引言

目前瓦斯氣體在礦井中的積累已成為困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大難題，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的準(zhǔn)確、有效地監(jiān)控，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有極其重要的意義。由于礦井中存在著即有噪聲以及生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量噪聲，被噪聲淹沒的微弱瓦斯信號(hào)相對(duì)于噪聲來說顯得及其微弱，如輸入信號(hào)的信噪比為10–1 、10–2、有的甚至10–5 ，瓦斯信號(hào)被“深埋”在噪聲之中，另外檢測(cè)傳輸時(shí)又受到信號(hào)端、傳輸器件及變換器件等本身存在的噪聲影響，表現(xiàn)出的總體效果是有用微弱瓦斯信號(hào)被大量的噪聲和干擾所淹沒。由于噪聲具有隨機(jī)性，而信號(hào)具有周期性、相關(guān)性，所以本文采用鎖相放大原理中的相敏檢波技術(shù)中互相關(guān)運(yùn)算來削弱噪聲的影響，然后在經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，此濾波器的頻帶寬度做的很窄，那么經(jīng)過相敏檢波輸出后，只有落在低通濾波器的等效噪聲帶寬之內(nèi)的分量才有輸出，其他的高頻分量均被濾除，此方法具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力。方便提取低濃度的瓦斯信號(hào)，在微弱瓦斯氣體檢測(cè)中達(dá)到了高效性和高靈敏度，很好地降低了微弱瓦斯積聚帶來的危害。

微弱瓦斯信號(hào)檢測(cè)的原理和方法

衡量瓦斯氣體吸收的基本定律是朗伯比爾定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式1：

式1

式1中：A為吸光度，T為透射比是投射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值。c為吸光物質(zhì)的濃度，b為吸收層厚度。

其物理意義是：當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。也就是說明光的吸收與吸光物質(zhì)的濃度成正比。

考慮到氣體吸光度與瓦斯?jié)舛茸儞Q量的關(guān)系，當(dāng)煤礦井下存在微弱的瓦斯氣體時(shí)，式中的b、c值均小，同時(shí)比例系數(shù)一般很小，那么特別針對(duì)于微弱的信號(hào)A的值就很微小，所以在檢測(cè)瓦斯氣體的濃度時(shí)，很容易被噪聲信號(hào)掩蓋。為了更好地檢測(cè)微弱瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，采用的方法是：通過相敏檢波器（乘法器）和低通濾波器（積分器）完成相關(guān)運(yùn)算，利用相關(guān)檢測(cè)以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲。

相敏檢波器實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算

相敏檢波PSD就是對(duì)被測(cè)信號(hào)、參考信號(hào)兩個(gè)信號(hào)間的相位進(jìn)行檢波，它是將被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)送入PSD中，在混頻器中相乘。PSD工作原理如圖1所示：

圖1 PSD工作原理圖

在設(shè)計(jì)相敏檢波器時(shí)，設(shè)待測(cè)信號(hào)其中、、、、分別為待測(cè)信號(hào)的幅度、時(shí)間、初相位和頻率。參考信號(hào)為其中、、、 分別為待測(cè)信號(hào)的幅度、時(shí)間、初相位和頻率。相敏檢波器的輸出電壓為：

其中n為諧波次數(shù)。公式表明：相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為待測(cè)信號(hào)與參考的差頻分量，當(dāng)被檢測(cè)有用信號(hào)與參考信號(hào)同步時(shí)，即時(shí)（n=0），差頻為零，這時(shí)差頻分量變成相敏直流電壓分量，而后者成為倍頻。即經(jīng)相敏檢波后電壓輸出僅與相位差有關(guān)。如果通過DSP控制參考信號(hào)的初相位，使其與輸入信號(hào)同相，最終的直流分量值為，可見只要待測(cè)信號(hào)中有用的信號(hào)本身和參考信號(hào)同頻同相，即可方便地得到濾波前檢波器直流輸出信號(hào)。

濾波器的選擇

相敏檢波器的輸出信號(hào)只有在經(jīng)過一個(gè)低通濾波后，才能得到與濃度有關(guān)的直流信號(hào)，所以低通濾波是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響后期的數(shù)據(jù)處理。考慮到礦井下通信環(huán)境的特殊要求，為了確保提取有用的信號(hào)采用的是FIR濾波器，這種濾波器對(duì)脈沖輸入信號(hào)的響應(yīng)最終趨向于零，故這種濾波器一定是穩(wěn)定和能夠?qū)崿F(xiàn)的，另外在線性相位要求高的場(chǎng)所采用FIR濾波器也較好，同時(shí)也符合了參考信號(hào)與有用信號(hào)同頻同相的要求。

本設(shè)計(jì)中的FIR低通濾波器采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率為10kHz，采樣頻率為40kHz的指標(biāo)，阻帶衰減為80dB。

DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波

相敏檢波器的輸出信號(hào)直接被采樣到DSP的內(nèi)部，利用DSP優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)高速處理數(shù)據(jù)能力來實(shí)現(xiàn)低通數(shù)字濾波?；诖吮疚牟捎肈SP實(shí)現(xiàn)低通濾波，在濾波方式上進(jìn)行算法的改進(jìn)。選擇TMS320F2812型DSP 為核心的主控芯片，它具有高速的運(yùn)算能力、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力和高度集成化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，指令周期為6.67ns，并采用流水線技術(shù)，使得信號(hào)的處理速度明顯提高。DSP中的專用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一個(gè)處理器時(shí)鐘周期里可以得到兩個(gè)操作數(shù)相乘的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號(hào)處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運(yùn)算，此外，TMS320F2812片內(nèi)擁有高達(dá)128K×16位的FLASH程序存儲(chǔ)器，可以滿足程序中濾波器的系數(shù)、采樣數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果的乘法和累加的存儲(chǔ)。

程序開始時(shí)首先要對(duì)系統(tǒng)、寄存器、工作變量進(jìn)行初始化，打開全局中斷，設(shè)置采樣時(shí)鐘頻率，EVA模塊的定時(shí)器初始化及配置，數(shù)據(jù)的采樣是在中斷子程序中完成，采集到的數(shù)據(jù)先保存在FIFO中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)開始進(jìn)行相關(guān)性、濾波等一系列的處理，最后將結(jié)果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示：[!--empirenews.page--]

圖2 程序流程圖

仿真圖形如圖3、圖4、圖5所示：圖3上半部分是濾波前的波形，下半部分是濾波后的波形。

仿真結(jié)果分析：由時(shí)域圖可以看出，原始波形上的不規(guī)則毛刺得到了很好的平滑，反映在頻譜圖可以看出，輸入波形中的低頻部分通過了濾波器，高頻信號(hào)則大部分被濾除。較好地抑制了噪聲的干擾，進(jìn)而有效的提取微弱瓦斯信號(hào)，符合鎖相放大對(duì)輸出波形的要求。

 
圖3 濾波前后的波形對(duì)照

圖4 濾波前輸入信號(hào)的頻譜

圖5 濾波后輸出信號(hào)的頻譜

結(jié)束語

本文介紹了一種鎖相放大和DSP實(shí)現(xiàn)的濾波器共同實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)的原理和方法，并給出了TMS320F2812 DSP在算法上實(shí)現(xiàn)低通濾波器的流程圖及仿真結(jié)果，結(jié)果表明采用DSP實(shí)現(xiàn)低通濾波與相敏檢波原理相結(jié)合的方法來檢測(cè)微弱瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，可使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈敏度更高。