CN103389126A - 一种微弱信号的处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微弱信号的处理方法及装置。该方法采用多个传感器元件构成惠斯登电桥，产生一个交流信号A以驱动该惠斯登电桥，利用该惠斯登电桥探测微弱信号并将其转换为电信号，得到差分信号B；然后，将差分信号B前置放大、带通滤波后得到信号C，再将信号C与交流信号A进行自相关运算后经低通滤波处理，得到处理后的微弱信号。该方法简单易行，能够高精度、高可靠性地对微弱信号进行检测、放大处理，以提取淹没在噪声中的微弱信号并且提高其信噪比，有利于对微弱信号进行后续处理。
Description
技术领域
本发明属于信号检测、处理技术领域，特别涉及一种微弱信号的处理方法及装置，适用于对微弱信号进行高精度、高可靠性地检测、放大处理，以利于后续信号处理。
背景技术
微弱信号是相对背景噪声而言信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。在实际应用中，往往需要对各种微弱信号进行识别、检测与采集，但是由于该信号强度弱而导致相关处理较困难。例如，利用各种传感器，如磁传感器、光电传感器、压电传感器等探测物理信号时，经常遇到的问题是当检测信号是微弱信号时，其信号强度往往远小于各种噪声信号强度，如电子热噪声、地磁场的扰动等，导致该检测信号被噪声信号淹没，给检测带来困难。
因此，有关微弱信号处理方面的探索研究，包括其检测、放大、采集等，对目前的科技领域具有重要的意义。
发明内容
本发明的技术目的是针对微弱信号的检测与采集等处理较困难的问题，提供一种微弱信号的处理方法，利用该方法能够对各类微弱信号，包括光信号、磁信号、力信号等进行检测、放大等处理。
本发明实现上述技术目的而采用的技术方案为：一种检测微弱信号的方法，包括如下步骤：
由两个或者两个以上传感器元件构成惠斯登桥臂组，其中至少一个桥臂作为参考桥臂，其余桥臂作为检测桥臂；产生一个交流信号A，该交流信号A驱动所述惠斯登电桥；所述惠斯登电桥的检测桥臂探测微弱信号并将其转换为电信号，得到差分信号B；
将所述差分信号B经过前置放大、带通滤波后得到前期处理信号C；
将所述前期处理信号C移相后与所述交流信号A共同送入选频器进行自相关运算，得到运算结果D；或者，将所述交流信号A移相后与所述前期处理信号C共同送入选频器进行自相关运算，得到运算结果D’；
将所述运算结果D或者D’进行低通滤波处理，得到放大处理后的微弱信号。
所述前置放大、带通滤波的先后工作顺序不受限制；
当对微弱信号放大后的性能要求较高时，将所述运算结果D或者D’低通滤波后进行直流偏置处理。
综上所述，本发明提供的微弱信号处理方法简单易行，能够高精度、高可靠性地对微弱信号进行检测、放大处理，以提取淹没在噪声中的微弱信号并且提高其信噪比，有利于对微弱信号进行后续处理。实验证实，其可在较强干扰环境中实现对μV级甚至nV级微弱信号进行检测，放大处理，因此是一种具有应用价值的信号处理技术。
本发明实现上述微弱信号放大的装置包括：微弱信号探测单元、信号发生器、信号前期处理单元、移相器、选频器以及低通滤波器；
所述的传感器元件数目为两个或者两个以上，作为优选，传感器元件数目为2‐20个，进一步优选为4‐16个；
所述的桥臂组中的桥臂数目为两个或者两个以上，其中至少一个桥臂作为参考桥臂，其余桥臂作为检测桥臂，作为优选，桥臂数目为2‐10个；
所述的信号发生器一端产生交流信号A，用于驱动该惠登电桥，所述惠斯登电桥的检测桥臂探测微弱信号并将其转换为电信号，得到差分信号B；
所述的信号前期处理单元包括前置放大器与带通滤波器，用于对差分信号B进行放大与带通滤波后得到前期处理信号C；
所述的移相器位于信号前期处理单元与选频器之间，前期处理信号C移相后与信号发生器另一端产生的交流信号A通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D；或者，所述的移相器位于载波信号发生器另一端与选频器之间，载波信号发生器另一端产生的交流信号A移相后与前期处理信号C通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D’；
所述的低通滤波器用于将运算结果D或D’进行低通滤波处理。
上述传感元件与微弱信号种类相适应，例如当微弱信号为磁信号时，该传感元件为磁阻传感元件，包括各向异性磁电阻元件、巨磁阻抗元件、隧穿磁电阻元件与庞磁电阻元件等；当微弱信号为光信号时，该传感元件为光传感元件，包括光敏电阻元件、光电二极管元件与光电晶体管元件等；当微弱信号为力信号时，该传感元件为力传感元件，包括应变片元件、压电元件等。
上述微弱信号放大装置中，所述的信号前期处理单元中前置放大器与带通滤波器的先后顺序不限；当对微弱信号放大后的性能要求较高时，该装置在低通滤波器后还设置直流偏置器。
附图说明
图1是本发明微弱信号处理方法中由传感元件构成的惠斯登桥臂组以及驱动该惠斯登电桥的交流信号A；
图2是差分信号B经前期处理以及移相处理后的信号示意图；
图3是前期处理信号C与交流信号A经移相、自相关运算，然后经低通滤波、直流偏置处理后的信号示意图；
图4是本发明微弱信号处理装置的一种结构示意图；
图5是本发明微弱信号处理装置的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，微弱信号为磁信号，该微弱信号的处理方法包括如下步骤：
（1）如图1所示，由四个隧穿磁电阻（TMR）元件构成惠斯登桥臂组，其中一个桥臂作为参考桥臂，另一个桥臂作为检测桥臂；产生一个交流信号A，该交流信号A驱动该惠斯登电桥；由惠斯登电桥的检测桥臂探测该微弱信号并将其转换为电信号，得到承载微弱信号的差分信号B；
（2）如图2所示，将所述差分信号B经过前置放大、带通滤波后得到前期处理信号C；前置放大的作用是将微弱信号进行前级的放大，此时信号中混有较大成分的干扰，包括热电子噪声干扰、EMI干扰、温度干扰等，带通滤波的作用是以设定的工作频率为中心设置窄带，趋近于工作频率的信号被允许通过，而偏离工作频率的信号则被大幅衰减，此法可以抑制一部分的干扰信号；
（3）如图3所示，将所述前期处理信号C进行移相处理，适度调节信号的相位，以符合参考信号，即交流信号A的相位，然后与交流信号A进行自相关运算，以剔除不同频率的干扰信号的影响，恢复以工作频率为载波的被测信号，得到运算结果D；或者，将所述交流信号A进行移相处理，适度调节信号的相位，以符合信号C的相位，然后与信号C进行自相关运算，以剔除不同频率的干扰信号的影响，恢复以工作频率为载波的被测信号，得到运算结果D’；
然后，将运算结果D或者D’进行低通滤波处理，即可得到较为干净的被测微弱信号。
实现上述微弱信号处理方法的装置包括两种结构。其中一种结构如图4所示，包括微弱信号探测单元、信号发生器、信号前期处理单元、移相器、选频器以及低通滤波器。其中，微弱信号探测单元是由多个传感器元件构成的惠斯登桥臂组，其中一个桥臂作为参考桥臂，另一个桥臂作为检测桥臂；信号发生器一端产生交流信号A，用于驱动该惠登桥臂组，得到承载微弱信号的差分信号B；信号前期处理单元包括前置放大器与带通滤波器，用于对差分信号B进行放大与带通滤波后得到前期处理信号C；移相器位于信号前期处理单元与选频器之间，前期处理信号C移相后与信号发生器另一端产生的交流信号A通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D；低通滤波器用于将运算结果D进行低通滤波处理，得到放大后的微弱信号。
另一种结构如图5所示，该结构与上述图4所示结构基本相同，所不同的是：移相器位于载波信号发生器另一端与选频器之间，载波信号发生器另一端产生的交流信号A移相后与前期处理信号C通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D’；低通滤波器用于将运算结果D’进行低通滤波处理，得到放大后的微弱信号。
当对微弱信号的性能要求较高时，该装置在低通滤波器后还设置直流偏置器，以方便调零，结果即可送入模数转换电路进行A/D转换。
实施例2：
本实施例中，微弱信号为光信号，该微弱信号的处理方法与实施例1中的方法相同。实现该微弱信号处理方法的装置与实施例1中的装置结构相同。
实施例3：
本实施例中，微弱信号为力信号，该微弱信号的处理方法与实施例1中的方法相同。实现该微弱信号处理方法的装置与实施例1中的装置结构相同。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微弱信号的处理方法，其特征是包括如下步骤：
由两个或两个以上传感器元件构成惠斯登桥臂组，其中至少一个桥臂作为参考桥臂，其余桥臂作为检测桥臂；
产生一个交流信号A，该交流信号A驱动所述惠斯登电桥；所述惠斯登电桥的检测桥臂探测微弱信号并将其转换为电信号，得到差分信号B；
将所述差分信号B经过前置放大、带通滤波后得到前期处理信号C；
将所述前期处理信号C移相后与所述交流信号A共同送入选频器进行自相关运算，得到运算结果D；或者，将所述交流信号A移相后与所述前期处理信号C共同送入选频器进行自相关运算，得到运算结果D’；
将所述运算结果D或者D’进行低通滤波处理，得到处理后的微弱信号。
2.如权利要求1所述的微弱信号的处理方法，其特征是：所述的前置放大处理后进行带通滤波处理，或者带通滤波处理后进行前置放大处理。
3.如权利要求1所述的微弱信号的处理方法，其特征是：所述的运算结果D或者D’低通滤波后进行直流偏置处理。
4.实现权利要求1所述的微弱信号处理方法的装置，其特征是：包括微弱信号探测单元、信号发生器、信号前期处理单元、移相器、选频器以及低通滤波器；
所述的微弱信号探测单元是由多个传感器元件构成的惠斯登桥臂组，其中至少一个桥臂作为参考桥臂，其余桥臂作为检测桥臂；
所述的信号发生器一端产生交流信号A，用于驱动该惠登电桥，所述惠斯登电桥的检测桥臂探测微弱信号并将其转换为电信号，得到差分信号B；
所述的信号前期处理单元包括前置放大器与带通滤波器，用于对差分信号B进行放大与带通滤波后得到前期处理信号C；
所述的移相器位于信号前期处理单元与选频器之间，前期处理信号C移相后与信号发生器另一端产生的交流信号A通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D；或者，所述的移相器位于载波信号发生器另一端与选频器之间，载波信号发生器另一端产生的交流信号A移相后与前期处理信号C通过选频器进行自相关运算，得到运算结果D’；
所述的低通滤波器用于将运算结果D或D’进行低通滤波处理。
5.如权利要求4所述的微弱信号的处理装置，其特征是：所述的信号前期处理单元中前置放大器与带通滤波器的先后顺序可调。
6.如权利要求4所述的微弱信号的处理装置，其特征是：所述的低通滤波器后还设置直流偏置器。
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