一种光声信号降噪系统及其降噪方法技术方案

本发明专利技术提供了一种光声信号降噪系统及其降噪方法，包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；参考信号产生单元产生两路有相位差的参考信号；相敏检测单元将上述前置放大后的输出的光声信号分别与两路参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中消除高频部分；随后再输出至卡尔曼滤波单元；卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中。

【技术实现步骤摘要】
一种光声信号降噪系统及其降噪方法
本专利技术涉及光声信号检测与处理
，尤其涉及一种光声信号降噪系统及其降噪方法。
技术介绍
随着电力行业逐步进入高电压、大电网时代，对电力设备的故障诊断技术的可靠性要求也越来越高，因此对油中溶解气体浓度检测的精度要求也越来越高。通过光声光谱技术对变压器油中溶解气体浓度进行检测，分析不同气体浓度比值是目前判断变压器潜在运行故障的主要方法。光声光谱技术检测气体浓度原理如图1所示，其检测设备主要结构包括激发光源、声光池、信号检测部分等。它用一束频率可调制的单色光照射光声池内气体，气体吸收光能由基态跃迁至激发态，并立即以释放热能的方式退激，释放的热能向周围的介质按照光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种声压被麦克风检测并转化为光声信号，气体分子数越多产生的光声压力波越强，进而转化的光声信号也会越强，因此便可以对气体浓度进行定量分析。但是这种信号不可避免的夹杂着很强的环境噪声和电路噪声，用锁相放大器对该信号进行提取降噪是目前光声信号降噪处理的主要方法，当气体浓度较低或在线监测系统处于十分恶劣的自然环境，变压器的大电压大电流产生强的磁场对信号有较大的干扰，导致本就十分微弱的光声信号中夹杂很强的噪声，而传统的锁相放大器难以将其高效滤出，因此该种信号处理方法很难满足对低浓度气体的检测精度的要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种能结合卡尔曼滤波器和锁相放大器、增强降噪能力且不增大时间常数的光声信号降噪系统及其降噪方法。一方面，本专利技术提供了一种光声信号降噪系统，包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元的输出端和参考信号产生单元的输出端分别与相敏检测单元的输入端信号连接；相敏检测单元的输出端与低通滤波单元的输入端信号连接，低通滤波单元的输出端与卡尔曼滤波单元的输入端信号连接；卡尔曼滤波单元的输出端与输出信号处理单元的输入端信号连接；其中：输入信号处理单元，对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；参考信号产生单元，一方面产生参考信号直接送入相敏检测单元中，另一方面，将参考信号进行相移后送入相敏检测单元中；相敏检测单元，将上述前置放大后的输出的光声信号，分别与参考信号和相移后的参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中；低通滤波单元对相敏检测单元产生的两路检测输出信号分别滤波后，输出至卡尔曼滤波单元；卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中；输出信号处理单元根据两路卡尔曼滤波单元输出的结果进行加法运算，得到待测的光声信号的幅值，并反算声光池内的气体浓度。在以上技术方案的基础上，优选的，所述相敏检测单元是对前置放大后的输入的光声信号分别与参考信号和相移后的参考信号进行比例运算，得到两路检测输出信号；参考信号和相移后的参考信号为正交的正弦信号。进一步优选的，所述相敏检测单元包括第一数字乘法器和第二数字乘法器，前置放大后的输入的光声信号和参考信号输入第一数字乘法器中；前置放大后的输入的光声信号和相移后的参考信号输入第二数字乘法器中，两路数字乘法器的输出均导入低通滤波单元中。进一步优选的，所述低通滤波单元为FIR滤波器或者IIR滤波器。另一方面，本专利技术还提供了一种光声信号降噪系统的降噪方法，包括如下步骤：S1：声光池内激发的光声信号通过输入信号处理单元前置放大处理，得到前置放大后的输出的光声信号Si(t)，C为信号幅度，为信号相位，ω为角频率，为时间t＝0时的初始相位；ni(t)是杂乱无序的白噪声；S2：前置放大后的输出的光声信号Si(t)输入相敏检测单元，并与参考信号产生单元发生的参考信号和相移后的参考信号的复合，得到两路检测输出信号，分别为：其中A(t)是提取频率已知的信号后叠加在幅值中的随时间变化的噪声；Sr(t)是已知频率信号，即式中sinωt和cosωt；nT是傅里叶时间窗的宽度；n为基波周期数；A(t)远小于ni(t)，且A(t)>C；S3：低通滤波单元对相敏检测单元产生的两路检测输出信号滤波输出，消除截止频率以外的高频分量，每一路光声信号经低通滤波器处理后的输出Y1或者Y2为：A'(t)是低通滤波后的噪声分量；S4：光声信号经低通滤波器处理后的输出Y输入到卡尔曼滤波单元中，进行卡尔曼滤波降噪，利用卡尔曼滤波单元不断预测—修正输出值进一步降低叠加的噪声：令经过低通滤波器处理后的有效值为X'(t)，其叠加的噪声为则在t时刻有低通滤波器的输出Y变换为：X(t)＝X'(t)+W(t)；令通过测量获得的输出有效值为Z(t)，测量误差为V(t)，有Z(t)＝X(t)+V(t)；W(t)和V(t)均是随时间变换的高斯噪声部分，W(t)和V(t)的方差分别为协方差根据t时刻的低通滤波器的输出X(t)，预估的t+1时刻的低通滤波器的输出的预估值X(t+1)按如下方法求解：下一时刻预估值：X(t+1)|(t)＝X(t)；协方差矩阵预测为：P(t+1)|(t)＝P(t)+W(t)；状态更新为：X(t+1)＝X(t+1)|(t)+K(t+1)[Z(t+1)-X(t+1)|(t)]；K(t+1)为卡尔曼增益；协方差矩阵更新为：P(t+1)＝[1-K(t+1)]P(t+1)|(t)；经过卡尔曼滤波单元滤波降噪后的有效值为：W"(t)是卡尔曼滤波单元滤波降噪后的输出噪声，W"(t)<W(t)；有效值中含有的噪声强度进一步减小；S5：输出信号处理单元根据卡尔曼滤波降噪后的结果，通过加法计算声光信号的幅值，并进一步计算声光池气体浓度；光声信号与气体浓度的关系为：uλ＝aσλIλCcell；其中uλ为光声池内激发的光声信号的强度，a为比例系数，σλ是气体在波长λ处的吸光系数；Iλ是入射光在波长λ处的光强；Ccell是光声池的池常数；激发用的光为单色激光或者红外光，根据气体浓度的变化的不同，σλ也会跟随变化。本专利技术提供的一种光声信号降噪系统及其降噪方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：(1)本专利技术在现有锁相放大器处理后依次添加低通滤波单元和卡尔曼滤波单元，能增强降噪能力而不增大时间常数，可靠的放大微弱的光声信号，便于后续检测；(2)与现有信号检测处理系统相比，当噪声在同一水平时，本专利技术可以通过设置较高的低通滤波单元截止频率来降低锁相放大器的工作负担；(3)卡尔曼滤波单元可以防止信号畸变产生奇异值，提高在线监测系统的稳定性；(4)卡尔曼滤波单元的均值和协方差具有线性传递性，每一时刻输出值都通过乘积被记录到下一时刻的后验估计值中，它通过不停的乘积和迭代，这一时刻的后验估计值中包含了之前所有测量值的信息，减小了系统误差。附图说明...

【技术保护点】
1.一种光声信号降噪系统，其特征在于：包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元的输出端和参考信号产生单元的输出端分别与相敏检测单元的输入端信号连接；相敏检测单元的输出端与低通滤波单元的输入端信号连接，低通滤波单元的输出端与卡尔曼滤波单元的输入端信号连接；卡尔曼滤波单元的输出端与输出信号处理单元的输入端信号连接；其中：/n输入信号处理单元，对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；/n参考信号产生单元，一方面产生参考信号直接送入相敏检测单元中，另一方面，将参考信号进行相移后送入相敏检测单元中；/n相敏检测单元，将上述前置放大后的输出的光声信号，分别与参考信号和相移后的参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中；/n低通滤波单元对相敏检测单元产生的两路检测输出信号分别滤波后，输出至卡尔曼滤波单元；/n卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中；/n输出信号处理单元根据两路卡尔曼滤波单元输出的结果进行加法运算，得到待测的光声信号的幅值，并反算声光池内的气体浓度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光声信号降噪系统，其特征在于：包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元的输出端和参考信号产生单元的输出端分别与相敏检测单元的输入端信号连接；相敏检测单元的输出端与低通滤波单元的输入端信号连接，低通滤波单元的输出端与卡尔曼滤波单元的输入端信号连接；卡尔曼滤波单元的输出端与输出信号处理单元的输入端信号连接；其中：
输入信号处理单元，对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；
参考信号产生单元，一方面产生参考信号直接送入相敏检测单元中，另一方面，将参考信号进行相移后送入相敏检测单元中；
相敏检测单元，将上述前置放大后的输出的光声信号，分别与参考信号和相移后的参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中；
低通滤波单元对相敏检测单元产生的两路检测输出信号分别滤波后，输出至卡尔曼滤波单元；
卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中；
输出信号处理单元根据两路卡尔曼滤波单元输出的结果进行加法运算，得到待测的光声信号的幅值，并反算声光池内的气体浓度。


2.如权利要求1所述的一种光声信号降噪系统，其特征在于：所述相敏检测单元是对前置放大后的输入的光声信号分别与参考信号和相移后的参考信号进行比例运算，得到两路检测输出信号；参考信号和相移后的参考信号为正交的正弦信号。


3.如权利要求2所述的一种光声信号降噪系统，其特征在于：所述相敏检测单元包括第一数字乘法器和第二数字乘法器，前置放大后的输入的光声信号和参考信号输入第一数字乘法器中；前置放大后的输入的光声信号和相移后的参考信号输入第二数字乘法器中，两路数字乘法器的输出均导入低通滤波单元中。


4.如权利要求2所述的一种光声信号降噪系统，其特征在于：所述低通滤波单元为FIR滤波器或者IIR滤波器。


5.一种光声信号降噪系统的降噪方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：声光池内激发的光声信号通过输入信号处理单元前置放大处理，得到前置放大后的输出的光声信号Si(t)，C为信号幅度，为信号相位，ω为角频率，为时间t＝0时的初始相位；ni(t)是杂乱无序的白噪声；
S2：前置放大后的输出的光声信号S...

【专利技术属性】
技术研发人员：万青，蔡善忠，时悦，宋鹏才，刘欢，
申请(专利权)人：湖北省电力装备有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42