中文引用格式: 卓光加,董彩萍,郭拓,等. 基于卡爾曼融合的雙通道微弱信號采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 電子技術應用,2025,51(3):98-104.
英文引用格式: Zhuo Guangjia,Dong Caiping,Guo Tuo,et al. Design and implementation of dual-channel weak signal acquisition system based on Kalman fusion[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(3):98-104.
引言
隨著社會的快速發(fā)展,航天、工業(yè)、醫(yī)療、船舶等領域對微弱信號處理的需求日益增加。水下磁異常信號作為一種微弱且復雜的物理量,在地質勘探、海洋探測和國防監(jiān)測等場合廣泛應用。然而,該信號處于微伏級別,極易受到環(huán)境噪聲、設備噪聲及電磁干擾等因素的影響,導致其難以實現(xiàn)有效檢測和精確采集。為應對這一挑戰(zhàn),信號采集系統(tǒng)在信號檢測、處理過程中發(fā)揮了關鍵作用,其性能直接決定了信號的質量和精度。特別是在提升信噪比和動態(tài)范圍方面,動態(tài)范圍越大,采集系統(tǒng)能夠覆蓋的信號幅度也相應擴展,意味著在固定AD量化級數(shù)內可以采集到更多有用信息;反之,動態(tài)范圍較小會導致微弱信號被噪聲淹沒,從而影響信號的檢測精度和有效恢復。
為了使微弱信號能被采集,通常在采集之前會采用放大電路對信號幅度進行放大,信號放大過程中不可避免地會引入電源噪聲、放大器自身的熱噪聲、閃爍噪聲以及外部干擾信號。這些噪聲源在極端環(huán)境下尤為明顯,使得對微弱信號的檢測難度進一步加大。同時在常規(guī)的采集方法中,每一路信號的采樣通常直接采用單個AD轉換器的輸出結果作為數(shù)字信號。盡管這些芯片具有很高的理論動態(tài)范圍,實際應用中由于單一量程的限制,系統(tǒng)的可測量動態(tài)范圍往往低于AD轉換器的理論值。李小龍[1]提出借助最小二乘法得到每個通道修正誤差所需要的系數(shù),最后再通過配置 AD芯片實現(xiàn)對誤差的修正,但實時性不足,且對噪聲模型的適應能力較差。郭威等人[2]提出一種分立式架構的雙 ADC 同步采集單元,實現(xiàn)對小信號采集時的高分辨率以及對大信號采集時的高容差,但由于不同AD對同一信號采集,易導致相位失調,可變增益也不易控制。
針對這一現(xiàn)狀,本文旨在提升采集系統(tǒng)對微弱信號的采集能力。以紫光Logos系列PGL22G型號的國產(chǎn)FPGA作為核心,微弱信號在前端實現(xiàn)信號預處理后,通過兩個AD通道對信號進行同步采集,并對兩個24位通道數(shù)據(jù)進行加權融合以及濾波估計,最終優(yōu)選結果以期提高信號采樣精度和動態(tài)范圍。最后,通過試驗對系統(tǒng)進行本地噪聲和系統(tǒng)響應精度論證。
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作者信息:
卓光加1,董彩萍2,郭拓1,劉建國3
(1.陜西科技大學 電子信息與人工智能學院,陜西 西安712099;
2.海軍航空大學,山東 煙臺264000;
3.西北工業(yè)大學 航海學院,陜西 西安710068)