卡爾曼濾波結(jié)合數(shù)字鎖相放大器的弱光聲信號降噪方法研究
發(fā)布時間：2020-12-10 15:50
采用光聲光譜法對變壓器油中溶解氣體的濃度進(jìn)行在線監(jiān)測時,低濃度氣體激發(fā)的弱光聲信號中夾雜有強(qiáng)噪聲,傳統(tǒng)的單一數(shù)字鎖相放大器難以將其高效濾出,導(dǎo)致該方法對低濃度氣體的檢測精度低、穩(wěn)定性差。為了進(jìn)一步的降低噪聲干擾、提高對低濃度氣體的監(jiān)測精度,提出卡爾曼濾波結(jié)合數(shù)字鎖相放大器的光聲信號降噪方法,在鎖相放大環(huán)節(jié)中加入卡爾曼濾波器,利用卡爾曼濾波的降噪作用,使疊加在鎖定頻率信號中的噪聲進(jìn)一步減小,從而提高對低濃度氣體的監(jiān)測精度。在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真,結(jié)果表明在信噪比相同情況下所提方法輸出信號波形的波動率比傳統(tǒng)方法減小了53.51%;通過實驗驗證,結(jié)果表明在測量標(biāo)準(zhǔn)濃度為5 ppm的C2H2氣體時,所提方法的測量精度較傳統(tǒng)方法提高了11.6%;仿真和實驗皆驗證了所提方法的合理性與有效性。
【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020年10期 第98-102頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
鎖相放大器結(jié)構(gòu)圖
為了減小所采集電壓有效值的波動,在低通濾波器后加入卡爾曼濾波器進(jìn)行二級降噪,卡爾曼濾波與鎖相放大器結(jié)合降噪結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。當(dāng)信噪比低于可識別的下限時,由式(3)得相敏檢測器輸出值為 1 2 [X+W(t)] cos φ,W(t) 為提取信號頻率后疊加在幅值中的噪聲,W(t)=n(t)且W(t)>X,經(jīng)低通濾波器輸出的有效值為 1 2 2 [X+ W ′ (t)], W ′ (t)< W(t) 。將該輸出值送入卡爾曼濾波器進(jìn)一步處理,其狀態(tài)方程和觀測方程如式(11)、式(12)所示:
仿真后的實際輸出信號與原始光聲信號對比如圖3所示,可以看出在該條件下,光聲信號完全湮沒在噪聲中,其噪聲強(qiáng)度達(dá)到光聲信號強(qiáng)度的10倍,若不能高效提取真實信號將導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真。傳統(tǒng)鎖相放大器進(jìn)行信號提取時其仿真結(jié)果如圖4所示,經(jīng)過2 s后其頻率與相位鎖定,且與實際信號頻率一致,但是其信號幅值的波動很大,其峰值為真實信號峰值的2.41倍,谷值信號僅為真實信號的0.56倍,這是由于該信號的信噪比已經(jīng)低于鎖相放大器可以識別的下限,單一鎖相放大器提取的信號中仍疊加有較強(qiáng)的噪聲而導(dǎo)致波形失真,若用該輸出信號計算氣體濃度會產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于AJAFSA-SVM溫度補(bǔ)償算法的SF6泄漏檢測方法研究[J]. 何怡剛,蘇蓓蕾,李兵,陳張輝,張超群. 電子測量與儀器學(xué)報. 2018(08)
[2]信號提取方法對光聲光譜監(jiān)測技術(shù)影響的研究[J]. 龐佳,王紅亮,王富民. 東北電力技術(shù). 2018(06)
[3]運用光聲光譜技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測研究[J]. 張華威. 機(jī)電技術(shù). 2018(02)
[4]基于有源氣室結(jié)構(gòu)的光聲光譜技術(shù)[J]. 李志軍,陳偉根,鄧碩,曹玲燕,萬福,張建學(xué). 高電壓技術(shù). 2018(05)
[5]基于共振型高靈敏度光聲光譜技術(shù)探測痕量乙炔氣體濃度[J]. 查申龍,劉錕,朱公棟,談圖,汪磊,王貴師,梅教旭,高曉明. 光譜學(xué)與光譜分析. 2017(09)
[6]基于光聲光譜原理的變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 曾毅,嚴(yán)新榮,李志軍,宗起振,曹玲燕. 軟件導(dǎo)刊. 2017(07)
[7]變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測及其光譜線型模型分析[J]. 陳新崗,李松,馬志鵬,倪志,楊定坤,譚昊. 光譜學(xué)與光譜分析. 2016(08)
[8]基于小波包分析光聲光譜信號的濾波方法研究[J]. 李志軍,曹玲燕,陳偉根,賀楓,張建學(xué),禚莉. 自動化儀表. 2016(05)
[9]基于光聲光譜氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 胡佳琳,蔣書波,王凡. 儀表技術(shù)與傳感器. 2016(05)
[10]光聲光譜技術(shù)在油浸式電氣設(shè)備故障氣體檢測中的應(yīng)用[J]. 毛知新,文勁宇. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2015(07)
本文編號：2908961
【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020年10期 第98-102頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
鎖相放大器結(jié)構(gòu)圖
為了減小所采集電壓有效值的波動,在低通濾波器后加入卡爾曼濾波器進(jìn)行二級降噪,卡爾曼濾波與鎖相放大器結(jié)合降噪結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。當(dāng)信噪比低于可識別的下限時,由式(3)得相敏檢測器輸出值為 1 2 [X+W(t)] cos φ,W(t) 為提取信號頻率后疊加在幅值中的噪聲,W(t)=n(t)且W(t)>X,經(jīng)低通濾波器輸出的有效值為 1 2 2 [X+ W ′ (t)], W ′ (t)< W(t) 。將該輸出值送入卡爾曼濾波器進(jìn)一步處理,其狀態(tài)方程和觀測方程如式(11)、式(12)所示:
仿真后的實際輸出信號與原始光聲信號對比如圖3所示,可以看出在該條件下,光聲信號完全湮沒在噪聲中,其噪聲強(qiáng)度達(dá)到光聲信號強(qiáng)度的10倍,若不能高效提取真實信號將導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真。傳統(tǒng)鎖相放大器進(jìn)行信號提取時其仿真結(jié)果如圖4所示,經(jīng)過2 s后其頻率與相位鎖定,且與實際信號頻率一致,但是其信號幅值的波動很大,其峰值為真實信號峰值的2.41倍,谷值信號僅為真實信號的0.56倍,這是由于該信號的信噪比已經(jīng)低于鎖相放大器可以識別的下限,單一鎖相放大器提取的信號中仍疊加有較強(qiáng)的噪聲而導(dǎo)致波形失真,若用該輸出信號計算氣體濃度會產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于AJAFSA-SVM溫度補(bǔ)償算法的SF6泄漏檢測方法研究[J]. 何怡剛,蘇蓓蕾,李兵,陳張輝,張超群. 電子測量與儀器學(xué)報. 2018(08)
[2]信號提取方法對光聲光譜監(jiān)測技術(shù)影響的研究[J]. 龐佳,王紅亮,王富民. 東北電力技術(shù). 2018(06)
[3]運用光聲光譜技術(shù)的變壓器油中溶解氣體檢測研究[J]. 張華威. 機(jī)電技術(shù). 2018(02)
[4]基于有源氣室結(jié)構(gòu)的光聲光譜技術(shù)[J]. 李志軍,陳偉根,鄧碩,曹玲燕,萬福,張建學(xué). 高電壓技術(shù). 2018(05)
[5]基于共振型高靈敏度光聲光譜技術(shù)探測痕量乙炔氣體濃度[J]. 查申龍,劉錕,朱公棟,談圖,汪磊,王貴師,梅教旭,高曉明. 光譜學(xué)與光譜分析. 2017(09)
[6]基于光聲光譜原理的變壓器油中氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 曾毅,嚴(yán)新榮,李志軍,宗起振,曹玲燕. 軟件導(dǎo)刊. 2017(07)
[7]變壓器油中溶解氣體拉曼光譜檢測及其光譜線型模型分析[J]. 陳新崗,李松,馬志鵬,倪志,楊定坤,譚昊. 光譜學(xué)與光譜分析. 2016(08)
[8]基于小波包分析光聲光譜信號的濾波方法研究[J]. 李志軍,曹玲燕,陳偉根,賀楓,張建學(xué),禚莉. 自動化儀表. 2016(05)
[9]基于光聲光譜氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 胡佳琳,蔣書波,王凡. 儀表技術(shù)與傳感器. 2016(05)
[10]光聲光譜技術(shù)在油浸式電氣設(shè)備故障氣體檢測中的應(yīng)用[J]. 毛知新,文勁宇. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2015(07)
本文編號：2908961
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