一種基于動力學的電荷管理性能仿真方法和系統

本技術屬于精密測量領域，更具體地，涉及一種基于動力學的電荷管理性能仿真方法和系統。

背景技術：

1、空間引力波探測是當今精密測量領域的重要前沿工程之一。由于宇宙輻射作用，空間引力波探測器的檢驗質量會在長期運行中累積電荷，導致檢驗質量與周圍電磁場相互作用，從而引入不必要的加速度干擾，極大影響引力波探測的精度。因此，電荷管理系統在空間引力波探測任務中至關重要，直接關系到探測器的整體性能。

2、目前主流電荷管理方案是通過力調制方法測量檢驗質量電荷值，隨后根據測得電荷量，利用合適紫外光照射產生光電流，將電荷控制在需求值以下。

3、為避免干擾引力波探測，對電荷管理性能的核心指標在于檢驗質量電荷引起的加速度噪聲在毫赫茲頻段優于。現有評估方法依據這一加速度噪聲指標，基于靜電力模型計算相應的電荷閾值，然后通過測量檢驗質量的電荷量，判斷其是否低于該閾值確定電荷管理性能。然而，這種方法存在一定風險，因為其依賴的靜電力模型是基于靜態、獨立和線性假設進行的計算，忽略了電荷管理的動態過程和復雜性，特別是檢驗質量動力學與電荷管理過程之間的相互耦合問題。

技術實現思路

1、針對現有技術的缺陷，本技術的目的在于提供一種基于動力學的電荷管理性能仿真方法和系統，旨在解決現有技術所依賴的靜電力模型是基于靜態、獨立和線性假設進行的計算，由于其局限性導致對電荷管理性能評估風險大的問題。

2、本技術的第一方面涉及一種基于動力學的電荷管理性能仿真系統，所述基于動力學的電荷管理性能仿真系統包括：檢驗質量六自由度控制環路和電荷管理環路；所述檢驗質量六自由度環路包括：敏感探頭模塊、電容位移傳感電路模塊、pid控制模塊、交流幅值計算模塊和靜電執行機模塊；所述電荷管理環路包括：電荷測量模塊、紫外放電模塊和電荷累積模塊；

3、敏感探頭模塊，被配置為分別計算檢驗質量偏移中心位置時各控制極板與檢驗質量間的電容，分別計算六自由度控制極板的電容差并輸出至電容位移傳感電路模塊；根據電荷累積模塊輸出的檢驗質量上的電荷值和靜電執行機模塊輸出的六自由度交流反饋電壓，計算檢驗質量的電勢；根據靜電執行機模塊輸出的六自由度交流反饋電壓，分別計算十二塊控制極板的電勢；結合檢驗質量的電勢、十二塊控制極板電勢和注入極板電勢，計算使檢驗質量產生反向偏移的靜電力，以使檢驗質量返回中心位置，輸出所有電勢至紫外放電模塊；

4、電容位移傳感電路模塊，被配置為將六自由度的電容差分別轉換為相應電壓信號；

5、pid控制模塊，被配置為將六自由度的電壓信號分別轉換為相應力信號；

6、交流幅值計算模塊，被配置為計算產生六自由度的力信號所需在敏感探頭施加交流反饋電壓的幅值組合；

7、靜電執行機模塊，被配置為結合反饋電壓的幅值組合和載波組合，形成完整的六自由度交流反饋電壓，輸出至敏感探頭模塊；

8、電荷測量模塊，被配置為生成調制電壓組合施加到同自由度的四塊控制極板上，使檢驗質量產生相應調制運動，對測量到的檢驗質量調制運動位移進行正交解調，得到調制運動幅值，根據調制運動幅值計算電荷測量值并輸出至紫外放電模塊；

9、紫外放電模塊，被配置為按照實際紫外放電裝置，建模照射檢驗質量的led和照射極板和框架的led，各led的開啟/閉合由電荷管理方式和電荷測量模塊輸出的電荷測量值控制；結合紫外光光功率和電荷測量值，計算被開啟led的開啟持續時間；將被開啟led的光功率、開啟持續時間和敏感探頭模塊輸出的各區域電勢作為光電流模型的輸入，確定實際紫外放電速率并輸出至電荷累積模塊；

10、電荷累積模塊，被配置為將紫外放電模塊輸出的紫外放電速率和環境充電速率相加，得到凈充電速率，對其進行時間積分，得到電荷累積值，疊加初始電荷值和充放電引起檢驗質量上的電荷波動值，得到檢驗質量電荷值并輸出至敏感探頭模塊。

11、在一些實施方式中，所述檢驗質量上的靜電力的計算公式如下：

12、

13、其中，為自由度方向，為極板與檢驗質量之間的電容在方向的梯度，為極板與檢驗質量之間的電容，為檢驗質量與框架之間的電容，為極板上的電勢，為檢驗質量電勢，為極板的序號，取值1,2,...,18；

14、所述檢驗質量電勢的計算公式如下：

15、

16、其中，為慣性傳感器的總電容，為檢驗質量上的電荷值。

17、在一些實施方式中，所述實際紫外放電速率計算公式：

18、

19、其中，

20、

21、

22、其中，為檢驗質量劃分的區域數，為極板框架劃分的區域數，為單位光子通量從檢驗質量第個區域流出的光電子數，為檢驗質量與極板框架第個區域之間的電勢差，為光電子從檢驗質量第個區域流向相對的極板框架第個區域的遷移概率函數，為單位光子通量從極板框架第個區域流入檢驗質量的光電子數，為極板框架第個區域與檢驗質量之間的電勢差，為光電子從極板框架第個區域流向相對的檢驗質量第個區域的遷移概率函數，為檢驗質量第個區域的量子產率，為檢驗質量第個區域吸收紫外光的比例；為極板框架第個區域的量子產率，為極板框架第個區域吸收紫外光的比例，為紫外光光功率，為普朗克常數，為紫外光的頻率。

23、在一些實施方式中，所述各led的開啟/閉合由電荷管理方式和電荷測量模塊輸出的電荷測量值控制，具體為：

24、若電荷管理方式為快速放電或者連續放電，根據電荷測量值確定，若電荷測量值為正，開啟照射極板和框架的led，反之，開啟照射檢驗質量的led；

25、若電荷管理方式為脈沖自放電，以脈沖形式開啟指定的led。

26、在一些實施方式中，所述被開啟led的開啟持續時間的計算公式如下：

27、

28、其中，

29、

30、

31、

32、其中，為電荷測量值，為理論紫外放電速率，為電荷測量值的增益，為檢驗質量在調制頻率處的調制運動幅值，為檢驗質量，為慣性傳感器的總電容，為調制電壓頻率，為x方向的控制極板與檢驗質量之間的電容，為x方向控制極板與檢驗質量之間對x方向的電容梯度，為調制電壓幅值，為紫外光光功率到檢驗質量的放電速率的系數，其大小與被開啟的led有關，為紫外光光功率。

33、本技術的第二方面涉及一種基于動力學的電荷管理性能仿真方法，所述基于動力學的電荷管理性能仿真方法根據本技術的任一種實施方式的基于動力學的電荷管理性能仿真系統，該方法包括：

34、接收對電荷管理參數取值和電荷管理方式的指定，所述電荷管理參數至少包括：用于電荷測量模塊的調制電壓幅值、調制電壓頻域和測量時間、以及用于紫外放電的紫外光光功率、電荷控制時間、仿真運行總時間和采樣率，所述電荷管理方式為快速放電、連續放電或者脈沖自放電；

35、按照指定電荷管理參數取值和電荷管理方式，進行仿真；

36、仿真完成后輸出檢驗質量電荷測量值、檢驗質量實際電荷值和加速度時間序列。

37、在一些實施方式中，若所述電荷管理方式為快速放電，仿真系統在仿真過程中，電荷測量模塊根據測量時間運行相應時長，此階段紫外放電模塊不運行，其它模塊正常運行；電荷測量模塊運行完將最后幾個測量周期內的測量均值輸送給紫外放電模塊，紫外放電模塊根據電荷控制時間運行相應時長，此階段電荷測量模塊不運行，其它模塊正常運行，紫外放電模塊運行期間led是根據開啟持續時間在運行期間開啟相應時長；紫外放電結束直至下一個周期快速放電開始前，電荷測量模塊和紫外放電模塊都不運行；一個周期結束后重復上述操作進行周期性運行；

38、若所述電荷管理方式為連續放電，仿真系統在仿真過程中，所有模塊同時運行，電荷測量模塊將實時測出的電荷值輸送給紫外放電模塊；

39、若所述電荷管理方式為脈沖自放電時，仿真系統在仿真過程中，電荷測量環節不運行，其它模塊正常運行，紫外放電模塊持續運行；選擇的led將按照脈沖形式開啟，并持續整個運行時間，選擇開啟任意led，指定光功率是與注入電勢同頻率的脈沖信號，并指定光脈沖信號和注入電勢的相位差。

40、在一些實施方式中，還包括：對輸出數據進行后處理，得到電荷測量精度、電荷控制精度和電荷管理各個階段的加速度噪聲，將其作為指標確定電荷管理性能。

41、在一些實施方式中，所述對輸出數據進行后處理，得到電荷測量精度，電荷控制精度和電荷管理各個階段的加速度噪聲，具體為：

42、取電荷測量值穩定后的一段時間的數據，計算該時間段數據的標準差，將其作為電荷測量精度；

43、將停止放電之后檢驗質量電荷值的大小作為電荷控制精度；

44、分別取電荷管理前、管理后以及管理過程中加速度時間序列，對其進行傅里葉變換，得到對應階段檢驗質量電荷引起的加速度噪聲。

45、在一些實施方式中，獲取不同電荷管理方式和電荷管理參數下的加速度噪聲，通過比較確定整個電荷管理過程的加速度噪聲均符合預算要求的電荷管理方式和電荷管理參數，從而實現電荷管理過程不中斷引力波探測。

46、總體而言，通過本技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

47、（1）本技術提出一種基于動力學的電荷管理性能仿真系統，涵蓋檢驗質量六自由度控制環路和電荷管理環路，兩個環路的相互耦合使電荷管理過程更接近在軌情形。具體地，一方面，通過電荷管理環路全面模擬慣性傳感器電荷管理的全過程，包括環境充電、電荷測量和紫外放電等過程；通過檢驗質量六自由度控制環路，模擬慣性傳感器探頭中檢驗質量的動力學狀態；另一方面，檢驗質量六自由度控制環路中的敏感探頭模塊的電場為電荷管理環路中的紫外放電模塊提供相應的在軌環境，同時，電荷管理中的電荷累積模塊為檢驗質量六自由度控制環路中的敏感探頭模塊提供實際在軌的檢驗質量電勢變化情況，實現兩者動態耦合的在軌過程。

48、（2）本技術提出一種基于動力學的電荷管理性能仿真方法，在系統仿真完成后輸出檢驗質量電荷測量值、檢驗質量實際電荷值和加速度時間序列，對輸出數據進行后處理評估電荷管理性能，可實現動態模擬電荷管理過程，直接反映電荷積累、電場和環境因素之間復雜的相互作用。