（地球探测与信息技术专业论文）精密相干检测的瞬时数据采集系统研究.pdf

摘要 “数据采集”既是实现测馈与控制的技术i ：具又是发展计算技术与通讯技术不可缺少的 下段现代科学技术的发展已在速度、分辨率、精度、接口能力、抗干扰能力以及系统结构 ，j i n j 对数据采集系统的殴计提山，越来越高的要求。而研究一个高速度、灵活性高、高精度 j | 抗i 扰能力强的数据采集系统对j r _ 一套性能优良的物探仪器而言具有相当关键的地位。特 刖是“前再种1 。业或人文的十扰源的影响以及勘探深度的要求，提高精度与抗干扰能力对于 物探仪器l f i ：蕾而青更是藿点。也正是在这种背景f ，我们提出并实现了一种精密相干检测 的瞬时数据采集系统，它的晟大优点也就在基于它研制的精密相干检测仪具有很强的抗干扰 能力精度高灵活性大且速度快。 木文的什士要是围绕精密相十检测的瞬时数据采集系统硬件与软件的实现而展开的， 它人致可分为二个部分：首先论述了精密相干检测的瞬时数据采集系统的相关理论基础，并 给r 部分可行性的实验结果：然后论述了该系统的实现过程，卡要是从硬件与软什两个方 i f 论述r 实现的原理与方法：最后从模型实验上对丁本系绩的府朋效果进行验证。 第：审论述了精密相干检测的瞬时数据采集系统的相关理论基础井提出了精密相干检 测的瞬叫数据采集系统的框架结构。主要论述了三频激电法的相关理论、相干检测的基本原 理以及相关数字信号处理技术的基础理论并建立起精密相干检测的瞬时数据采集系统的框 架模犁。 第三章详细讨论了精密相干检测的瞬时数据采集系统的碗仆体系结构。重点是对- 精密 相干检测仪接收机的组成和接口电路以及接收机一发送机之间的同步问题进行了详细讨论。 指 u 了曲丁采用优良的硬件设计和接收机一发送机之间的无线电共时钟同步技术，从而提高 ，仪器的抗干扰能力，保证了数据的采集精度，提高了分辨率。 笫四章详细论述r 精密相干检测的瞬时数据采集系统的软件设计。论述了在d o s 系统 环境f 的m s c 6 0 应用程序设计。整套软件界面清晰友好，性能可靠，并对仪器实现全面监 控，自动化程度高，灵活性强数据校正全面，提供对数据及仪器的安全保障。操作方便， 井能够适时的显示数据和各种相关曲线。系统软件还实现了自动与手动校验功能，增强了 仪器使川的方便性车适府性。而在数据采集以及凋零过程中都采用r 数据线性迭加平均技 术，提高，数据采集的质量与仪器的测量精度，提高r 分辨率。 第五章给出了模型实验的结果，验证了本系统所具有的精密与抗干扰能力强等特点。 在文章的晟后对全文进行了总结，并指出进一步研究的方向。 【关键词】三频激电相干榆测瞬时采样共时钟同步快速傅立叶变换 a b s t r a c t “d a t aa c q u i s i t i o n ”i sn o to n l yt h et e c h n i c a l t o o jo fm e a s u r ea n dc o n t r o i ，b u ta l s o t h e i m p o r i a n tm e a n so fc o m p u t e ra f i dc o m m u n i c a t i o n w i t l lt i l ed e v e l o p m e n to f c u r r e n ts c i e n c et e c h n o l o g y t h ed e s i 驴o fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sn e e dt 0b ek n c r t h a ne v e r sas c to fe x c e l l e n tg e o p h y s i c si n s t m m e n t ，t h c r em u s tb ead a t a a c q u i s i t j o ns y s t e mw i 山h i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n 锄dg r e a tf l e x i b i l i t y f u m 埘m o r e ， i ti si m p o n a n tf o r 啪t 0e n h a n c ct h ep 他c i s i o n 衄dt h ea b i l i t yo fa r n i - r l o i 船b c u o f t h ec u r r e n ti n d u s t r i a i i n t e r f e r e n c e 卸dc u l t m l n t e m r e l l c e i nt h i sp 印e lw ep u t f o r w a r da n dc a r r yo u tak i n do fp r e c i s i o nc o h e r e n c ed e t e c t i o ni n s t a n t a n e o u sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m【p c d l d a s ) s u c c e s s f u l ly i i g ha b i l i t y o fa n t l 一n o i s e 、 g o o d p r e c j s i o n 、g r e a tn e x i b i l i t ya n dh i g hs p e e da r ei t ss p e c i a l t y r h ef e a l i z a t i o no f t h ep c d i d a si sd e s 试b e dm a i n l yi nt h ep a p e r ，a 1 1 d 山ep 印e r c a nb ed i v i d e di n t ot l l r e ep a r t s ：f i r s t ，t h cb 鹤i ct h e o r yo fp c d i d a s ，a n ds o m er e s u l t s o fe x p e r i m e n ta r ed e s c r i b e d ；s e c o n d i y m e r ea r es o m ed i s c i l s s i o na _ b o u tt h er e a l i z a t i o n o 九h ep c d i d a s ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r e 锄ds o f t w a r c ；l a s t ，s o f r l cr e s u l t so f t h em o d e l e x p e r i m e n ta r ep r o v i d e d i nc h 印t c r t 、v o ，t h eb a s i ct h e o 叮a b o u t t h ep c d i d a si sd i s c u s s e di nd e t a i l ，柚d t h ep c d i d a si sb r o u g h tf o 九v a r d f o re x 锄p l e ，m et r i 一矗u e n c yi n d u c e dp o l 撕z a t i o n m e t l l o d 、t h et h e o r yo f t h ec o h e r c n c ed e t e c t i o na n d l eb 嬲i ct l l e o 叮o ft i l ed s pa r e d e s c r i b e dm a i n i y i nc h 印t c rt h 陀e ，t i l eh 町d w a r eo ft l l ep c d i d a si sd i s c 吣s e dc a r e 向l l y 舶mt h r e e a s p e c t s o n ei st h eh a r d 、v a r eo f t h ep r c c i s i o nd e t e c t i o n 印p 盯a t u sr e c e i v e r ；a n o t h e ro n e i sj n t e r f a c ec i r c u i t ，柚dt h el a s to n ei st h ei s s u eo fs y n c l l r o n i z a t i o nb e t w e e nt h e r e c e i v e ra n dt l l e 仃趴s f e li tp o i n t so u tt l l a tt h ep r e c i s i o no fd a t aa c q u i s i t i o n 锄dt h e r e s o l u t i o np o w e ra r ei m p r 0 v e db e c a u s eo ft l l eg o o dd e s i g no fh a r d 眦锄dt l l e t e c l l r i o l o g yo fs ”c h r o t l i 盈t i o nw i mac o m m o nc l o c kb e 呐e e n 山er e c e i v 盯锄dt h e t r a n s i b l t h es o f h v a r ed e s i g ni sd i s c u s s e di nd 咖i li nc h a p t e r f o u lt h ef r 唧e w o r ko f a p p i i e dp f o 伊a mu n d e rd o se n v i r 咖c n ti sp u tf b n v 缸d t h es o f t w a r ei sn o to n l y c l e a ra n d 衔e n d l yb u ta l s or e l i a b l e r i h eo p e r a t i 叽o fa p p l i e dp m g r 锄i s 盼s y 锄di t c a l ls h o wd a t at i m e i y 肌da l lk i n d so fc u r v e si nt i m e 1 km n c t i o n 蛐di i n p l e m e m m e t l l o do fe a c hm o d u l eo ft h es o 触缸es y s t e ma r eg i v e na f t e r w 甜d a u t o ，m a n u a l c a l i b r a t i o na n da u t o m a n u a lz e r oa d j 邺n e n ta r ea i s or e a i i z e di nt h es o r w a r es y s t e m ， t h u st h ei n s 仃u m e n tt u mt om o r ec o n v e m e n t 锄da p p l i c a b i e b e c a u s et h et e c h n o l o g yo f o v e r l a p p i n g 锄da v e r a g ei su s e di nd a t aa c q i l i s i t i o n ，t i l eq u a l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o ni s “ i m p m v e d s o m em o d e le x p e r i m e n t sa r eg i v e ni nc h a p t e rf i v e i t p o i n t so u tt h a t t h e p c d i d a sh a st h cs p e c i a l 哆o f h i g hp r c c i s i o na n dh i g hr e s o l u t i o np o w e l f i n a 】l y ，t h ec o n c l l l s i o no ft h ew h o i ep a p e ri sd e s c r i b e d i k e yw o r d s it r i - f | e q u e n c y i n d u c e d p o i 丑r i z a o n ， c o h e r e n c e d e t e c t i o n ， i n s t n n “n e o u s 姐m p i e ，c o m m o nc l o c ks y n c h 邝n i 礴t i o n ，t h eh s tf o u r i e rt r a s f o r m 中南大学硕上学位论文精密相十检测的瞬时数据采集系统 第一章绪论 1 1 精密相干检测的瞬时数据采集系统研究背景与意义 “数据采集”既是实现测量与控制的技术 ：具又是发展计算技术与通讯技术 小i 叮缺少的手段，现代科学技术的发展已在速度、分辨率、精度、接口能力、抗 t 扰能力以及系统结构方_ 面对数据采集系统的设计提出了越来越高的要求i i j 。而 微电了技术的系列成就以及计算机技术的迅猛发展及广泛应用，不仅为数据采 集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集系统的发展产生了深刻的影响。 各种新型高速的数据采集系统不断涌现f 2 】1 3j 1 4 】【5 1 。研究一个高速度、灵活性高、高 精度且抗干扰能力强的数据采集系统对于一套性能优良的物探仪器而言具有相 当关键的地位。特别是精度与抗干扰能力对于物探仪器i j ：作者更是重点。例如使 用激发极化法( 激电法) 过程中，激电异常的评价与识别和分离激电与电磁效应 一直是困扰物探工作者的两大难题【6 l 。在引起激电异常的因素中，不仅金属矿可 以产生异常，很多干扰源也可以产生异常，这主要有两类：首先是非矿地质干扰 体，如碳质片岩干扰和地下含水层的干扰。另外一种就是人文的干扰，如矿山工 业强用电的干扰，这使得在强干扰区进行找矿显得很为困难。同时，由于在频率 域激电中电磁耦合效应也比较突出，有时甚至会严重影响到数据的采集与激电异 常的解释。 另外，自八十年代以来，随着地表矿多被发现，现在面临寻找深部隐伏矿床 的任务。常规激发激化法的勘探深度仅为l o o 也0 0 米，远远不能满足实际要求。 在这种情况下就必须研究大功率发送机，提高数据采集的灵敏度和精度，并使得 勘探深度达到更大。 这些问题的出现与解决首先对于物探仪器的数据采集与处理提出了更高的 要求，也正是在这种背景下，我们提出并实现了一种精密相干检测的瞬时数据采 集系统，并将其应用于三频激电法。这利一数据采集系统最大的优点在于它研制的 精密相干检测仪具有很强的抗干扰能力，精度高，灵活性高而且速度快。 1 2 国内外研究现状 实现高精度的数据采集特别是对于弱信号的检测具有卜分重要的意义。对于 弱信号的处理技术大致有如下三种途径l7 】一是降低传感器与放大器的固体噪 声，尽量提高信噪比；二是研制适合弱信号检测原理并能满足特殊需要的器件： 三是用弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。但是最主要的是第三种也就是 说研究弱信号的检测方法。对于弱信号而言，如果被采集的信号是频域信号，或 者被调制成频域的固定频率( f o ) 的正弦振荡或其他信号，可以采用频域的窄带 化的常规办法使它通过带通滤波器( b p f ) 但b p f 的带宽是有一定范围的，只 中南人学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 能允许一定宽度( f o ) 的信号与噪声通过，通过的分量越少，检测越理想。 但实际上，b p f 的q 值是有限的，用它直接进行弱信号检测有一定的困难，所 以就采用一种频谱搬迁的技术实现频谱搬迁的电路称为相敏检波器，它是窄带 化技术的心脏，而实现这种检测方法的仪器称为锁相放大器。 锁相放大器包括信号通道与参考信号两个部分，它也是一种相干检测，b p f 只是考虑了f o 的特征，而相干枪测不仅考虑了，n 。而且还利用了信号目的指纹 特征，所以锁相放大器还利用了口的特征，但是锁相放大器需要一个锁相环，由 压控震荡器产生时钟信号，线路较为复杂。而且在物探方法中常用的参考信号较 微弱的情况下，锁相环对相位的锁定常出现误差。 对于一个用时间域描述的单方向变化的信号，这时用相干检测是不方便的， 对j 二这种信号的检测在5 0 年代出现了b o x c a r 积分器的思想，在6 0 年代用电 了二线路予以了实现，它是一种根据时域特征的取样平均来改善信噪比并恢复波形 作永久记录。它是由慢扫描发生器控制的延迟电路完成逐次移动的取样间隔，在 j 宽的范围内积累平均以达到信噪比的改善。 b o x c a r 积分器的缺点是取样效率低，不能充分利用信号波形，其次是不 利于低重复频率的信号恢复。近年来，随着微型计算机的普及与发展，在 b o x c a r 积分器的基础上发展信号的多点数字平均器。平均器工作的特点是信 号每出现一次，逐次取样很多点，可最大限度的改善信噪比或节约时间。 对于某些信号，可看成是些极窄的脉冲信号，我们所关心的是单位时间到 达的脉冲数，而不是脉冲的形状，如光子流、宇宙射线等的测量。这些脉冲的技 术统计方法，就要选择或设计传感器，能使信号有尽量相近的窄脉冲幅度输出 要利用幅度甄别器，大量排除噪声技术，利用信号的统计规律，来决定测量参数 和作数据修j 下。目前比较成熟的离散量测量仪器是光子计数器。 列于只有一次事件的信息记录，如单次闪光的光谱，这时就需要采用并行检 测的方法。并行检测可实现快速分析，因此在荧光动力学、等离子分析、爆炸研 究、低能电子衍射、质谱等许多领域都是有用的。实现并行检测的基本条件是要 有许多传感器和有用信息的快速存取。目前并行检测技术在光学和核物理学方 面有比较成功的运用。 随着计算机的发展，原来需要一些硬件完成的任务，可以用软件来实现，我 们可以曲线拟合( 平滑) ，逐点平均、数字滤波、快速傅立叶变换( f f t ) 几最 大熵估计等方法，对含有噪声的信号、采测结果进行处理也能够提高信噪比。 因为物探仪器的研究处理的对象就是一种弱信号。对于弱信号的处理技术应 用于物探仪器研究中也同样具有很重要的意义。因此，要实现一套精密物探观测 设备就需要一套精密数据采集系统。当前在物探仪器中通常采用两种数据采集方 式，即模拟复氏变换采样( 即积分采样方式) 与瞬时采样方式。这两种方式在实 中南大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 际应用中各有其特点。适应于不同的观测系统的需要。通常来说，模拟复氏变换 采样方式( 积分采样方式) ，它用硬件来实现复氏变换并完成采样，这样采样的 灵活性就不大，影响了工作的效率。而瞬时采样能做到适时采样，并用软件来完 成复氏变换，速度高，但是在精度上相对模拟复氏变换采样方式而言较低。主要 是 i j 】：在为提高采样精度进行迭加平均时不能完全做到同步引起的。如何解决这 个问题，即实现一个既能高速高精度又能有强的抗干扰能力的数据采集系统，这 是一个有蓿现实意义的研究工作。当然，d 转换器的转换速度和精度也有要求。 但总的看来，物探仪器中的大部分都是属于相干检测或者近似于相干检测，也就 是发送机发送一个主动场源并提供参考信号，利用已知参考信号对待测信号进行 检测。既然是相干检测，必然就会涉及到参考信号，也就是要使得发送设备发送 的信号和接收设备接收的信号保持同步。这样才能达到提高测量精度，提高方法 的应用效果。目前，对于信号进行相干检测或同步检测时提供参考信号或者同步 信号的方法有多种1 8 j l9 l 。 1 第一种是在发送端与接收端同时采用高精度的晶体振荡器作为时钟信号，通 过调节使它们同步。这种方法比较便利，如果精度能够得到保证，这种办法 容易在仪器上安装。这种同步方式在国外一些著名的电法仪器上得到了应 用。如美国z o n g ee n g n c e r i n gr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n 的g d p 1 6 、g d p 3 2 ， 以及加拿大风凰公司所生产的新一代( v 一5 ) 系统都是采用这种同步措施i l 。 但是高精度的晶体振荡器的价格比较昂贵，而且也难于达到精度要求，相 对来说精度越高价格就越昂贵。此外，高精度晶体振荡器还需要有恒温系统， 这样以来就必然不利于仪器的轻便化。 2 第二种方式是采用光电转换技术。也就是说发送端的电流经过光电转换以后 再由光缆或者电缆送到接收端作为同步信号。这种方法是一种比较可靠的方 法。能够相当准确的保证发送设备和接收设备的同步。然而接收机上要拖一 根电缆或光缆，这在实际操作中无疑增加了不便，而且发送设备与接收设备 相距比较远的时候这种方法就显得特别困难。另外若用光缆传输，由于光纤 与发光管的耦合效率很低，需要配置相应的电路来提高耦合效率1 3 9 j ，当传输 路数较多的时候，线路就会显得相当复杂。 3 第三种是采用锁相环技术。也就是说在接收端参考信号的频率或相位被待测 信号“锁定”以达到发送设备和接收设备的信号同步。这是一种应用锁相环 捕获并锁定发送机发送的电磁波信号，以达到收发同步。这种方法一般只适 应于单频波电法中，对于多频波电法一般不大使用，因为“锁定”多频组合 波比较困难。因此锁相环技术一般不适于作为多频波发送设备和接收设备信 号同步的办法。 4 以上各种同步方案虽各有所长，但实际上均没有实现信号的精密相干检测。 中南工业大学张友山教授等研究了多频组合波电法的信号相干检测的同步 方案i l ”。这种方案是将发送设备与接收设备两个定时系统共用一个时钟信 中南大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 号。即将发送设备定时系统用的时钏t 信号通过无线电波向空中发射，接收设 备接收此时钟信号作为自己的时钟信号供定时系统使用，形成发射端与接收 端定时系统共用时钟同步方案。这一同步方法在三频观测系统中得到了应 用。实践证明，这一种同步方案切实可行，达到了准确采集数据的目的。该 系统采用积分采样、模拟复氏变换，是一种积分型精密数据采集处理系统。 本论文研究的是一种采用共时钟同步的精密瞬时数据采样系统。所谓精密，就是 指的拒进行相干检测时是否真j 卜作到完全同步，是否实现了高精度，这也是本系 统采川兆时钟同步的原因。 本系统目前主要是研究在三频激电法中的应用。三频激电法所采用的电流是 含有低中高三个主频的三频组合波电流，主要观测相对相位频率简谱，同时也得 到幅频率参数，属于多参数激电测量。它通过精密相干检测的结果利用多频组合 波激电差分相位频率简谱异常区分法来对激电异常进行区分。由丁- 采用了相对相 位参数，使得这种观测系统除了具有如下优点：( 1 ) 有可靠的方法可从测量结果 t ，消除电磁感应耦合影响因而能够研究良导性剖面。( 2 ) 能为硫化物异常和 碳质岩层引起的异常的区分提供有用信息，异常区分直观、快速，利用不同异常 源在相对相位频率简谱曲线上所具有的独特特征来直观、快速的区分异常。( 3 ) 勘探深度大，可勘探至地下6 0 0 7 0 0 m 。( 4 ) 分辨率高，相比普通激电观测系统， 其分辨率至少可以提高到5 f 1 3 】。 1 3 精密相干检测的瞬时数据采集系统主要研究内容及论文主要工作 1 3 1 主要研究内容 精密相干检测的瞬时数据采集系统主要研究内容就包括三个方面。其一是本 系统研究的相关理论基础，其二就是实现系统的技术路线，另外就是应用的效果。 这三个方面是紧密联系的一个整体。其中，理论基础是研究本系统的出发点，没 有相关的理论就不会产生相应的实现系统的技术路线。对于实现一个精密的数据 采集系统而占就必然会涉及到数据采集与处理的相关理论。实现一种采集系统必 然离不开硬件，有的时候还需要相应的软件对它进行控制和对结果进行处理，特 别是随着电子技术的飞速发展，各种微型机和单片机的应用越来越普遍与成熟， 可编程器件和各种数字集成电路的广泛使用【1 4 】【1 6 l ，软、硬件之间的协同设计 就显得犹为重要。精密相干检测采集系统的实现也是软、硬件之间协同设计的结 果。本系统由软件与硬件两大部分组成，硬件的组成与软件的实现也就成为本论 文研究的主要内容。另外，论文还给出了一些模型实验结果来研究本系统的应用 效果。 1 3 2 论文的主要工作 本论文的工作是围绕建立一套应用于三频激电法的精密相干检测的数据采 中南人学坝l 学位论文精带相i 检测的瞬时数掘采集系统 集系统而展开的它大致分为4 个部分：首先是论述了相关的理论基础，包括三 频激电法的相关原理、相干检测技术的基础理论、数字信号处理巾的关于数据采 集与处理的基本原理等；然后论述精密相干检测的瞬时数据采集系统的实现，从 硬什与软什两方面论述了实现的原理与方法；虽后从模型实验方面验证本系统的 j 迸i 】效果。 第二章洋细的论述了相关的理论基础并提出了精密相干检测的数据采集系 统的堆术框架。 第三 专主要是讨论精密j hl 二检测的数据采集系统的硬件体系结构。重点是对 j 二精密相干检测仪接收机的硬件组成和接口电路及接收机发送机之间的同 步问题进行了详细的论述。指出了由于采用了优良的硬件设计【1 川i 删和接收 机发送机之州采用无线电共时钟同步，从而提高了仪器的抗干扰性保证了 数 1 i i ：的采集梢度提高了分辨牢。 第四章详细沦述了精密 h 干检测的数据采集系统的软件设计。论述了在d o s f f 境f 的m s c 6 o 应用程序设计，整套软件截面清晰友好，性能可靠，并对仪器 实现全面监控，自动化程度高，灵活性强，数据校i f 全面，提供对数据及仪器的 安全保障。操作方便，并能够适时的显示出数据和各种曲线。系统软件还实现了 自动与手动校验功能，增强了仪器使用的方便性和适应性。而在数据采集以及调 零过程中都采用了数据线性迭加平均技术，提高了数据采集的质量与仪器的测量 精度，提高了分辨率。 第五章研究了模型实验，验证了应用这套系统所具有的快速、高精度且抗干 扰能力强等优点。 第六章是论文的最后一章，它总结了整个论文的工作，并对于下一步的工作 丌展做r 一些有益的思考，指出了进一步研究探索的方向。 中南大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 第二章精密相干检测的瞬时数据采集系统的相关理论基础 2 1 三频激电法 由于精密相干检测的瞬时数据采集系统在本论文中主要是研究在三频激电 法t l 一的应用同时我们利用对三频组合波的迭加来评价模拟复氏变换采样与瞬时 采样中应用迭加的效果差异，以此来体现本系统实现高精度以及很强的抗干扰能 力的特点，因此有必要对于三频激电法理论基础有一定的了解。三频激电法也称 为三频激电相对相位法或称差分相位频率简谱观测法。本方法在每个测点同时观 测幅频率f s 和相对相位频率简谱，获得差分相位。三频激电法采用的场源是三 频组合波，其供电电流是对3 种不同频率的方波进行傅立叶反变换，合成得到具 有商、中、低3 种频率的但幅度均相等或近似相等的基波及其相应谐波的组合波 电流1 2 ”。电流波形所含功率绝大部分集中在三个频点上，将此三频点称为主频， 从低到高定义为低主频点( f l ) 、中主频点( f m ) 和高主频点( f h ) 。三个主频点之间的 川隔可以方便地加以改变图2 1 l a 是频比为2 的电流波形，图2 1 1 b 是频比为 4 的f 乜流波形，这样用于三频点的激电法或组成频谱激电都十分方便。 设高、中、低3 个主频点电流分别为 小昙，喜嘉s - n 孵川m ， ，w = 昙喀嘉s i n 啦w 训 ”昙如喜击s n 衅州训 + 1 0 1 t l ( a ) f h f m = f m ，f l = 2 6 - 0 、l， 中南大学硕 ：学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 + 1 0 ，1 ( b ) f h f m = f m f l = 4 图2 1 1三频组合波电流波形举例 式( 2 i1 ) 巾，、，、，。分别代表三频组合波电流中的低、中、高3 种基波及 j e 相应谐波的电流，m 。、m 。、m 。分别为低、中、高3 种基波的圆频率 m ，7 嘶，= m 。m ，= s ，s 为频比，可取为大于l 的整数。因此，s 取值不同可获得 许多组三频组合波。，。为三频组合波电流的振幅，钆和妒：分别为谐波相对基波 的相位差。实际使用的三频组合波电流中各主频电流的振幅达不到! ，n ，但应尽 j r 量使其超出三，。和接近! ，。 月 因此，三频组合波电流可写成下面的理论公式： ，：，+ ，“+ ，h ：! ，。 s i n 珊f + s i n ( 出村f 一妒1 ) + s i n ( h f p 2 ) 石 。 ( 2 1 2 ) + j 三【s l n ( ( 2 ”啪+ s i n ( ( 2 1 ) 一州+ s i n ( ( 2 p m 2 叫一刚” 将三频组合波电流供入地下，接收机可接收到三频组合波电位差，通过计 算机进行快速傅立叶变换同时分离出低、中、高3 个主频点的虚、实分量，即，、 ，。、，和也吒、凡，、r ，依次计算出3 个主频点的振幅值，即、 誊：鞠 a = 正瓦而 a r 。：j ：j i = ：而j 中角大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 吼= 培“( ，。，r 。) 伊 ，= 留1 ( 。，胄。) 妒h = 增。1 ( ，。，r 。) ( 2 1 3 ) 并由此计算出3 个幅频率值及2 个基本相对相位差和高、低曲个主额点之1 日j 的相位差6 1 ： 即竽枷。1 n 2 ：坐拿堕。l 肿l ( 2 1 4 ) y mf 厅，：学川。j ( 2 15 ) 2 2 相干检测的基本原理 2 2 1 相干检测 对于相干检测，它的基本思想以及对噪声的处理方法如下： 避开噪声功率谱密度密集的频率范围，使得输入噪声因此而减小。当测量信 号很低的时候，常常伴随有比白噪声高出数倍乃至数十上百倍的l f 噪声的影响。 当我们所测量的信号是在直流附近的低频时，即使是使用低通滤波器( l p f ) 也 必然使l f 噪声包含在通带以内，具有较高的输入噪声功率。但是可以采取这样 的措施，即可以将被测量的信号的频率作一变换，使低频信号移至高于l f 角的 频率范围，而仍然保持被测信号的大小，那就使得测量避开l f 噪声而工作在白 噪声频段，使输入噪声得到降低。实现这一目的的前提是信号的被测大小不因频 率变换而有误差。 1 设计一种b p f ，它的带宽口。是固定的，不受频率的影响。即使是在扫频的 条件下仍然能保持固定的通带，同时，从理论上说是可以作到无限窄，并 只取决于简单的时间常数t c = r c 。 2 从另外一个角度而言，b p f 只是对于被测信号e ，= qc o s ( 。f + 日) 的频率的 、j 嘞 嘞 ” 鼢瓶 j 1 = 刮 吼 鲰 吼 卸 膨 脚 中南大学硕l 学位论文车青密相干检测的噼时数据采集系统 指纹识别。但是从信弓的表达式可以看m 来还有一个指纹特征：目( 相位) ，还 没有b p f 所利用。如果现在不仅能跟踪信号的频率a 。而且同时也能够锁定信 号的 位口，那么，噪声要同时符合j 信号既同频也同桐的机会就大大的减小了。 以上的三点也是相干检测的基本思想，比就是晓它的丰要手段是需要另外一 个相干信号，它只能识别被测信号的频率和相位。有时，被测信号不一定是相干 n 玑此n 寸就需要采取措施设法使其获得必要的相干性。而完成频域信号窄带化处 理的丰hi f ：j ! 测系统称为锁相放大器。要讨论锁相放大器首先必须对相敏检波器进 行了解。 2 2 2 相敏检波的基本原理描述 相敏检波器( p s d ) 是锁相放大器( l l a ) 的心脏部件，它实际上可以看成 个槿拟乘法器，是相关器的重要形式，如图2 2 1 所示。 卧 二玉正二二卜耻西嵋 图2 2 1p s d 原理 当p s d 的输入信号为白，参考输入信号为e ，p s d 完成两者的乘积西6 ，。下 丽讨论输入参考信号分别为正弦波与余弦波两种情况【2 3 1 。 1 ) 如果b 与e ，都是余弦波。调整计时起算零点，e ，可以表示为 ，= p ，c o s ( o f ) d 可表示为 e f = e ，c o s 【( 曲o + m v + 卅 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 其中m 。是参考信号频率，a m 是输入信号频率相对参考信号频率的改变量： 日是他们之间的相位差，其输出应该为 lt e o = e ，- e ，= p p ，c o s ( f + 目) + 亡e ，e ，c o s 【( 2 脚o + 珊v + 创 ( 2 2 3 ) z z 其中右端第一项为输入信号与参考信号的差频项，第二项为和频分量。这个 数学表达式说明，经过p s d 以后，输入信号的频率作了差频与和频的位移。若 在其后接一个低通滤波器( l p f ) ，则可将和频项排除。图2 22 是附有l p f 的 p s d 。使得输出只为 t i 中南大学硕士学位论文精密相千检测的瞬时数据采集系统 。2 弘。8 ( “+ 9 ) t 图2 2 2 后续l p f 的p s d ( 2 2 4 ) 式中的m 必须理解成是在l p f 的带通以内的部分。如果真实信号是单频的， 与参考信号同频率，则m 只能理解为叠加在信号上的噪声与参考信号频率的 频差。当1 ：考虑噪声时吐，可以看作零，则输出信号比例于输入信号幅度，及相 位筹的余弦函数。显然，当信号与参考问的相位差为o 或者z 时，输出幅度为最 人。 若西中含有噪声，即mt 0 ，且曲在l p f 通带内，则输出之幅度还与噪声 有关系。当m o ，但大于l p f 通带，则大于通带的噪声被滤除。在西有噪声 的情况下，有关的表达式可以改为 e f = e fc o s ( 国o ，+ 曰) + p c o s ( c 谢+ a ) ( 2 2 5 ) e r = p rc o s ( o f ) ( 2 2 6 ) 显然通过后续l p f ，只有第一项和第二项中的l p f 频带内的噪声会有输出。 2 ) 若为正弦波，e ，为方波的情况。 这更加接近于实际使用情况。因为参考信号的频率实际上是由输入信号决定 的。而参考信号发生器的波形作成矩形比正弦波更加容易。此时有如下的表达 式 o 甜彩 虹。 国 叫 0 + 叫一 小 一 一2 栌 口匕： e 中南大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 耻即驴扣薹错c o s 【( 2 肛哪呦删他2 1 0 + 扣喜器c o s 胁w 一删 式( 2 2 l o ) 中只有一项是低频部分，这就是差频项中，n - o 的那一部分，因此 如果接一个后续l p f 那么输出仍然由式( 2 2 4 ) 表示。 相敏检波器( p s d ) 从1 9 5 1 年s c h u s t e r 开始研究，至今仍然不断被发展。 从电路的原理、结构和实用性而言，大致可以分为开关器件型、电流控制型、对 称j i 补型、靳波数字型等几种形式例。这些形式的出现，不但丰富了p s d 的内 容，也充分表明了它们的性能的提高，同时，它们也大致反映p s d 研究的进步 过程。 2 2 3 锁相放大器的基本原理 由相敏检波器就可以构成锁相放大器，简称l i a 。其基本框图为图2 2 _ 3 。 输入信号经过信号通道，输入参考信号通过参考通道，分别加到p s d 。 输入 图2 2 3l i a 的基本框图 输出 下面分别介绍各个通道的简单构成。 ( 1 )信号通道。该通道可以简单的用图( 2 2 4 ) 表示。被检测的信号通常是 很微弱的。例如1 0 n v ，而伴随的噪声却很大。p s d 虽然可以对信号作相干检测， 但是信号过于小容易产生误差。有时候甚至不能相检。因此必须在p s d 之前对 信号加以放大，并对噪声进行预处理，使得p s d 处于最佳的工作状态，以充分 发挥其抑制噪声的能力。所以信号通道一般由前置放大、中间放大以及滤波器组 成。 中南大学硕卜学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 错一：! 嗲一：多恒丑叶， 图22 4l i a 的信号通道 ( 2 ) 参考通道和直流放大器 参考通道的作用是给p s d 提供一个相干的控制信号，它应该是一个具有正 负半周之比为l ：l 的方波，而且在一个周期内能够自由相移。方波的对称性用 以消除偶次谐波响应。在高频时方波的速度( 上升与下降的时间) 是对称性的 一：要障碍。这常是限制整个l i a 频率特性的重要原因。 参考信号的输入端可能是不规则的波形，但只要这个信号在一个周期内与平 均值相交两次，就可以通过整形予以规范化。然后通过移相器在0 0 3 6 0 0 之间作 线形的连续相移，以便使得被测信号与参考信号之间组成任意的相位差口。 移相器的电路可以是模拟门积分比较器，也可以用锁相环( p l l ) ，或用集 成化的数字鉴相器、环路滤波与压控振荡器( v c o ) 组成。 p s d 将信号相干检测后，通过l p f 将交流信号转变为直流信号，直流输出 需要经过直流放大器再次放大，以满足l i a 系统的增益要求。 2 3 相关数字信号处理技术的理论基础 与本文所论述的精密相干检测的数据采集系统相关的数字信号处理技术主 要是迭加平均以及快速傅立叶变换。下面分别对它们进行论述。 2 3 1 迭加平均 2 3 1 1 基本原理 物理量的测量常常受到噪声的影响【l 】。通常的抗干扰措施( 屏蔽、去耦、接 地等) 可以抑制测量系统外部的噪声，但是对于系统内部噪声( 由于计算机或者 其它干扰源) 却是无能为力的。如果噪声的频谱高于或低于信号的频谱，可以用 一般的滤波技术把有用信号从噪声中分离出来。如果信号与噪声频谱相互重叠， 一般的模拟滤波技术就不再适用了。这时用信号迭加平均的方法可以有效的改善 信噪比。迭加平均方法实用于周期信号或者重复信号，它将各个周期的信号与噪 声同时迭加后再加以平均。如果噪声是随机的。则在迭加过程中会相互抵消。而 信号是有规律的，迭加平均后幅值不变，从而提高了信噪比。显然必要条件是噪 声应具有随机性，而信号应该具有重复性，且两者互不相关。在本系统中，我们 发送的参考信号是周期性的多频组合波信号，完全满足这两个条件。 迭加平均方法可用于重复的快速信号波形的测量，对超低频噪声也有显著的 中南大学硕士学位论文精密相干捡测的瞬时数据采集系统 抑制作用。迭加i f 均现在在硬件实现上大致有两种方案，其一是采用高质量的电 容器作为存储记忆元件。这种方案一般称之为模拟多点平均，具有速度快、时间 效率快的优点。但是它由于存储电容会泄露电荷，从而造成信息丢失：模拟器件 的直流漂移，使得其不适用于长时间的平均。第二种方案是数字多点平均，它是 在观测时间范围内，一次完成多点采样，然后多次平均。 数字多点平均大致有三种平均模式。 ( ”线形累加模式 设混有噪声的信号为f ( t ) = s ( t ) + n ( t ) ，噪声的有效值为n ( f ) ，每隔t 秒取样一 次，剥地1 个取样点的第k 次取样值为： ( ，i + ，r ) = j ( f i + 盯) + h ( “+ f r ) ( 23 1 ) 若刘第1 个点取样m 次，采用线性叠加平均( l i l l f l a rs u m m a t i o na v e r a g i n g ) 则 有： ，篁邝t 悯= 。兰s ( k 坩m f 七坩) = 船( k 坩) + 厕2 3 2 七兰l 邝t 悯2 t 擎k 坩m 七坩2 船k 坩+ ”“。 输出信号幅度为输入信号m 倍，而噪声是随机的，其有效值仅较输入提高了磊 倍。显然，根据信号时域特征对周期性或可重复性信号取样平均可以把信噪比改 善而倍。其中m 为叠加次数。即： s i n r 磊 线形平均的累加运算比较简单，也容易理解，在实际使用中不乏选择。在本 系统中所采用的平均模式就是线形累加模式。 ( 2 ) 归一化平均模式 对于归一化平均而言，它每次显示的都是平均值，而不像线形平均所显示的 总是总值。它的平均统计公式对m 次取样第1 个点的平均为： m ：! 手，“。+ f r ) ：m ：，+ 盟二! ) 二竺a ( 2 3 3 ) m ：= 土，( o + f r ) = m ：一1 + 上坐二兰上! 堑二l ( 2 3 3 ) 1 函 ” 这表明，平均方式是将每次扫描后的存储数据加以归一，即存储单元内的数据 ，：一与新的取样值儿i + f r ) 进行比较，并计算新的存储值 ：存入存储器。每扫 描一次，m 随之增加l ，因此在每个扫描期间都需要m 除，有实际困难因为要 增加硬件，线路上也有困难，且不经济，因此上式可以近似为： 中南大学硕士学位论文精密相干检测的瞬时数据采集系统 肘二z m o 出兰乒坠 ，m 其中j 是一个自动选择的正整数，使得2 。晟接近于m 。例如m = 6 时，最靠近的 j 是2 或3 即2 2 = 4 或2 3 = 8 。因此j 的值为 2 ，一i 朋 2 。+ l 这对于归一化平均的实现线路硬件是有利的。但是当处理很大的信号，要求获得 很大的信噪比s i n r 时m 值很大，则m 与2 。的偏差增大，出现了取样效率的 损耗。如图( 2 3 1 ) 所示： ( d b ) 图2 3 1 扫描数m 与效率损耗 不论m 为多少，显示均为全幅值，只是随着m 的增加而使得s i n r 增加， 波形逐渐清晰。归一化平均的s 州r 近似为鬲与线形平均基本相同。 ( 3 ) 指数平