[發(fā)明專利]一種適用于反射式/透射式傳感器的強(qiáng)抗干擾系統(tǒng)及其工作方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911033132.3
• 申請(qǐng)日: 2019-10-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111076791A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王少榮;滕捷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01F23/284
• 分類號(hào): G01F23/284;G01F23/00;H03H17/02;H03H21/00
• 代理公司: 武漢天力專利事務(wù)所 42208
• 代理人: 吳曉穎

1.一種適用于反射式/透射式傳感器的強(qiáng)抗干擾系統(tǒng)的工作方法，其特征在于：所述強(qiáng)抗干擾系統(tǒng)包含信號(hào)切換單元和數(shù)字濾波及主控制單元，所述信號(hào)切換單元輸入側(cè)連接傳感器信號(hào)源，所述信號(hào)切換單元輸出側(cè)連接傳感器發(fā)射器，所述數(shù)字濾波及主控制單元輸入側(cè)連接傳感器接收器，所述數(shù)字濾波及主控制單元通過(guò)控制端口連接信號(hào)切換單元；其中主控制單元對(duì)傳感器發(fā)射信號(hào)進(jìn)行斷續(xù)切換控制，數(shù)字濾波單元對(duì)傳感器接收器采集的信號(hào)進(jìn)行記錄與處理；所述主控制單元斷續(xù)控制所述信號(hào)切換單元分別處于導(dǎo)通/斷開(kāi)狀態(tài)，使所述傳感器發(fā)射器工作在有/無(wú)信號(hào)發(fā)射的狀態(tài)；所述數(shù)字濾波單元采用基于信號(hào)對(duì)稱性的數(shù)字濾波算法對(duì)傳感器接收器采集的信號(hào)進(jìn)行記錄與處理，利用在無(wú)傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，擬合求取與噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的微差頻信號(hào)，采用相同采樣頻率求取微差頻信號(hào)數(shù)據(jù)，并與有傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)相減運(yùn)算，利用奇函數(shù)在縱坐標(biāo)對(duì)稱區(qū)間積分為零的原理對(duì)減運(yùn)算后的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，求得有用信號(hào)的幅值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于反射式/透射式傳感器的強(qiáng)抗干擾系統(tǒng)的工作方法，其特征在于：所述主控制單元控制所述信號(hào)切換單元依次處于“導(dǎo)通-關(guān)斷-導(dǎo)通”狀態(tài)，在信號(hào)切換單元處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，傳感器發(fā)射器有信號(hào)發(fā)射，接收器采集的信號(hào)包含噪聲信號(hào)與有用信號(hào)，選取其中一段時(shí)間錄制信號(hào)波形，分別記為階段Ⅰ、階段Ⅲ，當(dāng)信號(hào)切換單元關(guān)斷時(shí)，傳感器發(fā)射器無(wú)信號(hào)發(fā)射，接收器采集的信號(hào)僅包含噪聲信號(hào)，選取其中一段時(shí)間錄制信號(hào)波形，記為階段Ⅱ。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于反射式/透射式傳感器的強(qiáng)抗干擾系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述基于信號(hào)對(duì)稱性的數(shù)字濾波算法具體如下

(1)擬合求取微差頻信號(hào)

主控制單元控制信號(hào)切換單元依次處于“導(dǎo)通-關(guān)斷-導(dǎo)通”狀態(tài)，并將階段Ⅰ、階段Ⅲ有傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱為“帶噪波形”，存為S₁與S₂，將階段Ⅱ無(wú)傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱為“純?cè)肼暡ㄐ巍保鏋镹；在階段Ⅱ純?cè)肼暡ㄐ蜰中選取一極大值點(diǎn)，即此時(shí)刻帶內(nèi)干擾信號(hào)相位接近將該時(shí)刻作為0時(shí)刻，即此點(diǎn)表示為參考點(diǎn)N[0]，采樣信號(hào)在任意時(shí)刻數(shù)值表示為式一，其中N(t)為純?cè)肼暡ㄐ稳我鈺r(shí)刻的值，S_q(t)為帶噪波形任意時(shí)刻的值，q為帶噪波形采樣階段計(jì)數(shù)

將上述信號(hào)表達(dá)式離散化為式二，其中N[k]為純?cè)肼暡ㄐ稳我獠蓸狱c(diǎn)時(shí)刻的值，S_q[k]為帶噪波形任意采樣點(diǎn)時(shí)刻的值，T_S為采樣時(shí)間

對(duì)階段Ⅱ內(nèi)采集的純?cè)肼暡ㄐ螖?shù)據(jù)使用梯度下降擬合噪聲信號(hào)的幅值、頻率和相位；首先等間隔選取N[0]及關(guān)于該點(diǎn)對(duì)稱的兩點(diǎn)N[n_g]與N[-n_g]，三點(diǎn)數(shù)值可表示為式三，其中n_g為選取點(diǎn)關(guān)于極大值點(diǎn)間隔采樣點(diǎn)數(shù)，初步按式四估計(jì)干擾波形參數(shù)作為迭代初值

選用最小二乘擬合正弦干擾波形，擬合選用的樣本為階段Ⅱ純?cè)肼暡ㄐ侮P(guān)于N[0]對(duì)稱的長(zhǎng)度為2M的波形數(shù)據(jù)，設(shè)立擬合目標(biāo)函數(shù)為式五

目標(biāo)函數(shù)的梯度矩陣如式六，梯度矩陣各元素表達(dá)式如式七，

為確保濾波算法在各種干擾條件下均可快速準(zhǔn)確工作，采用調(diào)整學(xué)習(xí)率的AMSGrad梯度下降算法，人工設(shè)置初始學(xué)習(xí)率矩陣，如式八所示

幅值差異對(duì)頻率的求解影響最顯著，而對(duì)幅值及相位的影響有限，故在學(xué)習(xí)過(guò)程中固定幅值學(xué)習(xí)率與相位學(xué)習(xí)率如式九所示

故對(duì)幅值和相位的修正寫(xiě)作式十

頻率的修正需考慮學(xué)習(xí)率對(duì)梯度的適應(yīng)，以確保迭代求解結(jié)果為最優(yōu)；修正過(guò)程如式十一：通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)處的梯度，更新有偏一階矩估計(jì)V⁽ⁱ⁾和有偏二階矩估計(jì)S⁽ⁱ⁾，并修正二階矩始終不小于前一次迭代中其數(shù)值，V⁽⁰⁾與S⁽⁰⁾均初始化為0，β₁、β₂均為人工設(shè)置的固定超參數(shù)

當(dāng)?shù)鷿M足式十二收斂條件，認(rèn)為迭代收斂并退出計(jì)算進(jìn)入相關(guān)性計(jì)算環(huán)節(jié)，將幅值、頻率和相位的計(jì)算結(jié)果分別記為A_n'、Ω'_n及

以上迭代求解計(jì)算中，幅值與相位收斂速度快，且其數(shù)值與實(shí)際包含的噪聲信號(hào)的幅值相位誤差幾乎為0；同時(shí)頻率收斂慢，與實(shí)際包含的噪聲信號(hào)存在微小誤差，通過(guò)迭代求解的關(guān)于N[0]對(duì)稱的估計(jì)階段Ⅰ與階段Ⅲ所包含微差頻噪聲信號(hào)N'_q[k]在各采樣點(diǎn)的數(shù)值如式十三所示

(2)逐點(diǎn)相減運(yùn)算

用擬合求解的微差頻噪聲信號(hào)波形與階段Ⅰ及階段Ⅲ帶噪波形按式十四進(jìn)行逐點(diǎn)相減運(yùn)算，如式十五所示，進(jìn)行減運(yùn)算后的波形數(shù)據(jù)表示為有用信號(hào)與噪聲殘差波形的疊加

S_rq[k]＝S_q[k]-N'_q[k] q＝1,2 k∈Z 式十四

對(duì)階段Ⅰ與階段Ⅲ的噪聲殘差波形表達(dá)式做展開(kāi)變換并提取差頻分量、和頻分量和相位變量可變換為式十六：

上式進(jìn)一步改寫(xiě)為式十七求和形式

由于微差頻信號(hào)的幅值、相位與實(shí)際包含的噪聲信號(hào)的幅值、相位幾乎相等，近似認(rèn)為：

故做減運(yùn)算處理后的帶噪波形包含的噪聲殘差近似表達(dá)式為式十九

(3)利用信號(hào)對(duì)稱性的數(shù)字濾波

關(guān)于參考點(diǎn)N[0]按式二十構(gòu)造與發(fā)射信號(hào)同頻率的正弦參考信號(hào)：

R[k]＝sin(Ω_rk) 式二十

用參考信號(hào)對(duì)階段Ⅰ與階段Ⅲ經(jīng)減運(yùn)算處理后的帶噪信號(hào)波形逐點(diǎn)調(diào)制并求和，其離散化表達(dá)如式二十一，其中I為求和起始下標(biāo)，L為求和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

根據(jù)式十九可知噪聲殘差關(guān)于參考點(diǎn)為偶函數(shù)，通過(guò)式二十可知虛擬參考波形關(guān)于參考點(diǎn)為奇函數(shù)，故其相乘結(jié)果式二十一關(guān)于參考點(diǎn)為奇函數(shù)，根據(jù)奇函數(shù)在縱坐標(biāo)對(duì)稱區(qū)間積分為零的原理可以消除噪聲殘差，如式二十二、式二十三所示：

C₁＝A_rL cosφ₁ 式二十三

移動(dòng)參考點(diǎn)至臨近極值點(diǎn)，與N[0]間隔m個(gè)采樣點(diǎn)，重復(fù)以上式二十至式二十二的步驟，可求解出式二十四

聯(lián)立式二十三與式二十四可求解出有用信號(hào)幅值如式二十五：