【摘 要】
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在轨航天器会受到各种微角振动的干扰,这种微角振动严重影响着航天器上有效载荷的正常工作,需要对其进行准确测量。基于磁流体动力学（magnetohydrodynamics,MHD）的微角振动传感器（以下简称MHD传感器）能够测量高达1k Hz的角振动,但是由于原理上的限制,其对低频（＜2Hz）振动的响应性能不佳,存在较为严重的幅值衰减以及输出信噪比减小现象,无法满足0.1～1k Hz全频段振动测量的要
【基金项目】
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国家自然科学基金委资助项目-国家重大科研仪器研制项目“基于磁流体的航天器姿态微角振动测量仪”,项目批准号:61427810；
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在轨航天器会受到各种微角振动的干扰,这种微角振动严重影响着航天器上有效载荷的正常工作,需要对其进行准确测量。基于磁流体动力学（magnetohydrodynamics,MHD）的微角振动传感器（以下简称MHD传感器）能够测量高达1k Hz的角振动,但是由于原理上的限制,其对低频（＜2Hz）振动的响应性能不佳,存在较为严重的幅值衰减以及输出信噪比减小现象,无法满足0.1～1k Hz全频段振动测量的要求。本文针对MHD传感器的低频拓展,对其与MEMS陀螺仪的融合方法进行了如下研究:1、依据MHD传感器的工作原理,理论推导出了传感器的传递函数模型,绘制了理论幅频曲线和相频曲线。分析了几种降低传感器低频截止频率方法的可行性,确定了通过MEMS陀螺仪与MHD传感器进行信号融合的方案。通过扫频实验绘制并分析了两个传感器实际的幅频曲线和相频曲线,利用经典功率谱估计法对两个传感器的静态噪声进行了分析。2、对比分析了常用多传感器融合方法的优劣性,创新提出了基于小波方差加权的MHD传感器和MEMS陀螺仪去噪融合算法。该算法以表示信号平均能量的小波方差特征作为评价传感器幅值衰减程度的指标,以此设计了小波系数加权融合规则。针对MHD传感器在低频振动时输出信噪比过低的问题,在融合算法中引入了小波阈值去噪算法对MHD传感器的细节系数进行阈值处理。详述了去噪融合算法的时域迭代形式和具体实施方案。3、设计并搭建了MHD传感器和MEMS陀螺仪信号融合系统,分别利用Lab VIEW和MATLAB软件编写了双传感器自动化数据采集程序及去噪融合处理程序。通过0.1～120Hz的扫频实验表明,去噪融合处理后信号的幅频特性曲线和相频特性曲线均比较平坦,在0.1～120Hz内,最大幅值衰减为0.66d B,均方根误差小于0.69°/s,相位波动在±6°以内。噪声对比实验表明:在＜2Hz的低频振动下,去噪融合处理后的信号波形光滑,信噪比与MHD传感器信号相比提升至少一倍以上;在MHD传感器工作带宽内,等效噪声角速率减小95%以上。初步验证了基于小波方差加权的去噪融合算法对于补偿MHD传感器低频幅值衰减及提升低频输出信噪比的有效性,且未影响MHD传感器的高频特性,实现了对MHD传感器的低频带宽的有效拓展,拓展后的传感器具备0.1～1k Hz的振动测量能力。
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