[發明專利]一種基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法

在審

• 申請號: 202211421897.6
• 申請日: 2022-11-14
• 公開（公告）號: CN115901062A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 徐佳文;劉智康;趙立業;陳興宇;嚴如強
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L5/12
• 分類號: G01L5/12;G01V7/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

本發明實施例提供了一種基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法。該方法通過為總變差濾波的MM（Majorize?Minimize）求解方法引入帶參數a的上界函數，從求解方法上改進總變差濾波的效果，并將改進的濾波方法用于穩態推力測量信號，以提高推力框測量推力信號的分辨力。本發明首先用GCV驗證的方法為推力測量信號選取合適的濾波參數；將參數λ用作總變差濾波木匾函數的正則項系數，將參數a用作改進的MM方法的上界函數參數；最后用針對總變差濾波改進的MM方法計算輸入信號的濾波結果。該方法相比于推力架領域常用的低通濾波信號處理方法，能夠解決有效的推力激勵信號被大噪聲覆蓋而難以還原的問題，可用于提高穩態微推力測量的分辨力。

技術領域

本發明涉及信號處理領域，具體涉及一種基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法。

背景技術

引力波探測對于宇宙的探索具有重要意義，它可以為我們提供宇宙中最猛烈、最極端的事件的信息。在空間引力波探測中，能夠精確控制小型衛星的位置和姿態才能保證引力波探測的準確性。因此，需要分辨率達到亞微牛級別的微推進器才能滿足引力波探測的要求。為準確標定微推進器產生的微小推力，微推力測量框也需要達到相應的精度。

目前，測量推力的框架有很多種，它們的測量誤差可以分為兩部分：系統誤差和隨機誤差。系統誤差指的是零點偏移和比例誤差這一類誤差。這些誤差可以通過校準和補償進行抑制。然而，隨機誤差由復雜的隨機干擾引起，如機械噪聲和電子噪聲，無法通過校準和補償消除。因此，隨機誤差是限制推力測量精度的主要因素。為了分析和抑制推力測量的隨機誤差，目前有多種數據處理的方法應用于推力測量領域，它們主要可以分為以下四類：帶寬濾波算法，卡爾曼濾波算法，自適應濾波算法，和傳感器融合算法。在穩態測量過程中，推進器產生的有效推力信號是近似于方波的信號。而上訴的線性濾波方法難以還原出微小變化時的階梯邊緣，且對階梯穩態部分濾波后也無法達到一個平穩的狀態。綜上，目前應用于微推力測量領域的信號處理方法有一定的缺陷，難以在大背景噪聲的測量信號下還原出理想的近似方波推力信號。

綜上，微推力測量領域迫切需要一套能解決上訴問題的濾波方法，進而提升推力框的推力測量精度。

發明內容

為解決在大背景噪聲的推力測量信號下還原出理想的近似方波推力信號的難題，本發明公開了一種基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法，首次提出用總變差去噪的方法處理推力測量信號，并且從求解方法上優化了總變差去噪的濾波效果。該方法能夠使濾波后的信號保留鋒利的階梯邊緣，且階梯穩態部分在濾波后能達到平穩的效果。即使在有效信號變化很微弱時，覆蓋在大背景噪聲下的微小階梯信號也得以還原。

為了實現上訴目的，本發明的技術方案如下：

一種基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法，首先用GCV驗證的方法為輸入信號選取合適的濾波參數λ和a；再將參數λ作為總變差濾波目標函數的正則項系數，將參數a作為改進的MM方法求解濾波結果時上界函數的參數；最后用針對總變差濾波改進的MM方法計算輸入信號的濾波結果。

進一步地，基于總變差去噪的微推力測量信號濾波方法，步驟如下：

1)、將真實測量的推力框底噪信號疊加于標準的階梯信號，用于模擬穩態微推力測量的信號。

2)、使用GCV驗證的方法，按一定的間隔改變參數λi和ai，逐次計算λi和ai對應的濾波結果，根據先驗風險選取輸入信號對應的最佳濾波參數λopt和aopt。

3)、將步驟2)選取的濾波參數λopt作為總變差濾波目標函數的正則項系數，將步驟2)選取的濾波參數aopt作為MM迭代方法求解濾波結果時MM方法上界函數的參數。

4)、將步驟3)設計好的上界函數用于MM迭代方法，作為改進的MM方法；再用改進的MM方法迭代求總變差濾波目標函數最小值對應的x，進而得到在求解方法上改進的總變差濾波結果。