本發(fā)明涉及一種基于MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的組合測量的方法,屬于測試測量技術(shù)領(lǐng)域。具體講,涉及基于MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的組合測量的方法。

背景技術(shù)：

MHD角速度傳感器是一種基于電磁感應(yīng)原理的(Magneto hydrodynamics，簡稱MHD)傳感器，具有耐沖擊能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、可靠性高的優(yōu)點，滿足低噪聲千赫茲帶寬的測量要求，可應(yīng)用于深空激光通訊、高分辨率遙感衛(wèi)星對地觀測、太空望遠(yuǎn)鏡等。

MHD角速度傳感器主要由敏感元件和檢測電路兩部分組成。流體環(huán)內(nèi)充滿導(dǎo)電流體，與流體接觸的內(nèi)外壁導(dǎo)電。當(dāng)外界有角速度沿敏感軸方向輸入時，由于導(dǎo)電流體的慣性作用，導(dǎo)電流體與流體環(huán)產(chǎn)生相對角位移，導(dǎo)電流體切割磁感線，產(chǎn)生電動勢，電動勢經(jīng)過檢測電路處理得到表征角速度的傳感器整機(jī)輸出電壓信號。

受到液體粘滯力與電磁力的影響，MHD角速度傳感器會出現(xiàn)低頻幅值衰減與低頻相位誤差。為了改善低頻性能，采用傳統(tǒng)的方法，如改變MHD角速度傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)計電路補(bǔ)償以及數(shù)字濾波均能在一定程度上改善傳感器的低頻性能，但不能從根本上解決低頻幅值衰減與低頻相位誤差，無法響應(yīng)直流信號。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出角速度傳感器與高精度陀螺儀組合測量的方法，能夠有效的降低MHD角速度傳感器的低頻誤差與噪聲水平，使擴(kuò)展后傳感器的工作帶寬達(dá)到0-1KHz，保證融合后輸出增益不隨頻率變化。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀組合測量方法，包括的步驟有：傳感器模型的建立、標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一、FIR低通濾波器處理、“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理；具體地：

所述傳感器模型的建立是分別計算MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的幅頻響應(yīng)，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)；

所述標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一是將高精度陀螺儀的標(biāo)度與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)化為一致；

所述FIR低通濾波器處理是對標(biāo)度因數(shù)經(jīng)過統(tǒng)一的高精度陀螺儀進(jìn)行FIR低通濾波器處理，實現(xiàn)對高精度陀螺儀無用高頻信號的濾除，實現(xiàn)噪聲水平的降低；

所述“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理是根據(jù)MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的模型，設(shè)計相應(yīng)的“相位補(bǔ)償高通濾波器”，對MHD角速度傳感器進(jìn)行濾波處理，改變其傳遞函數(shù)的零點與極點，將處理后的輸出與高精度陀螺儀輸出相加，得到幅值與相位在全頻帶保持一致的輸出。

其中，所述標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一是改變高精度陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)保持一致。

其中，所述FIR低通濾波器滿足截止頻率大于高精度陀螺儀截止頻率的要求，避免FIR低通濾波器改變高精度陀螺儀幅頻與相頻響應(yīng)。

MHD角速度傳感器的復(fù)頻域模型表示為：

G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)G₄(s) (1)

G₁(s)表示表頭部分模型則：

其中B₀表示永磁體提供的外磁場磁場強(qiáng)度，r表示流體通道半徑均方根，w表示流體通道的有效寬度，v表示磁流體的運動粘度系數(shù)，H表示哈特曼常數(shù)，h表示磁流通道的高度，s表示復(fù)頻域變量或拉普拉斯算子；

G₂(s)表示初級放大電路模型,G₃(s)表示濾波電路模型：G₄(s)表示次級放大電路模型,經(jīng)計算化簡可得傳感器模型為：

其中a、b、c、d、K均為常數(shù)；

高精度陀螺儀的復(fù)頻域模型簡化為(4)式的形式：

其中α、β、k均為常數(shù)。

經(jīng)過離散化處理，得到簡化模型為(5)式的形式；

其中α₁、β₁均為常數(shù)，z為Z-transform變換變量；

將MEMS陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)化為一致，具體方式為：

ω'_gyro＝ω_gyrok_MHD/k_gyro (6)

其中ω_gyro表示MEMS陀螺儀的輸出，ω′_gyro表示MEMS陀螺儀標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器標(biāo)度因數(shù)化為一致后的輸出,k_MHD表示MHD角速傳感器的標(biāo)度因數(shù)，k_gyro表示高精度陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)。

“相位補(bǔ)償高通濾波器”設(shè)計的方法如下：將標(biāo)度因數(shù)化為一致的高精度陀螺儀與MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)相加，得到融合后新的傳遞函數(shù)如式(7)：

G_fused(z)＝G_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (7)

此時得到的G_fused(z)在兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處會出現(xiàn)增益隨頻率變化的現(xiàn)象，同時輸出的相頻響應(yīng)會出現(xiàn)超前與滯后的問題。因此，需通過“相位補(bǔ)償高通濾波器”調(diào)整MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)，再將調(diào)整零極點后的MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加得式(8)

G'_fused(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (8)

使此時得到的G'_fused(z)兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處增益保持一致；

調(diào)整MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)的方法如下：

MHD角速度傳感器低頻性能不佳主要原因是傳感器受到導(dǎo)電流體粘滯力與電磁力的影響，而轉(zhuǎn)換到MHD角速度傳感器的模型中，影響傳感器低頻性能的部分主要體現(xiàn)在表頭部分G₁(s)，假設(shè)參數(shù)a是表頭部分的參數(shù)，那么經(jīng)過離散化處理后，影響傳感器低頻性能的極點變?yōu)閔與零點f；

MHD角速度傳感器的離散化后傳遞函數(shù)為式(9)：

其中v、e、f、g、h、r、t、m表示經(jīng)過z變換后的常數(shù)，z為Z-transform變換變量；

通過多次改變f、h使其變f₁、h₁得到式(10)

將校正后的MHD角速度傳感器G'_MHD(z)與經(jīng)過FIR濾波處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加得到式(14)：

G_fused-final(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (11)

使得到的新的傳遞函數(shù)式(8)的增益在兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處保持一致；由此得到“相位補(bǔ)償高通濾波器”的傳遞函數(shù)為：

H_p(z)＝G'_MHD(z)/G_MHD(z) (12)

經(jīng)過“相位補(bǔ)償高通濾波器”校正后的MHD角速度傳感器與經(jīng)過FIR低通濾波器處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加，得到融合后的結(jié)果為

G_fused-final(z)＝G_MHD(z)H_P(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (13)

其頻率響應(yīng)的形式如圖4所示，其中G_fused-final(z)表示融合后的傳遞函數(shù)。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

(1)本發(fā)明創(chuàng)造性的提出了“相位補(bǔ)償高通濾波器”，改變MHD角速度傳感器模型的零極點，使MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀融合，徹底解決MHD角速度傳感器低頻的幅值衰減及相位誤差，無法響應(yīng)直流信號的問題，使擴(kuò)展后傳感器的工作帶寬達(dá)到0-1KHz，這是現(xiàn)有技術(shù)沒有采用過的方案；所涉及的“相位補(bǔ)償高通濾波器”具有以下特點：其頻率響應(yīng)如圖5所示，在低頻段的增益隨頻率增大而增大，在高頻段的增益近似恒定為1；在截斷MHD角速度傳感器低頻頻率處相位超前，其他頻段處相位恒為0。經(jīng)過“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理后的MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀融合后的頻率響應(yīng)如圖4所示，融合后的增益在整個測量頻段上保持為恒定值，相位在整個測量頻段上恒為0。

(2)本發(fā)明所設(shè)計的FIR低通濾波器能夠有效的降低高精度陀螺儀的噪聲水平，從而在整體上不會增大MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀融合后的噪聲水平。

附圖說明：

圖1:發(fā)明步驟流程圖。

圖2:MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀頻率響應(yīng)。

圖3:“相位補(bǔ)償高通濾波器”設(shè)計流程圖

圖4:融合后的頻率響應(yīng)。

圖5:“相位補(bǔ)償高通濾波器”的頻率響應(yīng)。

圖6:MHD角速度傳感器校正前后的頻率響應(yīng)。

具體實施方式

針對MHD角速度傳感器在技術(shù)背景中出現(xiàn)的不足，本發(fā)明提出一種基于MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀組合測量的方法，該方法根據(jù)建立的傳感器模型，設(shè)計相應(yīng)的混疊濾波器，融合MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的輸出，有效的降低了MHD角速度傳感器的低頻誤差與噪聲水平，使擴(kuò)展后傳感器的工作帶寬達(dá)到0-1KHz，保證融合后輸出增益不隨頻率變化。

本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案予以實施：

提供一種MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的組合測量的方法，發(fā)明流程圖如圖1所示，包括傳感器模型的建立、標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一、FIR低通濾波器處理、“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理。

所述傳感器模型的建立是分別計算MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的幅頻響應(yīng)，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)。

所述標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一將高精度陀螺儀的標(biāo)度與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)化為一致。

所述FIR低通濾波器處理是對標(biāo)度因數(shù)經(jīng)過統(tǒng)一的高精度陀螺儀進(jìn)行FIR低通濾波器處理，實現(xiàn)對高精度陀螺儀無用高頻信號的濾除，實現(xiàn)噪聲水平的降低。

所述“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理是根據(jù)MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的模型，設(shè)計相應(yīng)的“相位補(bǔ)償高通濾波器”，對MHD角速度傳感器進(jìn)行濾波處理，改變其傳遞函數(shù)的零點與極點，將處理后的輸出與高精度陀螺儀輸出相加，得到幅值與相位在全頻帶保持一致的輸出。

優(yōu)選的，所述標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一可改變高精度陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)保持一致。

優(yōu)選的，所述FIR低通濾波器滿足截止頻率大于高精度陀螺儀截止頻率的要求，避免FIR低通濾波器改變高精度陀螺儀幅頻與相頻響應(yīng)。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)闡述：

本發(fā)明涉及的一種基于MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的組合測量的方法，包括傳感器模型的建立、標(biāo)度因數(shù)的統(tǒng)一、FIR低通濾波器處理、“相位補(bǔ)償高通濾波器”處理等步驟。

傳感器模型建立可通過掃頻實驗得到傳感器的傳遞函數(shù)，也可通過其他方式，例如MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)可通過計算傳感器內(nèi)部的各個環(huán)節(jié)得到，MHD角速度傳感器的流體環(huán)的內(nèi)外電極之間的電勢差經(jīng)過初級放大電路、濾波電路、次級放大電路最后輸出電壓。其復(fù)頻域模型可表示為：

G(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s)G₄(s) (1)

G₁(s)表示表頭部分模型則：

其中B₀表示永磁體提供的外磁場磁場強(qiáng)度，r表示流體通道半徑均方根，w表示流體通道的有效寬度，v表示磁流體的運動粘度系數(shù)，H表示哈特曼常數(shù)，h表示磁流通道的高度，s表示復(fù)頻域變量或拉普拉斯算子。

G₂(s)表示初級放大電路模型,G₃(s)表示濾波電路模型：G₄(s)表示次級放大電路模型,經(jīng)計算，化簡可得傳感器模型為：

其中a、b、c、d、K均為常數(shù)，其頻率響應(yīng)如圖2實線所示。

高精度陀螺儀的復(fù)頻域模型可簡化為(4)式的形式。

其中α、β、k均為常數(shù)。

經(jīng)過離散化處理，得到簡化模型為(5)式的形式。

其中α₁、β₁均為常數(shù)，z為Z-transform變換變量。

將MEMS陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)化為一致，具體方式為：

ω'_gyro＝ω_gyrok_MHD/k_gyro (6)

其中ω_gyro表示MEMS陀螺儀的輸出，ω′_gyro表示MEMS陀螺儀標(biāo)度因數(shù)與MHD角速度傳感器標(biāo)度因數(shù)化為一致后的輸出,k_MHD表示MHD角速傳感器的標(biāo)度因數(shù)，k_gyro表示高精度陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)。標(biāo)度因數(shù)經(jīng)過統(tǒng)一的高精度陀螺儀與MHD角速度傳感器的頻率響應(yīng)如圖2所示。

FIR低通濾波器處理是對標(biāo)度因數(shù)經(jīng)過統(tǒng)一的高精度陀螺儀進(jìn)行FIR低通濾波器處理，目的是去除高頻噪聲以及雜散噪聲對高精度陀螺儀陀螺的影響。用FIR低通濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時要求FIR濾波器的截止頻率要高于高精度陀螺儀的截止頻率，避免FIR低通濾波器對高精度陀螺儀的頻率響應(yīng)造成較大的影響，從而造成融合后標(biāo)度因數(shù)不一致的問題。其中FIR低通濾波器可表示為H_FIR-LP(z)。

“相位補(bǔ)償高通濾波器”設(shè)計的流程如圖3所示。具體方法如下：將標(biāo)度因數(shù)化為一致的高精度陀螺儀與MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)相加，得到融合后新的傳遞函數(shù)如式(7)：

G_fused(z)＝G_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (7)

此時得到的G_fused(z)在兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處會出現(xiàn)增益隨頻率變化的現(xiàn)象，同時輸出的相頻響應(yīng)會出現(xiàn)超前與滯后的問題。因此，需通過“相位補(bǔ)償高通濾波器”調(diào)整MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)，再將調(diào)整零極點后的MHD角速度傳感器與高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加得式(8)

G'_fused(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z) (8)

使此時得到的G'_fused(z)兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處增益保持一致，使其頻率響應(yīng)的形式如圖4所示。

調(diào)整MHD角速度傳感器的傳遞函數(shù)G_MHD(z)中的零極點得到G'_MHD(z)的方法如下：

MHD角速度傳感器低頻性能不佳主要原因是傳感器受到導(dǎo)電流體粘滯力與電磁力的影響，而轉(zhuǎn)換到MHD角速度傳感器的模型中，影響傳感器低頻性能的部分主要體現(xiàn)在表頭部分G₁(s)，其他部分如初級放大電路G₂(s)、濾波電路G₃(s)、次級放大電路G₄(s)均對傳感器的低頻性能影響極其微弱，可以忽略。假設(shè)參數(shù)a是表頭部分的參數(shù)，那么經(jīng)過離散化處理后，影響傳感器低頻性能的極點變?yōu)閔與零點f。

MHD角速度傳感器的離散化后傳遞函數(shù)為式(9)：

其中v、e、f、g、h、r、t、m表示經(jīng)過z變換后的常數(shù)，z為Z-transform變換變量。

通過多次改變f、h使其變f₁、h₁得到式(10)

將校正后的MHD角速度傳感器G'_MHD(z)與經(jīng)過FIR濾波處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加得到式(11)：

G_fused-final(z)＝G'_MHD(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (11)

使得到的新的傳遞函數(shù)式(11)的增益在兩個傳感器的截止頻率及其中間頻段處保持一致，達(dá)到圖4所示的效果。

由此可以得到“相位補(bǔ)償高通濾波器”的傳遞函數(shù)為：

H_p(z)＝G'_MHD(z)/G_MHD(z) (12)

其頻率響應(yīng)的形式如圖5所示。經(jīng)過“相位補(bǔ)償高通濾波器”校正后的MHD角速度傳感器與經(jīng)過FIR低通濾波器處理后的高精度陀螺儀的傳遞函數(shù)相加，得到融合后的結(jié)果為

G_fused-final(z)＝G_MHD(z)H_P(z)+k_MHD/k_gyroG_gyro(z)H_FIR-LP(z) (13)

其頻率響應(yīng)的形式如圖4所示，其中G_fused-final(z)表示融合后的傳遞函數(shù)。