CN117310303B - 基于数字相敏解调算法的电荷测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，包括：S1、通过电压电源分别向两组对角极板施加不同的正弦激励，将测试质量的偏转角度作为被测信号；S2、将被测信号进行分解获得正弦激励的频率信号分量的幅值；S3、通过DDS模块生成正弦参考信号和余弦参考信号；S4、通过MAC模块获得同相分量和正交分量；S5、通过CORDIC模块对同相分量和正交分量进行开平方及反正切运算，解算被测信号中正弦激励的频率信号分量的幅值；S6、计算获得电荷解算系数；S7、计算获得测试质量上积累的电荷总量。本发明能够满足施加不同频率激励情况下的电荷测量需求，具有更高的解调精度。
Description
技术领域
本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种基于数字相敏解调算法的电荷测量方法。
背景技术
惯性传感器在卫星重力测量与空间引力实验中有着广泛的应用，惯性传感器无论是用于非保守力的测量还是无拖曳航天，都要求其中的测试质量尽可能地不受环境干扰。然而对于空间引力波探测任务，由宇宙射线及高能粒子引起的测试质量的充电是加速度噪声的一个重要来源，所以需要对测试质量上积累的电荷进行测量与控制。
早期的空间引力探测实验采用的电荷管理方案均为力调制法。以LisaPathfinder电荷管理系统为例，通过向测试质量周围的电极施加激励，并根据测试质量的位置变化计算测试质量上积累的电荷，但是施加激励的电极引起的测试质量的位置变化会与引力波引起的测试质量的位置变化混淆。即对于空间引力波的探测任务，在轨利用力调制法进行电荷测量需中断引力波的探测。因此，需要一种非干扰的电荷估计方法。华中科技大学提出了通过观察测试质量的正常运动实现非扰动的电荷管理方法，并提出利用低通滤波器从多个交流分量中提取包含电荷影响的特定频率项，由于各交流分量的频率相近，因此通过低通滤波器难以有效地提取包含电荷影响的特定频率项，会影响电荷测量的精度，且低通滤波器的稳定时间会限制低通滤波器的模拟相敏解调算法的响应时间。
发明内容
本发明为解决由于各交流分量的频率相近，通过低通滤波器难以有效地提取包含电荷影响的特定频率项，从而影响电荷测量的精度，且低通滤波器的稳定时间限制系统的响应速度的问题，提供一种基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，满足施加不同频率激励情况下的电荷测量需求，具有更高精度、更快的解调速度，且具有更高的信噪比。
本发明提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，用于通过FPGA软件对扭秤装置中的测试质量所积累的电荷总量进行计算，扭秤装置包括悬丝、测试质量、四个极板，其中，悬丝的一端固定在安装平台上，悬丝的另一端悬挂测试质量，将四个极板分为两两一组，均布在测试质量的两侧，且四个极板与测试质量的距离处处相等，将四个极板通过导线与电压电源相连；FPGA软件包括DDS模块、MAC模块、CORDIC模块，具体包括如下步骤：
S1、通过电压电源分别向两组对角极板施加不同的正弦激励，将测试质量的偏转角度作为被测信号，正弦激励ui：
其中，i为第i块极板，为正弦激励的幅值的绝对值，/>为正弦激励的频率。
S2、将被测信号进行分解获得正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，ε为真空介电常数，ε＝8.85×10-12F/m，b为位于同一侧的两个极板的中心之间的距离，S为测试质量与各极板组成的电容器的有效面积，d0为测试质量与各极板的间距，为扭秤装置的传递函数的振幅响应，uTM为测试质量的表面电势，/>CT为扭秤装置的总电容，Q为测试质量上积累的电荷。
S3、通过DDS模块生成与正弦激励的频率相同的正弦参考信号和余弦参考信号。
S4、通过MAC模块将被测信号分别与正弦参考信号和余弦参考信号进行乘法累加求和获得同相分量和正交分量。
S5、通过CORDIC模块对同相分量和正交分量进行开平方及反正切运算，解算被测信号中正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，Vr为同相分量，Vq为正交分量。
S6、将测试质量的表面电势的表达式代入式(3)，并将式(3)与式(4)进行联立，计算获得电荷解算系数B：
S7、通过式(4)和式(5)计算获得测试质量上积累的电荷总量Q：
优选地，通过自准直仪测量测试质量的偏转角度。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
(1)本发明提出的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法能够实现对惯性传感器的非接触式的电荷测量，通过采用数字相敏解调方法，解决了利用低通滤波器难以有效地提取包含电荷影响的特定频率项、且低通滤波器的稳定时间会限制系统响应速度的问题，数字相敏解调算法相对于应用低通滤波器的模拟相敏解调具有更高精度、更快的解调速度、更高的信噪比等优点；
(2)本发明提出的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法能够满足施加不同频率激励情况下的电荷测量需求，满足空间科学工程任务中惯性传感器上电荷管理系统的地面测量需求。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的扭秤装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法的流程示意图；
图3是根据本发明实施例提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法的逻辑结构示意图。
附图标记包括：悬丝1、测试质量2、极板3。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的扭秤装置的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的扭秤装置包括悬丝1、测试质量2、四个极板3，其中，悬丝1的一端固定在安装平台上，悬丝1的另一端悬挂测试质量2，将四个极板3分为两两一组，均布在测试质量2的两侧，且四个极板3与测试质量2的距离处处相等，将四个极板3通过导线与电压电源相连。
图2示出了根据本发明实施例提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法的流程。
如图2所示，本发明提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，具体包括如下步骤：
S1、通过电压电源分别向两组对角极板3施加不同的正弦激励，将测试质量2的偏转角度作为被测信号，正弦激励ui：
其中，i为第i块极板3，为正弦激励的幅值的绝对值,/>为正弦激励的频率。
通过自准直仪测量测试质量2的偏转角度，且被测信号的表达式
其中，为正弦激励的频率，fn为扭秤装置的固有频率，/>A2为扭秤装置的固有频率fn的信号分量的幅值，由于本发明利用正弦激励的频率/>求解测试质量2上积累的电荷总量，因此，扭秤装置的固有频率fn的相关参数不计入考虑范围。
S2、将被测信号进行分解获得正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，ε为真空介电常数，ε＝8.85×10-12F/m，b为位于同一侧的两个极板的中心之间的距离，S为测试质量2与各极板3组成的电容器的有效面积，d0为测试质量2与各极板3的间距，为扭秤装置的传递函数的振幅响应，uTM为测试质量2的表面电势，CT为扭秤装置的总电容，Q为测试质量2上积累的电荷。
S3、通过DDS模块生成与正弦激励的频率相同的正弦参考信号和余弦参考信号。
S4、通过MAC模块将被测信号分别与正弦参考信号和余弦参考信号进行乘法累加求和获得同相分量和正交分量。
S5、通过CORDIC模块对同相分量和正交分量进行开平方及反正切运算，解算被测信号中正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，Vr为同相分量，Vq为正交分量。
S6、将测试质量2的表面电势的表达式代入式(4)，并将式(4)与式(5)进行联立，计算获得电荷解算系数B：
S7、通过式(5)和式(6)计算获得测试质量2上积累的电荷总量Q：
图3示出了根据本发明实施例提供的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法的逻辑结构。
如图3所示，FPGA软件包括DDS模块、MAC模块、CORDIC模块，当FPGA软件采集到被测信号时，将被测信号分为两路输入到MAC模块中，DDS模块同时生成与正弦激励的频率相同的正弦参考信号和余弦参考信号，并分别输入至MAC模块进行乘法累加求和，得到同相分量和正交分量，CORDIC模块对来自MAC模块的同相分量和正交分量进行开平方及反正切运算，解算出正弦激励的频率信号分量的幅值A1，通过计算A1与电荷解算系数B得到测试质量2的电荷总量Q，电荷总量Q经通信模块输入至PC端进行显示。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，用于通过FPGA软件对扭秤装置中的测试质量所积累的电荷总量进行计算，所述扭秤装置包括悬丝、测试质量、四个极板，其中，所述悬丝的一端固定在安装平台上，所述悬丝的另一端悬挂所述测试质量，将四个极板分为两两一组，均布在所述测试质量的两侧，且四个极板与所述测试质量的距离处处相等，将四个极板通过导线与电压电源相连；所述FPGA软件包括DDS模块、MAC模块、CORDIC模块，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、通过所述电压电源分别向两组对角极板施加不同的正弦激励，将所述测试质量的偏转角度作为被测信号，所述正弦激励ui：
其中，i为第i块极板，为所述正弦激励的幅值的绝对值，/>为所述正弦激励的频率；
S2、将所述被测信号进行分解获得所述正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，ε为真空介电常数，ε＝8.85×10-12F/m，b为位于同一侧的两个极板的中心之间的距离，S为测试质量与各极板组成的电容器的有效面积，d0为测试质量与各极板的间距，为扭秤装置的传递函数的振幅响应，uTM为测试质量的表面电势，/>CT为扭秤装置的总电容，Q为测试质量上积累的电荷；
S3、通过所述DDS模块生成与所述正弦激励的频率相同的正弦参考信号和余弦参考信号；
S4、通过所述MAC模块将所述被测信号分别与所述正弦参考信号和所述余弦参考信号进行乘法累加求和获得同相分量和正交分量；
S5、通过所述CORDIC模块对所述同相分量和所述正交分量进行开平方及反正切运算，解算所述被测信号中正弦激励的频率信号分量的幅值A1：
其中，Vr为同相分量，Vq为正交分量；
S6、将所述测试质量的表面电势的表达式代入式(3)，并将式(3)与式(4)进行联立，计算获得电荷解算系数B：
S7、通过式(4)和式(5)计算获得所述测试质量上积累的电荷总量Q：
2.根据权利要求1所述的基于数字相敏解调算法的电荷测量方法，其特征在于，通过自准直仪测量所述测试质量的偏转角度。
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