一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量的装置及方法，所用元件包括：现场可编程门阵列，直接数字式频率合成器，阻抗电压转换器，伪随机调制器，低通滤波器，模数转换器。该方法包括以下步骤：首先，对待测阻抗施加正弦电压激励，通过阻抗电压转换器将待测阻抗值转换为电压信号；接着，该电压信号通过伪随机调制器和低通滤波器进行信号压缩，由模数转换器能够以低于奈奎斯特采样频率的速率进行采样；最后，在上位机中通过压缩感知重建算法从采样信号中恢复输出电压的信息，进而得到阻抗值，实现宽频谱的阻抗测量。上述装置及方法具有成本低、功耗低、资源消耗少、实现简单、突破奈奎斯特采样定理的限制等优点，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量装置及方法
一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量装置及方法，属于分布参数测量领域。
技术介绍
阻抗是元器件和材料的固有属性，也是与电路相联系的基本参数。阻抗测量不仅是电测领域的重要内容，而且通过对阻抗参数的测量往往可以间接实现对其他很多物理量的测量，如温度，压力等。所以很多传感器的原始信号是电容、电阻或电阻抗的测量值。由于现代工业，医疗等领域对检测提出越来越高的要求，新检测技术变为研究的热点。阻抗测量技术作为新检测技术的一种，被迅速扩展到生物医学、电化学、电力控制、大规模集成电路制造、空间技术等领域。如目前生物医学领域，利用生物组织与器官的电特性及其变化规律检查身体器官，提取人体生理、病理状况等(Frerichs,I.,etal.,DetectionoflocallungaircontentbyelectricalimpedancetomographycomparedwithelectronbeamCT.JournalofAppliedPhysiology,2002.93(2):p.660-666.)；在电化学领域，电化学阻抗测量可以用来测量电池内部温度(RaijmakersLHJ,DanilovDL,LammerenJPMV,etal.Sensorlessbatterytemperaturemeasurementsbasedonelectrochemicalimpedancespectroscopy[J].JournalofPowerSources,2014,247(3):539-544.)；在工业监测中，电容层析成像，电阻层析成像，电阻抗层析成像等被广泛地运用在多相流的检测中(Li,Y.andD.J.Holland,Fastandrobust3Delectricalcapacitancetomography.MeasurementScienceandTechnology,2013.24(10):p.105406.)。传统的阻抗测量方法有交流电桥法(Dutta,M.,A.RakshitandS.N.Bhattacharyya,DevelopmentandstudyofanautomaticACbridgeforimpedancemeasurement.IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2001.5(50):p.1048-1052.)和阻抗电压转换法(Yang,W.Q.andT.A.York,NewAC-basedcapacitancetomographysystem.Science,MeasurementandTechnology,IEEProceedings-,1999.1(146):p.47-53.)。阻抗电压转换法因其结构简单，响应速度快而得到了广泛应用。阻抗测量属于先激励再解调的测量方式，正弦信号的幅值相位解调是阻抗电压转换法的重要过程，根据信号解调方法的不同又可以分为模拟式和数字式。D.P.Blair等人在1975年发表于JournalofPhysicsE:ScientificInstruments杂志，第8期，第8卷，第621页，题为“Phasesensitivedetectionasameanstorecoversignalsburiedinnoise”的论文，介绍了模拟解调方法。其主要利用模拟乘法器实现测量信号与参考信号的乘积运算，利用模拟低通滤波器实现二倍频交流分量的滤除，利用低速模数转换器)来实现解调信号的采集。W.Q.Yang在1994年将模拟信号解调方法应用于电容测量中(Yang,W.Q.,A.L.StottandM.S.Beck,Highfrequencyandhighresolutioncapacitancemeasuringcircuitforprocesstomography.IEEProceedings-Circuits,DevicesandSystems,1994.141(3):p.215.)。但是，由于低通滤波器响应时间的限制，为了得到更加稳定的解调结果，整个解调过程往往需要很长的时间来达到稳定状态(一般需要数十个完整信号周期以上)。近年来，随着数字信号处理器技术和微电子技术的发展，数字相敏解调技术受到了越来越广泛的关注。与模拟相敏解调不同，数字相敏解调利用高速模数转换器直接对测量信号进行采样，之后利用先进的数字信号处理方法在数字器件中实现信号的解调。Haili,Zhou等人在2013年发表于MeasurementScienceandTechnology杂志，第7期，第24卷，题为“Acomplexprogrammablelogicdevice-basedhigh-precisionelectricalcapacitancetomographysystem”的论文中，将数字式测量方法应用于电容测量，取得了良好的效果。随着现代工业和医学对测量要求的提高，宽频谱阻抗测量变得越来越重要。如在医学生物阻抗测量中，宽频谱测量可以大大减少测量时间，得到宽频谱阻抗信息，并且能够把握生物体的短暂的生理状态(Yang,Y.,etal.,Designofawidebandexcitationsourceforfastbioimpedancespectroscopy.MeasurementScienceandTechnology,2011.22(1):p.013001.)；在工业材料的电学性质研究中，通过宽频谱的激励信号，可能会引起材料相当大的变化，从而可以在一个测量电路上得到比单频激励测量更全面的信息，对过程动力学有很大帮助(Nahvi,M.andB.S.Hoyle,Widebandelectricalimpedancetomography.MeasurementScienceandTechnology,2008.19(9):p.094011.)。这些宽频谱阻抗测量方法都是建立在高速数模转换器上的数字式测量方法。由于数字式测量方法是建立在奈奎斯特采样定理基础上，在使用宽频谱激励的同时需增大采样频率，所以对于数模转换器的性能提出了更高的要求，从而也加大了测量难度和测量成本。近几年来，数字信号处理领域的专家提出一种全新的信息获取方法，称为压缩感知(CompressiveSensing，CS，又叫压缩采样)，压缩感知为解决宽频谱信号测量提供了新思路。根据压缩感知理论，在某个变换域上的稀疏信号，可以通过与稀疏变换矩阵不相关的观测矩阵来进行信号压缩，减小数据量，而这些压缩信号具有恢复原信号的所有信息。因为宽频谱阻抗测量的信号一般为单频或多频的信号，所以它在傅里叶变换域上是稀疏的，满足信号稀疏的条件，所以可以通过一个与傅里叶矩阵不相关的观测矩阵进行信号压缩和测量。观测矩阵将原始的高维信号投影为一个低维观测信号(压缩信号)，且该低维信号保留了原信号的所有信息，可以通过求解最优化问题来进行信号重建。基于压缩感知理论，通过低采样频率得到压缩信号，就可以重建出原高频信号，超出奈奎斯特采样定理的限制，所以它可以很好地解决模数转换器采样速率瓶颈的问题。基于传统奈奎斯特采样理论进行信号釆样的硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量装置及方法，包括现场可编程门阵列，直接数字式频率合成器102，阻抗电压转换器202，伪随机调制器302，低通滤波器303和模数转换器304等，获取测量信号后，通过压缩感知方法及滤波器系统辨识方法，实现宽频谱的阻抗测量；其特征包括下列步骤：步骤一、利用现场可编程门阵列输出控制信号，完成直接数字式频率合成器芯片102的配置，输出单频正弦信号，再通过低通滤波器103输出正弦激励信号Vi(t)；步骤二、接通伪随机调制器302的开关1和开关2，选通正向通道I，激励信号直接进入低通滤波器303，通过分时不同频率的激励，可以得到滤波器303的传递函数在不同频率下的响应，所以可以通过系统辨识的方法得到滤波器的传递函数；步骤三、确定伪随机调制器302开关的切换频率和模数转换器304的采样频率，通过直接数字式频率合成器芯片102产生激励信号Vi(t)，利用阻抗电压转换器202，将待测阻抗201的阻抗值的测量转换为输出电压信号Vo(t)的测量；步骤四、通过伪随机调制器302和低通滤波器303对阻抗电压转换器202的输出电压Vo进行信号压缩；伪随机调制器由4个开关和一个反相器组成，实现Vo的伪随机调制，其中，开关1和开关2控制正向通道I的通断，开关3和开关4控制反相通道II的通断，这两条通道时刻保持相反的通断状态，Vo(t)通过第I路时，无变化输出，即等效于和+1信号相乘，Vo(t)通过第II路时，经过一个反相器，即等效于和‑1信号相乘，对Vo(t)的伪随机调制过程为：现场可编程门阵列通过伪随机发生器301产生伪随机序列，当输出信号为1时，接通第I路，当输出信号为0时，接通第II路，实现了对Vo(t)的伪随机调制作用；调制后的信号通过低通滤波器303进行信号压缩；步骤五、用模数转换器304对压缩信号进行采样，得到采样序列y[m](m＝1,2,3...)；步骤六、利用采样序列y[m](m＝1,2,3...M)在上位机305上采用压缩感知理论进行信号重建，得到重建信号为x[n](n＝1,2,3...N)，即可得到输出电压的频率、幅值和相位信息，信号频率可以大于采样频率的一半；通过对输入电压信号Vi(t)，输出电压信号Vo的测量，以及已知的反馈电阻值Rf，可以得到待测阻抗元件201的阻抗值为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量装置及方法，包括现场可编程门阵列，直接数字式频率合成器102，阻抗电压转换器202，伪随机调制器302，低通滤波器303和模数转换器304等，获取测量信号后，通过压缩感知方法及滤波器系统辨识方法，实现宽频谱的阻抗测量；其特征包括下列步骤：步骤一、利用现场可编程门阵列输出控制信号，完成直接数字式频率合成器芯片102的配置，输出单频正弦信号，再通过低通滤波器103输出正弦激励信号Vi(t)；步骤二、接通伪随机调制器302的开关1和开关2，选通正向通道I，激励信号直接进入低通滤波器303，通过分时不同频率的激励，可以得到滤波器303的传递函数在不同频率下的响应，所以可以通过系统辨识的方法得到滤波器的传递函数；步骤三、确定伪随机调制器302开关的切换频率和模数转换器304的采样频率，通过直接数字式频率合成器芯片102产生激励信号Vi(t)，利用阻抗电压转换器202，将待测阻抗201的阻抗值的测量转换为输出电压信号Vo(t)的测量；步骤四、通过伪随机调制器302和低通滤波器303对阻抗电压转换器202的输出电压Vo进行信号压缩；伪随机调制器由4个开关和一个反相器组成，实现Vo的伪随机调制，其中，开关1和开关2控制正向通道I的通断，开关3和开关4控制反相通道II的通断，这两条通道时刻保持相反的通断状态，Vo(t)通过第I路时，无变化输出，即等效于和+1信号相乘，Vo(t)通过第II路时，经过一个反相器，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹章，徐立军，谢艺歆，孙世杰，蝴蝶，黄昂，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11