一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法技术

本发明专利技术涉及一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、确定低频处噪声能量较小的频率区间；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，并在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。本发明专利技术能够降低加速度计本体噪声对重力梯度观测信号的影响，提高测量分辨率。

A rotating speed selection method for gravity gradient sensors based on Inertial Technology

The invention relates to a method of rotational speed selection for gravity gradient sensor based on inertial technology. Its technical features include the following steps: Step 1, determine the frequency range of low noise energy at low frequency; step 2, analyze the Allan variance of the combined signal of static accelerometer, and find the white noise in the double logarithmic coordinate system. The correlation time period of sound is converted into a frequency interval based on white noise; step 3, the frequency interval of low frequency noise and step 2, determined by the power spectral density analysis method, is determined by the method of Allan variance analysis, which is determined by the method of power spectral density analysis, and the white noise is the main frequency interval obtained by the method of variance analysis. The final frequency range of the rotation frequency of the gravity gradient sensor is obtained by intersection. The invention can reduce the influence of the acceleration body noise on the gravity gradient observation signal and improve the resolution of the measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法
本专利技术属于旋转加速度计式重力梯度敏感器
，涉及一种重力梯度敏感器速选择方法，尤其是一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法。
技术介绍
目前，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。其中，作为核心敏感器的重力梯度测量组件是由安装在旋转圆盘上的四个等距离成对布放的石英挠性加速度计组成。每个加速度计的检测质心到圆盘中心距离相等，加速度计敏感轴正切于圆，两组加速度计正交安装，且每组加速度计敏感轴反向安置，如图1所示。其中，1号加速度计与3号相反，2号与4号相反。实际工作中，圆盘以恒定的角速率ω旋转，对重力梯度信号进行调制，此时四个加速度计组合输出为：(a1+a3)-(a2+a4)＝2R[(Γxx-Γyy)sin(ωt+θ)-2Γxycos(ωt+θ)]其中，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频率解调和低通滤波得到最终的重力梯度张量Γxx-Γyy和Γxy。由上述分析可知，相距10cm的两点间探测1E的重力梯度，理论上需要10-11g精度的加速度计。从时域角度，目前尚未有一型加速度计能够满足此项指标。采用旋转调制方法的目的是从频率上使微小的重力梯度与惯性力分离，将重力梯度信号加载到加速度计本体噪声最小的频段内，提高信噪比。因此，重力梯度敏感器旋转速率的选择是影响仪器测量性能的最重要环节，需通过特定的方法实现相应的参数优化。传统的转速选择方法仅通过对加速度计组合信号进行功率谱密度分析确定低频段内噪声能力最小的频点，但存在以下两点不足：1、功率谱密度分析的方法从原理上对信号低频段噪声能量的辨识力不强，容易发生频率泄露，无法找到噪声能量明显最小的频点；2、功率谱密度分析的方法仅能确定低频段噪声能量的幅值，无法辨识噪声模式。鉴于以上两点原因，提出本专利技术的一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，能够降低加速度计本体噪声对重力梯度观测信号的影响，提高测量分辨率。本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，包括以下步骤：步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。而且，所述步骤2的具体方法为：对重力梯度敏感器中加速度计组合数字信号进行功率谱密度分析，得到Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在Allan方差曲线图中找到白噪声相关时间段0.4-5s；再利用Allan方差相关时间τ与带通滤波器主峰频点fM的关系式将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间。本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术通过频域功率谱密度与时域Allan方差相结合的分析方法，在加速度计背景噪声能量最小的频带内进一步明确被选频率区间内的噪声分布特征，选择以白噪声为主的频带，该方法可根据所选加速度计本体噪声模式对重力梯度敏感器转速进行针对性设计，最大程度发挥单体元件性能，提高测量分辨率。2、本专利技术提供了一种旋转加速度计式重力梯度敏感器的转速选择方法，明确最优频率区间，使加速度计本体噪声在此频域内强度最小，且噪声特征服从白噪声分布。附图说明图1是本专利技术的
技术介绍
中旋转加速度计式重力梯度敏感器原理示意图；图2是本专利技术的加速度计本体噪声功率谱密度图；图3是本专利技术的加速度计本体噪声Allan方差曲线图；图4是本专利技术的重力梯度敏感器转速确定流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例作进一步详述：一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，如图4所示，包括以下步骤：步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到如图2所示的加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；在本实施例中，从加速度计本体噪声功率谱密度图可以看出，静态加速度计组合信号本底噪声在0-0.6Hz的频带内噪声强度大致相当且最小，得到低频处噪声能量较小的频率区间f1＝0-0.6Hz；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图，利用如表1所示的判断准则在双对数坐标系下找到白噪声(斜率为)的相关时间段，并利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声(斜率为)的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；表1Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中：τ——Allan方差相关时间；Q——量化噪声强度；N——随机游走噪声强度；B——零偏不稳定性噪声强度；K——速率随机游走噪声强度；R——速率斜坡噪声强度。在本实施例中，所述步骤2的具体方法为：对重力梯度敏感器中加速度计组合数字信号进行功率谱密度分析，得到Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在Allan方差曲线图中找到白噪声(斜率为)的相关时间段0.4-5s；再利用Allan方差相关时间τ与带通滤波器主峰频点fM的关系式将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间f2＝0.074-0.928Hz。步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。在本实施例中，选择步骤1和步骤2确定的频率区间的重叠部分得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围为由于重力梯度信号被调制到重力梯度敏感器旋转频率的二倍频上，所以重力梯度敏感器旋转频率应在频段内择优选择。需要强调的是，本专利技术所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本专利技术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专利技术的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的低频处噪声能量较小的频率区间与步骤2的利用Allan方差分析方法判断得出的以白噪声为主频率区间取交集，得到旋转加速度计信号的调制频率选择范围，并将该调制频率选择范围除以2得到重力梯度敏感器旋转频率的最终频率区间。

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性技术的重力梯度敏感器转速选择方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、采用功率谱密度分析方法对静态加速度计组合信号进行分析处理，得到加速度计本体噪声功率谱密度图；从该加速度计本体噪声功率谱密度图中得出该静态加速度计组合信号低频处噪声能量分布，从而确定低频处噪声能量较小的频率区间；步骤2、对静态加速度计组合信号进行Allan方差分析，画出Allan方差曲线图；然后利用Allan方差对加速度计本体噪声模式辨识准则表中的判断准则，在双对数坐标系下找到白噪声的相关时间段；再利用Allan方差是对静态加速度计组合信号做带通滤波的特性，将白噪声的相关时间段转换成以白噪声为主的频率区间；步骤3、将步骤1的采用功率谱密度分析方法确定的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高巍，李达，冯鸿奎，吴佐华，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12