船用行程傳感器電磁干擾信號抑制算法研究

黃應(yīng)邦，馬勝偉，吳洽兒

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所 廣東 廣州 510300 )

船用行程傳感器電磁干擾信號抑制算法研究

黃應(yīng)邦，馬勝偉，吳洽兒

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所 廣東 廣州 510300 )

航海事業(yè)的發(fā)展關(guān)系到國家經(jīng)濟的發(fā)展，目前許多海航行程傳感器在實際工作中非常容易受到工作環(huán)境中電磁波的干擾，對海航事業(yè)的發(fā)展非常不利。本文基于船用行程傳感器工作時電磁干擾信號的特點，借助不同噪聲抑制算法對行程傳感器的輸出信號實施降噪、除噪實驗，以期最大程度降低海航中行程傳感器的噪聲干擾，使得海航船舶可以正常工作。

行程傳感器；電磁干擾信號；抑制算法

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶領(lǐng)域也在不斷發(fā)展。很多新型微小、高密度、寬頻譜、大功率的電子元器件不斷應(yīng)用于船舶中，使得狹小的工作空間布滿了電磁干擾信號，嚴(yán)重影響到船舶的正常工作。最有效的方法是提高電子設(shè)備的電磁兼容性，現(xiàn)代船用行程傳感器在充滿電磁干擾的環(huán)境下，其輸出信號的信噪比很低，多數(shù)有用信號均被電磁干擾而湮沒，而船舶系統(tǒng)對于行程傳感器的輸出信號具有非常高的精度要求，故船用行程傳感器的信號降噪勢在必行。本文基于常用除噪、降噪算法原理，對船舶行程傳感器開展了一系列的電磁干擾信號仿真研究。

1 小波降噪算法

1.1 小波降噪原理

小波變換是一種時間-頻率的變化算法，其定義是對不同尺度a作用下的待分析信號x（t）基于基本小波函數(shù)Ψ（t）為位移τ的內(nèi)積：

其中，小波變換時間t的頻率分辨率動態(tài)變化，低頻時頻率寬度非常窄，而高頻處時間范圍很小。

小波變換分析可借助2個互補濾波器把噪聲信號解析為近似和細(xì)節(jié)2部分內(nèi)容，其中近似部分代表高尺度、低頻率信號部分，細(xì)節(jié)信號代表低尺度、高頻率信號部分[1]。近似部分可持續(xù)解析到第N層，見式（3），分解過程如圖1所示。

由分解過程可以發(fā)現(xiàn)，低頻或高頻部分也包含了噪聲信號，可以適當(dāng)調(diào)整小波變換系數(shù)，小波變換將抑制噪聲部分的頻率，即可對輸出信號進(jìn)行降噪處理，實現(xiàn)抑制噪聲干擾的目標(biāo)。因單獨使用硬閾值和軟閾值均存在某些缺點，故本文選用軟硬閾值折中的方式進(jìn)行降噪處理，軟硬閾值折中定義為：

1.2 行程傳感器的輸出信號

通常海航中的船用行程傳感器規(guī)格均為0～400 mm量程、LVDT型的差動變壓器位移傳感器。該傳感器配套于位移變送器，使得輸出電流信號可達(dá)4～20 mA，輸出信號和量程的理想關(guān)系如圖2所示。

本次研究對象選擇我院在2016年8月~2017年9月接診治療的60例行手術(shù)治療的老年骨科患者,將60例患者通過抽簽法平均分為30例參照組與30例實驗組。

因海航中船用行程傳感器始終處于惡劣環(huán)境下工作，受到電磁波的干擾非常嚴(yán)重，故在信號仿真過程中設(shè)定信噪比為2，含噪聲的輸出信號和量程關(guān)系詳見圖3所示。

1.3 小波降噪原理在行程傳感器中的應(yīng)用

1）選取合適的小波函數(shù)

本文小波函數(shù)選用了世界聞名的小波分析學(xué)者Ingrid Daubechies創(chuàng)造的symlet小波函數(shù)，即symN函數(shù)，其中N表示小波分解階數(shù)。symN小波函數(shù)基于dbN小波函數(shù)開展了一系列改進(jìn)處理，在dbN小波的基礎(chǔ)上新增了近似對稱形式，dbN小波函數(shù)只有N=1外的明確表達(dá)形式，但其他尺度可通過尺度函數(shù)獲得，尺度函數(shù)見式（5）：

式中：φ（t）為尺度函數(shù)；gk為權(quán)重；gk隨N值變化而變化。

2）信號降噪仿真圖

本文基于sym8小波函數(shù)對圖3所示的含噪信號開展分解處理，仿真獲得各層逼近信號和細(xì)節(jié)信號，詳見圖4。由圖4（a）發(fā)現(xiàn)，隨著分解層數(shù)N的增長，信號分解越來越明確、精準(zhǔn)，噪聲對其影響越來越低，當(dāng)N=6時，輸出信號基本可以精準(zhǔn)重構(gòu)。

圖5是行程傳感器輸出信號利用小波降噪處理后得到的信號曲線和誤差曲線。借助sym8小波函數(shù)對含噪信號分解處理到6層后，選用了4種閾值規(guī)則進(jìn)行降噪處理，分別是固定式閾值、無偏似然估計閾值、啟發(fā)式閾值及極值原理選取閾值等，通過比較來選擇最佳的閾值規(guī)則[2]。

由圖5仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過heursure閾值規(guī)則選定的閾值，其降噪效果最佳，獲得信號誤差最低，誤差不超過0.05%。因此，本實驗中選擇的最佳閾值規(guī)則是heursure閾值，以此來進(jìn)行信號降噪處理。

1.4 仿真驗證

由采樣實驗發(fā)現(xiàn)，行程傳感器輸出信號的有用信號均湮沒在電磁噪聲干擾環(huán)境里。把借助示波器獲得的采樣信號導(dǎo)入Matlab工作區(qū)域，開展信號的小波函數(shù)降噪處理過程。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對信號的逐層分解，隨著分解層數(shù)越多，信號將越靠近實際信號，當(dāng)分解到第6層時獲得的信號已非常接近實際信號。通過小波降噪處理后，噪聲信號被有效消除，除了剛開始誤差約達(dá)到20%外，其后誤差均在不斷降低。通過比對理想信號和降噪后獲得的信號，借助式（6）可以準(zhǔn)確得到理想信號和降噪后信號的誤差均值：

當(dāng)n取值2 000時，計算可得誤差均值是0.3%。因此借助軟硬閾值折中法對輸出信號實施小波降噪處理后，船用行程傳感器的電磁噪聲干擾信號得到明顯抑制。

2 相位差計算算法

相位差計算算法主要思想是：信號接收線圈的 2組差分線圈繞制過程中，其物理位差等同于超聲波半波長，這就造成 2 組線圈信號采集時產(chǎn)生了約180°的相位差，故 2 組線圈采集的有用信號也將產(chǎn)生約180°的相位差[3]?；诖怂枷?，可通過一種改進(jìn)后得到的加窗傅里葉函數(shù)來得到信號相位計算公式，從而得到有用信號，除去不符合相位關(guān)系的噪聲信號。設(shè) 2組線圈的離散信號分別是S1，S2，相應(yīng)的參數(shù)數(shù)量是50 000個。因離散信號個數(shù)有限，為降低頻譜能量的泄漏，可選用窗函數(shù)進(jìn)行信號的分析處理。對離散信號S1、S2分析采取加窗傅里葉變換處理，窗函數(shù)設(shè)為W。由于窗函數(shù)特征和窗的形狀和寬度直接相關(guān)，故窗函數(shù)需符合窗譜主瓣和窗譜最大旁瓣的相對幅度盡量小的特點。對比可得，本實驗選用的窗函數(shù)為布萊克曼窗，參數(shù)個數(shù)K1為200，公式如下：

其中，j=1，2，3，…，K1。

離散信號S1和S2對應(yīng)的相位公式是：

1）S1實部：

其中，i= 1，2，3，…，50 000；K1為窗函數(shù)參數(shù)個數(shù)；K2為S1參數(shù)個數(shù)和K1參數(shù)個數(shù)的差。

S1虛部：

2）S2實部：

S2虛部：

對應(yīng)相位角θ2為：

由此可得，兩差分線圈的相位差為

借助改進(jìn)的加窗傅里葉變換對電磁噪聲干擾環(huán)境中輸出信號的相位差進(jìn)行處理，通過簡單的反三角函數(shù)可以得到輸出信號的相位差，最終輸出時，若相位差為180°，則該信號將保留，否則置0，上述過程即為通過布萊克曼窗函數(shù)的簡單三角函數(shù)獲得離散信號相位差計算過程。需注意，相位差算法的基礎(chǔ)條件是相位寬度符合180°±15°，在滿足相位寬度情況下，加窗函數(shù)處理得到的有用周期信號可能有信號缺失的問題，稍微增大相位差范圍，如相位寬度為180°±20°范圍內(nèi)，會出現(xiàn)造成加強的現(xiàn)象。針對此問題，充分考慮所得數(shù)據(jù)的特性，故給出綜合算法對加噪信號進(jìn)行降噪處理。

3 綜合算法

通過仿真實驗結(jié)果可知，無論是單獨選用小波軟硬閾值降噪算法還是相位計算算法在進(jìn)行輸出信號的降噪處理時，都有某些不足之處：

1）小波軟硬閾值降噪算法處理信號時，當(dāng)分級層數(shù)很低時，其信號降噪效果非常不好，當(dāng)分解層數(shù)太高時會發(fā)生有用信號失真問題；

2）相位差算法處理信號時，會出現(xiàn)降噪效果不好的問題。因此本文基于2種算法原理，充分結(jié)合各種算法的特點，設(shè)計形成了一種綜合算法，即對 2 組線圈采集獲得的輸入信號先利用小波軟硬閾值降噪算法進(jìn)行降噪處理，后再通過相位差計算算法對輸出信號進(jìn)行降噪處理。由于綜合算法相比較2種單一算法在信號降噪處理時，過程更復(fù)雜，若參數(shù)還和2種單一算法處理時相同，將造成嚴(yán)重的信號失真。因此，適當(dāng)調(diào)整綜合算法參數(shù)：1）小波降噪分解層數(shù)為5層；2）相位差算法的相位寬度范圍180°±30°。隨機從采集數(shù)據(jù)中選取500組，采用上述包含自適應(yīng)算法在內(nèi)的4種降噪算法對輸出信號進(jìn)行降噪處理，對比結(jié)果詳見表1。由結(jié)果可知，通過綜合算法降噪處理的原始信號，其數(shù)據(jù)的良好率顯著上升，且有用信號失真率明顯降低，得到有效控制。

表 1 4種降噪算法的處理結(jié)果對比Tab. 1 Comparison of processing results of 4 noise reduction algorithms

4 結(jié) 語

綜上所述，綜合降噪算法可以大大提高行程傳感器輸出信號的降噪效率，降低電磁干擾噪聲信號對行程傳感器有用信號的干擾，提高船用行程有用信號的獲取，保障船舶的順利航行。

[1]張偉, 師奕兵, 盧濤. 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在無線隨鉆測量系統(tǒng)在泥漿信號檢測中的應(yīng)用研究[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2008,(6): 98–101.

[2]樂波, 劉忠, 古天祥. 一種低信噪比線性調(diào)頻脈沖信號參數(shù)提取方法[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2008, (5): 76–79.

[3]胡柏青, 魏崢, 王伯雄. 強噪條件下基于小波降噪的陀螺儀聲信號處理方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2008, (6): 81–84.

Research on the suppression algorithm of electromagnetic interference signal of stroke sensor in maritime navigation

HUANG Ying-bang, MA Sheng-wei, WU Qia-er
(South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510300, China)

The development of navigation industry is closely related to the development of national economy. At present, many navigational sensors are very susceptible to electromagnetic interference in the working environment, which is very unfavorable to the development of the navigation industry. Based on the characteristics of electromagnetic signal when the marine stroke sensor is working, noise reduction and de-noising experiments are carried out on the output signal of the stroke sensor with different noise suppression algorithms in order to minimize the noise interference of the stroke sensor in the navigating vessel, so that the naval vessel can work normally.

travel sensor；electromagnetic interference signal；suppression algorithm

V241.6

A

1672 – 7649(2017)09 – 0155 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.031

2017 – 02 – 07

農(nóng)業(yè)部財政重大專項資助項目(NFZX2013)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所)資助項目(2013YD17)；南海區(qū)漁政管理現(xiàn)狀與對策研究資助項目(20161103)

黃應(yīng)邦(1983 – )，男，碩士，助理研究員，船長，研究方向為船舶管理、通信和航海研究及漁業(yè)應(yīng)急管理研究等。