CN102680110A - 多通道热释电能量平衡测量系统及能量测量方法 - Google Patents

多通道热释电能量平衡测量系统及能量测量方法 Download PDF

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CN102680110A CN2012101708259A CN201210170825A CN102680110A CN 102680110 A CN102680110 A CN 102680110A CN 2012101708259 A CN2012101708259 A CN 2012101708259A CN 201210170825 A CN201210170825 A CN 201210170825A CN 102680110 A CN102680110 A CN 102680110A
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Abstract

本发明涉及热释电能量平衡测量装置及能量测量方法，具体指多通道热释电能量平衡测量系统及能量计算方法，包括热释电型探测器、单端至差分转换器、前置可编程增益放大器、后置可编程增益放大器、带通滤波器、主通道放大器、冗余通道放大器、信号采集及控制模块和增益及带通滤波器带宽控制模块，信号采集及控制模块采用自适应频谱分析方法对采集的信号进行分析和处理，并将处理结果传输给增益及带通滤波器带宽控制模块，增益及带通滤波器带宽控制模块将该处理结果下载到前置可编程增益放大器和后置可编程增益放大器及带通滤波器；实现在线调整各放大器的增益及带通滤波器的带宽，使用方便。

Description

多通道热释电能量平衡测量系统及能量测量方法
技术领域
本发明涉及热释电能量平衡测量装置及能量测量方法，具体指多通道热释电能量平衡测量系统及能量计算方法。
 
背景技术
在研究高能激光束与等离子体相互作用的试验中，准确测量注入激光束的能量和最终输出能量的平衡性是实现多路高能激光器功率精密诊断的基础。当前能量平衡测量中多数采用高灵敏度的热释电探测器，探测器是利用晶体的自极化效应工作的，当探测器灵敏面受到激光照射时，会使其晶片的温度发生变化产生热电效应。目前，用于热释电能量平衡测量的系统是由固定级增益放大器和固定带宽滤波器构成。在多通道热释电能量平衡测量中，需要根据热释电型探测器输出信号的频带和幅值范围，动态调整放大器增益和滤波器带宽，并能有效抑制环境中杂散光的干扰。现有的用于热释电能量平衡测量的装置使用时存在如下不足：
首先，由于现有测量系统结构的限制，在调整放大器增益和滤波器带宽时需要拆卸设备，通过手动配置开关来实现，操作和使用非常不便；其次，由于多通道热释电能量平衡测量中，需要多次对放大器增益和滤波器带宽进行调整，则需要多次对设备进行拆装，这便给设备的可靠性和可维护性造成了困难；第三，现有的处理系统中放大器和滤波器的结构上存在复杂的电路，增益和带宽的可调整级数较少。第四，现有的测量系统只能一定程度上抑制有用信号频带外的噪声，而对环境中杂散光的干扰无能为力。
 
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明解决的技术问题是：实现在线调整放大器增益和带宽滤波器带宽，同时增加了可调级数，操作方便。
解决该技术问题，本发明是这样实现的：一种多通道热释电能量平衡测量系统，其特征在于：包括热释电型探测器（1010）、单端至差分转换器（1001）、前置可编程增益放大器（1002）、后置可编程增益放大器（1005）、带通滤波器（1011）、主通道放大器（1007）、冗余通道放大器（1008）、信号采集及控制模块（1009）和增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）；
所述热释电型探测器（1010）、单端至差分转换器（1001）、前置可编程增益放大器（1002）、带通滤波器（1011）、后置可编程增益放大器（1005）、主通道放大器（1007）、信号采集及控制模块（1009）和增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）依次连接；
所述冗余通道放大器（1008）连接于后置可编程增益放大器（1005）和信号采集及控制模块（1009）之间；
所述增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端分别与前置可编程增益放大器（1002）的控制端、带通滤波器（1011）的控制端和后置可编程增益放大器（1005）的控制端隔离连接；
所述信号采集及控制模块（1009）采用自适应频谱分析方法对采集的信号进行分析和处理，并将处理结果传输给增益及带通滤波器带宽控制模块（1006），所述增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）将该处理结果下载到前置可编程增益放大器（1002）和后置可编程增益放大器（1005）及带通滤波器（1011）。
进一步，所述带通滤波器（1011）由依次连接的可编程开关电容高通滤波器（1003）和可编程开关电容低通滤波器（1004）构成；
所述可编程开关电容高通滤波器（1003）的输入端与前置可编程增益放大器（1002）输出端连接，可编程开关电容高通滤波器（1003）的控制端与增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端隔离连接；
所述可编程开关电容低通滤波器（1004）的输出端与后置可编程增益放大器（1005）的输入端连接，可编程开关电容低通滤波器（1004）的控制端与增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端隔离连接。
本发明多通道热释电能量平衡测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.采用权利要求1所述的多通道热释电能量平衡测量系统进行信号采集；
a1.所述多通道热释电能量平衡测量系统自适应调整前置可编程增益放大器（1002）和后置可编程增益放大器（1005）的增益及带通滤波器（1011）的带宽，调整完毕后，增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）向信号采集及控制模块（1009）发出触发信号；
a2. 所述信号采集及控制模块（1009）接收到触发信号后，开始采集主通道放大器（1007）与冗余通道放大器（1008）传输的信号，并对采集的信号进行储存；
b.所述信号采集及控制模块（1009）对采集的信号进行能量计算，具体步骤如下：
b1. 热释电探测器测量得到                                               个观测信号
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE006
；
b2. 观测信号
Figure 6128DEST_PATH_IMAGE004
通过式（2）进行球化预处理得到观测向量
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE008
，，具有零均值单位方差，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE010
                                     （1）
式（1）中，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE012
为球化矩阵，通过式（2）计算获得：
                                （2）
式（2）中，A为以协方差矩阵
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE016
的单位范数特征向量为列的矩阵，D为以协方差矩阵的特征值为对角元素的对角矩阵；协方差矩阵
Figure 20910DEST_PATH_IMAGE016
 为对观测信号
Figure 413845DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 313668DEST_PATH_IMAGE004
 的转置求期望得到，即通过式（3）计算获得；
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE018
                               （3）
b3.观测向量通过式（4）做相位校正，校正后的观测向量为
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 242100DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE022
                   （4）
式（4）中
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE024
表示第
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE026
个观测向量相对于第一个观测向量的延迟时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为采样时刻；
b4. 按逐次提取独立分量的方式，依次得到向量
Figure 930571DEST_PATH_IMAGE008
的独立成分，进而得到的所有独立信号源，具体如下：
b401.选择要估计的独立成分的个数
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，当前需要处理第
Figure DEST_PATH_IMAGE032
个观测向量，置
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；
b402.选择具有单位范数的初始化向量作为分离向量
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；
b403.根据式（5）至式（7）对分离向量
Figure 736426DEST_PATH_IMAGE036
进行更新得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
                                   （5）
Figure DEST_PATH_IMAGE042
                                     （6）
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                                 （7）
式（5）中为分离向量
Figure 141869DEST_PATH_IMAGE036
的转置向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为源信号的一个估计；式（6）中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为降噪函数，选择IIR切比雪夫带通滤波器结构，其截止频率的选择与带通滤波器（1011）相同，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为
Figure 1240DEST_PATH_IMAGE048
的降噪估计；式（7）中为分离向量
Figure 973449DEST_PATH_IMAGE036
的更新；
b404. 采用式（8）对分离向量
Figure 984130DEST_PATH_IMAGE036
的更新
Figure 889769DEST_PATH_IMAGE038
进行正交化：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
                       （8）
b405.采用式（9）对分离向量
Figure 172852DEST_PATH_IMAGE036
的更新
Figure 556560DEST_PATH_IMAGE038
进行规范化：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
                                       （9）
b406. 分离向量
Figure 874278DEST_PATH_IMAGE036
进过式（5）至（9）的处理后，判断分离向量
Figure 13135DEST_PATH_IMAGE036
是否收敛，若未收敛，返回步骤b403；若已收敛，执行步骤b407；
b407.置
Figure DEST_PATH_IMAGE058
；若
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，执行步骤b402；否则，执行下一步骤；
b5. 将步骤b4中得到的
Figure 721197DEST_PATH_IMAGE030
个独立成分按照信号非高斯性的大小进行排序，并将非高斯性较小的
Figure DEST_PATH_IMAGE062
个成分置零，然后，采用剩余的
Figure DEST_PATH_IMAGE064
个独立成分重构观测信号
Figure 98476DEST_PATH_IMAGE004
，完成对含噪观测信号的降噪处理；
b6. 根据所述多通道热释电能量平衡测量系统标定参数对热释电探测器（1010）测量得到的观测信号
Figure 21433DEST_PATH_IMAGE004
进行标定，然后根据式（10）计算热释电能量
Figure DEST_PATH_IMAGE066
：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
                                   （10）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为观测信号
Figure 455825DEST_PATH_IMAGE004
的电压峰值，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为多通道热释电能量平衡测量系统标定的输出端固有偏置电压，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE074
为放大器的全局增益，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE076
为热释电型探测器（1010）的灵敏度。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明中构成带通滤波器的可编程开关电容高通滤波器和可编程开关电容低通滤波器的控制端分别与增益及带通滤波器带宽控制模块的输出端连接，增益及带通滤波器带宽控制模块根据信号采集及控制模块输出的信号调整信号的高地波段和可编程增益放大器的增益，从而不用拆卸测量系统就可以方便地调整带通滤波器的带宽和放大器的增益。
2、由于本发明不需要拆卸测量系统，并可以实现在线实时调整可编程增益放大器的增益和带通滤波器的带宽，有效抑制了环境中有用信号频带外的噪声，从而提高了输出信号的信噪比。
3、由于本发明中的测量系统中，增益及带通滤波器带宽控制模块根据信号采集及控制模块输出的信号调整带宽滤波器的带宽和可编程增益放大器的增益，相比现有技术技术人员手动操作增加了可变级数，并且调整更加准确。
4、由于本发明中的能量计算方法中，采用了多通道含噪信号的降噪处理技术，在硬件带通滤波的基础上抑制了有用信号频带内由杂散光引起的干扰，提高了能量测量的精度。
 
附图说明
图1-本发明的电路原理框图。
图2-本发明控制流程图。
图3-实施例的电路原理图。
     图中，1001-单端至差分转换器、1002-可编程增益放大器、1003-开关电容高通滤波器、1004-可编程开关电容低通滤波器、1005-可编程增益放大器、1006-增益及带通滤波器带宽控制模块、1007-主通道放大器、1008-冗余通道放大器、1009-信号采集及控制模块、1010-热释电型探测器、1011-带通滤波器、2006-控制接口光电隔离模块、2008-通信接口光电隔离模块。
 
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明中的隔离连接是指在两个连接端之间连接有光电耦合器或电磁耦合器，使两个连接端不直接连接在一起。
参见图1，一种多通道热释电能量平衡测量系统，包括热释电型探测器1010、单端至差分转换器1001、前置可编程增益放大器1002、后置可编程增益放大器1005、带通滤波器1011、主通道放大器1007、冗余通道放大器1008、信号采集及控制模块1009和增益及带通滤波器带宽控制模块1006；
所述热释电型探测器1010、单端至差分转换器1001、前置可编程增益放大器1002、带通滤波器1011、后置可编程增益放大器1005、主通道放大器1007、信号采集及控制模块1009和增益及带通滤波器带宽控制模块1006依次连接；
所述冗余通道放大器1008连接于后置可编程增益放大器1005和信号采集及控制模块1009之间；所述增益及带通滤波器带宽控制模块1006的输出端分别与前置可编程增益放大器1002的控制端、带通滤波器1011的控制端和后置可编程增益放大器1005的控制端隔离连接；
所述信号采集及控制模块1009采用自适应频谱分析方法对采集的信号进行分析和处理，并将处理结果传输给增益及带通滤波器带宽控制模块1006，所述增益及带通滤波器带宽控制模块1006将该处理结果下载到前置可编程增益放大器1002和后置可编程增益放大器1005及带通滤波器1011。
信号采集及控制模块1009具有两个主要功能，一个功能是完成主通道放大器1007和冗余通导放大器1008输出信号的采集存储和显示，另一个功能是根据对采集的信号分析处理结果，并将处理结果传递到增益及带通滤波器带宽控制模块1006，进而实现前置可编程增益放大器1002和后置可编程增益放大器1005的增益及带通滤波器1011的带宽的在线调整。
参见图2，自适应频谱分析方法通过以下几个步骤实现：
第1步，读取前置可编程增益放大器1002、后置可编程增益放大器1005、主通道放大器1007及带通滤波器1011配置文件；
第2步，判断是否需要调整参数，若需要调整则进行第3步，否则进行第4步。
第3步，可分为以下几个阶段：
1) 初始化，设放大器增益为
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE080
，其中，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE082
，放大器增益可任意选取。G为放大器增益集，
Figure 2012101708259100002DEST_PATH_IMAGE084
，带通滤波器1011截止频率
Figure DEST_PATH_IMAGE086
选为最大；此处的放大器增益
Figure 132019DEST_PATH_IMAGE078
指的是：全局增益，即前置可编程增益放大器1002、后置可编程增益放大器1005和主通道放大器1007的组合放大增益。
2) 设当前放大器增益为
Figure 971799DEST_PATH_IMAGE078
，由信号采集及控制模块1009采集得到观测数据
Figure DEST_PATH_IMAGE088
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE090
为主通道观测数据，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为冗余通道观测数据，根据式（11）计算出观测信号
Figure DEST_PATH_IMAGE094
的峰-峰值：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
                         （11）
再根据式（12）计算出放大器增益
Figure 701726DEST_PATH_IMAGE078
的更新
Figure DEST_PATH_IMAGE098
：
                      （12）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure DEST_PATH_IMAGE106
分别表示主通道放大器1007和冗余通导放大器1008允许输出的最大电压，迭代上述过程，当时停止迭代，执行下一步；
3) 根据观测信号得出观测信号
Figure 184048DEST_PATH_IMAGE110
的功率谱密度函数
Figure DEST_PATH_IMAGE112
，再根据式（13）计算出观测信号
Figure 228096DEST_PATH_IMAGE110
的功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE116
                                   （13）
依据带宽的定义可知，观测信号
Figure 47016DEST_PATH_IMAGE110
功率下降50%时的频率点为半功率点，半功率点之间的频率间隔即是通常所说的-3dB带宽，因此，根据式（14）计算带通滤波器1011的半功率点的上限角频率
Figure DEST_PATH_IMAGE118
和下限角频率
Figure DEST_PATH_IMAGE120
，
            （14）
再根据式（15）和式（16）计算带通滤波器1011的上限截止频率
Figure DEST_PATH_IMAGE124
和下限截止频率
Figure DEST_PATH_IMAGE126
：
Figure DEST_PATH_IMAGE128
                                        （15）
Figure DEST_PATH_IMAGE130
                                        （16）
第4步，信号采集及控制模块1009将计算得到的放大器增益和带通滤波器1011带宽传递到增益及带通滤波器带宽控制模块1006，由增益及带通滤波器带宽控制模块1006下载到前置可编程增益放大器1002和后置可编程增益放大器1005及带通滤波器1011。
主通道放大器1007和冗余通道放大器1008采用固定增益放大器，10:1的放大比例关系和双通道输出模式，不但可以减少因增益设置不合理而带来的放大器输出幅值过小或饱和的风险，还能进一步提高测量信号的信噪比。信噪比，又称为讯噪比。是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。
本发明多通道热释电能量平衡测量系统在使用时分为两个阶段，第一个阶段是采用校正信号输入，在信号采集及控制模块1009的控制下对主通道放大器1007和冗余通导放大器1008输出信号进行采集和保存，并采用自适应频谱分析方法进行分析，得到该输出信号校正所用的参数。第二阶段是采用热释型电探测器1010的信号作为输入，信号采集及控制模块1009对主通道放大器1007和冗余通导放大器1008输出的信号进行采集和管理，并计算热释电能量。
信号采集及控制模块1009中具有单独采集模块，自适应频谱分析方法集成在采集模块中，该采集模块负责对对主通道放大器1007和冗余通导放大器1008输出信号进行采集和保存；信号采集及控制模块1009中还具有单独能量计算模块，热释电能量计算方法集成在能量计算模块中，该能量计算模块用于计算热释电探测器1010探测到的信号进行能量计算。
本发明提供的热释电能量测量方法是，结合盲信号处理中的降噪源分离（Denoising source separation，DSS）技术和多通道热释电能量平衡测量系统的多通道同步采集的特点，剔除了有用信号频带内的结构化噪声，与硬件滤波有用抑制信号频带外噪声形成了互补，然后在进行能量计算。
本发明多通道热释电能量平衡测量系统的测量方法，具体步骤包括：
a.信号采集,具体步骤如下：
a1.所述多通道热释电能量平衡测量系统自适应调整前置可编程增益放大器1002和后置可编程增益放大器1005的增益及带通滤波器1011的带宽，调整完毕后，增益及带通滤波器带宽控制模块1006向信号采集及控制模块1009发出触发信号；
a2. 所述信号采集及控制模块1009接收到触发信号后，开始采集主通道放大器1007与冗余通道放大器1008传输的信号，并对采集的信号进行储存；
b.所述信号采集及控制模块1009对采集的信号进行能量计算，具体步骤如下：
b1. 热释电探测器测量得到
Figure 950775DEST_PATH_IMAGE002
个观测信号
Figure 933774DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 515934DEST_PATH_IMAGE006
；
b2. 观测信号通过式（2）进行球化预处理得到观测向量
Figure 90452DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 544436DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 477757DEST_PATH_IMAGE008
具有零均值单位方差，
Figure 84319DEST_PATH_IMAGE010
                                     （1）
式（1）中，
Figure 343262DEST_PATH_IMAGE012
为球化矩阵，通过式（2）计算获得：
                                （2）
式（2）中，A为以协方差矩阵的单位范数特征向量为列的矩阵，D为以协方差矩阵
Figure 485552DEST_PATH_IMAGE016
的特征值为对角元素的对角矩阵；协方差矩阵
Figure 836768DEST_PATH_IMAGE016
 为对观测信号
Figure 78393DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 556779DEST_PATH_IMAGE004
 的转置求期望得到，即通过式（3）计算获得；
Figure 121621DEST_PATH_IMAGE018
                               （3）
b3.观测向量通过式（4）做相位校正，校正后的观测向量为
Figure 123392DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 467786DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 152714DEST_PATH_IMAGE022
                   （4）
式（4）中
Figure 596465DEST_PATH_IMAGE024
表示第
Figure 812683DEST_PATH_IMAGE026
个观测向量相对于第一个观测向量的延迟时间，
Figure 896787DEST_PATH_IMAGE028
为采样时刻；
b4. 按逐次提取独立分量的方式，依次得到向量
Figure 186954DEST_PATH_IMAGE008
的独立成分，进而得到的所有独立信号源，具体如下：
b401.选择要估计的独立成分的个数
Figure 488808DEST_PATH_IMAGE030
，当前需要处理第
Figure 175005DEST_PATH_IMAGE032
个观测向量，置
Figure 319678DEST_PATH_IMAGE034
；
b402.选择具有单位范数的初始化向量作为分离向量
Figure 620078DEST_PATH_IMAGE036
；
b403.根据式（5）至式（7）对分离向量进行更新得到
Figure 707300DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 34376DEST_PATH_IMAGE040
                                   （5）
Figure 505678DEST_PATH_IMAGE042
                                     （6）
                                 （7）
式（5）中
Figure 618307DEST_PATH_IMAGE046
为分离向量
Figure 989770DEST_PATH_IMAGE036
的转置向量，为源信号的一个估计；式（6）中为降噪函数，选择IIR切比雪夫低通滤波器结构，其截止频率的选择与带通滤波器1011相同，
Figure 35590DEST_PATH_IMAGE052
为
Figure 71679DEST_PATH_IMAGE048
的降噪估计；式（7）中
Figure 635515DEST_PATH_IMAGE038
为分离向量
Figure 944006DEST_PATH_IMAGE036
的更新；
b404. 采用式（8）对分离向量
Figure 313807DEST_PATH_IMAGE036
的更新
Figure 407665DEST_PATH_IMAGE038
进行正交化：
                       （8）
b405.采用式（9）对分离向量
Figure 506DEST_PATH_IMAGE036
的更新
Figure 846103DEST_PATH_IMAGE038
进行规范化：
Figure 46664DEST_PATH_IMAGE056
                                       （9）
b406. 分离向量进过式（5）至（9）的处理后，判断分离向量是否收敛，若未收敛，返回步骤b403；若已收敛，执行步骤b407；
b407.置
Figure 760040DEST_PATH_IMAGE058
；若，执行步骤b402；否则，执行下一步骤；
b5. 将步骤b4中得到的个独立成分按照信号非高斯性的大小进行排序，并将非高斯性较小的
Figure 472147DEST_PATH_IMAGE062
个成分置零，然后，采用剩余的
Figure 174392DEST_PATH_IMAGE064
个独立成分重构观测信号
Figure 97349DEST_PATH_IMAGE004
，完成对含噪观测信号的降噪处理；
b6. 根据所述多通道热释电能量平衡测量系统标定参数对热释电探测器1010测量得到的观测信号
Figure 407107DEST_PATH_IMAGE004
进行标定，然后根据式（10）计算热释电能量
Figure 399203DEST_PATH_IMAGE066
：
Figure 452610DEST_PATH_IMAGE068
                                   （10）
其中，
Figure 230073DEST_PATH_IMAGE070
为观测信号
Figure 900613DEST_PATH_IMAGE004
的电压峰值，为多通道热释电能量平衡测量系统标定的输出端固有偏置电压，
Figure 987835DEST_PATH_IMAGE074
为放大器的全局增益，
Figure 947701DEST_PATH_IMAGE076
为热释电型探测器1010的灵敏度。
实施例：如图3所示，根据热释电型探测器1010的输出阻抗，设置单端至差分转换器1001中的反馈电阻R1、R2、R3和R4，前置可编程增益放大器1002选用仪表用放大器PGA204，通过编程引脚可以选择1、10、100和1000四个档位的增益，可编程开关电容高通滤波器1003选用双二阶通用可编程开关电容滤波器MAX7490，可编程开关电容低通滤波器1004选用8阶可编程开关电容椭圆低通滤波器MAX7400，通过调整输入频率来调整滤波器的带宽，后置可编程增益放大器1005选用仪表用放大器PGA205，通过编程引脚可以选择1、2、4和8四个档位的增益，主通道放大器1007和冗余通道放大器1008采用由OP07分别构成的10:1关系的固定级增益的二阶低通滤波器，该二阶低通滤波器在完成放大任务的同时消除滤波器控制时钟引入的开关噪声，由于时钟频率是可编程开关电容滤波器（MAX7490、MAX7400）截止频率的100倍，因此可将主通道放大器1007和冗余通道放大器1008的二阶低通滤波器截止频率设置为可编程开关电容低通滤波器1004最大可调整频率2倍，既抑制了滤波器控制时钟引入的开关噪声，又避免了可编程开关电容低通滤波器1004通带的衰减，主通道放大器1007和冗余通道放大器1008的输出端分别连接到信号采集及控制模块1009的两个输入通道，10倍比例关系和双通道同时采集的模式，不但可以减少因增益设置不合理而带来的放大器输出幅值过小或饱和的风险，还能结合软件滤波方法进一步提高测量信号的信噪比。控制接口光电隔离模块2006和通信接口光电隔离模块2008选择HCPL2630和TPL521-4构成，对所有通信和控制信号进行完全隔离，根据信号采集及控制模块1009的分析和处理结果，通过增益及带通滤波器带宽控制模块1006在线调整前置可编程增益放大器1002和后置可编程增益放大器1005的增益，以及可编程开关电容高通滤波器1003和可编程开关电容低通滤波器1004的截止频率，以适应热释电型探测器1010输出信号的幅值变化和抑制有用信号频带外的噪声。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.多通道热释电能量平衡测量系统，其特征在于：包括热释电型探测器（1010）、单端至差分转换器（1001）、前置可编程增益放大器（1002）、后置可编程增益放大器（1005）、带通滤波器（1011）、主通道放大器（1007）、冗余通道放大器（1008）、信号采集及控制模块（1009）和增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）；
所述热释电型探测器（1010）、单端至差分转换器（1001）、前置可编程增益放大器（1002）、带通滤波器（1011）、后置可编程增益放大器（1005）、主通道放大器（1007）、信号采集及控制模块（1009）和增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）依次连接；
所述冗余通道放大器（1008）连接于后置可编程增益放大器（1005）和信号采集及控制模块（1009）之间；
所述增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端分别与前置可编程增益放大器（1002）的控制端、带通滤波器（1011）的控制端和后置可编程增益放大器（1005）的控制端隔离连接；
所述信号采集及控制模块（1009）采用自适应频谱分析方法对采集的信号进行分析和处理，并将处理结果传输给增益及带通滤波器带宽控制模块（1006），所述增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）将该处理结果下载到前置可编程增益放大器（1002）和后置可编程增益放大器（1005）及带通滤波器（1011）。
2.根据权利要求1所述的多通道热释电能量平衡测量系统，其特征在于：所述带通滤波器（1011）由依次连接的可编程开关电容高通滤波器（1003）和可编程开关电容低通滤波器（1004）构成；
所述可编程开关电容高通滤波器（1003）的输入端与前置可编程增益放大器（1002）输出端连接，可编程开关电容高通滤波器（1003）的控制端与增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端隔离连接；
所述可编程开关电容低通滤波器（1004）的输出端与后置可编程增益放大器（1005）的输入端连接，可编程开关电容低通滤波器（1004）的控制端与增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）的输出端隔离连接。
3.多通道热释电能量平衡测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.采用权利要求1所述的多通道热释电能量平衡测量系统进行信号采集；
a1.所述多通道热释电能量平衡测量系统自适应调整前置可编程增益放大器（1002）和后置可编程增益放大器（1005）的增益及带通滤波器（1011）的带宽，调整完毕后，增益及带通滤波器带宽控制模块（1006）向信号采集及控制模块（1009）发出触发信号；
a2. 所述信号采集及控制模块（1009）接收到触发信号后，开始采集主通道放大器（1007）与冗余通道放大器（1008）传输的信号，并对采集的信号进行储存；
b.所述信号采集及控制模块（1009）对采集的信号进行能量计算，具体步骤如下：
b1. 热释电探测器测量得到                                                
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE001
个观测信号
Figure 653759DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE003
；
b2. 观测信号
Figure 555244DEST_PATH_IMAGE002
通过式（2）进行球化预处理得到观测向量
Figure 358115DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 496972DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 267351DEST_PATH_IMAGE004
具有零均值单位方差，
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE005
                                     （1）
式（1）中，
Figure 454750DEST_PATH_IMAGE006
为球化矩阵，通过式（2）计算获得：
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE007
                                 （2）
式（2）中，A为以协方差矩阵
Figure 564657DEST_PATH_IMAGE008
的单位范数特征向量为列的矩阵，D为以协方差矩阵
Figure 874416DEST_PATH_IMAGE008
的特征值为对角元素的对角矩阵；协方差矩阵
Figure 132090DEST_PATH_IMAGE008
 为对观测信号
Figure 123180DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 962960DEST_PATH_IMAGE002
 的转置求期望得到，即通过式（3）计算获得；
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE009
                               （3）
b3.观测向量
Figure 571184DEST_PATH_IMAGE004
通过式（4）做相位校正，校正后的观测向量为
Figure 863625DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 907673DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE011
                    （4）
式（4）中
Figure 539643DEST_PATH_IMAGE012
表示第
Figure 378154DEST_PATH_IMAGE014
个观测向量相对于第一个观测向量的延迟时间，
Figure 361154DEST_PATH_IMAGE016
为采样时刻；
b4. 按逐次提取独立分量的方式，依次得到向量
Figure 756363DEST_PATH_IMAGE004
的独立成分，进而得到
Figure 492107DEST_PATH_IMAGE002
的所有独立信号源，具体如下：
b401.选择要估计的独立成分的个数
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE017
，当前需要处理第
Figure 517832DEST_PATH_IMAGE018
个观测向量，置；
b402.选择具有单位范数的初始化向量作为分离向量
Figure 974745DEST_PATH_IMAGE020
；
b403.根据式（5）至式（7）对分离向量
Figure 111329DEST_PATH_IMAGE020
进行更新得到
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE021
：
Figure 639262DEST_PATH_IMAGE022
                                   （5）
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE023
                                     （6）
Figure 85156DEST_PATH_IMAGE024
                                 （7）
式（5）中
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE025
为分离向量
Figure 777168DEST_PATH_IMAGE020
的转置向量，
Figure 701131DEST_PATH_IMAGE026
为源信号的一个估计；式（6）中
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE027
为降噪函数，选择IIR切比雪夫低通滤波器结构，其截止频率的选择与带通滤波器（1011）相同，
Figure 340361DEST_PATH_IMAGE028
为
Figure 770205DEST_PATH_IMAGE026
的降噪估计；式（7）中
Figure 683934DEST_PATH_IMAGE021
为分离向量
Figure 411588DEST_PATH_IMAGE020
的更新；
b404. 采用式（8）对分离向量
Figure 55059DEST_PATH_IMAGE020
的更新
Figure 327908DEST_PATH_IMAGE021
进行正交化：
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE029
                       （8）
b405.采用式（9）对分离向量
Figure 243780DEST_PATH_IMAGE020
的更新
Figure 260278DEST_PATH_IMAGE021
进行规范化：
Figure 758255DEST_PATH_IMAGE030
                                       （9）
b406. 分离向量
Figure 451274DEST_PATH_IMAGE020
进过式（5）至（9）的处理后，判断分离向量
Figure 605175DEST_PATH_IMAGE020
是否收敛，若未收敛，返回步骤b403；若已收敛，执行步骤b407；
b407.置
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE031
；若
Figure 677560DEST_PATH_IMAGE032
，执行步骤b402；否则，执行下一步骤；
b5. 将步骤b4中得到的
Figure 30044DEST_PATH_IMAGE017
个独立成分按照信号非高斯性的大小进行排序，并将非高斯性较小的
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE033
个成分置零，然后，采用剩余的
Figure 97226DEST_PATH_IMAGE034
个独立成分重构观测信号
Figure 535161DEST_PATH_IMAGE002
，完成对含噪观测信号的降噪处理；
b6. 根据所述多通道热释电能量平衡测量系统标定参数对热释电探测器（1010）测量得到的观测信号
Figure 893461DEST_PATH_IMAGE002
进行标定，然后根据式（10）计算热释电能量
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE035
：
Figure 490664DEST_PATH_IMAGE036
                                   （10）
其中，
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE037
为观测信号
Figure 525485DEST_PATH_IMAGE002
的电压峰值，为多通道热释电能量平衡测量系统标定的输出端固有偏置电压，
Figure 2012101708259100001DEST_PATH_IMAGE039
为放大器的全局增益，为热释电型探测器（1010）的灵敏度。
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