[发明专利]一种适用于反射式/透射式传感器的强抗干扰系统及其工作方法

权利要求书

1.一种适用于反射式/透射式传感器的强抗干扰系统的工作方法，其特征在于：所述强抗干扰系统包含信号切换单元和数字滤波及主控制单元，所述信号切换单元输入侧连接传感器信号源，所述信号切换单元输出侧连接传感器发射器，所述数字滤波及主控制单元输入侧连接传感器接收器，所述数字滤波及主控制单元通过控制端口连接信号切换单元；其中主控制单元对传感器发射信号进行断续切换控制，数字滤波单元对传感器接收器采集的信号进行记录与处理；所述主控制单元断续控制所述信号切换单元分别处于导通/断开状态，使所述传感器发射器工作在有/无信号发射的状态；所述数字滤波单元采用基于信号对称性的数字滤波算法对传感器接收器采集的信号进行记录与处理，利用在无传感器发射信号时采集的数据，拟合求取与噪声信号对应的微差频信号，采用相同采样频率求取微差频信号数据，并与有传感器发射信号时采集的数据进行逐点相减运算，利用奇函数在纵坐标对称区间积分为零的原理对减运算后的数据实现数字滤波，求得有用信号的幅值。

2.根据权利要求1所述的适用于反射式/透射式传感器的强抗干扰系统的工作方法，其特征在于：所述主控制单元控制所述信号切换单元依次处于“导通-关断-导通”状态，在信号切换单元处于导通状态时，传感器发射器有信号发射，接收器采集的信号包含噪声信号与有用信号，选取其中一段时间录制信号波形，分别记为阶段Ⅰ、阶段Ⅲ，当信号切换单元关断时，传感器发射器无信号发射，接收器采集的信号仅包含噪声信号，选取其中一段时间录制信号波形，记为阶段Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的适用于反射式/透射式传感器的强抗干扰系统的工作方法，其特征在于所述基于信号对称性的数字滤波算法具体如下

(1)拟合求取微差频信号

主控制单元控制信号切换单元依次处于“导通-关断-导通”状态，并将阶段Ⅰ、阶段Ⅲ有传感器发射信号时采集的数据，简称为“带噪波形”，存为S₁与S₂，将阶段Ⅱ无传感器发射信号时采集的数据，简称为“纯噪声波形”，存为N；在阶段Ⅱ纯噪声波形N中选取一极大值点，即此时刻带内干扰信号相位接近将该时刻作为0时刻，即此点表示为参考点N[0]，采样信号在任意时刻数值表示为式一，其中N(t)为纯噪声波形任意时刻的值，S_q(t)为带噪波形任意时刻的值，q为带噪波形采样阶段计数

将上述信号表达式离散化为式二，其中N[k]为纯噪声波形任意采样点时刻的值，S_q[k]为带噪波形任意采样点时刻的值，T_S为采样时间

对阶段Ⅱ内采集的纯噪声波形数据使用梯度下降拟合噪声信号的幅值、频率和相位；首先等间隔选取N[0]及关于该点对称的两点N[n_g]与N[-n_g]，三点数值可表示为式三，其中n_g为选取点关于极大值点间隔采样点数，初步按式四估计干扰波形参数作为迭代初值

选用最小二乘拟合正弦干扰波形，拟合选用的样本为阶段Ⅱ纯噪声波形关于N[0]对称的长度为2M的波形数据，设立拟合目标函数为式五

目标函数的梯度矩阵如式六，梯度矩阵各元素表达式如式七，

为确保滤波算法在各种干扰条件下均可快速准确工作，采用调整学习率的AMSGrad梯度下降算法，人工设置初始学习率矩阵，如式八所示

幅值差异对频率的求解影响最显著，而对幅值及相位的影响有限，故在学习过程中固定幅值学习率与相位学习率如式九所示

故对幅值和相位的修正写作式十

频率的修正需考虑学习率对梯度的适应，以确保迭代求解结果为最优；修正过程如式十一：通过计算该点处的梯度，更新有偏一阶矩估计V⁽ⁱ⁾和有偏二阶矩估计S⁽ⁱ⁾，并修正二阶矩始终不小于前一次迭代中其数值，V⁽⁰⁾与S⁽⁰⁾均初始化为0，β₁、β₂均为人工设置的固定超参数

当迭代满足式十二收敛条件，认为迭代收敛并退出计算进入相关性计算环节，将幅值、频率和相位的计算结果分别记为A_n'、Ω'_n及

以上迭代求解计算中，幅值与相位收敛速度快，且其数值与实际包含的噪声信号的幅值相位误差几乎为0；同时频率收敛慢，与实际包含的噪声信号存在微小误差，通过迭代求解的关于N[0]对称的估计阶段Ⅰ与阶段Ⅲ所包含微差频噪声信号N'_q[k]在各采样点的数值如式十三所示

(2)逐点相减运算

用拟合求解的微差频噪声信号波形与阶段Ⅰ及阶段Ⅲ带噪波形按式十四进行逐点相减运算，如式十五所示，进行减运算后的波形数据表示为有用信号与噪声残差波形的叠加

S_rq[k]＝S_q[k]-N'_q[k] q＝1,2 k∈Z 式十四

对阶段Ⅰ与阶段Ⅲ的噪声残差波形表达式做展开变换并提取差频分量、和频分量和相位变量可变换为式十六：

上式进一步改写为式十七求和形式

由于微差频信号的幅值、相位与实际包含的噪声信号的幅值、相位几乎相等，近似认为：

故做减运算处理后的带噪波形包含的噪声残差近似表达式为式十九

(3)利用信号对称性的数字滤波

关于参考点N[0]按式二十构造与发射信号同频率的正弦参考信号：

R[k]＝sin(Ω_rk) 式二十

用参考信号对阶段Ⅰ与阶段Ⅲ经减运算处理后的带噪信号波形逐点调制并求和，其离散化表达如式二十一，其中I为求和起始下标，L为求和数据长度

根据式十九可知噪声残差关于参考点为偶函数，通过式二十可知虚拟参考波形关于参考点为奇函数，故其相乘结果式二十一关于参考点为奇函数，根据奇函数在纵坐标对称区间积分为零的原理可以消除噪声残差，如式二十二、式二十三所示：

C₁＝A_rL cosφ₁ 式二十三

移动参考点至临近极值点，与N[0]间隔m个采样点，重复以上式二十至式二十二的步骤，可求解出式二十四

联立式二十三与式二十四可求解出有用信号幅值如式二十五：