海水營(yíng)養(yǎng)鹽微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究

劉杰，劉巖，曹煊，馬然，張述偉，郭翠蓮

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001)

目前，海水營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器的工作原理主要是依據(jù)分光光度法，利用光電轉(zhuǎn)換器件硅光電二極管，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)計(jì)算出海水的吸光度，進(jìn)而根據(jù)線(xiàn)性關(guān)系求取營(yíng)養(yǎng)鹽5項(xiàng)參數(shù)的濃度[1]。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，如何在高強(qiáng)度噪聲信號(hào)中檢測(cè)出有用的微弱信號(hào)已經(jīng)成為影響營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器檢測(cè)精度的關(guān)鍵所在。大部分營(yíng)養(yǎng)鹽信號(hào)檢測(cè)電路一般采用分離的模擬器件對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行前置放大和簡(jiǎn)單的RC濾波，軟件算法主要在MCU中采用一階低通濾波算法或簡(jiǎn)單滑動(dòng)平均濾波算法進(jìn)行進(jìn)一步處理[2]。現(xiàn)有的營(yíng)養(yǎng)鹽信號(hào)檢測(cè)電路的主控芯片一般不具備浮點(diǎn)運(yùn)算和高速數(shù)字信號(hào)處理的功能，導(dǎo)致濾波算法的逼近速度較慢，誤差變化較大，對(duì)系統(tǒng)信噪比改善程度十分有限，進(jìn)而從根本上影響了營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度。為此，本文提出了一種新的海水營(yíng)養(yǎng)鹽微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方案。主控芯片采用功能強(qiáng)大的高級(jí)單片機(jī)STM32F401，可以進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速和高速的數(shù)字信號(hào)處理。硬件采用模擬正交鎖相放大電路對(duì)微弱電壓信號(hào)做前置處理，軟件算法采用變步長(zhǎng)最小均方(least mean square, LMS)自適應(yīng)濾波算法并在STM32F401平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)期的仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文提出的海水營(yíng)養(yǎng)鹽微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方案可以有效提高被檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

1 模擬鎖相放大電路設(shè)計(jì)

模擬鎖相放大電路的主控芯片采用行業(yè)流行的32位微處理器STM32F401，其工作頻率可達(dá)84 MHz。該處理器包含了DSP的IP core、浮點(diǎn)運(yùn)算單元和自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器，可以快速實(shí)現(xiàn)本文提出的變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法。本文設(shè)計(jì)的模擬鎖相放大電路主要包括三部分：前置可調(diào)增益放大電路、相敏檢波電路及二階低通濾波電路。電路原理如圖1所示。光電二極管的輸出電壓信號(hào)通過(guò)可調(diào)增益放大電路對(duì)進(jìn)行放大；相敏檢波電路進(jìn)行信號(hào)的乘法運(yùn)算，提取有用的微弱信號(hào)，輸出直流信號(hào)和倍頻信號(hào)；二階低通濾波電路則用于濾除高頻信號(hào)，剩下直流信號(hào)輸出給24位ADC芯片AD7791進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖1 模擬鎖相放大電路原理圖

可調(diào)增益放大電路主要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行可調(diào)增益放大，一是將信號(hào)放大到足夠大，二是防止信號(hào)過(guò)大使得電路發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象[5]。可增益放大電路核心運(yùn)放采用ADI公司的AD797，該運(yùn)放供電電壓范圍為±5 V到±15 V，其小信號(hào)帶寬能夠達(dá)到110 MHz，大信號(hào)帶寬能夠達(dá)到80 MHz[6]。

模擬相敏檢波主要使用乘法電路完成兩個(gè)信號(hào)的乘法運(yùn)算，兩個(gè)頻率相同的信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法運(yùn)算后，會(huì)輸出直流信號(hào)和倍頻信號(hào)。而其他不相同頻率的信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法電路后得到的是高頻信號(hào)，因此經(jīng)過(guò)低通濾波后剩下的只是直流信號(hào)，有用的信號(hào)就包含在這個(gè)直流信號(hào)之中。乘法器芯片采用ADI公司的高速芯片AD835，該芯片的小信號(hào)帶寬能夠達(dá)到250 MHz,可以完成直流乘法、直流信號(hào)和交流信號(hào)的乘法以及交流信號(hào)和交流信號(hào)的乘法[7]。

二階低通濾波電路主要是用來(lái)濾除高頻信號(hào)，輸出直流信號(hào)供ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文選用AD8038搭建截止頻率為50 Hz的二階低通濾波器。該芯片是ADI公司的高帶寬、低功耗的電壓反饋性集成運(yùn)放，供電電壓范圍為±3 V到±12 V[8]。

2 改進(jìn)的變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法

營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器進(jìn)行光電檢測(cè)后的微弱電壓信號(hào)含有較多的高斯白噪聲，且該微弱信號(hào)穩(wěn)定無(wú)突變，所以采用LMS自適應(yīng)濾波算法對(duì)該微弱信號(hào)做進(jìn)一步處理并在STM32F401硬件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。LMS算法在自適應(yīng)濾波算法領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是因?yàn)長(zhǎng)MS算法復(fù)雜度較低、流程簡(jiǎn)單且易于在實(shí)時(shí)頻譜分析儀上實(shí)現(xiàn)。但是傳統(tǒng)的LMS算法也存在很大的弊端，就是收斂速度較低[9]。在有限的數(shù)據(jù)條件下，自適應(yīng)濾波的速度越快，在最后的結(jié)果中收斂過(guò)程就越短，即噪聲分量就越小，信號(hào)信噪比也就越高。但是要想提高收斂速度就必須提高步長(zhǎng)μ，在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)，越大的步長(zhǎng)μ會(huì)導(dǎo)致更大的穩(wěn)態(tài)誤差，進(jìn)而結(jié)果中包含更多的噪聲。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用變步長(zhǎng)μ(n)替代固定步長(zhǎng)μ。

變步長(zhǎng)濾波的主要過(guò)程為：在保證收斂的前提下，以實(shí)時(shí)誤差e(n)為依據(jù)對(duì)μ(n)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使μ(n)最符合當(dāng)前條件的取值。即在實(shí)時(shí)誤差e(n)比較大時(shí)，μ(n)也選取比較大以加快逼近速度；當(dāng)實(shí)時(shí)誤差e(n)比較小時(shí)，μ(n)就相應(yīng)減小；當(dāng)接近收斂時(shí)，為降低穩(wěn)態(tài)誤差，μ(n)也會(huì)隨之選擇比較小的值。對(duì)變步長(zhǎng)μ(n)和誤差e(n)的關(guān)系進(jìn)行分析，本文提出了一種基于正弦函數(shù)的步長(zhǎng)變換方式，其表達(dá)式如下：

(1)

在正弦函數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了兩個(gè)變參數(shù)α(n)，β(n)，能夠?qū)(n)的變化進(jìn)行更好的適應(yīng)，通過(guò)對(duì)α(n)，β(n)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)達(dá)到結(jié)果收斂。本文選擇以e(n)與e(n-1)的比值作為α(n)的取值，即：

(2)

β(n)的取值會(huì)直接影響到自適應(yīng)濾波的收斂穩(wěn)定性，所以應(yīng)減小β(n)的變化程度即降低e(n)對(duì)β(n)的影響程度，β(n)的迭代公式即：

β(n)=(1-λ)β(n-1)+λΔe(n)，

(3)

其中，0<λ<1，當(dāng)Δe(n)趨向于0時(shí)即誤差趨向于穩(wěn)定收斂時(shí)，β(n)=(1-λ)β(n-1)。另一方面為降低e(n)對(duì)β(n)的影響程度，λ最好取值接近于0，這樣就保證了在Δe(n)變化較大時(shí)β(n)的幅度變化較小，既可以保證β(n)在收斂的取值范圍內(nèi)，又提高了穩(wěn)定性。

在Matlab軟件中，以y(t)=sin (2πt/100)為原始信號(hào)，濾波器階數(shù)設(shè)定為10，采樣點(diǎn)數(shù)為500，仿真波形圖如圖2所示。第一、二行波形圖分別為原始信號(hào)和含噪信號(hào)，第三行波形圖為變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法的輸出信號(hào)，λ取值0.03。第四行信號(hào)為傳統(tǒng)定步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法的輸出信號(hào)。結(jié)果表明，變步長(zhǎng)LMS算法在除噪和信號(hào)平滑性等方面具有顯著的優(yōu)越性。

為更好地說(shuō)明變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法的優(yōu)越性，將本文的變步長(zhǎng)LMS算法和傳統(tǒng)定步長(zhǎng)LMS算法的誤差變化進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。結(jié)果表明，變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法在逼近速度、收斂時(shí)間和誤差變化等方面相較于傳統(tǒng)定步長(zhǎng)LMS濾波算法有明顯的改善，非常適用于微弱信號(hào)檢測(cè)提取場(chǎng)合。

信噪比改善是衡量微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，本文提出的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方案輸入輸出信噪比關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。結(jié)果表明，該微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)可以有效提高被檢測(cè)微弱信號(hào)的信噪比。

圖2 變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)濾波算法仿真波形圖

圖3 算法誤差變化對(duì)比波形圖

圖4 輸入輸出信噪比關(guān)系曲線(xiàn)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用本文提出的微弱信號(hào)檢測(cè)方法將3種已知營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的海水樣品檢測(cè)3次并取平均值，依據(jù)公式δ=Δ/L×100%計(jì)算相對(duì)誤差以驗(yàn)證傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，然后根據(jù)相對(duì)誤差計(jì)算每項(xiàng)數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差以驗(yàn)證儀器的精密度[10]，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1的數(shù)據(jù)分析可知，磷酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽的相對(duì)誤差小于±5%，硅酸鹽和硝酸鹽的相對(duì)誤差小于±6%，硅酸鹽、磷酸鹽、銨鹽和亞硝酸鹽的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%，硝酸鹽的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度完全符合營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器實(shí)驗(yàn)室條件下的要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精密度分析表

4 結(jié)論

本文對(duì)海水營(yíng)養(yǎng)鹽微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在硬件電路和濾波算法方面提出了一種新的解決方案，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)，有效克服了傳統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)鹽傳感器測(cè)樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和精密度差等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室仿真和分析結(jié)果表明，本文提出的技術(shù)方案適用于海水營(yíng)養(yǎng)鹽的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析和浮標(biāo)、臺(tái)站等海上平臺(tái)的長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)，對(duì)于海洋生態(tài)環(huán)境要素的變化趨勢(shì)可以做出更加精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。但是，該方案也存在一些不足，比如模擬鎖相放大電路中存在直流放大器，其工作特性隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來(lái)的干擾較大。在今后的工作中，考慮采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的頻率可調(diào)數(shù)字鎖相放大技術(shù)，以進(jìn)一步提高營(yíng)養(yǎng)鹽微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性。