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.
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。
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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)