CN111830589B - 旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法，该方法通过离线处理的方法计算两组测量信号的傅里叶变换，对比两种信号在同一频率的相位角度差与预先设置阈值相比较，如果小于该阈值则保留该频点上的信号，如果大于该阈值则舍弃该频点上的信号，最后通过逆傅里叶变换得到重力梯度敏感器测量信号的最终输出结果。该方法较常规的平滑滤波，可有效提高对不相关噪声的抑制比，满足了高精度重力梯度测量的要求；该方法在重力梯度测量信号原始精度较低的情况下，可通过调整阈值的方式实现融合方法与两组测量信号的噪声情况相匹配，以得到最佳的重力梯度信号。

Description

旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法

技术领域

本发明属于旋转加速度计重力梯度敏感器的测量信号处理技术领域，具体涉及一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法。

背景技术

旋转加速度计式重力梯度仪是对地球表面微小重力梯度变化进行连续测量的仪器。如图 1所示，作为核心敏感器的重力梯度测量组件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(Γ_xx-Γ_yy)sin2ωt+4RΓ_xycos2ωt (1)

式中a1、a2、a3、a4是四个加速度计的输出，R是加速度计检测质心到旋转中心的距离，Γ_xx、Γ_yy、Γ_xy是重力梯度张量分量，ω是旋转装置的旋转角速度。将系统输出的加速度计组合信号进行2ω频率上的同步解调得到最终的重力梯度张量信号Γ_xx-Γ_yy和Γ_xy。

有碍于重力梯度信号十分微弱，重力梯度测量信号通常含有大量噪声，为得到更加精确的重力梯度信号，通常在重力梯度敏感器中布设两组加速度计组件，每组包括4只加速度计，共8只加速度计。两组加速度计组件共用一个旋转机构，旋转相位角相差45°，同时对重力梯度信号进行测量。通过数据对比，认为两组重力梯度测量信号中大量噪声是不相关的，而传统的平均融合的方式对不相关噪声的抑制比不高，因此需要建立一种有效的信号提取方法，将两组信号中不相关噪声滤掉，以提高重力梯度信号测量精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案为：

一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法，包括如下步骤：

步骤一、将旋转加速度计式重力梯度敏感器同时输出的两组信号定义为X和Y，分别对其进行傅里叶变换，得到两组信号的频域信息为F_x和F_y，即：

式中FFT表示傅里叶变换；

步骤二、在相同的频点上计算两组信号的相位差，具体计算公式为：

式中，θ(k)是在频点k上的相位差，·是矢量间的标量积，||是矢量求模；其中在求反三角函数时，θ(k)的值域为[0°,180°]；

步骤三、定义最终输出信号的频域信号为F_Z，对每一个频点上的相位差θ(k)与预先设置的阈值θ₀比较，若θ(k)＜θ₀，则对该频点上的两组频域信号做平均处理；若θ(k)≥θ₀，则舍弃该频点上的信息，具体计算公式为：

步骤四、对最终输出信号的频域信息F_Z做逆傅里叶变换，得到最终输出信号的时域信息 Z，具体计算公式为：

Z＝IFFT(F_Z) (5)

式中IFFT表示逆傅里叶变换。

进一步的：步骤三中θ₀的取值为5°。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明较常规的平滑滤波，可有效提高对不相关噪声的抑制比，满足了高精度重力梯度测量的要求。

2、本发明在重力梯度测量信号原始精度较低的情况下，可通过调整阈值的方式实现融合方法与两组测量信号的噪声情况相匹配，以得到最佳的重力梯度信号。

附图说明

图1为旋转加速度计式重力梯度敏感器测量原理示意图；

图2为本发明离线融合方法的流程图。

具体实施方式

下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法，请参见图2，该方法通过离线处理的方法计算两组测量信号的傅里叶变换，对比两种信号在同一频率的相位角度差与预先设置阈值相比较，如果小于该阈值则保留该频点上的信号，如果大于该阈值则舍弃该频点上的信号，最后通过逆傅里叶变换得到重力梯度敏感器测量信号的最终输出结果，具体步骤为：

步骤一、将旋转加速度计式重力梯度敏感器同时输出的两组信号定义为X和Y，分别对其进行傅里叶变换，得到两组信号的频域信息为F_x和F_y，即：

式中FFT表示傅里叶变换；

步骤二、在相同的频点上计算两组信号的相位差，具体计算公式为：

式中，θ(k)是在频点k上的相位差，·是矢量间的标量积，||是矢量求模。其中在求反三角函数时，θ(k)的值域为[0°,180°]；

步骤三、定义最终输出信号的频域信号为F_Z，对每一个频点上的相位差θ(k)与预先设置的阈值θ₀比较，可将θ₀设置为5°；若θ(k)＜θ₀，则对该频点上的两组频域信号做平均处理；若θ(k)≥θ₀，则舍弃该频点上的信息，具体计算公式为：

步骤四、对最终输出信号的频域信息F_Z做逆傅里叶变换，得到最终输出信号的时域信息 Z，具体计算公式为：

Z＝IFFT(F_Z) (5)

式中IFFT表示逆傅里叶变换。

综上，本发明能够将重力梯度敏感器同时测量的两组重力梯度信号的不相关噪声滤掉，从而提高了重力梯度信号测量精度。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法，包括如下步骤：

步骤一、将旋转加速度计式重力梯度敏感器同时输出的两组信号定义为X和Y，分别对其进行傅里叶变换，得到两组信号的频域信息为F_x和F_y，即：

式中FFT表示傅里叶变换；

步骤二、在相同的频点上计算两组信号的相位差，具体计算公式为：

式中，θ(k)是在频点k上的相位差，·是矢量间的标量积，| |是矢量求模；其中在求反三角函数时，θ(k)的值域为[0°,180°]；

步骤三、定义最终输出信号的频域信息为F_Z，对每一个频点上的相位差θ(k)与预先设置的阈值θ₀比较，若θ(k)＜θ₀，则对该频点上的两组信号的频域信息做平均处理；若θ(k)≥θ₀，则舍弃该频点上的信息，具体计算公式为：

步骤四、对最终输出信号的频域信息F_Z做逆傅里叶变换，得到最终输出信号的时域信息Z，具体计算公式为：

Z＝IFFT(F_Z) (5)

式中IFFT表示逆傅里叶变换。

2.根据权利要求1所述的旋转加速度计重力梯度敏感器冗余测量信号离线融合方法，其特征在于：步骤三中θ₀的取值为5°。

Images