CN111525932B - 一种工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器，滤除方法是：将输入到传感器的控制器的模拟输入信号进行模数转换得到输入数值；将输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值；连续统计每一种输出数值，并根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量；将工频波形的数量率先达到设置上限的工频频率确定为模拟输入信号中识中掺杂的工频信号的频率；调用与识别出的工频信号的频率对应的滤波算法，如此微波传感器在工作时能自动识别出掺杂的工频信号的频率，从而做出相对应的处理，在不影响传感器性能的前提下，又准确过滤掉工频干扰。

Description

一种工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器

技术领域

本发明涉及微波传感领域，尤其涉及一种工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器。

背景技术

世界各国所用交流电的频率有两种50Hz和60Hz(称为“工频”)，相对而言，南北美洲大部分国家使用60Hz；而其他地区主要是50Hz但单相相电压(指一般电器和生活用电的相电压)则有110～277V等多种，交流电在示波器上能看到持续有规律的脉冲波形。

低频微波传感器主要用于侦察低速运动的物体，所以在应用过程中交流电的工频会对其产生干扰，干扰会叠加到100Hz的有效频率内，成为干扰信号，若不对工频进行过滤的话微波传感器就不能正常工作，一般传统的做法是针对不同是市场应用在微波传感器出厂前对该地区的交流电频率先做处理，比如传感器要用到北美市场，就需要用可过滤60Hz工频的软件和硬件.该批次的传感器也只能在北美市场使用，要将微波传感器再卖到交流电是50Hz工频的地区，就需要传感器生产厂再生产对应过滤50Hz工频的传感器，使用能过滤50Hz工频干扰的软件以及硬件，这样就给得产品的生产、销售、以及后续的市场应用带来诸多不便。而有些微波传感器厂家为了方便市场销售，使用更简单粗暴的方式就是直接过滤掉50-60hz整个频段，这种微波传感器的性能也会随之大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种工频信号的频率识别方法，适于由微波传感器的控制器执行，以从输入给控制器的模拟输入信号中识别出掺杂到其中的工频信号的频率，所述方法包括：

将所述模拟输入信号进行模数转换得到输入数值；

将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值；

连续统计每一种输出数值，并根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量；

将工频波形的数量率先达到设置上限的工频频率确定为模拟输入信号中识中掺杂的工频信号的频率。

一个具体实施例中，所述多种工频频率包括50Hz和60Hz。

一个具体实施例中，每一种工频频率的标准值预先通过以下方式计算得到：利用FDAtool工具设计FIR低通滤波器，将当前工频频率往左波动一个最大误差后的频率值设为滤波器的截止频率，将当前工频频率往右波动一个最大误差后的频率值设置滤波器的通过频率，并设定滤波器的采样频率和滤波器的阶数N，得到一组由N个数组成的数组作为当前工频频率的所述标准值，其中N为正整数。

一个具体实施例中，所述的将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值，包括：

选择其中一种工频频率计算对应的滤波输出值，包括：将连续得到的N个输入数值作为一个数组，与当前选中的工频频率的标准值所对应的一个数组进行卷积计算，并将卷积计算结果除以N后取整，得到当前选中的工频频率所对应的滤波输出值；

选择下一种工频频率计算对应的滤波输出值，直至计算出所有的工频频率对应的滤波输出值。

一个具体实施例中，所述的根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量，包括：

针对每一种输出数值，分别通过如下方式统计对应的工频频率的工频波形的数量：若某种工频频率的输出数值从负或零变为正，则启动一次波形检测；在每一次的波形检测过程中，判断输出数值的变化规律是否符合正弦波的波形，如是，则该某种工频频率的工频波形的数量加一。

本发明还公开了一种工频信号的滤除方法，适于由微波传感器的控制器执行，以从输入给控制器的模拟输入信号中滤除掺杂到其中的工频信号，所述方法包括：

基于前述的方法识别出掺杂的工频信号的频率；

调用预先提供的与识别出的工频信号的频率对应的滤波算法对所述输入数值进行滤波。

本发明还公开了一种微波传感器，包括控制器，所述控制器可用于执行如前任一项所述的方法。

一个具体实施例中，所述微波传感器还包括：

天线，可捕获包含多普勒频移信号以及工频信号的各种微波输入信号；

混频器，用于将微波输入信号与本地振荡信号进行混频产生中频信号；

滤波放大电路，用于对所述混频器进行多级低通滤波放大得到所述模拟输入信号，并将所述模拟输入信号发往所述控制器的A/D口。

本发明的工频信号的频率识别方法、滤除方法以及微波传感器，具有以下有益效果：本发明的微波传感器在工作时，能通过本发明的工频信号的频率识别方法自动识别出掺杂的工频信号的频率，从而做出相对应的处理，比如在交流电的频率为60Hz的地区应用时能准确过滤60Hz的功率干扰，而在交流电的频率为50Hz的地区应用时能准确过滤50Hz的功率干扰，在不影响传感器性能的前提下，又准确过滤掉工频干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明微波传感器的电路框图；

图2是滤波放大电路的后两级滤波放大的电路示意图；

图3是本发明工频信号的滤除方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，本文中所言的“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明总的思路是：为了从输入到微波传感器的控制器的模拟输入信号中识别出掺杂到其中的工频信号的频率，首先，所述模拟输入信号进行模数转换得到输入数值；然后，将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值；再然后，连续统计每一种输出数值，并根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量；最后，将工频波形的数量率先达到设置上限的工频频率确定为模拟输入信号中识中掺杂的工频信号的频率。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图1，本发明提供一种微波传感器，其主要包括以下依次连接的功能电路：天线、混频器、滤波放大电路、控制器。

天线可捕获包含多普勒频移信号以及工频信号的各种微波输入信号；混频器用于将微波输入信号与本地振荡信号进行混频产生中频信号；滤波放大电路用于对所述混频器进行多级滤波放大得到所述模拟输入信号，并将所述模拟输入信号发往所述控制器的A/D口；控制器在采集到模拟输入信号时，执行工频信号的滤除方法，具体的：通过工频信号的频率识别方法识别出掺杂的工频信号的频率；然后调用预先提供的与识别出的工频信号的频率对应的滤波算法对所述输入数值进行滤波。

下面首先对本发明微波传感器的硬件电路进行简单说明。

首先，由于微波传感器主要是用于侦察人体运动和低速度运动目标，运动物体速度一般在1-10公里/小时，最高频率一般不会高于100Hz，所以本发明中将中频信号通过多级低通滤波，过滤100hz以上的信号，如此发送到控制器(MCU)的模拟输入信号的频率范围会在1-100Hz的范围内。

另外，由于天线的混频器输出的中频信号的原始信号只有几十mv，低通过滤后的信号强度不足以提供的MCU进行数字分析，所以本发明中将滤波放大电路设计为三级低通滤波放大，如此，使得MCU的分析和处理数据更丰富。图2中示意图其中的后两级滤波放大的电路图，图中的OUT1、2分别表示第二、三级滤波放大后的信号，OUT2即为所述模拟输入信号。

下面对本发明工频信号的滤除方法进行详细说明，参考图3，是本发明工频信号的滤除方法的流程图。

S301、将输入到MCU的A/D口的模拟输入信号进行模数转换得到输入数值；

S302、将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值；

所述多种工频频率具体包括50Hz和60Hz。每一种工频频率的标准值可以预先计算并导入MCU。具体的，每一种工频频率的标准值预先通过以下方式计算得到：利用FDAtool工具设计FIR低通滤波器，将当前工频频率往左波动一个最大误差后的频率值设为滤波器的截止频率，将当前工频频率往右波动一个最大误差后的频率值设置滤波器的通过频率，并设定滤波器的采样频率和滤波器的阶数N，得到一组由N个数组成的数组作为当前工频频率的所述标准值，其中N为正整数。

比如说，以50Hz为例，我们假设采用FIR低通滤波器，N＝128，即128阶，采样频率100hz,假设最大误差为2Hz，则通过频率为48Hz，截止频率52Hz，如此利用FDAtool则会计算得到一组由128个数组成的数组Gains50[]，Gains50[]即为50Hz对应的标准值。60Hz的计算同理，只需改变通过频率为58Hz，截止频率62Hz，其他设定参考与50Hz相同，此处不再赘述，最终会计算得到一组由128个数组成的数组Gains60[]作为60Hz对应的标准值。

本步骤中所述的将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值，包括：

S302a、选择其中一种工频频率计算对应的滤波输出值，包括：将连续得到的N个输入数值作为一个数组，与当前选中的工频频率的标准值所对应的一个数组进行卷积计算，并将卷积计算结果除以N后取整，得到当前选中的工频频率所对应的滤波输出值；

比如，还是以50Hz为例，我们将连续得到的128个输入数值作为一个数组Buffers[]，则卷积计算结果

则，此时50Hz对应的滤波输出值是x50＝[Output50/128]，此处[]表示取整。

S302b、选择下一种工频频率计算对应的滤波输出值，直至计算出所有的工频频率对应的滤波输出值。

例如，选择60Hz计算对应的滤波输出值，计算过程参考上述关于50Hz的部分，此处不再赘述。最终我们可以计算得到60Hz的滤波输出值是x60＝[Output60/128]，其中

S303、连续统计每一种输出数值，并根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量；

其中，所述的根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量，包括：针对每一种输出数值，分别通过如下方式统计对应的工频频率的工频波形的数量：若某种工频频率的输出数值从负或零变为正，则启动一次波形检测；在每一次的波形检测过程中，判断输出数值的变化规律是否符合正弦波的波形，如是，则该某种工频频率的工频波形的数量加一。

上述计算得到的每一个x50，相当于波形上的一个点，所以我们可以根据x50的规律判断波形数量。因为是工频是一个正弦波曲线，所以判断一个完全的波形只需要判断正半轴，即x50>0时一个波形开始，x50<0时一个波形结束。比如，我们还是以50Hz为例，假设连续计算得到的x50为：0，0，-1，-2，-3，-2，-1，1，2，3，2，1，…。其中0表示信号不在48-52Hz以内，负数表示在48-52Hz以内而且是负半轴，此时还无需开始波形检测，当出现1时，则开始波形检测，显然1，2，3，2，1，逐渐增大在逐渐减小，符合正弦波的正半轴波形的离散点分布规律。如此可以认为出现一个50Hz的工频波形。

S304、将工频波形的数量率先达到设置上限的工频频率确定为模拟输入信号中识中掺杂的工频信号的频率。

比如，假设设置上限是10，则如果50Hz的波形的数量先达到10，则认为掺杂的工频信号的频率是50Hz。同理，如果60Hz的波形的数量先达到10，则认为掺杂的工频信号的频率是60Hz。

S305、调用预先提供的与识别出的工频信号的频率对应的滤波算法对所述输入数值进行滤波。

比如，如果识别出掺杂的工频信号的频率是50Hz，则调用50Hz工频信号的滤波算法，如果识别出掺杂的工频信号的频率是60Hz，则调用60Hz工频信号的滤波算法。50Hz工频信号的滤波算法、60Hz工频信号的滤波算法采用既有的算法即可。

可见，本发明的微波传感器在工作时能准确识别出当前交流电的频率范围，从而做出相对应的处理，在交流电的频率为60Hz的地区应用时能准确过滤60Hz的功率干扰，而在交流电的频率为50Hz的地区应用时能准确过滤50Hz的功率干扰，在不影响传感器性能的前提下，又准确过滤掉工频干扰。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种工频信号的频率识别方法，适于由微波传感器的控制器执行，以从输入给控制器的模拟输入信号中识别出掺杂到其中的工频信号的频率，其特征在于，所述方法包括：

将所述模拟输入信号进行模数转换得到输入数值；

将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值；

连续统计每一种输出数值，并根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量；

将工频波形的数量率先达到设置上限的工频频率确定为模拟输入信号中识中掺杂的工频信号的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多种工频频率包括50Hz和60Hz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每一种工频频率的标准值预先通过以下方式计算得到：利用FDAtool工具设计FIR低通滤波器，将当前工频频率往左波动一个最大误差后的频率值设为滤波器的截止频率，将当前工频频率往右波动一个最大误差后的频率值设置滤波器的通过频率，并设定滤波器的采样频率和滤波器的阶数N，得到一组由N个数组成的数组作为当前工频频率的所述标准值，其中N为正整数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将所述输入数值分别单独与预先提供的多种工频频率的标准值进行卷积计算，得到与所述多种工频频率的对应的多种滤波输出值，包括：

选择其中一种工频频率计算对应的滤波输出值，包括：将连续得到的N个输入数值作为一个数组，与当前选中的工频频率的标准值所对应的一个数组进行卷积计算，并将卷积计算结果除以N后取整，得到当前选中的工频频率所对应的滤波输出值；

选择下一种工频频率计算对应的滤波输出值，直至计算出所有的工频频率对应的滤波输出值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据每一种输出数值的变化趋势判断符合各种工频频率的工频波形的数量，包括：

针对每一种输出数值，分别通过如下方式统计对应的工频频率的工频波形的数量：若某种工频频率的输出数值从负或零变为正，则启动一次波形检测；在每一次的波形检测过程中，判断输出数值的变化规律是否符合正弦波的波形，如是，则该某种工频频率的工频波形的数量加一。

6.一种工频信号的滤除方法，适于由微波传感器的控制器执行，以从输入给控制器的模拟输入信号中滤除掺杂到其中的工频信号，其特征在于，所述方法包括：

基于权利要求1-5任一项所述的方法识别出掺杂的工频信号的频率；

调用预先提供的与识别出的工频信号的频率对应的滤波算法对所述输入数值进行滤波。

7.一种微波传感器，其特征在于，包括控制器，所述控制器可用于执行如权利要求1-6任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的微波传感器，其特征在于，所述微波传感器还包括：

天线，可捕获包含多普勒频移信号以及工频信号的各种微波输入信号；

混频器，用于将微波输入信号与本地振荡信号进行混频产生中频信号；

滤波放大电路，用于对所述混频器进行多级低通滤波放大得到所述模拟输入信号，并将所述模拟输入信号发往所述控制器的A/D口。

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