CN112130003A - 一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法 - Google Patents

一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法，该装置包括干扰源电流变化检测电路模块、磁传感器信号调理与AD采集电路模块、微处理器、微处理器***配置电路模块、电压变化与磁场强度数值转化模块、自适应滤波补偿模块和补偿系数标定模块；所述方法采用补偿方法和自适应滤波算法实现消除干扰的目的。本发明通过自适应滤波算法在片上对有用磁信号与干扰磁信号进行分离，有效解决了同频信号混入到传感器感应端后信号无法有效分离的问题，可以实现地磁传感器在较强电磁干扰环境下达到较高的测试精度。

Description

一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测试信号处理装置及方法，具体涉及一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法。
背景技术
现在的弹箭导航、弹道测量等项目，多采用多传感器融合的小型化测量***。在使用磁传感器测量姿态信息时，传感器测量信息极容易受到其他电路模块工作时的变化电流产生的电磁干扰，产生非常大的误差。电路工作电流变化多为低频近零频变化，电磁干扰也为低频信号且与包含弹箭飞行姿态信息的磁信号频带混合一起传入传感器端，现有的测试信号的处理方法多聚焦于不同频带或频点的信号分离，从频域滤波上分离干扰信号，但是无法用于频带混合信号的处理，后期标定也很难去除干扰信号。盲信号分离技术对传感器个数与信源混合方式有要求，对从同一传感器感应端混入的相同频带混合信号没有较好的分离效果。而且传统的电磁屏蔽技术无法有效屏蔽低频电磁信号，无法通过屏蔽其他电路模块达到去除干扰的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法，能够抑制磁传感器在组合测量***应用中混入的同频电磁干扰，降低测量误差。
实现本发明目的的技术方案为：
一种去除同频带电磁干扰信号的装置，包括干扰源电流变化检测电路模块、磁传感器信号调理与AD采集电路模块、微处理器、微处理器***配置电路模块和补偿系数标定模块；微处理器包括AD采集接口、电压变化与磁场强度数值转化模块、自适应滤波补偿模块；
微处理器用于运行电压变化与磁场强度数值转化模块和自适应滤波补偿模块的算法；
干扰源电流变化检测电路模块用于检测干扰源电流变化信号并转换成电压变化信号，输入到微处理器的AD采集接口；
AD采集接口进行模数转换，发送到电压变化与磁场强度数值转化模块；
补偿系数标定模块用于标定补偿系数K，将补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块；
电压变化与磁场强度数值转化模块输出干扰信号到自适应滤波补偿模块；
磁传感器信号调理与AD采集模块用于测量实际的磁场强度信号并进行模数转换后输入到自适应滤波补偿模块；
自适应滤波补偿模块通过滤波算法去除输入信号中的干扰信号；
微处理器***配置电路模块包括时钟电路模块、复位电路模块和电源管理模块，用于给微处理器提供电源、复位信号、外部时钟。
进一步的，所述干扰源电流变化检测电路模块包括电源输入、干扰电源电路模块、检测电阻Ri和减法电路模块；电源输入连接到减法电路模块和检测电阻Ri的一端，检测电阻Ri另一端连接减法电路模块和干扰源电路模块的输入端，干扰源电路模块的输出端接地，减法电路的输出为检测电阻Ri两端电压差。
进一步的，所述减法电路模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻Rf与运算放大器A1；第一电阻R1一端与电源输入端连接，另一端与运算放大器A1的同相输入端和第四电阻Rf一端连接，第四电阻Rf另一端与运算放大器A1的输出端连接，第二电阻R2一端与检测电阻Ri连接，另一端与运算放大器A1的反向输入端和第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端和运算放大器A1的接地端共同接地。
进一步的，所述检测电阻Ri为1Ω电阻。
进一步的，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻Rf的阻值相同。
进一步的，所述磁传感器信号调理与AD采集电路模块采集的磁传感器测量信号通过总线以并行方式传输到微处理器。
进一步的，所述微处理器采用STM32f4x芯片。
一种去除同频带电磁干扰信号的方法，所述方法采用补偿方法和自适应滤波算法，去除同频带电磁干扰信号的方法具体为：
补偿系数标定模块通过标定方法得到补偿系数K；
磁传感器信号调理与AD采集模块输出混入了电磁干扰的待测磁信号的量化值V1；
干扰源电流变化检测电路模块的输出在微处理器中完成AD转换得到干扰电压AD采样值V0；
将采样值V0与补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块，微处理通过对采样值V0与补偿系数K的计算得到该模块干扰信号E1，计算式E1＝V0×K；
V1与干扰信号E1输入到自适应滤波补偿模块，经自适应滤波补偿模块滤波后输出去除干扰的信号。
进一步的，所述标定方法具体为：
去除同频带电磁干扰信号的装置装配好，静置一个固定位置与姿态；
初始化补偿系数K为1；
保持装置工作，磁传感器信号调理与AD采集电路模块采集磁传感器原始信号值M1，干扰源电流变化检测模块采集干扰信号原始值Vn；
静置条件下待测磁场强度固定，保存M1与Vn的时域波形图；
根据M1的时域波形图得出ΔM1，ΔM1为电磁干扰信号的变化峰值；根据Vn的时域波形图得出ΔVn，ΔVn为电磁干扰源的电压变化峰值；
计算二者的补偿系数K，K计算公式为：
Figure BDA0002664797170000031
与现有技术相比，本发明的有益效果是，本发明采用硬件设计采集并标定输出电磁干扰信号，通过补偿方法和自适应滤波算法对有用磁信号与干扰磁信号进行分离，有效解决了同频信号混入到传感器感应端后信号无法有效分离的问题，最大程度上保证了测量结果的真实性和准确度。
附图说明
图1为本发明的装置整体框架示意图。
图2为本发明干扰源电流变化检测电路模块电路图。
图3为本发明微处理器及微处理器***配置电路模块配置示意图。
图4为本发明去除信号同频带电磁干扰的方法示意图。
图5为本发明补偿系数标定模块的标定方法示意图。
图6为本发明采集的磁传感器原始信号数据波形图。
图7为本发明采集的磁传感器信号去除干扰后波形图。
图中：1、干扰电源电路模块，2、检测电阻，3、减法电路模块，4、时钟电路模块，5、复位电路模块，6、电源管理模块模块，7、微处理器，8、磁传感器信号调理与AD采集电路模块，9、干扰源电流变化检测模块，10、干扰电压与磁强度数值转化模块，11、补偿系数K，12、自适应滤波补偿模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明一种去除同频带电磁干扰信号的装置及方法作进一步详细说明。
如图1所示，一种去除同频带电磁干扰信号的装置包括干扰源电流变化检测电路模块、磁传感器信号调理与AD采集电路模块、微处理器、微处理器***配置电路模块和补偿系数标定模块；微处理器包括AD采集接口、电压变化与磁场强度数值转化模块、自适应滤波补偿模块；
微处理器用于运行电压变化与磁场强度数值转化模块和自适应滤波补偿模块的算法；干扰源电流变化检测电路模块用于检测干扰源电流变化信号并转换成电压变化信号，然后送入微处理器的AD采集接口，AD采集模块进行模数转换，而后发送到电压变化与磁场强度数值转化模块中，补偿系数标定模块依据补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块，电压变化与磁场强度数值转化模块输出干扰信号到自适应滤波补偿模块；磁传感器信号调理与AD采集接口用于测量实际的磁场强度信号并进行模数转换后输入到自适应滤波补偿模块。自适应滤波补偿模块的用于输出去除干扰的信号；补偿系数标定模块用于计算出电压变化与磁场强度数值转化模块中的比例系数K；微处理器***配置电路模块用于给微处理器提供电源、复位信号、外部时钟。
干扰源电流变化检测电路模块包括电源输入、干扰电源电路模块1、检测电阻2和减法电路模块3，图2为干扰源电流变化检测电路模块电路图，检测电阻Ri为1Ω电阻，一端连接在有电流变化的电路模块的电源输入端，另一端与第二电阻R2连接；第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻Rf与运算放大器A1构成减法运算电路模块3，其中R1、R2、R3和Rf阻值相同；R1一端与电源输入端连接，另一端与运算放大器A1的同相输入端和第四电阻Rf一端连接，第四电阻Rf另一端与运算放大器A1的输出端连接，第二电阻R2一端与检测电阻Ri连接，另一端与运算放大器A1的反向输入端和第三电阻R3一端连接，第三电阻R3的另一端和运算放大器A1的接地端共同接地，干扰源电流变化检测电路的输出为Uout，Uout为Ri两端电压的差ΔV；ΔV与干扰源电流变化ΔI为线性比例关系，即ΔV＝Ri×ΔI，又因为Ri＝1Ω，所以ΔV＝ΔI。
图3为微处理器及微处理器***配置电路模块连接示意图，微处理器***配置电路模块包括时钟电路模块4、复位电路模块5和电源管理模块6；磁传感器信号调理与AD采集电路模块8采集磁传感器测量的信号后，通过总线W1，以并行传输到微处理器；微处理器7采用STM32f4x芯片，干扰源电流变化检测电路模块9的输出信号Uout与STM32f4x自带12位ADC模拟信号输入端连接，完成模数转换；
基于上述装置，一种去除同频带电磁干扰信号的方法采用补偿方法和自适应滤波算法实现消除干扰的目的，如图4所示，去除同频带电磁干扰信号的方法为：
补偿系数标定模块通过标定方法得到补偿系数K；
磁传感器信号调理电路与AD采集模块输出混入了电磁干扰的待测磁信号的量化值V1，磁传感器信号调理电路与AD采集模块采集的磁传感器原始信号波形如图6所示；
干扰源电流变化检测电路模块的输出Uout在微处理器中完成AD转换得到干扰电压AD采样值V0。将V0与补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块10，微处理通过对采样值V0与补偿系数K的计算得到该模块干扰信号E1。E1＝V0×K，其中K为补偿系数。
V1与干扰信号E1输入到自适应滤波补偿模块12，经自适应滤波补偿模块12滤波后输出去除干扰的信号，去除干扰的信号波形图如图7所示。
所述补偿系数标定模块的标定方法如图5所示，具体为：
所述装置装配好，静置一个固定位置与姿态，干扰模块产生的电磁干扰方向与强度变化范围已经固定；
初始化补偿系数K为1；
保持装置工作，磁传感器信号调理与AD采集电路模块采集磁传感器原始值M1，干扰源电流变化检测模块采集干扰信号原始值Vn；
静置条件下待测磁场强度固定，M1的变化来源于存在电流变化的电路模块产生的电磁场，观察M1与Vn的时域波形，该波形变化相同，只是幅值不同或方向不同。
测量保存静置条件下M1的数据与Vn的数据，根据M1波形变化得出ΔM1，ΔM1即为电磁干扰信号的变化峰值；ΔVn为电磁干扰源的电压变化峰值。
计算二者的补偿系数K，K计算公式为：
Figure BDA0002664797170000061

Claims (9)

1.一种去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，包括干扰源电流变化检测电路模块、磁传感器信号调理与AD采集电路模块、微处理器、微处理器***配置电路模块和补偿系数标定模块；微处理器包括AD采集接口、电压变化与磁场强度数值转化模块、自适应滤波补偿模块；
微处理器用于运行电压变化与磁场强度数值转化模块和自适应滤波补偿模块的算法；
干扰源电流变化检测电路模块用于检测干扰源电流变化信号并转换成电压变化信号，输入到微处理器的AD采集接口；
AD采集接口进行模数转换，发送到电压变化与磁场强度数值转化模块；
补偿系数标定模块用于标定补偿系数K，将补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块；
电压变化与磁场强度数值转化模块输出干扰信号到自适应滤波补偿模块；
磁传感器信号调理与AD采集模块用于测量实际的磁场强度信号并进行模数转换后输入到自适应滤波补偿模块；
自适应滤波补偿模块通过滤波算法去除输入信号中的干扰信号；
微处理器***配置电路模块包括时钟电路模块、复位电路模块和电源管理模块，用于给微处理器提供电源、复位信号、外部时钟。
2.根据权利要求1所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述干扰源电流变化检测电路模块包括电源输入、干扰电源电路模块、检测电阻Ri和减法电路模块；电源输入连接到减法电路模块和检测电阻Ri的一端，检测电阻Ri另一端连接减法电路模块和干扰源电路模块的输入端，干扰源电路模块的输出端接地，减法电路的输出为检测电阻Ri两端电压差。
3.根据权利要求2所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述减法电路模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻Rf与运算放大器A1；第一电阻R1一端与电源输入端连接，另一端与运算放大器A1的同相输入端和第四电阻Rf一端连接，第四电阻Rf另一端与运算放大器A1的输出端连接，第二电阻R2一端与检测电阻Ri连接，另一端与运算放大器A1的反向输入端和第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端和运算放大器A1的接地端共同接地。
4.根据权利要求2或3所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述检测电阻Ri为1Ω电阻。
5.根据权利要求3所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻Rf的阻值相同。
6.根据权利要求1所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述磁传感器信号调理与AD采集电路模块采集的磁传感器测量信号通过总线以并行方式传输到微处理器。
7.根据权利要求1所述的去除同频带电磁干扰信号的装置，其特征在于，所述微处理器采用STM32f4x芯片。
8.一种去除同频带电磁干扰信号的方法，其特征在于，所述方法采用补偿方法和自适应滤波算法，去除同频带电磁干扰信号的方法具体为：
补偿系数标定模块通过标定方法得到补偿系数K；
磁传感器信号调理与AD采集模块输出混入了电磁干扰的待测磁信号的量化值V1；
干扰源电流变化检测电路模块的输出在微处理器中完成AD转换得到干扰电压AD采样值V0；
将采样值V0与补偿系数K输入到电压变化与磁场强度数值转化模块，微处理通过对采样值V0与补偿系数K的计算得到该模块干扰信号E1，计算式E1＝V0×K；
V1与干扰信号E1输入到自适应滤波补偿模块，经自适应滤波补偿模块滤波后输出去除干扰的信号。
9.根据权利要求8所述的一种去除同频带电磁干扰信号的方法，其特征在于，所述标定方法具体为：
去除同频带电磁干扰信号的装置装配好，静置一个固定位置与姿态；
初始化补偿系数K为1；
保持装置工作，磁传感器信号调理与AD采集电路模块采集磁传感器原始信号值M1，干扰源电流变化检测模块采集干扰信号原始值Vn；
静置条件下待测磁场强度固定，保存M1与Vn的时域波形图；
根据M1的时域波形图得出ΔM1，ΔM1为电磁干扰信号的变化峰值；根据Vn的时域波形图得出ΔVn，ΔVn为电磁干扰源的电压变化峰值；
计算二者的补偿系数K，K计算公式为：
Figure FDA0002664797160000031
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