一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法
2023-09-14 18:46:45 2
專利名稱：一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法
技術領域：
本發明涉及一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法，它詳細闡述了小波消噪的方法，這種方法應用於加速度計輸出和溫度關係的辨識中，可以有效地辨識出這種關係， 提高補償模型的精度。該技術屬於航空、航天導航技術領域。
背景技術：
捷聯慣性導航系統是一種完全自主的導航方式，它具有不依賴外界信息，隱蔽性強，機動靈活等優點，已被廣泛應用到各種軍民產品中。而加速度計是慣性導航系統中必不可少的慣性器件，其精度直接影響慣性系統的精度，但由於系統工作熱環境的變化帶來的器件熱漂移進而會造成導航誤差。在諸多的環境影響中，溫度的影響是不容忽視的，溫度對慣性器件精度的影響主要表現在兩個方面(I)慣性器件本身對溫度的敏感性；(2)慣性器件周圍溫度場的影響，也即溫度梯度的影響。慣性器件內部工作溫度的波動和殼體周圍的溫度梯度都會引起誤差，材料的熱脹冷縮會使加速度計的結構零件發生變形，對加速度計形成幹擾力矩。溫度變化也會使器件內部的各種材料的物理參數發生變化，力矩器磁性能的改變，也將直接影響慣性器件的輸出。因此研究溫度對加速度計輸出影響的規律，建立加速度計靜態溫度模型並對環境溫度引起的誤差進行補償，是提高其精度的一個重要方法。小波分析屬於時頻分析的一種方法。傳統的信號分析是建立在傅立葉(Fourier) 變換的基礎之上的，由於傅立葉分析使用的是一種全局變換，要麼完全在時域，要麼完全在頻域，因此無法表述信號的時頻局域性質，而這種性質恰恰是非平穩信號最根本和最關鍵的性質。為了分析和處理非平穩信號，人們對傅立葉分析進行了推廣乃至根本性的革命，提出並發展了一系列新的信號分析理論短時傅立葉變換、循環統計量理論和調幅-調頻信號分析等。小波變換是一種信號的時間-尺度(時間-頻率)分析方法，它具有在時頻兩域都表徵信號局部特徵的能力，是一種窗口大小固定不變但是形狀可以改變，時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法，即在低頻部分具有較高的頻率解析度和較低的時間解析度，在高頻部分具有較高的時間解析度和較低的頻率解析度，很適合探測正常信號中夾帶的瞬態反常現象並展示其成分，利用小波分析進行消噪處理具有良好的效果。本發明採用小波技術對加速度計輸出數據進行消噪處理，克服了傳統濾波方法的缺陷。傳統消噪方法通常是通過設置前置低通、高通、帶通或帶阻濾波器來提出噪聲， 當信噪譜重疊比較嚴重時，往往達不到所要求的去噪效果，而現代濾波理論如維納濾波和 kalman濾波，通常需要知道信噪的先驗統計知識，這在實際中往往很難或者無法得到。然而小波技術由於其自身特性，使其能對信號進行多解析度分析，通過大小可變的時頻窗口觀察信號內部結構，能過很好的辨識出加速度計和溫度的關係，進而建立更精確的模型，提高溫度補償的有效性。現有的技術方案為了克服環境溫度對加速度計的影響，現有技術大部分都基於結構改進設計或硬體補償的思想。其主要從以下幾個方面進行硬體設計補償(I)改進加速度計的熱設計。由於加速度計結構的特殊性和組成器件、原件、材料的複雜性，加上高精度加速度計對溫度異常敏感。因此對溫度變化、溫度分布要求極嚴，所以在設計加速度計是應注意其內外溫度的變化條件、溫度分布狀態，妥善處理這些熱幹擾， 使之對加速度計性能的影響儘可能小。(2)進行加速度計溫度補償結構的設計。加速度計擺質心到樞軸距離的溫度係數、 永磁體的磁溫係數和線圈的線漲係數是影響加速度計力矩器標度因數的主要因素"通過在硬體中增加負溫度係數的材料或元件，以抵消由溫度變化引起的材料物理參數的變化， 補償溫度對加速度計精度的影響，也有人在研究能自我檢測自我補償的加速度計系統，該方法是通過檢測質量塊的靜電力偏差來實現的。(3)增加改善加速度計測試環境和工作環境溫度的硬體措施。影響加速度計性能的另一個熱幹擾來自於外部熱量，而這種熱量往往是不能控制的，採用屏蔽方法使慣性器件內部保持在某一穩定溫度，如建立高級的空調實驗室，採用熱屏蔽罩和均熱罩或者是對加速度計採用必要的溫控措施等。日本專家研究出在高溫中應用的三軸加速度計中，利用在同一晶片集成的溫度傳感器、壓電電阻和放置於橫梁處的微加熱器構成一個溫度控制系統，來補償外界溫度的變化。(4)儀表體積大必然使導熱通道和導電通道加長。導熱通道長會導致大的溫度梯度，導電通道長會增加對雜散電容和電磁輻射的靈敏度，從而影響加速度計的精度和穩定度。減小加速度計結構尺寸的關鍵不在機械和電氣設計方面，而主要受使用材料和加工工藝的限制。目前研究的一些新的加速度計的製造工藝，如單晶矽和多晶矽微加工加速度計，是解決這一矛盾的有效途徑，它是用現有的集成電路工藝對單晶矽片加工而成，並且將來完全可以把電子線路也做到同一晶片上，成為真正的單片式固態加速度計。目前也有專家在處理過程中，在設備結構(如固定片、迴轉軸和迴轉軸梳子)上嵌入多晶矽電阻，由獨立的電路控制這些電阻來控制溫度，並利用隧道效應做加速度計，可來減小溫度效應，提高線性度。現有技術的缺點以上都是基於硬體補償的思想，即通過改變結構、材料、工藝和工作環境等方法來提高慣性器件的精度，但它們有如下不足之處I、廣品價格聞，經濟耗資大；2、研發周期長；3、受限於現有工藝技術水平。本發明提出了通過大量實驗所得到的數據，經過小波消噪處理；並在此基礎上進行模型結構和參數辨識，建立加速度計靜態溫度模型。該方法建立的模型完全符合工程上的實時補償要求。
發明內容
本發明提供了一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法，通過小波技術消除噪聲，使得加速度計輸出和溫度的關係不被噪聲淹沒，並通過多項式擬合方法建立模型，對加速度計進行溫度補償。
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本發明一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法，該方法具體步驟如下步驟一設計實驗方案，對加速度計進行定點高低溫測試實驗，利用採集軟體進行數據採集。由於不同的加速度計其工作溫度不盡相同，因此在設計溫度實驗是要根據加速度計工作溫度進行合理的設計，也即實驗溫度要在工作範圍之內。然後根據溫度試驗範圍確定不同的溫度點。該實驗需要溫度可變的溫箱，以及可以採集加速度計輸出數據和加速度計溫度的軟體。步驟二 對步驟一所採集的數據進行預處理，剔除異常值，並進行消噪處理。通過分析數據的特性，選擇合適的小波基波對數據進行分解、重構，並分析溫度對加速度計精度影響，主要和環境溫度、溫度梯度、溫度變化率中哪些相關；a、選擇合適的小波基波。設函數V ( ω ) e L2 (R) Π L1 (R)，並且其傅立葉變換Ψ ( ω )滿足允許條件
權利要求
1.一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法，其特徵在於該方法具體步驟如下 步驟一設計實驗方案，對加速度計進行定點高低溫測試實驗，利用採集軟體進行數據採集；根據溫度試驗範圍確定不同的溫度點，該實驗需要溫度可變的溫箱，以及能採集加速度計輸出數據和加速度計溫度的軟體；步驟二 對步驟一所採集的數據進行預處理，剔除異常值，並進行消噪處理；通過分析數據的特性，選擇小波基波對數據進行分解、重構，並分析溫度對加速度計精度影響和環境溫度、溫度梯度、溫度變化率中哪些相關；a、選擇小波基波；設函數Ψ (ω) e L2 (R) H L1 (R)，並且其傅立葉變換Ψ (ω)滿足允許條件Q = ffc^a,b(t)}稱為小波；ΨαΛ0 = ~^=ψ(—)a,beR;a^0 (5-2)#1 α參數a對應著頻率位置，b對應著時間位置；當a較大時，擴展後的小波是一個低頻函數，用來分析信號中的低頻部分；當a較大時，縮小後的小波為一個高頻函數，用來分析信號中的高頻部分；因此，根據小波的以上性質，決定了不管信號的頻率範圍如何，小波都要試圖去除所有噪聲，保留所有信號；而小波的多解析度性質，能夠根據信號和噪聲在小波域中不同的特徵表現，能有效地將信號和噪聲區別開來；選擇合適的小波以後，確定小波分解的層次N，然後對加速度計數據進行N層小波分解，也即對加速度計信號進行多層小波變換，將加速度計信號分解為概貌信號和細節信號;利用小波閾值濾波算法進行消噪處理；通過上述分解，對細節信號進行閾值處理，其中閾值取T = a-yj2\ogN (5-3)上式中σ為噪聲標準差，由d =來估計；Median表示取中位數，Wlt表示最0.6745小尺度的小波變換係數；確定閾值後，對小波分解高頻係數的閥值進行量化，也即對第一層到第N層的每一層高頻係數，選擇一個閥值進行閥值量化處理；閾值量化處理分為硬閾值和軟閾值兩種濾波算法，I)硬閾值濾波算法，即當某位置小波變換係數大於閾值時原樣保留，否則置零；2)軟閾值算法，即當某位置小波變換係數大於閾值時取夕=sgn(j) * (I -Γ)，否則置零；b、小波信號的重構，根據小波分解的第N層低頻信號係數和經過量化處理後的第一層到第N層的高頻係數，進行信號的小波重構；步驟三經過上述分析，利用小波消噪後的數據對加速度計溫度模型結構進行辨識並對辨識後模型參數進行解算；在模型結構辨識中，可能存在「過匹配」問題，即當模型階次超過最佳階次時，誤差準則函數將會隨著階次增加而增加，因此，通過統計檢驗方法及最小二乘法進行模型結構和參數辨識；採用多項式擬合加速度計零偏和溫度的關係，模型如下
全文摘要
一種基於小波消噪的加速度計溫度補償方法，它有三大步驟步驟一設計實驗方案，對加速度計進行定點高低溫測試實驗，利用採集軟體進行數據採集。步驟二對步驟一所採集的數據進行預處理，剔除異常值，並進行消噪處理。步驟三經過上述分析，利用小波消噪後的數據對加速度計溫度模型結構進行辨識並對辨識後模型參數進行解算。本發明通過大量實驗所得到的數據，經過小波消噪處理；並在此基礎上進行模型結構和參數辨識，建立加速度計靜態溫度模型。該方法建立的模型完全符合工程上的實時補償要求。它在航空、航天導航技術領域裡具有較好的實用價值和廣闊地應用前景。
文檔編號G01P15/00GK102590553SQ20121005003
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者丁楓, 宋凝芳, 宋來亮, 晁代宏, 王振飛 申請人:北京航空航天大學