韓曉健李寧李俊慧焦安超
（可靠性與環境工程技術國防科技重點實驗室 ）
（北京衛星環境工程研究所）
摘要：本文介紹了衛星平台擾振的**及國外微振動測量技術的發展。提出了微振動測試方法，比對了接觸式加速度測量及非接觸式動態位移測量的利弊。
並將微振動測試方法及資料後處理方法應用某相機的擾振測試試驗中，得到擾動源的訊號特徵、擾動的傳遞特性、路徑及響應量級，試驗取得較好結果。
關鍵詞：微振動；激勵；非接觸測量；響應；資料處理
衛星平台的振動源主要包括姿態調整動量輪、調姿推力器、太陽帆板調整、相機掃瞄機構和外界空氣擾動等。衛星姿態運動以及星上各種活動部件的運動的綜合作用即為擾振，其結果會使相機視軸產生相對於觀測目標的抖動，特別對於高解析度的遙感衛星來講，這些擾振對相機成像質量產生的影響達到不可接受的程度，因此，測量這些擾振訊號的品質特徵、擾振訊號的傳遞特性，對採取施加抑制或補償的方法減小擾振對高解析度的相機的影響是至關重要的[1]。
本文主要介紹了基於微振動訊號測量技術的研究及資料處理方法的研究的基礎上，對某型號的相機成像擾動訊號進行了大量的測量和資料分析工作，確定了擾振訊號的特徵及傳遞特性，為後續的相機減振系統的設計提供了有效的依據。
● nasa微重力加速度測量系統[2]
美國宇航局格倫研究中心開發研製有兩個加速度計系統用於測量在軌國際空間站的微重力環境，即空間加速度測量系統（sams-ii）和微重力加速度測量系統（mams）。
sams-ii可以用來測量0.01~400hz的振動加速度和瞬態加速度。
mams用來測量準穩態、振動和瞬態加速度以校驗iss的微重力環境是否可以為使用者服務。
● 歐空局pax測量系統[3]
振動測量系統pax的主要用途是測量典型電子通訊衛星在軌行為，以獲取具有高精度指向要求的光學載荷的設計資料。其次，pax測量系統用來監測太空飛行器整個壽命期內星上不同機械的工作情況以探測其效能趨勢。pax測量系統是第一種執行地球靜止軌道太空飛行器星上振動監測的測量系統。
● 歐空局olympus衛星微振動環境測試[4]
在oitecs衛星系統級微振動試驗的主要目的是1）主擾動源對跟蹤效能的影響，2）擾動源的微振動特性，和3）微振動在衛星結構上的傳遞特性。這些資料將用於在軌資料進行比較。微振動試驗是用模擬的oitecs衛星模型，它由luce衛星的結構模型和工程模型組成。
測量是用40個加速度感測器，靈敏度是1mg，動態範圍50db,一些飛行元件如4個反作用輪，兩個圓錐地球敏感器乙個慣性單元和一系列微振動測量裝置，以及一些虛擬質量部件。整個系統安置在避光環境下，測量期間空調關閉。大多數的微振動測試都在夜間進行。
每個儀器上的加速度響應都不同，最大的加速度響應為80mg，它高於背景雜訊40db。
通過對太空飛行器微振動源的研究確定合理的測量方法。對微振動訊號的測量以微振動加速度感測器為主要測量手段，在衛星的真實結構部件（鋁蜂窩板）上進行微振動感測器測量方法的充分除錯，然後利用現有資源和租用裝置（雷射測振儀）進行微振動訊號的綜合測量，比較兩種方法的試驗結果，並對微振動感測器的測試結果進行校驗。最後將微振動訊號的測量方法應用於實際型號的故障診斷測試中，查詢太空飛行器微振動測試的問題原因，並驗證微振動測量方法的有效性和實用性。
然後對微振動測量資料進行資料處理，以獲得準確有效的試驗結論。圖1為微振動測量系統方案框圖：
圖1測量系統方案框圖
試驗件採用的鋁蜂窩板結構具有典型性，該鋁蜂窩板長約1.5m，寬約0.5m的鋁蜂窩材料平板。
試驗件固定方式設計：分別採用自由懸吊、壓塊固定兩種方式對試驗件的邊界條件進行約束。採用壓塊固定的約束方式得出的試驗資料本底雜訊量級最小，在外界激勵下得出的微振動響應也最容易控制，因此採用壓塊固定的約束方式對鋁蜂窩板進行試驗除錯和資料分析。
試驗件激勵裝置：試驗件採用激振器進行激勵，既可以模擬太空飛行器上的激勵訊號，而且比力錘等激勵裝置容易控制，具體的實施方法是在鋁蜂窩板的一端採用電磁激振器進行激勵，並貼上力感測器實時監測輸入力的大小。
輸入訊號控制：採用訊號發生器，通過功放，激振器結構對試驗件進行激勵根據微振動訊號的訊號特性，輸入的激勵訊號分為定頻，掃頻和隨機三種基本方式。訊號的輸入頻率主要在1—300hz的低頻段，定頻訊號的頻率設定參考了動量輪擾振試驗的擾振頻率10hz，35hz，75hz這三個典型頻率進行激勵。
圖2 試驗裝置圖
由於微振動訊號非常弱小，複雜的外界環境會造成複雜的背景雜訊，為了淨化測試環境，採取阻擋空調吹淋，無人員走動和**操作的測試環境，測試固支鋁蜂窩平板上各加速度的背景雜訊。由時域曲線圖可以得出，精度最高的微振動加速度感測器8690c5的背景雜訊測量值可以達到0.2mg量級；普通感測器測出的背景雜訊為6mg。
0.2mg量級的系統最低本底雜訊完全能夠滿足本課題的測試要求。
試驗件仍然選用鋁蜂窩板，由於雷射測振儀有高度要求，因此產品設計為底部固支懸臂支撐，圖3為鋁蜂窩板微振動試驗系統結構圖設計圖。
圖3微振動試驗兩種測試方法比對設計圖
試驗件激勵裝置：（1）使用2kg激振器對鋁蜂窩板試件進行小量級的正弦激勵，使試件產生受迫振動，從而獲得微振動訊號。通過調節激勵大小，可以獲得所需的微小量級振動訊號。
（2）利用試件收到初始激勵後的自由振動衰減過程，可以產生微振動訊號。試驗中選用結構阻尼較大，且固有頻率極低的塑料薄板，通過薄板的自由衰減過程，測量低頻微振動訊號。
輸入訊號控制：採用訊號發生器，通過功放，激振器結構對試驗件進行激勵根據微振動訊號的訊號特性，激振器放置於板自由端處進行激勵，同時通過控制系統功放的輸出，並測量力感測器的響應，使輸入力盡可能小，產生微振動訊號，試驗中應用5hz，10hz和20hz三個典型激勵頻率，測量板的微振動響應情況（加速度響應和雷射測振儀的位移、速度響應），研究了濾波等訊號處理方法對測量結果的影響，並將雷射測量和加速度測量結果進行了對比分析。
本試驗採用的德國polytec公司的ofv055型雷射測振儀。試驗在0.07n激勵下測量鋁蜂窩板同一處的加速度和位移響應，見圖4。
可見雷射測量的位移明顯比加速度訊號訊雜比高，雷射測振儀的抗干擾能力強。
圖4 雷射測量與加速度測量結果對比
對於單頻正弦波，位移幅值與加速度幅值有如下轉換關係：
轉換結果見圖5。
圖5 位移與加速度測量結果對比（15mg量級）
兩種測試手段測試結果比較：
加速度感測器：優點是體積小質量輕，對測點三個振動方向均可測量，且貼上位置靈活，適用於測量太空飛行器各部位的響應，可以大批量同時使用。缺點是接觸式測量，感測器本身的質量和固有特性不可避免的會影響測量結果，其安裝和拆卸過程需要在試件上直接操作，可能造成太空飛行器汙染或表面損傷。
雷射測振儀：優點是非接觸測量，可以測得太空飛行器上的真實響應，貼上反光片操作十分簡便，對被側表面幾乎無影響，此外雷射測量的抗干擾能力強，訊雜比高。缺點一是只能單點單向測量，無法用於多測點的情況；二是體積和質量大，對測量位置限制多，必須垂直於被側面測量，只能用於太空飛行器表面的測量，不能用於艙內。
調研資料表明：美國等技術先進國家在開展中高解析度衛星相機的研製時，就全面地開展了衛星擾振相關技術研究。在最近的aster衛星相機的研製過程中，建立了有限元的光學模型來計算分析顫振（jitter）和穩定性（stability），對明顯的擾振源進行了識別，並研究了抑制的技術途徑。
影響相機工作質量主要分兩個方面：一是以顫振為主，影響圖象清晰度等；另一方面根據不同的相機工作模式，例如掃瞄成像或推掃成像時，擾振會影響圖象的配準精度（即幾何成像質量）。
將微振動測試方法應用於該衛星相機成像問題中微振動測量及分析，通過對型號微振動問題的測試和分析，掌握微振動訊號在衛星結構上的特徵及傳遞特性等重要指標。
測試環境為emc環境試驗間，空調關閉、產品除相機工作外，其他儀器處於不工作狀態下。
首先進行了測試環境的雜訊測試，測試結果見圖5。背景雜訊測試結果見圖6，背景雜訊為0.195mg。
圖6 微振動感測器和普通感測器系統雜訊比較
在兩部相機同時工作時，受影響的相機的響應如圖7。從曲線可以看出，相機在5hz和16hz處響應較大。影象抖動，抖動頻率15.7hz。印證了微振動的測試結果。
因此，阻尼器對相機的擾振無明顯減振作用，原因阻尼器針對高頻的減振，對於低頻作用不大。對於低頻16hz振動來講，阻尼器相當於乙個低通濾波器，因此對振動沒有明顯的降低。
對相機安裝了動力吸振器，響應在16hz時從9.48x10-8下降9.99 x10-10g2/hz。具體見圖8。
圖7 紅外相機和pan相機的響應比較
圖8 技術處理後的pan相機響應降低效果
相機實際工作情況也是影象有抖動現象。通過微振動響應資料分析和試驗驗證也發現，引起相機影象抖動的源頭是兩個相機之間干擾。
微振動的測試結果找到了影響相機工作的擾動源及擾動源的訊號特徵，結合相機的結構特性研究了擾動的傳遞特性及傳遞路徑及響應量級。為後續抑制影象抖動，提高成像質量採取安裝隔振裝置措施的採取提供了有效、正確的資料結果。
微振動響應資料具有隨機性、幅值低等特點，跟常規的振動響應資料有一定的差異，經常會出現有效訊號淹沒在背景雜訊中的現象及各種干擾訊號混雜在一起的現象，因此，對試驗資料進行特徵性分析就尤為重要。
首先要對資料進行預處理分析，即把時間歷程處理成所需要的形式之前，對原始訊號進行的某些檢驗和加工，通過檢驗將訊號正確的加以分類，以確定資料處理的內容。通過預處理，為資料處理提供真實的和高質量的原始資料，以保證資料處理結果的準確性。
借助資料的預處理方法，對微振動的時域原始資料進行資料型別的辨識，以驗證訊號的基本特徵與產生該訊號的物理機理的一致性，並確認訊號的物理特徵，為進一步的資料分析方法的選擇奠定基礎。
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