1.一种自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:对测量误差数据进行模态分解,得到了带宽有限的IMF分量;其中具体过程是:设测量误差信号为X(t),使用以下式子将其分解为若干个IMF:构建一个约束问题:
式(2)中ωk为第k个IMF的中心频率,δ(·)为狄拉克函数,通过引入二次惩罚项α以及拉格朗 日 乘 子λ(t) ,式 ( 2) 中 的 约 束 问 题 转 化为 一 个 非 约 束 问 题 :二次惩罚项α可以保证光栅尺测量误差在耦合的多干扰因素影响下的精确重构,拉格朗日乘子λ(t)是为了严格执行约束,利用交替方向乘子法ADMM解决式(3)中的问题后,得到测量误差的所有IMF分量;
S2:构建自适应IMF分量选取方法来选取适合的IMF分量;其中构建自适应IMF分量选取方法的过程是:为了表征被测量误差分解的每个IMF的随机性和复杂性,对每个IMF分量进行相空间重构:式(4)中为m嵌入维度,τ为延时,N=L‑(m‑1)τ,L为该测量误差的总数据点数,m和τ分别采用虚假最近邻算法和平均互信息进行获取;
S3:将步骤S2中选取的IMF分量重构为测量误差的本征信号;
S4:将步骤S3得到的本征信号作为误差补偿信号对光栅尺系统进行补偿。
2.根据权利要求1所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,对于给定的嵌入维数m,将有m!种可能的排列,将式(4)中的重构矩阵的第n行中的元素视为一个符号序列,其对应的概率分布为pn;然后,计算各IMF的熵:当所有符号序列具有相同的概率分布pn=1/m!,Hk的最大值为ln(m!),式(5)归一化为:Hk(m)越大,对应的IMF的随机性和复杂性越高,反之亦然;因此,从测量误差中筛出分解后的IMF分量,即其本征信号的候选成分;如果Hk(m)
3.根据权利要求2所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,步骤S2中,由于一些残余噪声会泄漏到本征信号的候选IMF分量中,尽管可以利用这些残余噪声来重构本征信号,但是残余噪声的存在会影响补偿性能,需要进一步进行筛选,以获得符合条件的IMF分量来重构测量误差的本征信号:定义一个贡献系数:
设Aj是通过候选IMF分量构建的Hankel矩阵:利用SVD对Hankel矩阵进行分解:
T
Aj=USV (8)
式(8)中U和V都为正交矩阵,S为包含Aj奇异值的对角矩阵;
由于测量误差受到耦合的多干扰因素的污染,会有一些噪声泄漏到候选的IMF分量中,使得构造的Hankel矩阵是一个奇异值不为零的满秩矩阵,并且在奇异值序列中存在突变点,利用突变点可以从被污染的IMF分量中提取有效信息,即Hankel矩阵Aj的突变点为矩阵的最优奇异有效秩;
奇异值的差分谱B=(b1,b2,…,bq‑1)用于确定对应的Hankel矩阵的有效奇异秩:bi=σi‑σi+1,i=1,2,…,q‑1 (9)但仅以差分谱中最大的峰值作为最优奇异有效秩,会丢失一些信息,因为在最大峰值之后会有一些较大峰值的出现,为了充分评价差分谱B,提出在奇异值序列中寻找有效信息与噪声的近似边界σmin,i,以确定最优奇异有效秩,表达式为:σmin,i=min(σi>mean({σ})),i=1,2,…,q (10)式(10)中{σ}表示奇异值序列,mean({σ})为对应的平均值,假设B中的所有的峰值序列为{bpv},B的大于差谱序列平均值mean(B)的峰序列{b′pv}表示为:{b′pv}={bpv}>mean(B) (11)将式(10)和(11)相结合,可定义每个候选IMF分量的最优奇异有效秩ropt为:ropt=argmin(|σmin,i‑b′pv,r|) (12)其中b′pv,r是{b′pv}中的第r个元素,然后,定义一个贡献系数I来评价每个候选的IMF分量的有效信息,用于进一步选择符合条件的IMF分量,公式为:其中copt为ropt对应的奇异值的比例,表示为:cmax是预定义的可接受信息丢失量对应的奇异值的最大比例,,rmax是有效奇异秩对应cmax,hcom为候选IMF的归一化的复杂度度量值,由(6)计算得到。
4.根据权利要求3所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,将cmax设置为0.9。
5.根据权利要求4所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,所述贡献系数I的阈值设置为0.9,贡献系数I越大,IMF包含的有效信息越多,噪声越小。
6.根据权利要求5所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,所述步骤S3的过程是:利用步骤S2选出合适的IMF分量后,则重构光栅尺的本征信号Γ(t):Γ(t)=∑u′j(t) (15)。
7.根据权利要求4所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,所述步骤S4的过程是:对光栅尺进行误差补偿:
x(t)=X(t)‑Γ(t)(16)
其中x(t)为光栅尺的误差补偿结果。
8.根据权利要求7所述的自适应光栅尺误差补偿方法,其特征在于,奇异值σ1,σ2,…,σq,q=L/2都是非零的,并且按降序排列。