本发明专利技术提出一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统。包括激励信号发生及增益模块、阻抗电压转换及数据采集模块、信号解调模块、数据上传模块以及上位机。激励信号发生及增益模块产生多频激励信号，施加在待测阻抗上；阻抗电压转换与数据采集模块，将待测阻抗值转换为电压信号后进行模数转换，输入信号解调模块；通过仿真选取重排因子，在硬件中实现无频率碰撞的频谱下采样，利用数据上传模块将结果传输至上位机，根据已知频率，仅通过一次哈希逆映射恢复待测阻抗的幅值和相位变化量，实现稀疏阻抗频谱的快速测量。本发明专利技术的特点是通过一次信号重排实现无频率碰撞的频谱下采样，大幅降低数据的存储与运算量，实现对阻抗频谱的快速测量。对阻抗频谱的快速测量。对阻抗频谱的快速测量。
【技术实现步骤摘要】
一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统
[0001]一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统，属于电子测量领域。
技术介绍
[0002]阻抗是电路材料或者电子元器件的固有属性，也是与材料、元件和电路相联系的基本参数，在实际工业领域往往使用阻抗来刻画材料电学特性、结构分布和电路性能等。阻抗测量技术是一种广泛应用于表征材料和元件电学性能的方法。在实际工业应用中，由于阻抗能够反映感兴趣区域的重要信息，如温度范围、应力变化、流体速度以及物质介电常数分布等，因此阻抗测量是诸多测量技术的基础。例如，阻抗值可反映热量计的热物理特性，电源阻抗和负载阻抗的复比值可反映三相交流电的稳定性，也可以用来对路线故障进行定位，也可以进行电学参数的层析成像，获取多相流中参数分布随时间或空间变化的规律(王化祥.电学层析成像技术[J].自动化仪表,2017,38(5):1
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6.)，而用于地质勘探油气监测的Cole
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Cole曲线模型也是以阻抗的高精度测量为前提。
[0003]阻抗测量的方法也在日新月异地进步。通常，阻抗测量原理基于欧姆定律和交流电的特性，利用交流电对待测电阻进行激励，待测电阻将会改变电路中电压的幅度和相位，因此通过解调改变后的电压幅值和相位可以实现待测阻抗的测量。早期，阻抗测量主要是利用模拟电路进行解调，常见方法主要有电桥法，谐振法和网络分析法等(李文强,黄刚,杨录.大量程全自动阻抗测量仪研究[J].仪器仪表学报,2014,35(4):859
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865.)。1994年，Yang在《IEE过程
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电路、设备和系统》(IEE Proceedings
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Circuits,Devices and Systems)第141卷第3期215
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219页发表的题为《用于过程层析成像的高频和高分辨率电容测量电路》(High frequency andhigh
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resolution capacitance measuring circuit forprocess tomography)的文章中，使用CMOS开关研制出一种适用于高频率激励交流电下抗干扰的测量电路，待测信号与参考信号相乘后经过低通滤波实现信号幅度和相位的解调。2011年，Chen在《IEEE仪器与测量汇刊》(IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement)第60卷第4期1276
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1282页发表的题为《基于相敏解调技术的阻抗测量电路设计》(Design ofImpedance Measuring Circuits Based onPhase
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Sensitive Demodulation Technique)的文章中，设计了一种针对双频正弦信号的测量电路，可同时对电容和电阻进行测量。模拟电路解调方法发展已久，具有成熟的理论实践经验，且解调精度高，测量频率范围广，但电路结构相对复杂，灵活性局限较大，尤其是解调速度受限于模拟低通滤波器响应时间，因此数字信号解调方法越来越多地受到广大学者的重视(赵德春,任超世,沙洪等.EIT高精度数字解调方法误差分析[J].仪器仪表学报,2010,31(09):1933
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1938.)。
[0004]数字解调方法是通过数字信号处理的方式来对信号进行解调，能够克服模拟解调方法中的器件非理想特性带来的误差，具有高速和高精度、操作简便、易于传输等优势，并且因为数字信号的可编程性，能够灵活地对不同的正弦信号进行解调。随着集成电路的发展，数字解调方法也日趋成熟，常用的数字解调方法包括快速傅里叶变换法和正交解调法
等(尹武良,王奔,王化祥.电磁层析成像中基于半周期采样的数字解调方法[J].天津大学学报,2011,44(12):1118
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1123.)。这些方法都具有较高的解调精度和可靠性，可以有效地对正弦信号进行解调，提取信号信息，进而实现分析和处理。虽然数字解调方法能对信号进行高精度的解调，但受到采样定理的约束，测量带宽受到限制。目前阻抗测量领域中采用的数字解调方法种类多样，可以根据实际测量需求进行选择和应用。
[0005]整周期数字解调方法是一种基于数字信号处理的解调技术，其基于采样信号的周期性，利用完整的采样周期完成信号解调。该方法主要包括采样、滤波、数字乘法、整周期积分以及解调输出等步骤。其中，信号的积分累加必须在完整的采样周期内完成，进一步提高了解调精度且减小了解调噪声，具有一定的灵活性和可调节性。1992年Smith在《测量科学与技术》(Measurement Science andTechnology)第3卷第11期1054
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1062页发表的题为《在高斯宽带噪声存在下最大化信噪比的相敏检测器的设计》(Design ofa phase
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sensitive detectorto maximize signal
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to
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noise ratio in thepresence ofGaussian widebandnoise)的文章中，将待测采样信号与同频参考信号数字相乘并在整周期内积分，在DSP芯片中实现了幅值和相位的解调。2011年Cui在《测量科学与技术》(Measurement Science and Technology)第22卷第5期发表的题为《用于电容层析成像的高性能数字系统》(Ahigh
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performance digital system for electrical capacitance tomography)的文章中，在现场可编程门阵列(Field
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programmable gate array,FPGA)片上实现了数字正交解调技术，通过充分利用FPGA的高速运算能力，减轻了高速数据传输的负担。但数字正交解调方法需要采集完整的信号周期，极大程度上限制了解调速度。
[0006]随着对于解调速度要求的提高，迭代式数字解调方法越来越多被采用，此种解调方法突破了整周期数字解调方法解算至少需要一个完整信号整周期的速度瓶颈，将解调速度进一步提高。2013年Xu在《科学仪器综述》(Review ofScientific Instruments)第84卷第4期发表的题为《一种用于电学层析成像的基于最小二乘的迭代解调方法》(Arecursive least squares
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based demodulator for electrical tomography)的文章中，提出了一种迭代式解调算法，利用最小二乘法在一个完整信号周期内实现了阻抗解调。2014年Sun在《IEEE仪器与测量汇刊》(IEEE Transactions on Instrumentation andMeasurement)第25卷第7期发表的题为《一种基于信息滤波解调的高速电阻本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统，系统包括激励信号发生及增益模块101、待测阻抗102、阻抗电压转换与数据采集模块103、信号解调模块104、数据上传模块105以及上位机106；稀疏阻抗频谱快速测量方法实施的步骤如下：步骤一、激励信号发生及增益模块101通过直接数字频率合成器产生初始多频信号，信号增益模块利用运算放大器对初始多频信号进行放大，之后将放大后的多频信号施加在待测阻抗102上；步骤二、利用阻抗电压转换与数据采集模块103，将待测阻抗值转换为电压信号后进行模数转换与采集，并将此采集信号输入信号解调模块104；步骤三、利用仿真遍历与采样点数N互质的整数，直至选取到不会使后续分筐发生频率碰撞的整数作为重排因子；步骤四、在信号解调模块104中，利用重排因子实现有效数据降维，并利用低维度的快速傅里叶变换，大幅降低整体运算复杂度，通过数据上传模块105将阻抗数据传输至上位机106，结合信号分量频率已知这一先验信息，实现稀疏阻抗频谱的恢复，并求解待测频率分量的幅值A和相位θ。2.按照权利要求1所述的一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统，其特征在于，结合激励信号频率已知的先验信息，通过仿真选取到不会使后续分筐发生频率碰撞的整数作为重排因子，从而仅通过单次重排及降采样的快速傅里叶变换，实现稀疏阻抗频谱的快速测量；重排因子的选取，根据如下步骤确定：随机数生成步骤：在仿真中生成范围在[0,N]内的某一随机数，其中，N为采样点数，并检验此随机数是否与N互质；若满足与N互质这一条件，则进行下一步骤，否则重复本步骤；重排因子确定步骤：将上述选取的随机数作为重排因子，进行仿真试验，观察仿真幅值解调结果是否发生频率碰撞；若未发生频谱碰撞，则将此随机数作为本系统选取的重排因子，否则重复步骤一。3.按照权利要求1所述的一种适于硬件实现的稀疏阻抗频谱快速测量方法与系统，其特征在于，选取出重排因子σ后，在硬件芯片中利用该重排因子对采样点进行重排，并恢复出稀疏阻抗频谱；对采样点序数进行伪随机非线性变换后，序列的数学表达式为：p(i)＝x(iσmodN)
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(1)其中，p(i)表示重排后的离散序列，x(i)表示原始采样序列；则重拍后序列的傅里叶变换为：P(a)＝X(aσ
‑1)
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(2)其中，P(a)表示重拍后序列的离散傅里叶变换，X(a)表示原始采样序列的离散傅里叶变换；之后通过平坦窗函数对采样序列进行滤波，滤除大量冗余采样点，得到平滑序列数学表达式为：y(i)＝x(i)g(i)
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(3)其中，g(i)为...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，郭尚，曹章，田雨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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