一种用于磁流体陀螺微弱信号检测的小波降噪方法研究*
王丽萍1,李醒飞1*,吴腾飞1,纪 越1,徐梦洁1,陈 诚2
【摘 要】新型磁流体陀螺可以同时满足卫星微角颤振在轨测量的亚微弧度测量精度及千赫兹带宽的技术要求,优于当前卫星系统中所用陀螺,是用于卫星微角颤振测量的理想传感器。但是其输出信号极其微弱并且淹没在大量噪声中导致无法有效地实现检测角速度的功能。提出了一种基于自相关的小波阈值去噪算法提取微弱信号。该方法通过计算小波分解各层细节分量的自相关系数,自动确定最优小波分解层数,并通过该自相关系数选择最优去噪阈值。对传统阈值去噪算法与所提出的改进小波算法进行了对比实验,实验结果表明该方法能将输出信号信噪比提高7 dB～10 dB,适用于所设计的磁流体陀螺微弱信号的检测提取。 【期刊名称】传感技术学报 【年(卷),期】2014(000)010 【总页数】8
【关键词】磁流体陀螺;微弱信号;小波去噪;自相关;自适应阈值
随着高分辨率对地观测、高精度指向等卫星平台与应用技术发展,卫星平台及其有效载荷对于微角颤振的高精度测量和控制需求迫切。然而,当前卫星姿态控制系统中所采用的机电式陀螺仪、光学陀螺仪等均不能满足对测量精度和带宽的要求,上述陀螺仪低噪声和宽带宽的性能是相矛盾的,即在带宽较大时,精度会降低,在其综合性能的提升方面存在极大困难;磁流体陀螺作为一种新型角速度传感器,可以同时满足卫星微角颤振在轨测量的亚微弧度测量精度及千赫兹带宽的技术要求[1]。磁流体陀螺特别适用于空间工程应用,已应用于美国中继卫星反射镜试验RME[2]、日本先进陆地观测卫星ALOS[3]、美国静止轨道环境卫星
GOES-N[4]等高精度航天器,是目前卫星微角颤振测量仪器的主要技术发展方向[5]。
与基于其他原理的陀螺仪相似,作为一种高精度的惯性传感器件,磁流体陀螺同样面临着微弱信号提取与检测的问题,其所探测的微弱宽频信号往往湮没在大量噪声中。目前,国内针对磁流体陀螺的研究较为落后,国外关于磁流体陀螺微弱信号提取与检测方法的研究也鲜有报道。美国休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)的Charles Pinney和Mark A Hawes介绍了磁流体角速度传感器本底噪声的测量方法,以及利用本底噪声预测传感器漂移误差的方法[6]。河北工业大学的孙景峰等人设计了一种磁流体加速度传感器,并设计了一套包括放大、滤波的预处理电路和数据显示电路[7]。天津大学于翔等人进行了单流体环磁流体陀螺仪的角振动跟踪实验。其所研究的磁流体陀螺输出经过前置放大和带通滤波后在单一频率下显示了良好的角振动信号跟踪性能[8]。
磁流体陀螺所检测的航天器微角振动幅值一般在sub-μrad至几百μrad之间,振动频率在1 kHz以内,且其工作于环境恶劣的宇宙环境中,前级传感器输出信号达到nV级,极其微弱,因此研究其微弱信号的检测方法是研发磁流体陀螺的关键技术之一。微弱信号检测最常见的方法主要包括相关检测、取样积分、锁相放大和双路消噪法等。但是这些方法或限制输入信号为单频信号或精度低、噪声大等原因并不适合所设计的磁流体陀螺的信号检测[9-11]。近年来兴起的小波变换具有多分辨率特性[12],能更有效地处理信噪比极低的信号,并且很好地保存有用信号中的尖峰部分和突变部分[13]。然而传统的小波阈值去噪算法基本是基于大量实验确定固定的分解层数及阈值,计算量大且针对不同信号的适应性差,特别是当陀螺输入信号并不确定时,会使去噪效果不明显或过度去噪而使有用
信号失真。
针对这些问题,本文提出了一种基于自相关的小波去噪算法,通过计算小波分解各层细节分量的自相关系数,确定最佳分解层数,并通过该自相关系数确定自适应的收缩阈值,该方法极大地提高了磁流体陀螺输出信号的信噪比。文章第1部分陈述了磁流体陀螺的工作原理及机械结构,第2部分对经过预处理的输出信号进行了分析,第3部分提出基于自相关的小波去噪算法,第4部分进行实验验证并给出实验结果。
1 磁流体陀螺工作原理及机械结构
磁流体陀螺工作原理基于磁流体动力学效应(MHD),即导电流体速度场与磁场的耦合效应。如图1所示,下层环为永磁体,提供强外磁场。上层环为流体通道,内部装满磁流体。当外界在磁流体陀螺的敏感轴方向有角速度ω输入时,永磁体及流体通道相对惯性空间产生角位移,而磁流体惯性较大,相对于惯性空间几乎静止,因此在磁流体和磁场间产生一个相对速度νq。磁流体切割磁感线,从而在金属外壳和芯柱之间产生与ω成线性关系的动生电动势E[14]: E(s)=ω(s) (1)
其中:B为外磁场磁感应强度(T);W为流体通道有效宽度,即W=ro-ri(m);r为半径均方根,即r=(m);υ为运动粘度(m2/s);h为通道高度(m);H为Hartmann常数,H=(无量纲);ρ为磁流体密度(kg/m3);η为磁流体电阻率(Ω·m)。
基于上述原理,设计的磁流体陀螺结构如图2所示,圆柱体外壳选用高磁导率的软磁材料,为永磁体形成闭合磁回路,同时构成流体通道的外壁。外壳内底部放置圆片状永磁体,上面用绝缘的密封套卡住,密封套构成流体通道下表面。密封套侧面
一种用于磁流体陀螺微弱信号检测的小波降噪方法研究
