[发明专利]光纤光栅形变测量系统时间同步方法和装置

说明书

本公开提供了机载分布式POS用光纤光栅形变测量系统时间同步方法，基于分布式POS测量的挠曲角和光纤光栅形变测量系统测量的柔性基线形变量的内在相关性，对两者数据基于密度空间的聚类方法的去噪、高频插值、经验模态分解法获取振动分量、小波变换确定振动分量的实时振动频率及幅值等过程，并通过波形匹配确定光纤光栅形变测量系统数据的实际采样频率及采样常值延迟，确定光纤光栅形变测量系统高频波长变化量数据的更加准确的时间标签，获取分布式POS传递对准时刻所需的光纤光栅传感器波长变化量数据。该方法提高光纤光栅传感器数据的采样时间精度，提高其与分布式POS的时间同步精度。本公开还提出机载分布式POS用光纤光栅形变测量系统时间同步装置。

技术领域

本公开涉及航空航天技术领域，具体而言，涉及光纤光栅形变测量系统时间同步方法和装置，具体涉及机载分布式POS用光纤光栅形变测量系统时间同步方法和装置。

背景技术

目前，多任务遥感载荷是机载对地观测的发展方向之一。如机载分布式阵列天线合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)和柔性多基线干涉SAR等。对于装备多任务遥感载荷的高性能航空遥感系统，需要同时对位于机翼等柔性基线上的所有遥感载荷点的运动参数实现高精度测量。

位置姿态测量系统(Position and Orientation System，POS)是目前机载对地观测遥感载荷获取位置、速度、姿态等运动参数的主要手段。对于装备了多个或多种观测载荷的机载对地观测系统，由于多个或多种观测载荷安装在飞机的不同位置，飞机弹性变形导致载荷间的空间关系随时间复杂变化，必须建立机载分布式时空基准系统，即机载分布式POS。

机载分布式POS一般由一个高精度主POS和多个子惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)组成。主POS一般安装在载机机舱内；子IMU一般分布安装在机体的不同位置(包括机翼)，受重量、体积等限制，子IMU往往选择中低精度的IMU，需要依靠主POS的高精度位置、速度、姿态等运动参数对其进行传递对准以实现所在处运动信息的精确测量。由于飞机机翼和机体存在弹性变形，主、子系统间的杆臂柔性时变，因此确定各载荷之间瞬息万变的相对运动关系成为通过传递对准获得子节点高精度运动参数的前提。光纤光栅传感器是形变测量的一个常用手段，广泛应用于结构形变测量及故障诊断中。光纤光栅形变测量系统主要包括光纤光栅传感器和解调仪两部分。

由于机翼等柔性基线的形变幅值可达数厘米甚至数十厘米且频率可高达数十赫兹，1毫秒的时间同步误差就可导致毫米级的形变测量误差。因此，光纤光栅传感器用于测量分布式POS传递对准所需的柔性基线运动信息时，首先要进行二者的高精度时间同步。然而，目前光纤光栅形变测量主要用于更新频率较低的场合，对于与其他设备高频协同同步工作以及高频时间同步相关研究尚未见报道。目前光纤光栅形变测量系统无法实现高频时间同步的问题主要包括系统存在数据时间延迟和实际采样频率不等于设定值两方面。光纤光栅形变测量系统数据采集存在时间延迟的原因为：分布式POS高精度传递对准需要精确测量各节点间的结构形变，而要获取多个方向的变形信息就需要在分布式POS分布的载机结构上布设多条光纤光栅传感器。出于成本等因素考虑，光纤光栅解调仪通过光开关切换在每个采样区间逐次读取各条传感器数据，从而导致不同光纤光栅通道数据采集的常值延迟。除此之外，传感器数据采集本身存在的采集设备控制过程和传输延迟最终也会叠加到数据采集时间上。而光纤光栅形变测量系统实际采样频率不等于设定值的原因为：光纤光栅解调仪数据采集系统存在时钟误差(计算机时钟误差或晶振误差等)。上述数据时间延迟和实际采样频率不等于设定值这两方面问题导致光纤光栅形变测量系统数据与分布式POS系统数据时间不同步，无法精确地获得分布式POS系统传递对准所需时刻的各节点相对运动数据。

发明内容

为了解决现有技术中的技术问题，本公开实施例提供了机载分布式POS用光纤光栅形变测量系统时间同步方法和装置，能够基于波形识别和信号处理等技术，可将光纤光栅传感器数据与分布式POS数据进行时间同步，从而通过光纤光栅传感器获取分布式POS传递对准所需时刻的柔性基线运动信息。