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基于卡尔曼融合的双通道微弱信号采集系统设计与实现
电子技术应用
卓光加1,董彩萍2,郭拓1,刘建国3
1.陕西科技大学 电子信息与人工智能学院;2.海军航空大学; 3.西北工业大学 航海学院
摘要:针对设备在水下磁异常信号检测中难以有效采集、模数转换器动态范围受限导致信噪比较低、微弱信号易被噪声淹没等问题,设计一种基于国产现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)的高精度磁异常信号采集系统。为了提升信号的信噪比与动态范围,在分别采用2倍和8倍的增益前级处理后,通过高精度多通道模数转换芯片ADS1278与紫光Logos系列FPGA对三轴磁通门输出的微弱磁异常信号进行采集,并将采集的信号平均加权进行初步数据融合后使用卡尔曼滤波对融合数据进行二次修正。试验结果表明,融合后的信号精度明显优于单通道的采集信号,在使用双通道A/D采集频率为200 Hz、幅值为500 μV的微弱信号时,信噪比提高26.099 dB,有效提高了数据采集系统的动态范围。
中图分类号:TN929.3 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245806
中文引用格式:卓光加,董彩萍,郭拓,等. 基于卡尔曼融合的双通道微弱信号采集系统设计与实现[J]. 电子技术应用,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.
Design and implementation of dual-channel weak signal acquisition system based on Kalman fusion
Zhuo Guangjia1,Dong Caiping2,Guo Tuo1,Liu Jianguo3
1.School of Electronic Information and Artificial Intelligence, Shaanxi University of Science Technology; 2.Naval Aviation University; 3.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University
Abstract:Aiming at the problems that the equipment is difficult to effectively collect underwater magnetic anomaly signal detection, the dynamic range of analog-to-digital converter is limited, resulting in low signal-to-noise ratio, and weak signals are easily submerged by noise. This thesis designs a high-precision magnetic anomaly signal acquisition system based on domestic field-programmable gate array (FPGA). In order to improve the signal-to-noise ratio and dynamic range of the signal, this paper uses the high-precision multi-channel analog-to-digital conversion chip ADS1278 and the Unisplendour Logos series FPGA to collect the weak magnetic anomaly signal output by the three-axis fluxgate after using 2 times and 8 times gain pre-processing respectively, and then uses the Kalman filter to perform secondary correction on the fused data after the average weighted average of the collected signals for preliminary data fusion. The experimental results show that the accuracy of the fused signal is significantly better than that of the single-channel acquisition signal. When using dual-channel AD to acquire weak signals with a frequency of 200 Hz and an amplitude of 500 μV, the signal-to-noise ratio is improved by 26.099 dB, effectively improving the dynamic range of the data acquisition system.
Key words :signal acquisition system;magnetic anomaly signal;dual-channel fusion;dynamic range;Kalman filtering

引言

随着社会的快速发展,航天、工业、医疗、船舶等领域对微弱信号处理的需求日益增加。水下磁异常信号作为一种微弱且复杂的物理量,在地质勘探、海洋探测和国防监测等场合广泛应用。然而,该信号处于微伏级别,极易受到环境噪声、设备噪声及电磁干扰等因素的影响,导致其难以实现有效检测和精确采集。为应对这一挑战,信号采集系统在信号检测、处理过程中发挥了关键作用,其性能直接决定了信号的质量和精度。特别是在提升信噪比和动态范围方面,动态范围越大,采集系统能够覆盖的信号幅度也相应扩展,意味着在固定AD量化级数内可以采集到更多有用信息;反之,动态范围较小会导致微弱信号被噪声淹没,从而影响信号的检测精度和有效恢复。

为了使微弱信号能被采集,通常在采集之前会采用放大电路对信号幅度进行放大,信号放大过程中不可避免地会引入电源噪声、放大器自身的热噪声、闪烁噪声以及外部干扰信号。这些噪声源在极端环境下尤为明显,使得对微弱信号的检测难度进一步加大。同时在常规的采集方法中,每一路信号的采样通常直接采用单个AD转换器的输出结果作为数字信号。尽管这些芯片具有很高的理论动态范围,实际应用中由于单一量程的限制,系统的可测量动态范围往往低于AD转换器的理论值。李小龙[1]提出借助最小二乘法得到每个通道修正误差所需要的系数,最后再通过配置 AD芯片实现对误差的修正,但实时性不足,且对噪声模型的适应能力较差。郭威等人[2]提出一种分立式架构的双 ADC 同步采集单元,实现对小信号采集时的高分辨率以及对大信号采集时的高容差,但由于不同AD对同一信号采集,易导致相位失调,可变增益也不易控制。

针对这一现状,本文旨在提升采集系统对微弱信号的采集能力。以紫光Logos系列PGL22G型号的国产FPGA作为核心,微弱信号在前端实现信号预处理后,通过两个AD通道对信号进行同步采集,并对两个24位通道数据进行加权融合以及滤波估计,最终优选结果以期提高信号采样精度和动态范围。最后,通过试验对系统进行本地噪声和系统响应精度论证。


本文详细内容请下载:

http://www.chinaaet.com/resource/share/2000006367


作者信息:

卓光加1,董彩萍2,郭拓1,刘建国3

(1.陕西科技大学 电子信息与人工智能学院,陕西 西安712099;

2.海军航空大学,山东 烟台264000;

3.西北工业大学 航海学院,陕西 西安710068)


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