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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Dynamic Measurement Demodulation Method for Rotating Accelerometer Gravity Gradient Sensor

The invention relates to a dynamic measurement and demodulation method of a rotating accelerometer gravity gradient sensor. Its technical characteristics include the following steps: step 1, discrete sampling of the combined output analog signal of the accelerometer in a rotating accelerometer gravity gradient sensor; step 2, demodulating the original output signal of the sensor by demodulating the reference signal sin2 T and Cos2 t. Step 3: Sampling down the signal obtained in step 2; Step 4: Low-pass filtering of M-group signals with different phases (xx yy) GK and (xy) GK respectively; Step 5: Fusion of equal weights for each point of M-group signals (xx yy) FK and (xy) fk. The invention can effectively suppress position-independent noise in the output signal of the system and improve the dynamic measurement accuracy of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种旋转加速度计式重力梯度敏感器动态测量解调方法
本专利技术属于重力梯度敏感器
，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。
技术介绍
重力梯度仪是用于测量重力场分布梯度的精密设备，基于BellAerospace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(2at+θ)-2Γxycos(2at+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：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。
技术实现思路
本专利技术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：通带上限频率阻带下限频率通带容限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：本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术的处理流程图；图2为本专利技术的旋转加速度计式重力梯度敏感器原理示意图；图3为本专利技术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专利技术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：通带上限频率阻带下限频率通带容限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组本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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：(Γx...

【专利技术属性】
技术研发人员：李达，杨晔，高巍，李城锁，
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