用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法

本发明属于空间引力波探测，尤其涉及一种用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法。

背景技术：

1、空间引力波探测对惯性测量精度要求极其严苛，要求测试质量块保持近似理想自由落体状态，系统残余加速度噪声需达到3×10-¹5m·s-²·hz-¹/²量级。电容式惯性传感器是引力波探测载荷的核心高精度测量器件，通过差分电容桥检测质量块微位移，经载波激励、前置放大、同步解调、模数转换及数字滤波读出微弱位移信号，并结合静电执行链路实现质量块闭环控制，其读出链路的精度与稳定性直接决定引力波探测系统的整体性能。

2、目前空间领域普遍采用执行侧导频补偿方案抑制传感器漂移，该方案通过静电执行电极注入固定频率校准导频，辨识并补偿静电执行链路的乘性增益漂移，可有效抑制执行链路噪声，小幅提升传感器短期稳定性。

3、但该方案存在固有缺陷，执行侧导频的归一化解算依赖地面标定的固定灵敏度系数，该系数耦合了读出链路整体传递函数hs(f,t)。传感器长期在轨服役时，空间温变、器件老化、空间辐照等因素，会导致差分电容桥、前置放大器、解调及adc基准等器件参数缓慢漂移，引发读出链路产生慢变增益偏差。由于读出链路与执行链路增益漂移深度耦合，单侧执行导频无法实现两类漂移的解耦与独立辨识。

4、该耦合问题会严重劣化探测精度：读出链路慢变漂移会被误判为执行链路增益漂移并参与前馈补偿迭代，引入额外乘性测量误差。该误差隐蔽性强、难以自检消除，且随在轨时长持续累积，严重降低传感器毫赫兹观测频段的测量精度与长期稳定性，是制约空间引力波探测达到极限测量精度的核心瓶颈，亟需一种可实现读出链路漂移独立辨识、分段实时补偿的技术方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法，以解决现有空间引力波探测电容式惯性传感器仅依靠执行侧单导频补偿方案，无法解耦读出链路与执行链路增益漂移，易将在轨环境诱发的读出链路慢变增益漂移误辨识为执行链路增益漂移，引发乘性测量误差累积、严重劣化传感器毫赫兹频段测量精度与长期在轨稳定性，难以满足空间引力波探测超高精度惯性测量需求的技术问题。本发明通过在读出链路不同位置分别注入双导频信号，对前端、后端耦合的慢变增益漂移实现数学解耦，可在线实时完成读出链路分段增益的精准标定，并同步修正控制环路参数与科学测量数据，有效解决了传统单执行侧导频补偿方案无法辨识读出链路增益漂移、在轨长期测量精度持续劣化的行业技术痛点。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法，具体包括如下步骤：

4、s1：通过差分电容桥单臂支路上并联的可控参考电容产生的扰动生成第一导频，对第一导频进行相干解调，获得第一观测量；在前置放大电路输出端与同步解调电路输入端之间的模拟求和节点注入第二导频，对第二导频进行相干解调，获得第二观测量；

5、s2：基于第二观测量计算得到第二复合增益实时估计值；基于第一观测量和第二复合增益实时估计值，计算得到第一复合增益实时估计值；

6、s3：基于所述第一复合增益实时估计值与所述第二复合增益实时估计值修正电容式惯性传感器的读出链路数据，实现对电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿。

7、进一步的，电容式惯性传感器的读出链路包括依次连接的差分电容桥、前置放大电路、同步解调电路、模数转换电路和数字滤波器，将数字滤波器输出的数据作为读出链路数据；

8、将电容式惯性传感器的读出链路的慢变增益分解为第一复合增益和第二复合增益，第一复合增益为差分电容桥与前置放大电路组成的前端信号路径对应的慢变增益，第二复合增益为同步解调电路和模数转换电路组成的后端信号路径对应的慢变增益。

9、进一步的，在步骤s1中，可控参考电容由变容二极管、mems可变电容、开关电容阵列或可编程电容dac中的至少一种实现；

10、可控参考电容的表达式为：

11、；

12、其中，为随时间t变化的实时电容值，为可控参考电容的标称电容值，为可控参考电容的调制幅值，为第一导频对应的电容调制频率。

13、进一步的，在步骤s1中，第一导频对应的固定预因子为：

14、；

15、其中，为差分电容桥的载波幅值，为可控参考电容的调制幅值，为第一导频对应的电容调制频率，为第一导频对应的电容调制频率处的数字滤波固定响应，为差分电容桥的名义桥臂电容；

16、第二导频对应的固定预因子为：

17、；

18、其中，为第二导频的子载波幅值，为第二导频的边带偏移频率；

19、读出链路的时变传递函数为：

20、；

21、其中，为固定标定常数，为第一复合增益，为第二复合增益，为数字滤波频率响应，为目标信号频率。

22、进一步的，第一导频的频率为11hz，第二导频的边带偏移频率为250hz。

23、进一步的，在步骤s1中，第一观测量为：

24、；

25、其中，为第一观测量，t为时间，为第一复合增益，为第二复合增益，为差分电容桥的载波幅值，为可控参考电容的调制幅值，为第一导频对应的电容调制频率，为第一导频对应的电容调制频率处的数字滤波固定响应，为差分电容桥的名义桥臂电容；

26、第二观测量为：

27、；

28、其中，为第二导频的子载波幅值，为第二观测量，为第二导频的边带偏移频率，为第二复合增益。

29、进一步的，在步骤s2中，基于第二观测量计算得到第二复合增益实时估计值：

30、；

31、其中，为第二导频的子载波幅值；

32、基于第一观测量和已得到的第二复合增益实时估计值，计算得到第一复合增益实时估计值：

33、；

34、其中，为第一复合增益实时估计值。

35、进一步的，在步骤s3中，基于所述第一复合增益实时估计值与所述第二复合增益实时估计值修正电容式惯性传感器的读出链路数据：

36、；

37、其中，为修正后的电容式惯性传感器的读出链路数据，为电容式惯性传感器的原始读出链路数据，为数字滤波频率响应，为目标信号频率。

38、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

39、（1）本发明创造所述的用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法，创新性地将读出链路慢变增益分解为前端第一复合增益与后端第二复合增益，通过双导频差异化布设实现分段增益独立检测。利用差分电容桥单臂并联可控参考电容注入第一导频，精准感知差分电容桥与前置放大电路的前端链路增益漂移；通过模拟求和节点注入第二导频，独立检测同步解调、模数转换后端链路的增益漂移。相较于传统全局统一补偿方案，本发明可精准区分前后端不同模块的漂移特性，定位漂移源头，解决了单一全局补偿无法适配分段差异化漂移的技术难题，大幅提升增益漂移辨识的精准度。

40、（2）本发明创造所述的用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法，优选第一导频11hz、第二导频边带偏移250hz作为差异化工作频率，两个导频频率相互独立且与传感器有效检测信号频谱无重叠，彻底避免导频信号与惯性测量有效信号的频谱混叠问题。同时通过优化观测量解算公式，结合可控参考电容的精准调制特性，实现双导频信号的高精度相干解调，有效提升第一、第二观测量的采集精度，为后续增益实时估计提供可靠的数据基础，从源头降低增益估算误差。

41、（3）本发明创造所述的用于电容式惯性传感器的读出链路增益漂移补偿方法，通过乘积运算得到读出链路总增益实时估计值，可实时追踪链路因温度、器件老化、电压波动引发的慢变增益漂移。相较于传统离线标定、固定参数补偿方式，本发明支持全工况、长时间工作状态下的动态在线补偿，无需停机标定，可实时修正传感器原始读出数据，彻底解决传统补偿方式误差随工作时长累积的问题，大幅提升电容式惯性传感器长时间工作的测量稳定性。