卡尔曼滤波结合数字锁相放大器的弱光声信号降噪方法研究
发布时间：2020-12-10 15:50
采用光声光谱法对变压器油中溶解气体的浓度进行在线监测时,低浓度气体激发的弱光声信号中夹杂有强噪声,传统的单一数字锁相放大器难以将其高效滤出,导致该方法对低浓度气体的检测精度低、稳定性差。为了进一步的降低噪声干扰、提高对低浓度气体的监测精度,提出卡尔曼滤波结合数字锁相放大器的光声信号降噪方法,在锁相放大环节中加入卡尔曼滤波器,利用卡尔曼滤波的降噪作用,使叠加在锁定频率信号中的噪声进一步减小,从而提高对低浓度气体的监测精度。在Matlab/Simulink中进行仿真,结果表明在信噪比相同情况下所提方法输出信号波形的波动率比传统方法减小了53.51%;通过实验验证,结果表明在测量标准浓度为5 ppm的C2H2气体时,所提方法的测量精度较传统方法提高了11.6%;仿真和实验皆验证了所提方法的合理性与有效性。
【文章来源】：仪表技术与传感器. 2020年10期 第98-102页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
锁相放大器结构图
为了减小所采集电压有效值的波动,在低通滤波器后加入卡尔曼滤波器进行二级降噪,卡尔曼滤波与锁相放大器结合降噪结构图如图2所示。当信噪比低于可识别的下限时,由式(3)得相敏检测器输出值为 1 2 [X+W(t)] cos φ,W(t) 为提取信号频率后叠加在幅值中的噪声,W(t)=n(t)且W(t)>X,经低通滤波器输出的有效值为 1 2 2 [X+ W ′ (t)], W ′ (t)< W(t) 。将该输出值送入卡尔曼滤波器进一步处理,其状态方程和观测方程如式(11)、式(12)所示:
仿真后的实际输出信号与原始光声信号对比如图3所示,可以看出在该条件下,光声信号完全湮没在噪声中,其噪声强度达到光声信号强度的10倍,若不能高效提取真实信号将导致测量结果严重失真。传统锁相放大器进行信号提取时其仿真结果如图4所示,经过2 s后其频率与相位锁定,且与实际信号频率一致,但是其信号幅值的波动很大,其峰值为真实信号峰值的2.41倍,谷值信号仅为真实信号的0.56倍,这是由于该信号的信噪比已经低于锁相放大器可以识别的下限,单一锁相放大器提取的信号中仍叠加有较强的噪声而导致波形失真,若用该输出信号计算气体浓度会产生严重误差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于AJAFSA-SVM温度补偿算法的SF6泄漏检测方法研究[J]. 何怡刚,苏蓓蕾,李兵,陈张辉,张超群. 电子测量与仪器学报. 2018(08)
[2]信号提取方法对光声光谱监测技术影响的研究[J]. 庞佳,王红亮,王富民. 东北电力技术. 2018(06)
[3]运用光声光谱技术的变压器油中溶解气体检测研究[J]. 张华威. 机电技术. 2018(02)
[4]基于有源气室结构的光声光谱技术[J]. 李志军,陈伟根,邓硕,曹玲燕,万福,张建学. 高电压技术. 2018(05)
[5]基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度[J]. 查申龙,刘锟,朱公栋,谈图,汪磊,王贵师,梅教旭,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2017(09)
[6]基于光声光谱原理的变压器油中气体在线监测系统研究[J]. 曾毅,严新荣,李志军,宗起振,曹玲燕. 软件导刊. 2017(07)
[7]变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析[J]. 陈新岗,李松,马志鹏,倪志,杨定坤,谭昊. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[8]基于小波包分析光声光谱信号的滤波方法研究[J]. 李志军,曹玲燕,陈伟根,贺枫,张建学,禚莉. 自动化仪表. 2016(05)
[9]基于光声光谱气体浓度检测系统的设计[J]. 胡佳琳,蒋书波,王凡. 仪表技术与传感器. 2016(05)
[10]光声光谱技术在油浸式电气设备故障气体检测中的应用[J]. 毛知新,文劲宇. 电力系统保护与控制. 2015(07)
本文编号：2908961
【文章来源】：仪表技术与传感器. 2020年10期 第98-102页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
锁相放大器结构图
为了减小所采集电压有效值的波动,在低通滤波器后加入卡尔曼滤波器进行二级降噪,卡尔曼滤波与锁相放大器结合降噪结构图如图2所示。当信噪比低于可识别的下限时,由式(3)得相敏检测器输出值为 1 2 [X+W(t)] cos φ,W(t) 为提取信号频率后叠加在幅值中的噪声,W(t)=n(t)且W(t)>X,经低通滤波器输出的有效值为 1 2 2 [X+ W ′ (t)], W ′ (t)< W(t) 。将该输出值送入卡尔曼滤波器进一步处理,其状态方程和观测方程如式(11)、式(12)所示:
仿真后的实际输出信号与原始光声信号对比如图3所示,可以看出在该条件下,光声信号完全湮没在噪声中,其噪声强度达到光声信号强度的10倍,若不能高效提取真实信号将导致测量结果严重失真。传统锁相放大器进行信号提取时其仿真结果如图4所示,经过2 s后其频率与相位锁定,且与实际信号频率一致,但是其信号幅值的波动很大,其峰值为真实信号峰值的2.41倍,谷值信号仅为真实信号的0.56倍,这是由于该信号的信噪比已经低于锁相放大器可以识别的下限,单一锁相放大器提取的信号中仍叠加有较强的噪声而导致波形失真,若用该输出信号计算气体浓度会产生严重误差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于AJAFSA-SVM温度补偿算法的SF6泄漏检测方法研究[J]. 何怡刚,苏蓓蕾,李兵,陈张辉,张超群. 电子测量与仪器学报. 2018(08)
[2]信号提取方法对光声光谱监测技术影响的研究[J]. 庞佳,王红亮,王富民. 东北电力技术. 2018(06)
[3]运用光声光谱技术的变压器油中溶解气体检测研究[J]. 张华威. 机电技术. 2018(02)
[4]基于有源气室结构的光声光谱技术[J]. 李志军,陈伟根,邓硕,曹玲燕,万福,张建学. 高电压技术. 2018(05)
[5]基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度[J]. 查申龙,刘锟,朱公栋,谈图,汪磊,王贵师,梅教旭,高晓明. 光谱学与光谱分析. 2017(09)
[6]基于光声光谱原理的变压器油中气体在线监测系统研究[J]. 曾毅,严新荣,李志军,宗起振,曹玲燕. 软件导刊. 2017(07)
[7]变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析[J]. 陈新岗,李松,马志鹏,倪志,杨定坤,谭昊. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[8]基于小波包分析光声光谱信号的滤波方法研究[J]. 李志军,曹玲燕,陈伟根,贺枫,张建学,禚莉. 自动化仪表. 2016(05)
[9]基于光声光谱气体浓度检测系统的设计[J]. 胡佳琳,蒋书波,王凡. 仪表技术与传感器. 2016(05)
[10]光声光谱技术在油浸式电气设备故障气体检测中的应用[J]. 毛知新,文劲宇. 电力系统保护与控制. 2015(07)
本文编号：2908961
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