一種飛行器力學環(huán)境參數(shù)高精度測量的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種飛行器力學環(huán)境參數(shù)高精度測量的系統(tǒng)及方法，屬于信號采集與 處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 測量精度是飛行器測量系統(tǒng)（以下簡稱測量系統(tǒng)）追求的最重要的指標之一，因 此如何在有限條件下提高精度是測量系統(tǒng)設(shè)計的重點。測量系統(tǒng)信號傳輸環(huán)節(jié)多，最終的 測量精度受多種因素影響，其中AD轉(zhuǎn)換器是很重要的一個環(huán)節(jié)。
[0003] 測量系統(tǒng)設(shè)計過程中，傳感器產(chǎn)生的連續(xù)信號，要經(jīng)過當前無線信道的傳輸，必須 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，任何模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換必然造成信號的失真。如何保證有限頻帶內(nèi)信號 極低失真的恢復是數(shù)據(jù)采集的核心問題。
[0004] 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法由于硬件水平的限制，選用奈奎斯特型AD轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用最多 的是逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器，簡單的遵循采樣定理而采集。傳統(tǒng)奈奎斯特型AD轉(zhuǎn)換器采樣率 有限，對于信號頻率較高的力學環(huán)境參數(shù)往往難以滿足采樣定理的要求，信號出現(xiàn)混疊，因 此現(xiàn)有測量系統(tǒng)力學參數(shù)采集部分通常在AD轉(zhuǎn)換器之前加抗混疊濾波器進行低通濾波。 抗混疊濾波器是一種模擬低通濾波器，受模擬元器件的精度限制，其阻帶衰減難以做到很 高，信號仍會出現(xiàn)一定程度的混疊。
[0005] 理論分析與歷次測量數(shù)據(jù)一致表明，傳統(tǒng)奈奎斯特型AD與抗混疊濾波器的組合 已經(jīng)無法滿足飛行器測量系統(tǒng)對力學環(huán)境參數(shù)高精度測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種飛行器力學環(huán)境參數(shù)高 精度測量的系統(tǒng)及方法，突破現(xiàn)有的奈奎斯特型AD與抗混疊濾波器的組合框架，用性能指 標遠遠高于模擬濾波器的數(shù)字濾波器代替模擬濾波器，將數(shù)字濾波與過采樣和噪聲整形相 結(jié)合，濾除大部分高頻噪聲，提高精度。
[0007] 本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種飛行器力學環(huán)境參數(shù)高精度測量的系統(tǒng)，包括多 個信號采集通路，每個信號采集通路包括信號調(diào)理電路、Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器、FIR數(shù) 字濾波器、抽取模塊；
[0008] 信號調(diào)理電路，從飛行器的傳感器及變換器接收一路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號，該 路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號是振動參數(shù)或噪聲參數(shù)或沖擊參數(shù)，該路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號 的最高頻率fc，將該路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號的幅度范圍調(diào)整至Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器 所需要的輸入范圍，送至Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器；
[0009] Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器對該路信號調(diào)理電路調(diào)整后的力學環(huán)境參數(shù)模擬信號 進行R倍過采樣，傳統(tǒng)的測量方法是通過乃奎斯特型AD轉(zhuǎn)換器進行采樣，該乃奎斯特型 AD轉(zhuǎn)換器的采樣頻率fs大于等于兩倍的信號最高頻率fc，過采樣頻率為RX fs，過采樣 后，Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器采用Sigma Delta調(diào)制技術(shù)對該路信號進行噪聲整形，輸出 該路力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號，該力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號的量化噪聲不均勻地分布在O到 RXfs/2間的頻率范圍；
[0010] FIR數(shù)字濾波器，對Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器噪聲整形后的該路力學環(huán)境參數(shù)數(shù) 字信號進行數(shù)字低通濾波，濾除高頻噪聲；
[0011] 抽取模塊設(shè)定M因子，M因子即抽取比例，抽取模塊按照M因子對FIR數(shù)字濾波器 進行數(shù)字低通濾波后的該路力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號進行抽取，以減低數(shù)據(jù)輸出速率，所述M 因子的選擇范圍為根據(jù)M因子抽取后數(shù)據(jù)輸出速率大于等于兩倍的信號最高頻率fc。
[0012] 所述的信號調(diào)理電路包括電壓跟隨器電路、差動轉(zhuǎn)換電路；
[0013] 電壓跟隨器電路包括第一運算放大器；差動轉(zhuǎn)換電路包括第一電阻Rl、第二電阻 R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第二運算放大器、第三運算放大 器；第一運算放大器的輸入正端作為信號輸入，第一運算放大器的輸入負端連接第一運算 放大器的輸出端，第四電阻R4的一端連接第一運算放大器的輸出端，第四電阻R4的另一端 連接第二運算放大器的輸入負端，第六電阻R6的一端連接第二運算放大器的輸入負端，第 六電阻R6的另一端連接第二運算放大器的輸出端，并作為輸出信號的負端；
[0014] 第二運算放大器的正端通過第五電阻R5接地；
[0015] 第二運算放大器的輸出端通過第一電阻Rl連接第三運算放大器的輸入負端，第 三運算放大器的輸入正端通過第二電阻R2接地，第三電阻R3的一端連接第三運算放大 器的輸入負端，第三電阻R3的另一端連接第三運算放大器的輸出端，并作為輸出信號的正 端。
[0016] -種飛行器力學環(huán)境參數(shù)高精度測量的方法，包括步驟如下：
[0017] (1)信號調(diào)理電路，從飛行器的傳感器及變換器接收一路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號， 該路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號是振動參數(shù)或噪聲參數(shù)或沖擊參數(shù)，該路力學環(huán)境參數(shù)模擬信 號的最高頻率fc，將該路力學環(huán)境參數(shù)模擬信號的幅度范圍調(diào)整至Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換 器所需要的輸入范圍，送至Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器；
[0018] (2) Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器對該路步驟（1)信號調(diào)理電路調(diào)整后的力學環(huán)境參 數(shù)模擬信號進行R倍過采樣，傳統(tǒng)的測量方法是通過乃奎斯特型AD轉(zhuǎn)換器進行采樣，該乃 奎斯特型AD轉(zhuǎn)換器的采樣頻率fs大于等于兩倍的信號最高頻率fc，過采樣頻率為RX fs， 過采樣后，Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器采用Sigma Delta調(diào)制技術(shù)對該路信號進行噪聲整形， 輸出該路力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號，該力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號的量化噪聲不均勻地分布在0 到RXfs/2間的頻率范圍；
[0019] (3)FIR數(shù)字濾波器對步驟（2)Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器噪聲整形后的該路力學環(huán) 境參數(shù)數(shù)字信號進行數(shù)字低通濾波，濾除高頻噪聲；
[0020] (4)抽取模塊設(shè)定M因子，M因子即抽取比例，抽取模塊按照M因子對步驟⑶FIR 數(shù)字濾波器進行數(shù)字低通濾波后的該路力學環(huán)境參數(shù)數(shù)字信號進行抽取，以減低數(shù)據(jù)輸出 速率，所述M因子的選擇范圍為根據(jù)M因子抽取后數(shù)據(jù)輸出速率大于等于兩倍的信號最高 頻率fc。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0022] (1)本發(fā)明用性能指標遠遠高于模擬濾波器的數(shù)字濾波器代替模擬濾波器，濾除 大部分高頻噪聲，提高測量精度。
[0023] (2)對于信號頻率較高的飛行器力學環(huán)境參數(shù)，Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器通過 過采樣降低了抗混疊濾波器的要求甚至不使用抗混疊濾波器也仍滿足采樣定理；Sigma Delta型AD轉(zhuǎn)換器通過過采樣與噪聲整形將大部分噪聲搬移至高頻段，使數(shù)字濾波效果更 好。
[0024] (3)本發(fā)明在AD轉(zhuǎn)換器之前先對信號進行調(diào)理，用于阻抗變換和單端信號到差動 信號的轉(zhuǎn)換，并可根據(jù)選取不同電阻值適應(yīng)不同輸入信號范圍。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明力學環(huán)境參數(shù)高精度測量系統(tǒng)各信號采集通路組成框圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明各信