性影响，但是能够造成对冲击敏感的元器件和仪器设备的损伤，如高频环境敏感的高灵敏度设备、电子产品，它们会发生故障，轻薄结构、脆性材料会发生破坏等。卫星上应用的火工装置通常可以分为点源火工品和线源火工品两大类，其中直接装配在卫星舱板上点源火工品是星上电子设备面临的主要威胁之一。火工品工作时会产生爆炸冲击波，产生的高温高压燃气推动作动机构作动时会发生撞击，另外还会激起安装结构的模态运动，因而火工品冲击载荷是典型的瞬时非稳态载荷。

在现有技术中，大多通过冲击响应谱用来描述冲击载荷，但在描述过程中存在以下缺点：无法看出冲击载荷持续的时间；冲击载荷自身的频谱特性不明朗；计算冲击响应谱时通常选取动力放大系数Q＝10，然而实际产品的动力放大系数可能远大于或者远小于10。对于含有多种频率分量的火工品冲击载荷，冲击响应谱值与动力放大系数Q之间是复杂的非线性关系。不同的冲击载荷在Q＝10时计算出的冲击响应谱量级相当的情况下，应用产品的实际动力放大系数进行计算时得出的冲击响应谱量级可能相差较大，这就会造成应用冲击响应谱作为试验条件进行冲击试验时会导致过试验或者欠试验的现象。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，当前应用冲击响应谱表征卫星组件冲击试验条件容易造成过试验或者欠试验的情况，提出了一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法，解决了制定卫星组件冲击试验条件时难以准确确定动力放大系数带来的试验条件量级不准确的问题。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，包括时域冲击载荷测量模块、Haar小波分析模块、小波系数处理模块、试验条件限定模块，其中：

时域冲击载荷测量模块：利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号处理成时域冲击载荷加速度信号传递至Haar小波分析模块；

Haar小波分析模块：对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，获取小波系数矩阵；

小波系数处理模块：根据小波系数矩阵求整数倍采样周期对应频点下所有小波系数最大绝对值，得到最大小波系数曲线；

试验条件限定模块：根据最大小波系数曲线及试验条件余量要求限制计算并获取卫星组件冲击余量限定曲线，并按照该曲线进行组件冲击试验。

所述时域冲击载荷测量模块包括冲击传感器、信号适调器、数据采集处理器，其中：

冲击传感器：将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号传递至信号适调器；

信号适调器：对载荷电信号进行滤波处理，滤除零频信号，并将滤波后信号传递至数据采集处理器；

数据采集处理器：对滤波后信号进行数字化处理，获取处理后时域冲击载荷加速度信号并进行存储。

所述Haar小波分析模块包括小波分析参数设置单元、Haar连续小波变换单元、小波时频图及小波系数矩阵生成单元，其中：

小波分析参数设置单元：对小波分析的起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率进行设置，并将所设参数传递至Haar连续小波变换单元；

Haar连续小波变换单元：依据所设参数对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数；

小波时频图及小波系数矩阵生成单元：根据小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件。

所述小波系数处理模块包括小波系数绝对值计算单元、最大小波系数曲线计算单元，其中：

小波系数绝对值计算单元：计算小波系数矩阵中每一元素的绝对值，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列文件；

最大小波系数曲线计算单元：依据所述二维数列文件绘制最大小波系数曲线。

所述试验条件限定模块包括最大小波系数曲线包络线计算单元、试验条件生成单元，其中：

最大小波系数曲线包络线计算单元：根据最大小波系数曲线计算并获取所有最大小波系数曲线的最小包络线；

试验条件限定单元：对上述包络线进行平滑处理，依据预设的试验条件余量要求限制生成卫星组件冲击余量限定曲线并按照该曲线进行试验，同时进行数据存储。

所述卫星组件冲击余量限定曲线包含上升段和平直段，所述上升段曲线起始点频率最低可为时域冲击载荷测量模块采样时长倒数，所述平直段曲线截止频率最高可为所用冲击传感器最大采样率的0.5倍。

所述Haar小波分析模块进行小波变换时，起始频率、截止频率范围均为10-25000Hz。

所述冲击传感器采样率设置范围为：40～100kHz。

所述最大小波系数曲线包络线计算单元获取包络线时，选取频率为10-10000Hz内的部分作为包络线。

一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定方法，步骤如下：

(1)利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，对载荷电信号进行滤波处理，获取滤波后信号并进行数字化处理，获取处理后时域冲击载荷加速度信号并进行存储；

(2)预设小波分析所需起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率，对步骤(1)所得时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数，并根据所得小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件；

(3)对步骤(2)所得小波系数矩阵中每一元素的绝对值进行计算，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列数据，同时，根据二维数列数据绘制最大小波系数曲线；

(4)根据步骤(3)所得目标卫星组件安装点处所有冲击传感器所测时域冲击载荷的最大小波系数曲线，获取最大小波系数曲线的包络线，对包络线进行平滑处理，依据试验条件安全余量要求生成卫星组件冲击试验条件曲线，获得以小波系数表征的卫星组件冲击试验条件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统及方法，通过Haar连续小波变换来制定卫星组件冲击试验条件，能够较好处理瞬时非稳态信号，同时通过利用对小波系数矩阵进行分析的方法，能够通过计算获取精确的小波系数，准确反映卫星组件实际承受的冲击载荷量级，同时通过连续小波变换来制定冲击试验条件，避免了利用冲击响应谱来制定冲击试验条件时无法准确确定动力放大系数的问题；同时基于最大小波系数曲线来计算卫星组件冲击试验条件，能清晰的表征冲击载荷的频谱特征，对于分析冲击载荷的敏感频段具有较好的指示意义。

附图说明

图1为发明提供的时域冲击载荷加速度信号示意图；

图2为发明提供的对时域冲击载荷加速度信号进行小波变换后小波时频图；

图3为发明提供的最大小波系数曲线图；

图4为发明提供的冲击试验条件曲线示意图；

图5为发明提供的系统模块组成示意图；

具体实施方式

一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，如图5所示，通过对时域冲击载荷进行Haar连续小波变换，根据所得小波系数来制定冲击试验条件，系统中各模块功能如下：包括时域冲击载荷测量模块、Haar小波分析模块、小波系数处理模块、试验条件生成模块，具体功能如下：

时域冲击载荷测量模块：利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号处理成时域冲击载荷加速度信号后传递至Haar小波分析模块，其中：

冲击传感器：将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号传递至信号适调器；其中，冲击传感器采样率设置范围为：40～100kHz；

信号适调器：对载荷电信号进行滤波处理，滤除零频信号，并将滤波后信号传递至数据采集处理器；

数据采集处理器：对滤波后信号进行数字化处理，获取时域冲击载荷加速度信号并进行存储；

Haar小波分析模块：对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，获取小波时频图及小波系数矩阵，其中，包括小波分析参数设置单元、Haar连续小波变换单元、小波时频图及小波系数矩阵生成单元，其中：

小波分析参数设置单元：对小波分析的起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率进行设置，并将所设参数传递至Haar连续小波变换单元；

Haar连续小波变换单元：依据所设参数对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数；其中，Haar小波分析模块进行小波变换时，起始频率、截止频率范围均为10-25000Hz；

小波时频图及小波系数矩阵生成单元：根据小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件；

小波系数处理模块：根据小波系数矩阵求整数倍采样周期对应频点下所有小波系数最大绝对值，得到最大小波系数曲线，其中：

包括小波系数绝对值计算单元、最大小波系数曲线计算单元，其中：

小波系数绝对值计算单元：计算小波系数矩阵中每一元素的绝对值，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列文件；

最大小波系数曲线计算单元：依据所述二维数列文件绘制最大小波系数曲线；

试验条件限定模块：根据最大小波系数曲线及试验条件余量要求限制计算并获取卫星组件冲击余量限定曲线，并按照该曲线进行组件冲击试验，其中：

包括最大小波系数曲线包络线计算单元、试验条件限定单元，其中：

最大小波系数曲线包络线计算单元：若目标卫星组件安装点附近安装有多个冲击传感器，则每个冲击传感器所测每个方向的冲击响应经上述处理后均可得到一条最大小波系数曲线。为了制定出合理的冲击试验条件，需要对每个方向所得的多条最大小波系数曲线取包络线，所有要根据目标卫星组件安装点处所有冲击传感器所测某个方向时域冲击载荷经上述处理得到的最大小波系数曲线的最小包络线；

其中，最大小波系数曲线包络线计算单元获取包络线时，选取频率为10-10000Hz内的部分作为包络线；

试验条件限定单元：对上述包络线进行平滑处理，依据预设的试验条件余量要求限制生成卫星组件冲击余量限定曲线并按照该曲线进行试验，同时进行数据存储；

其中，卫星组件冲击余量限定曲线包含上升段和平直段，所述上升段曲线起始点频率最低可为时域冲击载荷测量模块采样时长倒数，所述平直段曲线截止频率最高可为所用冲击传感器最大采样率的0.5倍。

本发明通过Haar连续小波变换系数来表征卫星组件冲击试验条件，而非传统的通过冲击响应谱来表征卫星组件冲击试验条件；试验条件频率范围上限可达到所用冲击传感器最大采样率的0.5倍。

在上述系统的基础上，同时提出了一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定方法，具体步骤如下：

(1)利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，对载荷电信号进行滤波处理，获取滤波后信号并进行数字化处理，获取处理后时域冲击载荷加速度信号并进行存储；

(2)预设小波分析所需起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率，对步骤(1)所得时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数，并根据所得小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件；

(3)对步骤(2)所得小波系数矩阵中每一元素的绝对值进行计算，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列数据，同时，根据二维数列数据绘制最大小波系数曲线；

(4)根据步骤(3)所得目标卫星组件安装点处所有冲击传感器所测时域冲击载荷的最大小波系数曲线，获取最大小波系数曲线的包络线，对包络线进行平滑处理，依据试验条件安全余量要求生成卫星组件冲击试验条件曲线，获得以小波系数表征的卫星组件冲击试验条件。。

获取适当试验条件的方法流程具体为：

通过测量产品所处环境的时域冲击载荷，对所测时域载荷进行关注频段内的Haar连续小波变换，计算不同时刻不同频率下的小波系数，同时计算关注频段内整数倍采样周期对应频点下的不同时刻的小波系数的最大绝对值，绘制最大小波系数曲线，即同一频率不同时刻下的最大小波系数绝对值随频率的变化曲线，并取所有时域冲击载荷的最大小波系数曲线的包络线，对上述包络线进行平滑处理，获得以小波系数表征的冲击试验条件。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在该实施例中，卫星舱板上安装了某种点源火工品，需要制定该卫星舱板上该种火工品的近场冲击试验条件，需关注的频段为10-10000Hz。本发明的实现步骤如下：

1、用冲击传感器测量该种火工品的近场冲击时域载荷，采样率设置为51.2KHz，所测近场时域冲击载荷加速度信号如图1所示；

2、对所测时域载荷进行10-25000Hz内的Haar连续小波变换，计算不同时刻不同频率下的小波系数，所得小波时频图如图2所示；

3、计算10-25000Hz内整数倍采用周期对应频点下的不同时刻的小波系数的最大绝对值，绘制成如图3所示的最大小波系数曲线；

4、对最大小波系数曲线取10-10000Hz内的包络线，得到如图4所示的以小波系数表征的冲击试验条件曲线；

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：包括时域冲击载荷测量模块、Haar小波分析模块、小波系数处理模块、试验条件限定模块，其中：

时域冲击载荷测量模块：利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号处理成时域冲击载荷加速度信号传递至Haar小波分析模块；

Haar小波分析模块：对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，获取小波系数矩阵；

小波系数处理模块：根据小波系数矩阵求整数倍采样周期对应频点下所有小波系数最大绝对值，得到最大小波系数曲线；

试验条件限定模块：根据最大小波系数曲线及试验条件余量要求限制计算并获取卫星组件冲击余量限定曲线，并按照该曲线进行组件冲击试验。

2.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述时域冲击载荷测量模块包括冲击传感器、信号适调器、数据采集处理器，其中：

冲击传感器：将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，并将载荷电信号传递至信号适调器；

信号适调器：对载荷电信号进行滤波处理，滤除零频信号，并将滤波后信号传递至数据采集处理器；

数据采集处理器：对滤波后信号进行数字化处理，获取处理后时域冲击载荷加速度信号并进行存储。

3.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述Haar小波分析模块包括小波分析参数设置单元、Haar连续小波变换单元、小波时频图及小波系数矩阵生成单元，其中：

小波分析参数设置单元：对小波分析的起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率进行设置，并将所设参数传递至Haar连续小波变换单元；

Haar连续小波变换单元：依据所设参数对时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数；

小波时频图及小波系数矩阵生成单元：根据小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件。

4.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述小波系数处理模块包括小波系数绝对值计算单元、最大小波系数曲线计算单元，其中：

小波系数绝对值计算单元：计算小波系数矩阵中每一元素的绝对值，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列文件；

最大小波系数曲线计算单元：依据所述二维数列文件绘制最大小波系数曲线。

5.根据权利要求1所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述试验条件限定模块包括最大小波系数曲线包络线计算单元、试验条件生成单元，其中：

最大小波系数曲线包络线计算单元：根据最大小波系数曲线计算并获取所有最大小波系数曲线的最小包络线；

试验条件限定单元：对上述包络线进行平滑处理，依据预设的试验条件余量要求限制生成卫星组件冲击余量限定曲线并按照该曲线进行试验，同时进行数据存储。

6.根据权利要求5所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述卫星组件冲击余量限定曲线包含上升段和平直段，所述上升段曲线起始点频率最低可为时域冲击载荷测量模块采样时长倒数，所述平直段曲线截止频率最高可为所用冲击传感器最大采样率的0.5倍。

7.根据权利要求3所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述Haar小波分析模块进行小波变换时，起始频率、截止频率范围均为10-25000Hz。

8.根据权利要求2所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述冲击传感器采样率设置范围为：40～100kHz。

9.根据权利要求5所述的一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定系统，其特征在于：所述最大小波系数曲线包络线计算单元获取包络线时，选取频率为10-10000Hz内的部分作为包络线。

10.一种基于小波变换的卫星组件冲击试验条件制定方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用冲击传感器将卫星组件安装点处的加速度响应转换成载荷电信号，对载荷电信号进行滤波处理，获取滤波后信号并进行数字化处理，获取处理后时域冲击载荷加速度信号并进行存储；

(2)预设小波分析所需起始频率、截止频率、起始时间、截止时间及信号采样率，对步骤(1)所得时域冲击载荷加速度信号进行Haar连续小波变换，计算小波系数，并根据所得小波系数生成小波时频图及小波系数矩阵，并存储为数字文件；

(3)对步骤(2)所得小波系数矩阵中每一元素的绝对值进行计算，取每一分析频点下所有元素绝对值的最大值记为该频点的最大小波系数，将分析频点及对应最大小波系数存储为二维数列数据，同时，根据二维数列数据绘制最大小波系数曲线；

(4)根据步骤(3)所得目标卫星组件安装点处所有冲击传感器所测时域冲击载荷的最大小波系数曲线，获取最大小波系数曲线的包络线，对包络线进行平滑处理，依据试验条件安全余量要求生成卫星组件冲击试验条件曲线，获得以小波系数表征的卫星组件冲击试验条件。

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