基于虛擬儀器的微弱信號檢測處理技術研究

王 濤，陸綺榮，黃媛媛，孫 林

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，桂林 541004）

0 引言

可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)是一種具有高靈敏度、高分辨率和快速檢測特點的氣體檢測技術，利用可調諧半導體激光器窄線寬和波長可調諧特性[1,2]檢測氣體的單根分子吸收譜線，可有效避免其他氣體的干擾,實現待測氣體濃度的快速檢測。但是檢測所得到的信號依然會混有各種噪聲，因此將光電探測器輸出的信號進行低頻調制[3]，采用相關檢測技術對光電探測器輸出的信號進行處理，可以達到除噪的目的。

虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。美國NI公司的LabVIEW[4]是一個圖形化的開發環境，帶有大量的內置功能，能夠完成仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等任務，LabVIEW能提供強大的圖形化編程語言所帶來的靈活性，利用LabVIEW提供的相關分析函數,就可以快捷的開發出所需要的相關分析虛擬實驗系統。

1 相關分析

所謂相關是代表客觀事物或過程中某兩種特征量之間聯系的緊密性；相關分析是利用概率統計方法來描述和研究工程測試信號的相關關系，常用的統計量有自相關函數和互相關函數等。

1.1 自相關函數

自相關函數描述了信號本身在同一過程中一個時刻的瞬時值與另一個時刻的瞬時值之間的相互依賴關系。如果信號是能量有限信號，它的自相關函數為：

若信號為功率有限信號，那么，上述定義的相關函數已失去意義。通常把這類信號的自相關函數定義為：

當x(t)不包含周期分量時，自相關函數將從τ=0的最大值開始，隨τ的增加單調地下降。當τ趨近無窮大時，x(t)的自相關函數趨近x(t)平均值的平方。如果平均值為零，則R(τ)隨τ的增大而趨于零。當x(t)包含周期性分量時，自相關函數R(τ)內也將包含有相同周期的分量。

1.2 互相關函數

互相關函數描述了兩組信號在任意兩個不同時刻取值之間的一般依賴關系。如果信號是能量有限信號，它們的互相關函數為：

若信號為功率有限信號，那么，上述定義的相關函數已失去意義。通常把這類信號的自相關函數定義為：

當Rxy(τ)=0時，稱x(t)和y(t)不相關，這時x(t)和 y(t)在統計上互相獨立。若τ=τ0時，Rxy(τ)取最大值，則表示兩信號時移為τ0時，相關程度最高，波形相似程度最大。

2 相關檢測原理

相關檢測的基礎是被測信號具有時間軸上的前后相關的特性，通過對信號和噪聲進行相關性分析，利用信號周期性和噪聲隨機性的特點，達到去除噪聲、檢測信號的目的。信號的相關性檢測一般分為自相關檢測和互相關檢測[5]。

2.1 自相關檢測

假設被檢測信號f(t)是由原始信號s(t)和隨機噪聲信號n(t)組成，即[6]

將被測信號f(t)延遲時間τ，然后將延遲后的信號f(t-τ)和未經過延遲的f(t)送入乘法器，再將乘積積分，取平均值，從而得到f(t)的自相關函數R(τ)。

由于信號與噪聲是不相關的，根據互相關函數的性質知，Rns(τ)=Rsn(τ)=0，則有R(τ)=Rss(τ)+Rnn(τ)。由自相關函數的性質知，隨著τ的增大，噪聲自相關函數將接近于零，結果只剩原始信號s(t)的自相關函數，從而達到檢測信號的目的。

2.2 互相關檢測

如果原始信號頻率已知，則可以用一個頻率與原始信號相同的本地信號和混有噪聲信號的被測信號進行互相關[6]。

設被測信號是f1(t)：

由于本地信號與噪聲是不相關的,根據互相關函數的性質知, RnS2(τ)應為零，則有R12(τ)=RS1S2(τ)。相關函數RS1S2(τ)中包含了原始信號s1(t)所帶的信息，從而達到除噪目的。對比式(6)和式(7)兩式可知，相對于自相關函數來說，互相關函數去除了噪聲項，它的輸出信噪比更高，抗干擾能力更強，因此在微弱信號檢測中大都采用互相關檢測原理。

3 仿真結果及分析

氣體檢測系統的整體結構框圖如圖1所示，調制后的激光經過充滿待測氣體的樣品池，與待測氣體相互作用，然后將攜帶氣體濃度信息的光信號傳輸到光電探測器，使其轉換成電信號，由PCI-6259采集卡采集后輸入到計算機中，用相關檢測法對信號進行處理分析。

圖1 氣體檢測系統框圖

在LabVIEW仿真過程中采用的是離散的數字信號，因此需將被測信號取樣，并進行模數轉換，利用累加平均的方法實現相關函數的運算。

在LabVIEW仿真中，被測信號自相關分析前面板和互相關分析前面板分別如圖2所示，用戶可以通過前面板很方便的進行參數設置：信號類型設為正弦波，幅度設為1，頻率為12Hz，采樣點數設為500，通過信噪比的設置來仿真噪聲信號的強度。在自相關分析中，被測信號由正弦信號和均勻白噪聲組成；互相關分析中，一路被測信號為正弦信號，另一路被測信號由正弦信號和均勻白噪聲組成。

圖2 高信噪比相關檢測

圖3 低信噪比相關檢測

由圖2可以發現當被測信號信噪比較高時，噪聲在被測信號中已經顯示不出來，相關檢測處理效果也不明顯，但是當降低信噪比，如圖3所示時，處理效果就比較明顯了。從圖3中可以看出被測信號已經淹沒在噪聲中分辨不出來，經過相關函數處理后，可以清析的看到輸出的波形。另外通過LabVIEW的諧波失真分析VI，得到信號的頻率值，再經過多次測量求平均得到信號最后的頻率值，使測量誤差降低。

從圖3中的Rxx和Rxy也可以看出經過互相關函數處理后的信號比自相關函數處理后的信號效果好，說明互相關函數的抗干擾能力強于自相關函數。

4 結束語

本文將可調諧半導體激光吸收光譜技術與相關檢測技術相結合，實現了對微弱信號的有效檢測。在測量大氣中有害氣體濃度時，基于計算機虛擬儀器技術的相關分析系統可以方便的檢測出噪聲信號中的有用信號，并對噪聲中的有用信號進行提取，最終得到所測氣體的濃度。該檢測方法的突出特點是利用LabVIEW采集和處理微弱信號，充分發揮了軟件的上層應用程序優勢，同時圖形化的設計簡單易懂，便于操作控制，可以擴展為更多的系統所使用。

[1] 董鳳忠,劉文清,劉建國,等.可調諧二極管激光吸收光譜技術及其在大氣質量監測中的應用[J].量子電子學報,2005,22(3):315-325.

[2] B.Lins,P.Zinn,R.Engelbrecht and B.Schmauss.Simulationbased comparison of noise effects in wavelength modulation spectroscopy and direct absorption TDLAS.Applied Physics B: Lasers and Optics,2010,100(2):367-376.

[3] 徐振峰,張悅,李曉等.基于波長調制技術的甲烷氣體濃度檢測的研究[J].儀表技術與傳感器,2007,4:61-63.

[4] National Instruments. LabVIEW User Manual.Texas:National Instruments[M],2005.

[5] 李銳,何輔云,夏玉寶.相關檢測原理及其應用[J].合肥工業大學學報,2008,31(4):573-579.

[6] 曾慶勇.微弱信號檢測[M].杭州:浙江大學出版社,1994:47-51.