[發明專利]數字鎖相解調的濾波器的實現方法及裝置

有效

• 申請號: 201810113634.6
• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108426942B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發明（設計）人: 李勇;劉澤
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01N27/82
• 分類號: G01N27/82;H03H17/02;H03L7/085;B61K9/08
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 黃曉軍

本發明提供了一種數字鎖相解調的濾波器的實現方法及裝置。該方法包括：在數字鎖相解調的濾波器的兩個通道分別輸入數字信號，在每個通道對每一時刻輸入的數字信號分別與該通道的正弦參考信號或者余弦參考信號相乘，獲得每個通道的頻移結果，在每個通道通過卡爾曼濾波器對一個周期點數的頻移結果進行累加求平均，將計算出的平均值作為該通道當前時刻的觀測值；通過卡爾曼濾波器利用每個通道當前時刻的觀測值對該通道的當前時刻的預測值進行校正更新，再利用每個通道更新后的預測值求出所述數字信號的幅值和相位。本發明提供的數字鎖相解調的濾波器改進設計方法既保證了解調的精度高又保證了解調的快速性，且穩定性高。

技術領域

本發明涉及數字鎖相解調技術領域，特別涉及一種數字鎖相解調的濾波器的實現方法及裝置。

背景技術

為適應高速鋼軌缺陷的在線檢測，需提高解調的速度以快速解調出高頻變化的感應電壓。但是在實際檢測中，檢測信號往往非常微弱且受到模擬電路中的白噪聲以及鋼軌牽引回流的干擾。電磁檢測缺陷的準確度受到強噪聲的影響而下降，為此需要從噪聲中提取有效信號以提高缺陷的識別能力。

數字鎖相解調是一種對交變信號進行相敏檢波的方式。數字鎖相解調方法利用與被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身以及與參考信號同頻(或者倍頻)、同相的噪聲分量有響應，具有大幅度提高信噪比的優點。數字鎖相解調方法的穩定性和精度很高，但在速度上，由于傳統的低通濾波器的計算量大，解調速度慢。

現有技術中的數字鎖相解調的低通濾波器設計主要分為兩類：IIR濾波器和FIR濾波器。在對現有設計分析后，發明人發現現有的數字鎖相解調的低通濾波器設計至少存在如下不足：雖然使用IIR濾波器解調的精度很高，但是收斂的速度很慢，以致影響最終解調的精度或速度；而使用FIR濾波器速度快，但是容易受到噪聲和諧波的干擾，抗擾動能力差。

因此，目前迫切需要一種精度高、檢測速度快、成本低的在線鋼軌缺陷檢測裝置。

發明內容

本發明的實施例提供了一種數字鎖相解調的濾波器的實現方法及裝置，精度高、檢測速度快、成本低的在線鋼軌缺陷檢測裝置。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。

根據本發明的一個方面，提供了一種數字鎖相解調的濾波器的實現方法，包括：

在數字鎖相解調的濾波器的兩個通道分別輸入數字信號，所述兩個通道包括通道1和通道2；

在每個通道對每一時刻輸入的數字信號分別與該通道的正弦參考信號或者余弦參考信號相乘，獲得每個通道的頻移結果，所述正弦參考信號與所述余弦參考信號正交；

在每個通道通過卡爾曼濾波器對一個周期點數的頻移結果進行累加求平均，將計算出的平均值作為該通道當前時刻的觀測值；

通過卡爾曼濾波器利用每個通道當前時刻的觀測值對該通道的當前時刻的預測值進行校正更新，再利用每個通道更新后的預測值求出所述數字信號的幅值和相位。

進一步地，所述的在數字鎖相解調的濾波器的兩個通道分別輸入數字信號之前，還包括：

根據輸入的數字信號的激勵頻率和采樣頻率，計算出相互正交的正弦參考信號和余弦參考信號，所述通道1和所述通道2分別使用所述正弦參考信號和所述余弦參考信號中的一種信號，將N個相互正交的正弦參考信號和余弦參考信號預先存儲在內存當中，所述N是以采樣頻率f_s采樣目標信號一個周期所需要的點數，所述參考信號與所述數字信號的激勵信號的頻率相同。

進一步地，所述的在數字鎖相解調的濾波器的兩個通道分別輸入數字信號之前，還包括：

模數轉換器以采樣頻率f_s將接收到的當前時刻的模擬差分信號轉換成當前時刻的數字信號S[k]，當前時刻的數字信號S[k]表示為：