一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法及系统
技术领域
本发明涉及精密测量
技术领域
，更具体地，涉及一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法及系统。背景技术
精密的空间科学任务需要高精度无拖曳技术提供超静超稳的卫星平台，对无拖曳控制环路中的执行机——微推进器开展高精度的性能测试是无拖曳控制优化的关键，而研究精细的微推进器传递函数模型是进行无拖曳算法优化的关键。目前，研究机构较多地采用扭摆结构，除了高灵敏度特性外，也是由于地面在平动自由度上的振动噪声对扭秤扭转自由度的影响很小。但扭摆本征频率较低(一般情况小于0.1Hz)，无法满足开展高频动态测试的宽带宽需求。为了给无拖曳控制提供全面精准的动态系统模型，宽带宽的微推力测量装置一般采用悬挂摆结构，以拓展系统测量带宽至10Hz以上。该结构对平行于摆运动方向的地面振动噪声敏感，这对实验环境提出了较高的要求。在一般实验环境中，地面振动噪声是影响微推力测试的主要限制因素，受其影响，推力测量噪声在0.1Hz～10Hz频带内可达到0.1mN量级，较空间引力波探测任务提出的亚微牛推力噪声水平高出2-3个量级，所以在亚微牛量级的微推力测试中，地面噪声的影响是不可忽略的。
近年来，国内航天卫星技术突飞猛进，2019年8月底发射的中科院微重力卫星“太极一号”成功进行了中国首次在轨的无拖曳控制技术试验，紧接着2019年12月发射的“天琴一号”试验卫星也验证了在轨的无拖曳技术。由此可见，发展面向无拖曳控制的微推力测试将是后续高精密空间科学实验关注的重点之一，而抑制地面振动噪声带来的影响是亚微牛量级微推进器宽带宽测试中需要解决的关键问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的地面噪声对亚微牛量级微推进器宽带宽测试造成不可忽略的影响，提供一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法，以及一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法，包括以下步骤：
将微推力测量系统与振动传感器固定连接在同一平台；
通过设置在所述平台上不同位置的压电驱动器驱动所述平台运动，通过比较所述微推力测量系统和振动传感器的输出结果，将所述微推力测量系统的单一敏感轴与所述振动传感器的坐标轴匹配；
外部生成特征频率f的驱动信号并传输至压电驱动器，压电驱动器驱动所述平台在所述微推力测量系统的单一敏感轴方向运动，分别记录所述微推力测量系统和振动传感器的输出；同时外部生成与所述驱动信号同频同相的单位正交解调信号，将所述解调信号分别与微推力测量系统和振动传感器的输出进行解调，提取所述微推力测量系统和振动传感器输出结果的幅值比和相位差信息，在积累足够频点的比对信息后，拟合得到高精度修正传递函数，使所述微推力测量系统和振动传感器的输出同步，进一步通过共模扣除振动噪声。
作为优选方案，将所述微推力测量系统的单一敏感轴与所述振动传感器的坐标轴匹配的步骤包括：通过压电驱动器驱动所述平台运动，利用重力加速度分量进行标定，将所述微推力测量系统的输出分解到所述振动传感器的坐标轴上，并分析各个轴向上的相关性，确定所述微推力测量系统各方向的系数；其表达公式如下：
Fout＝KiFI+KoFO+KpFP
式中，FI、FO、FP表示振动传感器的三个坐标轴的输出，通过调整Ki、Ko、Kp微推力测量系统对应坐标轴方向的系数进行与所述振动传感器的坐标轴匹配。
作为优选方案，将所述微推力测量系统与所述振动传感器匹配的过程中，还包括以下步骤：旋转微调所述微推力测量系统和振动传感器，使所述微推力测量系统的敏感轴和所述振动传感器的一轴分别与所述平台的运动方向一致。
作为优选方案，旋转微调所述微推力测量系统和振动传感器的步骤包括：在所述平台的不同方向分别施加所述驱动信号时，分别旋转微调所述微推力测试系统和振动传感器，使所述微推力测量系统和振动传感器各自在同一输入信号方向上输出值最大，而正交方向上的输出值最小。
作为优选方案，在微推力测量系统或振动传感器的输出信号后端引入修正传递函数，使二者最终在关心频段内的输出同步，能够便于共模扣除振动噪声。
作为优选方案，利用外部产生的带特征频率f的驱动信号Assin(2πft)和单位正交解调信号sin(2πft)、cos(2πft)，其中特征信号驱动压电驱动器推动平台运动，此过程带来相移然后经过微推力测试系统和振动传感器得到不同幅值和相位的输出。
利用单位正交解调信号可以分别提取幅值和相位信息，其中以微推力测量系统为例，输出解调过程可以表示为：
式中，B1表示微推力测量系统的增益，微推力测量系统的相位延迟；对解调后的信号进行直流量提取，可得到式子后半部分。二者做除法运算可得：
经计算得到正切值，通过反正切运算得到相位信息
将上式做平方和运算可得：
对上式开方运算后得到幅值信息AsB1。同理可得到振动传感器输出的解调结果，及两路输出的相位差和幅值比信息。
本发明还提出了一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统，应用于上述任一技术方案提出的地面振动噪声共模抑制方法，其具体包括微推力测量系统、振动传感器、固定平台、压电驱动器、控制器，其中：所述微推力测量系统与振动传感器固定连接在固定平台上；所述压电驱动器设置在固定平台上的不同位置，用于驱动所述固定平台运动；所述控制器分别与所述微推力测量系统、振动传感器连接，用于调节优化所述微推力测量系统的控制参数，使其传递函数在关心频段内为一定值，用于接收所述微推力测量系统、振动传感器的输出并进行数据分析，将所述微推力测量系统的单一敏感轴与所述振动传感器的坐标轴匹配；
所述控制器生成特征频率的驱动信号后传输至压电驱动器，压电驱动器驱动平台在敏感轴方向运动，所述控制器读取并记录微推力测量系统和振动传感器的输出；同时所述控制器生成与驱动信号同频同相的单位正交解调信号，解调信号分别与微推力测量系统和振动传感器的输出解调，所述控制器提取所述微推力测量系统和振动传感器输出结果的幅值比和相位差信息，在积累足够频点的比对信息后，拟合得到高精度修正传递函数，使所述微推力测量系统和振动传感器的输出同步，进一步通过共模扣除振动噪声。
作为优选方案，所述振动传感器包括三轴微振仪、闭环振动传感器或多自由度加速度计。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明采用振动传感器进行地面振动监测，并利用高精度匹配技术使微推力测量系统与振动传感器进行静态和动态匹配，实现对地面振动噪声更高精度的共模抑制。
附图说明
图1为实施例1的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法的流程图。
图2为实施例1的微推力测量系统与振动传感器交叉轴匹配的原理图。
图3为实施例1的高精度修正传递函数的测定方案原理图。
图4为实施例1的实验结果示例。
图5为实施例2的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提出一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法，如图1所示，为本实施例的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法的流程图。
本实施例提出的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法中，包括以下步骤：
S1：将微推力测量系统1与振动传感器2固定连接在同一平台3。
其中，本实施例中的振动传感器2采用三轴微振仪。
S2：通过设置在所述平台3上不同位置的压电驱动器4驱动所述平台3运动，通过比较所述微推力测量系统1和振动传感器2的输出结果，将所述微推力测量系统1的单一敏感轴与所述振动传感器2的坐标轴匹配。
本实施例中，考虑由于坐标系不同、安装误差等引起的交叉耦合影响，而最终目的是将微推力测量系统1与固连的振动传感器2进行匹配，因此本实施例将微推力测量系统1的输出分解到振动传感器2的三个坐标轴上，即将微推力测量系统1的单一敏感轴投影到振动传感器2的三个坐标轴上。
如图2所示，为本实施例中微推力测量系统1与振动传感器2交叉轴匹配的原理图。
具体的，通过压电驱动器4驱动所述平台3运动，利用重力加速度分量进行标定，将所述微推力测量系统1的输出分解到所述振动传感器2的坐标轴上，并分析各个轴向上的相关性，确定所述微推力测量系统1各方向的系数，微推力测量系统1的输出Fout的表达公式为：
Fout＝KiFI+KoFO+KpFP
式中，FI、FO、FP表示振动传感器2的三个坐标轴的输出，通过调整Ki、Ko、Kp微推力测量系统1对应坐标轴方向的系数进行与所述振动传感器2的坐标轴匹配。
上述步骤可表示为微推力测量系统1与振动传感器2的静态匹配过程。
在另一实施例中，在将微推力测量系统1与振动传感器2匹配的过程中，包括以下步骤：旋转微调所述微推力测量系统1和振动传感器2，使所述微推力测量系统1的敏感轴和所述振动传感器2的一轴分别与所述平台3的运动方向一致。
其中，旋转微调所述微推力测量系统1和振动传感器2的步骤包括：在所述平台3的不同方向分别施加所述驱动信号时，分别旋转微调所述微推力测试系统和振动传感器2，使所述微推力测量系统1和振动传感器2各自在同一输入信号方向上输出值最大，而正交方向上的输出值最小。
此时完成微推力系统和振动传感器2的静态匹配，能够有效减小交叉轴耦合效应。
S3：外部生成特征频率f的驱动信号并传输至压电驱动器4，压电驱动器4驱动所述平台3在所述微推力测量系统1的单一敏感轴方向运动，分别记录所述微推力测量系统1和振动传感器2的输出；同时外部生成与所述驱动信号同频同相的单位正交解调信号，将所述解调信号分别与微推力测量系统1和振动传感器2的输出进行解调，提取所述微推力测量系统1和振动传感器2输出结果的幅值比和相位差信息。
本实施例中生成相同频率相同相位的驱动信号和解调信号，其中驱动信号远超过地面振动水平以推动平台运动，解调信号为单位正交信号；经过微推力测量系统和振动检测系统后输出，将两套系统的输出与解调信号正交解调，提取其中的幅值信息和相位信息，幅值结果做出得到幅值比，相位结果做差得到相位差。
利用外部产生特征驱动信号Assin(2πft)和单位正交解调信号sin(2πft)、cos(2πft)，其中特征信号驱动PZT推动平台3运动，此过程带来相移然后经过微推力测试系统和地面振动检测系统后得到不同幅值和相位输出。
利用正交解调信号可以分别提取幅值和相位信息，本实施例中以微推力测量系统为例，输出解调过程可以表示为：
式中，As表示特征信号幅值，B1表示微推力测量系统1的增益，As和B1的乘积表示幅值信息；微推力测量系统1的相位延迟。对解调后的信号进行直流量提取，可得到式子后半部分。二者做除法运算：
可得到正切值，通过反正切运算得到相位信息二者做平方和运算：
开方后得到幅值信息AsB1。
同理可得到振动传感器2输出的解调结果，及两路输出的相位差和幅值比信息。
S4：在积累足够频点的比对信息后，拟合得到高精度修正传递函数，使所述微推力测量系统1和振动传感器2的输出同步，进一步通过共模扣除振动噪声。
其中，积累的比对信息一般在关心频段内至少10个频点以上，用于能够拟合出完整的正确传递函数。
本实施例中，考虑到微推力测量系统1与振动传感器2的传递函数不同，同一输入噪声下，两者输出的幅值和相位均有不同，故增加修正传递函数使微推力测量系统1与振动传感器2的输出同步。本实施例中，在微推力测量系统或振动传感器的输出信号后端引入修正传递函数，使二者最终在关心频段内的输出同步，能够便于共模扣除振动噪声。如图3所示，为本实施例的修正传递函数的测定方案。
进一步的，本实施例继续利用PZT产生特征频率的信号，比较输入信号、加入修正传函扣除后的信号，用于对共模抑制能力进行评估。
完成高精度匹配后，特征频率处的共模噪声抑制能力L(f)可以表示为：
式中，Asig(f)表示特征信号频率f处的特征信号幅值，N(f)为匹配完成后特征信号频率f处噪声幅值。可继续通过压电驱动器4推动平台3，比较输入信号、加入修正传函扣除后的信号，对共模抑制能力进行评估。当匹配扣除完成后，地面振动噪声预期抑制至振动传感器2的测量本底。
在具体实施过程中，初步实验的时域结果如图4所示，其中振动传感器2采用加速度计。图4中，带方形标记的虚线线段表示微推力测量系统1测量得到的振动信号，带圆形标记的实线线段表示振动传感器2感应得到的振动信号；星形标记的曲线表示微推力测量系统1和振动传感器2匹配扣除后的信号。由图4可知，本实施例在实验室环境下，对振动噪声抑制效果明显。
本实施例采用振动传感器2进行地面振动监测，并利用高精度匹配技术使微推力测量系统1与振动传感器2进行静态和动态匹配，实现对地面振动噪声的共模抑制。最终在20Hz以内的测量频带内，将地面振动噪声的影响降到亚微牛量级，以满足高精度无拖曳控制优化中对微推进器地面测试的需求。同样，此方法可迁移至地面进行的受地面振动影响的实验和研究。
实施例2
本实施例提出一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统，应用于实施例1提出的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法。如图5所示，为本实施例的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统的结构参考示意图。
本实施例提出的基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制系统中，包括微推力测量系统1、振动传感器2、固定平台3、压电驱动器4、控制器5，其中：所述微推力测量系统1与振动传感器2固定连接在固定平台3上；所述压电驱动器4设置在固定平台3的不同位置，用于驱动所述固定平台3运动。
所述控制器5分别与所述微推力测量系统1、振动传感器2连接，用于调节优化所述微推力测量系统1的控制参数，使其传递函数在关心频段内为一定值，用于接收所述微推力测量系统1、振动传感器2的输出并进行数据分析，将所述微推力测量系统1的单一敏感轴与所述振动传感器2的坐标轴匹配。
所述控制器5生成特征频率的驱动信号后传输至压电驱动器4，压电驱动器4驱动平台3在敏感轴方向运动，所述控制器5读取并记录微推力测量系统1和振动传感器2的输出；同时所述控制器5生成与驱动信号同频同相的单位正交解调信号，解调信号分别与微推力测量系统1和振动传感器2的输出解调，所述控制器5提取所述微推力测量系统1和振动传感器2输出结果的幅值比和相位差信息，在积累足够频点的比对信息后，拟合得到高精度修正传递函数，使所述微推力测量系统1和振动传感器2的输出同步，进一步通过共模扣除振动噪声。
本实施例中，振动传感器2采用三轴微振仪、闭环振动传感器或多自由度加速度计，压电驱动器4采用压电陶瓷驱动器(PZT)，控制器5采用闭环控制系统。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
